Khí nitơ (N2): Chi tiết lý thuyết và bài tập áp dụng

Nitơ là một nguyên tố hóa học chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là thành phần tạo nên mọi cơ thể sống. Toàn bộ lý thuyết cơ bản về khí ni tơ như: Khái niệm, tính chất, ứng dụng và điều chế sẽ được giải đáp chi tiết nhất trong bài viết dưới đây. 

Khí ni tơ là gì?

Khái niệm: Nitơ (tên tiếng Anh là nitrogen) là một nguyên tố hóa học ở vị trí thứ 7, chu kì 2, thuộc nhóm VA trong bảng tuần hoàn hóa học. 

Kí hiệu: N2 và thường tồn tại ở dạng khí với liên kết 3. 

Cấu hình electron nguyên tử:  1s2 2s2 2p3. Như vậy, cấu trúc electron của N2 gồm 2 lớp, lớp ngoài cùng vỏ có 5 electron hoạt động. Vì vậy, loại khí này được coi là một phi kim hoạt động mạnh.  

Công thức cấu tạo: N ≡ N

Trạng thái tự nhiên của nitơ

Sau khi đã biết khí ni tơ là chất gì, cùng tìm hiểu các dạng tồn tại của nó xung quanh ta. Trong tự nhiên, ni tơ tồn tại dưới dạng tự do và hợp chất. 

• Nito thiên nhiên chiếm 78.16% thể tích không khí, là hỗn hợp của 2 đồng vị: 14/7N(99.63%) và 15/7N(0.37%)

• Nito dưới dạng hợp chất có nhiều trong natri nitrat NaNO3 với tên gọi diêm tiêu natri. 

• Nito có mặt trong tất cả các cơ thể sống, chủ yếu dưới dạng các amino acid (protein) và cũng có trong các acid nucleic (RNA và DNA). Theo nghiên cứu, cơ thể con người chứa khoảng 3% nitơ theo trọng lượng. Đây là nguyên tố phổ biến thứ tư trong cơ thể đứng sau oxy, cacbon và hydro.

Tính chất vật lý của khí nitơ

Sau đây là những tính chất vật lý cơ bản của nitơ mà bạn cần nhớ:

• Nitơ là một chất khí không màu, không mùi, không vị và có khối lượng nhẹ hơn không khí N2=28, còn gọi là đạm khí.

• Ít tan trong nước (ở điều kiện thường, 1 lít nước hòa tan được 0.015 lít khí nitơ)

• Nhiệt độ hóa lỏng ở – 196 độC và nhiệt độ hóa rắn cũng rất thấp. Nitơ lỏng là một dạng hợp chất giống nước nhưng chỉ có 80.8% nitơ ở điểm sôi, hằng số điện môi là 1.4.

• Không duy trì sự cháy và sự sống.

Tính chất hóa học của nitơ

Vậy đâu là những tính chất hóa học của nitơ? 

• Ni tơ là một chất có liên kết 3 rất bền, thậm chí ở 3000*C nó vẫn chưa bị phân hủy rõ rệt thành các nguyên tử. 

• Ở nhiệt độ thường, Nitơ trơ về mặt hóa học nhưng trở nên hoạt động hơn và tác dụng được với nhiều chất khi ở nhiệt độ cao. 

• Trong các hợp chất cộng hóa trị của nitơ với những nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn (như hidro, kim loại…), nitơ có oxi hóa -3. 

• Trong các hợp chất cộng hóa trị của nitơ với những nguyên tố có độ âm điện lớn hơn (oxi, clo, flo), nitơ có số oxi hóa dương, từ +1 đến +5. 

Như vậy, khi tham gia phản ứng oxi hóa – khử, ni tơ có thể giảm hoặc tăng số oxi hóa. Vì lý do này, nitơ vừa có tính oxi hóa, vừa có tính khử. Trong đó, tính oxi hóa là tính chất chủ yếu của N2.

Nitơ có tính oxi hóa

Với hầu hết các nguyên tố kim loại, nitơ sẽ tác dụng ở nhiệt độ cao, thể hiện tính oxi hóa khi giảm số oxi hóa từ 0 xuống -3 với các xúc tác là khí hidro, nhiệt độ, áp suất. Ngoại trừ trường hợp tác dụng với Li ( có thể tác dụng ở điều kiện thường).

Tác dụng với kim loại

Ở nhiệt độ cao, nitơ thể hiện tính oxi hóa khi tác dụng với một số kim loại hoạt động mạnh như Ca, Mg, Al… và tạo thành nitrua kim loại. 

Ví dụ: 

3Mg + N2 → Mg3N2 (nhiệt độ)

       0        -3 

Tác dụng với hidro

Ở nhiệt độ cao, áp suất cao và có mặt chất xúc tác, ni tơ có thể tác dụng trực tiếp với Hidro tạo ra amoniac theo phương trình:

N2 + 3H2 → ← 2NH3 (nhiệt độ, P, chất xúc tác)

0                              -3

Trong phản ứng này, nitơ thể hiện tính oxi hóa khi số oxi hóa giảm từ 0 xuống -3.

Nitơ có tính khử

Ở nhiệt độ khoảng 3000 độ C (hoặc tiếp xúc với tia lửa điện), nitơ sẽ thể hiện tính khử khi kết hợp trực tiếp với oxi và tạo ra khí nitơ monooxit NO theo phương trình:

N2 + O2 → ←2NO (nhiệt độ)

0                              +2

Như vậy, nito thể hiện tính khử khi số oxi hóa tăng từ 0 đến +2. Chất này sẽ bị hóa nâu đỏ trong không khí tạo thành NO2. 

Nitơ oxit là một nhóm các hợp chất – sản phẩm được tạo ra bởi hai nguyên tố N và O.Chúng sẽ có những tính chất khác nhau và công dụng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc. Chẳng hạn: N2O là một chất khí gây cười, có hại cho não bộ, NO2 lại là thành phần gây ô nhiễm môi trường, sử dụng trong y tế hoặc được dùng làm thành phần trong phân bón hóa học.

Điều chế nitơ như thế nào?

Có rất nhiều cách để điều chế N2 nhưng dưới đây là một số phương pháp phổ biến nhất. 

Điều chế nitơ trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế nitơ tinh khiết bằng cách đun nóng nhẹ dung dịch bão hòa muối amoni nitrit (hoặc thay thế bằng amoni clorua và natri nitrit). 

Phương trình:

NH4NO2 → N2 (↑) + 2H2O (nhiệt độ)

NH4Cl + NaNO2 → N2 (↑) + NaCl + 2H2O (nhiệt độ)

Bên cạnh đó, để điều chế nitơ trong phòng thí nghiệm, người ta cũng có thể đun nóng amoni dicromat (NH4)2Cr2O7  hoặc phân hủy nhiệt Natri Azide hoặc Bari Azide.

Sản xuất nitơ trong công nghiệp

Trong công nghiệp, nitơ được sản xuất bằng phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ cực thấp sau khi loại bỏ CO2 và hơi nước. Khi nhiệt độ không khí lỏng được nâng đến -196 độ C, nitơ sôi và được lấy ra.

Bên cạnh đó, nitơ trong công nghiệp cũng được điều chế bằng phương pháp cơ học lọc màng, sử dụng áp suất (PSA).

Đây là hai trong những cách điều chế N2 tạo ra được nhiều sản phẩm và tốn ít chi phí nhất có thể. Nitơ được vận chuyển trong bình thép với áp suất nén 150atm.

Xem thêm: 

• Sự điện li là gì? Lý thuyết và giải bài tập chi tiết
• Phản ứng trao đổi ion: Điều kiện xảy ra phản ứng và viết phương trình ion rút gọn

Ứng dụng của nitơ trong đời sống, công nghiệp

Khí nitơ có vai trò như thế nào trong đời sống của chúng ta? Khí ni tơ có ích hay có hại, sử dụng chúng ra sao? Cùng tìm hiểu ứng dụng của nitơ trong đời sống, công nghiệp dưới 3 dạng: Khí nitơ, hợp chất nitơ và khí nito lỏng.

Ứng dụng hợp chất nitơ

Phân tử nitơ trong khí quyển tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên, nó được chuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp. Kết hợp hay cố định nitơ là đặc trưng quan trọng trong công nghiệp hóa chất hiện đại. Nitơ được chuyển hóa thành amonia – chất này có thể sử dụng trực tiếp dưới dạng phân bón hoặc trở thành nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng như thuốc nổ, nhiên liệu cho tên lửa. 

Ứng dụng khí nitơ lỏng

Nitơ lỏng là gì? Nitơ lỏng là nitơ ở trạng thái lỏng, nhiệt độ của nó cực thấp (khoảng -196 độ C), nó có thể phá hủy mọi thứ liên quan đến sự sống. Nó là một trong các loại khí công nghiệp và có ứng dụng rộng rãi.

Nitơ lỏng được sản xuất theo quy mô công nghiệp được biết đến như một tác nhân làm lạnh có thể làm cứng ngay lập tức các mô sống khi tiếp xúc. Nó có vai trò như một chất cô đặc và là nguồn vận chuyển của nitơ dạng khí không cần nén. Ngoài ra, nó có thể duy trì nhiệt độ một cách đáng kinh ngạc. Với khả năng bay hơi ở 77 K (-196°C hay -320°F), ni tơ lỏng cực kỳ hữu ích trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như: 

• Làm lạnh thực phẩm trong quá trình vận chuyển. 

• Bảo quản các mẫu và chế phẩm sinh học (bộ phận thân thể hay các tế bào tinh trùng và trứng…).

• Ứng dụng trong nhiều nghiên cứu các tác nhân làm lạnh.

• Minh họa trong giáo dục.

• Loại bỏ các tổn thương da ác tính hay tiềm năng gây ung thư (mụn cóc, vết chai sần trên da…)

• Nguồn làm mát để tăng tốc CPU, GPU, hay các dạng phần cứng khác.

Ứng dụng của khí nitơ

Nitơ dạng khí được sản xuất nhanh chóng bằng cách cho nitơ lỏng ấm lên và bay hơi. Chất khí này mang nhiều ứng dụng, phổ biến như:

• Bảo quản độ tươi của thực phẩm đóng gói (bằng việc làm chậm quá trình oxi hóa).

• Đảm bảo an toàncho chất nổ lỏng.

• Sản xuất các linh kiện điện tử (như transistor, diode, và mạch tích hợp IC).

• Sản xuất thép không gỉ, bơm lốp ô tô và máy bay.

• Được sử dụng như là một chất thay thế được ưa chuộng cho dioxide cacbon để tạo áp lực cho các thùng chứa một số loại bia. Nó ít tạo ra bọt hơn, điều này khiến bia nhuyễn và nặng hơn. 

Bài tập về nitơ SGK Hóa học 11 kèm lời giải chi tiết

Cùng áp dụng những lý thuyết chi tiết về nitơ ở các phần trên để thực hành một số bài tập cơ bản trong SGK Hóa học 11 dưới đây. 

Giải bài 1 trang 31 SGK Hóa 11

Trình bày cấu tạo của phân tử N2? Vì sao ở điều kiện thường nitơ là một chất trơ? Ở điều kiện nào nitơ trở nên hoạt động hơn?

Lời giải:

Cấu hình e của nitơ: 1s22s22p3

CTCT của phân tử nitơ: N ≡ N

Giữa hai nguyên tử trong phân tử N2 hình thành một liên kết ba bền vững. Mỗi nguyên tử nitơ trong phân tử N2 có 8e lớp ngoài cùng, trong đó có ba cặp e dùng chung và 1 cặp e dùng riêng đã ghép đôi.

Ở điều kiện thường, nitơ rất trơ vì có liên kết ba bền vững giữa hai nguyên tử. Ở 3000 độ C,  liên kết cũng chưa bị phân huỷ rõ rệt thành nguyên tử.

Ở nhiệt độ cao, nitơ trở nên hoạt động vì phân tử N2 phân huỷ thành nguyên tử nitơ có 5e lớp ngoài cùng và có độ âm điện tương đối lớn (3.04) nên trở nên hoạt động.

Giải bài 2 SGK Hóa 11 trang 31

Nitơ không duy trì sự hô hấp, nitơ có phải khí độc không?

Lời giải: Nitơ không phải là khí độc mặc dù không duy trì sự sống và sự cháy.

Giải bài 3 SGK trang 31 Hóa 11

a. Tìm các cặp công thức đúng của liti nitrua và nhôm nitrua:

A. LiN3 và Al3N

B. Li3N và AlN

C. Li2N3 và Al2N3

D. Li3N2 và Al3N2

b. Viết phương trình hoá học của phản ứng tạo thành liti nitrua và nhôm nitrua khi cho liti và nhôm tác dụng trực tiếp với nitơ. Trong các phản ứng này nitơ là chất oxi hoá hay chất khử?

Lời giải:

a. Đáp án B

Khi liên kết với kim loại, nitơ dễ nhận thêm 3e (Nitơ có 5e lớp ngoài cùng nên có số oxi hoá -3 còn Li dễ nhường 1e và Al dễ nhường 3e nên lần lượt có số oxi hoá là +1 và +3).

b.

6Li + N2 → 2Li3N

 0    0       +1 -3

2Al + N2 → 2AlN

 0    0      +3 -3

Ta thấy trong các phản ứng trên nitơ là chất oxi hoá vì: 

N2 + 6e → 2N

0                  -3

Giải bài 4 trang 31 Hóa 11 SGK

Nguyên tố nitơ có số oxi hoá là bao nhiêu trong các hợp chất sau: NO, NO2, NH3, NH4Cl, N2O, N2O3, N2O5, Mg3N2?

Lời giải:

Trong các hợp chất trên, số oxi hoá của nitơ lần lượt là: +2, +4, -3, -3, +1, +3, +5, -3.

Giải bài 5 Hóa 11 SGK trang 31

Cần bao nhiêu lít khí nitơ và khí hiđro để điều chế được 67.2 lit khí amoniac? Biết rằng thể tích của các khí đề được đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất và hiệu suất của phản ứng là 25%?

Lời giải:

Ta thấy tỉ lệ về thể tích cùng là tỉ lệ về số mol:

N2 + 3H2 → 2NH3 (P, nhiệt độ, xúc tác)

Tỉ lệ số mol cũng chính là tỉ lệ thể tích

Theo phương trình:

V(N2) = 1/2 x V(NH3) = 1/2 x 67.2 = 33.6lit

V(H2) = 3/2 V(NH3) = 3/2 x 67.2 x 100.8lit

Do hiệu suất của phản ứng là 25%, thể tích của nitơ và hidro cần lấy là: 

V(N2) = 33.6 x 100/25 = 134.4 lit

V(H2) = 100.8 x 100/25 = 403.2 lit

Như vậy, bài viết trên đã giúp bạn đọc có thêm những kiến thức cơ bản về nitơ, bao gồm: Nitơ là gì, tính chất vật lý, hóa học, ứng dụng và điều chế nitơ. Wikihoc hi vọng những thông tin này sẽ có ích cho quá trình học tập của bạn. Đừng quên truy cập website của Wikihoc mỗi ngày để nhận thêm  nhiều bài học thú vị khác về môn Toán, Lý, Hóa các cấp học!