Bài 7. Nitơ - Củng Cố Kiến Thức

I. Vị trí và cấu hình electron nguyên tử

Nitơ ở ô thứ 7, nhóm VA, chu kì 2 của bảng tuần hoàn.

Cấu hình electron nguyên tử của nitơ là 1s22s22p3.

Ba electron ở phân lớp 2p có thể tạo được ba liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác.

Phân tử nitơ gồm hai nguyên tử, giữa chúng hình thành một liên kết ba: $N \equiv N$.

II. Tính chất vật lí

Ở điều kiện thường, nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị, hơi nhẹ hơn không khí, hóa lỏng ở -196 oC. Khí nitơ tan rất ít trong nước. Nitơ không duy trì sự cháy và sự hô hấp.

III. Tính chất hóa học

Liên kết ba trong phân tử nitơ rất bền.

Ở nhiệt độ cao nitơ có thể tác dụng được với nhiều chất.

Trong các hợp chất cộng hóa trị của nitơ với những nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn (như hiđro, kimloại,...), nguyên tố nitơ có số oxi hóa - 3. Còn trong các hợp chất cộng hóa trị của nitơ với những nguyên tố có độ âm điện lớn hơn (oxi, flo), nguyên tố nitơ có số oxi hóa từ +1 đến +5.

Khi tham gia phản ứng oxi hóa - khử, số oxi hóa của nitơ có thể giảm hoặc tăng, do đó nó thể hiện tính oxi hóa hoặc tính khử. Tuy nhiên, tính oxi hóa vẫn là tính chất chủ yếu của nitơ.

1.Tính oxi hóa

a. Tác dụng với kim loại

Ở nhiệt độ cao, nitơ tác dụng được với một số kim loại hoạt động như Ca, Mg, Al,... tạo thành nitrua kim loại.

b. Tác dụng với hiđro

Ở nhiệt độ cao, áp suất cao và có mặt chất xúc tác, nitơ tác dụng trực tiếp với hiđro, tạo ra khí amoniac.

Trong những phản ứng nêu trên, số oxi hóa của nguyên tố nitơ giảm từ 0 đến -3, nitơ thể hiện tính oxi hóa.

2. Tính khử

Ở nhiệt độ khoảng 3000oC (hoặc nhiệt độ của lò hồ quang điện), nitơ kết hợp trực tiếp với oxi, tạo ra khí nitơ monooxit NO.

Ở điều kiện thường, khí NO không màu kết hợp ngay với oxi của không khí, tạo ra khí nitơ đioxit NO2 màu nâu đỏ.

Ngoài các oxit trên, còn có các oxit khác của nitơ như N2O, N2O3, N2O5, chúng không điều chế được bằng tác dụng trực tiếp giữa nitơ và oxi.

IV. Ứng dụng

Nguyên tố nitơ là một trong những thành phần dinh dưỡng chính của thực vật.

Trong công nghiệp, phần lớn lượng nitơ sản xuất ra được dùng để tổng hợp khí amoniac, từ đó sản xuất ra axit nitric, phân đạm, ...

Nhiều ngành công nghiệp như luyện kim, thực phẩm, điện tử, ... sử dụng nitơ làm môi trường trơ. Nitơ lỏng được dùng để bảo quản máu và các mẫu vật sinh học khác.

V. Trạng thái tự nhiên

Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở dạng tự do (chiếm 78,16% thể tích của không khí) và dạng hợp chất. Nitơ thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị: ${}_7^{14}N$ (99,63%) và ${}_7^{15}N$ (0,37%).

Ở dạng hợp chất, nitơ có nhiều trong khoáng chất natri nitrat NaNO3, với tên gọi là diêm tiêu natri.

VI. Điều chế

1. Trong công nghiệp

Nitơ được sản xuất bằng phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng. Sau khi đã loại bỏ CO2 và hơi nước, không khí được hóa lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ rất thấp. Nâng nhiệt độ không khí lỏng đến -196 oC thì nitơ sôi và được lấy ra, còn lại là oxi lỏng, vì oxi lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn (-183 oC). Khí nitơ được vận chuyển trong các bình thép, nén dưới áp suất 150 atm.

2. Trong phòng thí nghiệm

Một lượng nhỏ nitơ tinh khiết được điều chế bằng cách đun nóng nhẹ dung dịch bão hoà muối amoni nitrit:

$N{H_4}N{O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}{\text{ }}{{\text{N}}_2} \uparrow {\text{ }} + {\text{ }}2{H_2}O$

Muối này kém bền, có thể được thay thế bằng dung dịch bão hoà của amoni clorua và natri nitrit:

$N{H_4}Cl{\text{ }} + {\text{ }}NaN{O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}{N_2} \uparrow {\text{ }} + {\text{ }}NaCl{\text{ }} + {\text{ }}2{H_2}O$