Giải SGK Hoá học 11 Kết nối tri thức Bài 4: Nitrogen có đáp án

- Phản ứng giữa nitrogen và hydrogen cần được thực hiện ở nhiệt độ cao do liên kết ba giữa 2 nguyên tử N trong phân tử nitrogen có năng lượng liên kết rất lớn (945 kJ/ mol) nên khó bị phá vỡ.

- Phương trình hoá học:

${\overset{0}{N}}_{2}(g)\ +\ 3{H}_{2}(g)\ \overset{{t}^{o},xt,p}{⇌}2\overset{-3}{N}{H}_{3}(g)$

Số oxi hoá của nitrogen giảm từ 0 xuống -3 nên trong phản ứng này đơn chất nitrogen đóng vai trò là chất oxi hoá.

- Ứng dụng thực tiễn của khí nitrogen (N$_{2}$): Người ta thường dùng khí nitrogen để thay thế hoàn toàn hoặc một phần không khí trong rất nhiều trường hợp khác nhau để giảm nguy cơ cháy, nổ, giảm quá trình oxi hoá do oxygen trong không khí gây nên. Trong lĩnh vực hoá học, khi cần nghiên cứu sự biến đổi chất ở môi trường trơ thì cần đẩy không khí ra và thay vào đó là nitrogen hoặc các khí trơ khác.

- Ứng dụng thực tiễn của diêm tiêu Chile (NaNO$_{3}$, sodium nitrate): Sản xuất phân bón; sản xuất thuốc nổ; sản xuất dược phẩm; sản xuất kính; bảo quản thịt …

Khi tham gia phản ứng oxi hoá – khử, số oxi hoá của nitrogen có thể giảm hoặc tăng, do đó N$_{2}$ thể hiện tính oxi hoá hoặc tính khử. Một số quá trình minh hoạ:

Quá trình oxi hoá: ${\overset{0}{N}}_{2}\rightarrow 2\overset{+2}{N}\ +4e$

Quá trình khử: ${\overset{0}{N}}_{2}+6e\rightarrow 2\overset{-3}{N}.$

- Công thức electron của phân tử nitrogen:

- Công thức Lewis của phân tử nitrogen:

- Công thức cấu tạo của phân tử nitrogen:

Phân tử nitrogen gồm hai nguyên tử, liên kết với nhau bằng liên kết ba (1 liên kết σ và 2 liên kết π) nên phân tử N$_{2}$ có năng lượng liên kết lớn.

Dự đoán: Ở nhiệt độ và áp suất thường, nitrogen khó tham gia phản ứng hoá học.

Phương trình hoá học: ${\overset{0}{N}}_{2}(g)\ +\ 3{H}_{2}(g)\ \overset{{t}^{o},xt,p}{⇌}2\overset{-3}{N}{H}_{3}(g)$

Số oxi hoá của nitrogen giảm từ 0 xuống -3 nên trong phản ứng này đơn chất nitrogen đóng vai trò là chất oxi hoá.

a) ${\overset{0}{N}}_{2}(g)\ +\ {\overset{0}{O}}_{2}(g)\ \overset{{t}^{o}}{⇌}2\overset{+2}{N}\overset{-2}{O}(g)$

b) Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao trên 3000$^{o}$C hoặc có tia lửa điện, nhưng hiệu suất tạo ra NO rất thấp, do đó thực tế không sử dụng phản ứng này để tạo ra NO.

Quá trình tạo và cung cấp đạm nitrate cho đất từ nước mưa được biểu diễn theo sơ đồ:

${N}_{2}\overset{+{O}_{2}}{\rightarrow }NO\ \overset{+{O}_{2}}{\rightarrow }N{O}_{2}\overset{+{O}_{2}+{H}_{2}O}{\rightarrow }HN{O}_{3}\rightarrow {H}^{+}+N{O}_{3}^{-}$

Các phương trình hoá học minh hoạ cho sơ đồ:

N$_{2}$(g) + O$_{2}$(g) $\overset{{t}^{o}}{⇌}$ 2NO(g)

2NO(g) + O$_{2}$(g) → 2NO$_{2}$(g)

4NO$_{2}$(g) + 2H$_{2}$O(l) + O$_{2}$(g) → 4HNO$_{3}$(aq)

HNO$_{3}$ → H$^{+}$ + NO$_{3}$$^{-}$

Một số hình ảnh về ứng dụng của nitrogen trong thực tiễn:

Tham khảo thuyết trình về ứng dụng của nitrogen trong thực tiễn (SGK Hoá học 11 – CD):

Mỗi năm có hàng trăm triệu tấn nitrogen được sản xuất trên toàn cầu; trong đó, lượng nitrogen dạng khí chiếm khoảng hai phần ba, còn lại là nitrogen lỏng.

Vì tính chất kém hoạt động hoá học (tính trơ), nitrogen không oxi hoá các chất khác ở nhiệt độ thường. Dựa vào tính chất này, người ta thường dùng khí nitrogen để thay thế hoàn toàn hoặc một phần không khí trong rất nhiều trường hợp khác nhau để giảm nguy cơ cháy nổ, giảm quá trình oxi hoá do oxygen trong không khí gây nên. Chẳng hạn, khi rút xăng, dầu ra khỏi các bồn chứa hoặc khi đóng gói thực phẩm, người ta bơm khí nitrogen vào để làm giảm nồng độ của oxygen. Trong lĩnh vực hoá học, khi cần nghiên cứu sự biến đổi chất ở môi trường trơ thì cần đẩy không khí ra và thay vào là nitrogen hoặc các khí trơ khác.

Nitrogen hoá lỏng ở nhiệt độ thấp, -196 $^{o}$C. Vì vậy, nitrogen lỏng được sử dụng để làm lạnh nhanh, bảo quản thực phẩm ngay tại nhà máy và trong quá trình vận chuyển. Nitrogen lỏng còn được sử dụng để đóng băng và kiểm soát dòng chảy trong các đường ống.

Trong lĩnh vực sinh học và y học, các mẫu vật sinh học (máu, mô, tế bào, bộ phận cơ thể,...) được bảo quản trong bình nitrogen lỏng. Bình này thường có hai khoang, khoang chứa nitrogen lỏng cùng ống chứa mẫu vật cần bảo quản và khoang chân không để cách nhiệt với bên ngoài.

a) Nitrogen hoá lỏng ở nhiệt độ thấp, -196 $^{o}$C. Vì vậy, nitrogen lỏng được dùng để bảo quản mẫu vật phẩm trong y học.

b) Vì tính chất kém hoạt động hoá học (tính trơ) nên nitrogen không oxi hoá các chất khác ở nhiệt độ thường. Do đó, khí nitrogen được dùng để làm căng vỏ bao bì thực phẩm mà không phải là không khí.

- Quá trình tạo và cung cấp đạm nitrate cho đất từ nước mưa được biểu diễn theo sơ đồ:

${N}_{2}\overset{+{O}_{2}}{\rightarrow }NO\ \overset{+{O}_{2}}{\rightarrow }N{O}_{2}\overset{+{O}_{2}+{H}_{2}O}{\rightarrow }HN{O}_{3}\rightarrow {H}^{+}+N{O}_{3}^{-}$

Các phương trình hoá học minh hoạ cho sơ đồ:

N$_{2}$(g) + O$_{2}$(g) $\overset{{t}^{o}}{⇌}$2NO(g)

2NO(g) + O$_{2}$(g) → 2NO$_{2}$(g)

4NO$_{2}$(g) + 2H$_{2}$O(l) + O$_{2}$(g) → 4HNO$_{3}$(aq)

HNO$_{3}$ → H$^{+}$ + NO$_{3}$$^{-}$

- Các ứng dụng của đơn chất nitrogen ở thể khí và thể lỏng trong bảo quản thực phẩm, dược phẩm, mẫu vật phẩm y tế được dựa vào các tính chất: khí nitrogen kém hoạt động ở nhiệt độ thường và nitrogen hoá lỏng ở nhiệt độ thấp, -196 $^{o}$C.