Bài 7: Nitơ

I. VỊ TRÍ VÀ CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TỬ

• Nitơ nằm ở ô thứ 7, nhóm VA, chù kì 2 trong bảng tuần hoàn.
• Cấu hình electron của nguyên tử N (Z = 7) 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, liên kết với nhau bằng liên kết ba và có cấu tạo là  \(N\equiv N\).

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Ở điều kiện thường nitơ là:

• Chất khí, không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí.
• Hóa lỏng ở -196^oC, rất ít tan trong nước.
• Không duy trì sự cháy và hô hấp.

II. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Liên kết ba trong phân tử nitơ rất bền, ở 3000^oC nó vẫn chưa bị phân hủy rõ rệt thành các nguyên tử. Do đó, ở nhiệt độ thường nitơ khá trơ về mặt hóa học, ở nhiệt độ cao thì nitơ trở nên hoạt động hơn và có thể tác dụng với nhiều chất.

Trong các hợp chất, nitơ có thể có các số oxi hóa là -3, 0, +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 chất chủ yếu của khí nitơ vẫn là tính oxi hóa.

1. Tính oxi hóa

• 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. Ví dụ:

N₂   +    3Mg    \(\underrightarrow{t^o}\)     Mg₃N₂

N₂   +  2Al  \(\underrightarrow{t^o}\)   2AlN

• Tác dụng với hidro

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

N₂   +   3H₂      2NH₃

Trong các phản ứng trên, số oxi hóa của nitơ giảm từ 0 xuống -3, chứng tỏ nitơ thể hiện tính oxi hóa.

2. Tính khử

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

N₂   +    O₂      2NO

Trong phản ứng này, số oxi hóa của nitơ tăng từ 0 đến +2, nitơ thể hiện tính khử. Trong thiên nhiên, khí NO được tạo thành khi có sấm sét.

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:

NO   +   O₂    →     2NO₂ 

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

IV. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở dạng tự do và dạng hợp chất.

• Ở dạng tự do, khí nitơ chiếm khoảng 4/5 thể tích của không khí.
• Ở dạng hợp chất, nitơ có nhiều trong khoáng chất natri nitrat NaNO₃, với tên gọi là diêm tiêu natri.

V. ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ

1. 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 axit nitric, phân đạm,...
• Nitơ được dùng làm môi trường trong ngành công nghiệp như luyện kim, thực phẩm, điện tử... Nitơ lỏng được dùng để bảo quản máu và các mẫu vật sinh học khác.

2. Điều chế

• Trong công nghiệp

Nitơ được điều chế bằng phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng. Sau khi đã loại bỏ tạp chất, không khí được hóa lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ rất thấp. Nâng nhiệt độ lên -196^oC thì nitơ sôi và được lấy ra, còn lại là oxi lỏng vì oxi có nhiệt độ sôi cao hơn (-183^oC).

• Trong phòng thí nghiệm

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

NH₄NO₂   \(\underrightarrow{t^o}\)  N₂↑   +   2H₂O

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

NH₄Cl   +   NaNO₂   \(\underrightarrow{t^o}\)    N₂  +  NaCl   +   2H₂O

Trong quá trình học tập, nếu có bất kỳ thắc mắc nào, các em hãy để lại câu hỏi ở mục hỏi đáp để cùng thảo luận và trả lời nhé. Chúc các em học tốt!