Nitrogen – Lý thuyết trọng tâm và Phương pháp giải

Lưu trữ tế bào gốc trong nitrogen lỏng (Ảnh Sách KNTT)

Lý thuyết trọng tâm

I. Trạng thái tự nhiên

Trong khí quyển Trái Đất:

  • Nitrogen là nguyên tố phổ biến nhất, chiếm 75,5% khối lượng (hoặc 78,1% thể tích)
  • Tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu

Trong vỏ Trái Đất:

  • Tồn tại ở một số mỏ khoáng dưới dạng sodium nitrate ($\text{NaNO}_3$), thường gọi là diêm tiêu Chile

Trong cơ thể sinh vật:

  • Có trong tất cả cơ thể động vật và thực vật
  • Là thành phần cấu tạo nên nucleic acid, protein
  • Trong cơ thể người, nitrogen chiếm khoảng 3% khối lượng, đứng thứ tư sau oxygen, carbon và hydrogen

Đồng vị:

  • Nitrogen tồn tại với hai đồng vị bền: $^{14}\text{N}$ (99,63\%) và $^{15}\text{N}$ (0,37\%)

II. Cấu tạo nguyên tử, phân tử

1. Cấu tạo nguyên tử

  • Vị trí trong bảng tuần hoàn: Ô số 7, nhóm VA, chu kì 2
  • Độ âm điện: 3,04 → Nitrogen là phi kim điển hình
  • Các số oxi hóa thường gặp: từ -3 đến +5

Trục số oxi hóa của nitrogen:

$$\underset{-3}{\text{NH}_3} \leftarrow \underset{0}{\text{N}_2} \rightarrow \underset{+1}{\text{N}_2\text{O}} \rightarrow \underset{+2}{\text{NO}} \rightarrow \underset{+3}{\text{HNO}_2} \rightarrow \underset{+4}{\text{NO}_2} \rightarrow \underset{+5}{\text{HNO}_3}$$

Trục số oxi hóa của nitrogen từ -3 đến +5
Trục số oxi hóa của nitrogen từ -3 đến +5

2. Cấu tạo phân tử

  • Công thức phân tử: $\text{N}_2$
  • Liên kết: Hai nguyên tử nitrogen liên kết với nhau bằng liên kết ba (1 liên kết σ và 2 liên kết π)
  • Năng lượng liên kết: 945 kJ/mol (rất lớn)
  • Đặc điểm: Phân tử nitrogen không có cực

Các công thức biểu diễn:

Loại công thức Biểu diễn
Công thức electron $:\ddot{\text{N}}:::\ddot{\text{N}}:$
Công thức Lewis $:\text{N} \equiv \text{N}:$
Công thức cấu tạo $\text{N} \equiv \text{N}$

Giải thích tính trơ của nitrogen:

Do liên kết ba trong phân tử $\text{N}_2$ có năng lượng liên kết rất lớn (945 kJ/mol) nên liên kết này rất bền vững, khó bị phá vỡ. Vì vậy, ở nhiệt độ thường, nitrogen khá trơ về mặt hóa học.

III. Tính chất vật lí

Tính chất Đặc điểm
Trạng thái Chất khí
Màu sắc Không màu
Mùi vị Không mùi, không vị
Nhiệt độ hóa lỏng -196°C (khó hóa lỏng)
Độ tan trong nước Tan rất ít (1 lít nước hòa tan được 0,012 lít $\text{N}_2$)
Tính chất khác Không duy trì sự cháy và sự hô hấp

Giải thích:

  • Phân tử $\text{N}_2$ không có cực, khối lượng phân tử nhỏ → tương tác van der Waals yếu → khó hóa lỏng và ít tan trong nước.
Lưu trữ tế bào gốc trong nitrogen lỏng (Ảnh Sách KNTT)
Lưu trữ tế bào gốc trong nitrogen lỏng (Ảnh Sách KNTT)

IV. Tính chất hóa học

Đặc điểm chung:

  • nhiệt độ thường: nitrogen khá trơ (do liên kết ba rất bền)
  • nhiệt độ cao: nitrogen trở nên hoạt động hơn
  • Nitrogen thể hiện cả tính oxi hóatính khử

1. Tác dụng với hydrogen (Thể hiện tính oxi hóa)

Ở nhiệt độ cao, áp suất cao và có xúc tác, nitrogen hóa hợp trực tiếp với hydrogen tạo thành ammonia:

$$\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \xrightarrow{t°, p, \text{xt}} 2\text{NH}_3(g)$$

Điều kiện phản ứng:

  • Nhiệt độ: khoảng 450°C
  • Áp suất: khoảng 200 bar
  • Xúc tác: bột Fe

Phân tích sự thay đổi số oxi hóa:

$$\overset{0}{\text{N}_2} + 3\text{H}_2 \rightarrow 2\overset{-3}{\text{N}}\text{H}_3$$

  • Số oxi hóa của N: $0 \rightarrow -3$ (giảm) → N bị khử → $\text{N}_2$ là chất oxi hóa

Ứng dụng: Đây là quy trình Haber-Bosch, được thực hiện ở quy mô công nghiệp từ năm 1913, là quá trình quan trọng nhất để sản xuất ammonia.

2. Tác dụng với oxygen (Thể hiện tính khử)

Ở nhiệt độ cao trên 3000°C hoặc có tia lửa điện, nitrogen kết hợp với oxygen tạo ra nitrogen monoxide (NO):

$$\text{N}_2(g) + \text{O}_2(g) \overset{t° > 3000°C}{\rightleftharpoons} 2\text{NO}(g) \quad \Delta_rH° = 180{,}6 \text{ kJ}$$

Đặc điểm:

  • Phản ứng thu nhiệt ($\Delta_rH^\circ > 0$)
  • Hiệu suất rất thấp
  • Trong tự nhiên, phản ứng xảy ra trong những cơn mưa dông kèm sấm sét

Phân tích sự thay đổi số oxi hóa:

$$\overset{0}{\text{N}_2} + \text{O}_2 \rightarrow 2\overset{+2}{\text{N}}\text{O}$$

  • Số oxi hóa của N: $0 \rightarrow +2$ (tăng) → N bị oxi hóa → $\text{N}_2$ là chất khử

3. Quá trình tạo và cung cấp đạm nitrate cho đất từ nước mưa

$$\text{N}_2 \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{NO} \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{NO}_2 \xrightarrow{+\text{O}_2 + \text{H}_2\text{O}} \text{HNO}_3 \rightarrow \text{H}^+ + \text{NO}_3^-$$

Ion nitrate ($\text{NO}_3^-$) là một dạng phân đạm mà cây trồng hấp thụ được để sinh trưởng, phát triển.

V. Ứng dụng

Ứng dụng Cơ sở khoa học
Tác nhân làm lạnh Nitrogen lỏng có nhiệt độ rất thấp (-196°C), làm đông lạnh nhanh
Tổng hợp ammonia Nguyên liệu trong quy trình Haber-Bosch để sản xuất $\text{NH}_3$
Tạo khí quyển trơ Nitrogen trơ về mặt hóa học ở nhiệt độ thường, không phản ứng với các chất khác
Bảo quản thực phẩm Không duy trì sự hô hấp, không phản ứng với thực phẩm
Bảo quản mẫu vật y tế Nitrogen lỏng làm mô bị đóng băng ngay khi tiếp xúc, bảo quản tế bào gốc

Phương pháp giải các dạng bài tập

Bài Nitrogen chủ yếu là bài học định tính, phần tính toán xoay quanh phản ứng tổng hợp ammoniachuỗi chuyển hoá tạo đạm nitrate trong tự nhiên.

Hai phương trình cần thuộc:

$$\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \xrightarrow{t^\circ,\ p,\ \text{xt}} 2\text{NH}_3(g)$$

$$\text{N}_2(g) + \text{O}_2(g) \xrightarrow{t^\circ > 3000^\circ\text{C}} 2\text{NO}(g)$$

Công thức dùng chung:

Công thức Ghi chú
$n = \dfrac{m}{M}$ $M_{\text{N}_2} = 28$; $M_{\text{H}_2} = 2$; $M_{\text{NH}_3} = 17$; $M_{\text{HNO}_3} = 63$ (g/mol)
$n = \dfrac{V}{24{,}79}$ Thể tích khí ở điều kiện chuẩn ($25\ ^\circ\text{C}$, $1$ bar)
$H = \dfrac{\text{lượng thực tế}}{\text{lượng lí thuyết}} \times 100\%$ Hiệu suất phản ứng
$\overline{M} = \dfrac{m_{\text{hỗn hợp}}}{n_{\text{hỗn hợp}}}$ Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí

Lưu ý theo chương trình mới: Chương trình 2018 dùng điều kiện chuẩn (đkc) là $25\ ^\circ\text{C}$ và $1$ bar, với thể tích mol khí là $\mathbf{24{,}79}$ L/mol. Giá trị $22{,}4$ L/mol là của “điều kiện tiêu chuẩn (đktc)” theo chương trình cũ, không còn dùng. Khi ra đề hoặc chấm bài cần thống nhất mốc $24{,}79$ L/mol.

Dạng 1: Tính hiệu suất phản ứng tổng hợp ammonia

Phương pháp giải

Bước 1: Viết phương trình hoá học và ghi rõ tỉ lệ mol $1 : 3 : 2$.

Bước 2: Tính số mol các chất ban đầu và số mol sản phẩm thực tế thu được.

Bước 3: Xác định chất phản ứng hết để làm mốc tính hiệu suất. So sánh:

$$\frac{n_{\text{N}_2}}{1} \quad \text{với} \quad \frac{n_{\text{H}_2}}{3}$$

Tỉ số nào nhỏ hơn thì chất đó hết trước. Nếu đề nói một chất “dư” thì lấy chất còn lại làm mốc.

Bước 4: Tính số mol $\text{NH}_3$ lí thuyết theo chất hết.

Bước 5: Tính hiệu suất:

$$H = \frac{n_{\text{NH}_3\ \text{thực tế}}}{n_{\text{NH}_3\ \text{lí thuyết}}} \times 100\%$$

Lỗi hay gặp: Tính hiệu suất theo chất dư. Hiệu suất luôn tính theo chất phản ứng hết, vì đó mới là chất giới hạn lượng sản phẩm.

Ví dụ mẫu 1

Đề bài: Cho $4{,}958$ L khí $\text{N}_2$ (đkc) tác dụng với $\text{H}_2$ dư, thu được $4{,}08$ gam $\text{NH}_3$. Tính hiệu suất của phản ứng.

Lời giải

Bước 1. Phương trình hoá học

$$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{t^\circ,\ p,\ \text{xt}} 2\text{NH}_3$$

Bước 2. Tính số mol $\text{N}_2$ ban đầu

$$n_{\text{N}_2} = \frac{V}{24{,}79} = \frac{4{,}958}{24{,}79} = 0{,}2\ \text{mol}$$

Bước 3. Xác định chất hết

Đề cho $\text{H}_2$ dư nên $\text{N}_2$ là chất giới hạn, tính hiệu suất theo $\text{N}_2$.

Bước 4. Số mol $\text{NH}_3$ lí thuyết

Theo tỉ lệ $1$ mol $\text{N}_2$ tạo $2$ mol $\text{NH}_3$:

$$n_{\text{NH}_3\ \text{lí thuyết}} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4\ \text{mol}$$

Bước 5. Số mol $\text{NH}_3$ thực tế và hiệu suất

$$n_{\text{NH}_3\ \text{thực tế}} = \frac{4{,}08}{17} = 0{,}24\ \text{mol}$$

$$H = \frac{0{,}24}{0{,}4} \times 100\% = 60\%$$

Kết luận: Hiệu suất phản ứng là $60\%$.

Ví dụ mẫu 2

Đề bài: Trộn $0{,}2$ mol $\text{N}_2$ với $0{,}45$ mol $\text{H}_2$ rồi thực hiện phản ứng tổng hợp ammonia. Sau phản ứng thu được $0{,}06$ mol $\text{NH}_3$. Tính hiệu suất phản ứng.

Lời giải

Bước 1. Xác định chất hết

$$\frac{n_{\text{N}_2}}{1} = \frac{0{,}2}{1} = 0{,}2 \qquad \frac{n_{\text{H}_2}}{3} = \frac{0{,}45}{3} = 0{,}15$$

Vì $0{,}15 < 0{,}2$ nên $\text{H}_2$ hết trước, $\text{N}_2$ dư. Tính hiệu suất theo $\text{H}_2$.

Bước 2. Số mol $\text{NH}_3$ lí thuyết

Theo tỉ lệ $3$ mol $\text{H}_2$ tạo $2$ mol $\text{NH}_3$:

$$n_{\text{NH}_3\ \text{lí thuyết}} = \frac{2}{3} \times 0{,}45 = 0{,}3\ \text{mol}$$

Bước 3. Tính hiệu suất

$$H = \frac{0{,}06}{0{,}3} \times 100\% = 20\%$$

Kết luận: Hiệu suất phản ứng là $20\%$.

Nhận xét: Nếu tính nhầm theo $\text{N}_2$ sẽ ra $n_{\text{NH}_3\ \text{lí thuyết}} = 0{,}4$ mol và $H = 15\%$, là kết quả sai. Luôn phải so sánh tỉ số mol trước khi chọn mốc.

Dạng 2: Bài toán ngược – biết hiệu suất, tính lượng chất

Phương pháp giải

Bước 1: Tính số mol chất ban đầu, xác định chất hết như ở Dạng 1.

Bước 2: Tính lượng sản phẩm lí thuyết theo phương trình.

Bước 3: Nhân với hiệu suất để ra lượng thực tế:

$$n_{\text{thực tế}} = n_{\text{lí thuyết}} \times H$$

Bước 4: Nếu đề hỏi ngược lại là cần bao nhiêu nguyên liệu để thu được một lượng sản phẩm cho trước thì chia cho hiệu suất:

$$n_{\text{nguyên liệu cần}} = \frac{n_{\text{nguyên liệu lí thuyết}}}{H}$$

Cách nhớ chiều nhân hay chia: Hiệu suất luôn nhỏ hơn $100\%$, nên sản phẩm thu được ít hơn lí thuyết (phải nhân với $H$), còn nguyên liệu cần dùng nhiều hơn lí thuyết (phải chia cho $H$).

Ví dụ mẫu 1

Đề bài: Cho $4{,}958$ L $\text{N}_2$ và $14{,}874$ L $\text{H}_2$ (đều ở đkc) vào bình phản ứng, thực hiện phản ứng tổng hợp ammonia với hiệu suất $25\%$. Tính khối lượng $\text{NH}_3$ thu được.

Lời giải

Bước 1. Tính số mol các chất

$$n_{\text{N}_2} = \frac{4{,}958}{24{,}79} = 0{,}2\ \text{mol} \qquad n_{\text{H}_2} = \frac{14{,}874}{24{,}79} = 0{,}6\ \text{mol}$$

So sánh: $\dfrac{0{,}2}{1} = 0{,}2$ và $\dfrac{0{,}6}{3} = 0{,}2$. Hai tỉ số bằng nhau nên hai chất phản ứng vừa đủ.

Bước 2. Số mol $\text{NH}_3$ lí thuyết

$$n_{\text{NH}_3\ \text{lí thuyết}} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4\ \text{mol}$$

Bước 3. Tính lượng thực tế

$$n_{\text{NH}_3\ \text{thực tế}} = 0{,}4 \times 25\% = 0{,}1\ \text{mol}$$

$$m_{\text{NH}_3} = 0{,}1 \times 17 = 1{,}7\ \text{g}$$

Kết luận: Thu được $1{,}7$ g $\text{NH}_3$.

Ví dụ mẫu 2

Đề bài: Cần dùng bao nhiêu lít khí $\text{N}_2$ (đkc) để điều chế được $34$ gam $\text{NH}_3$, biết hiệu suất phản ứng là $40\%$?

Lời giải

Bước 1. Số mol $\text{NH}_3$ cần thu được

$$n_{\text{NH}_3} = \frac{34}{17} = 2\ \text{mol}$$

Bước 2. Số mol $\text{N}_2$ theo lí thuyết

Theo tỉ lệ $1 : 2$:

$$n_{\text{N}_2\ \text{lí thuyết}} = \frac{2}{2} = 1\ \text{mol}$$

Bước 3. Số mol $\text{N}_2$ thực tế cần dùng

Vì hiệu suất chỉ đạt $40\%$ nên phải dùng lượng nguyên liệu nhiều hơn:

$$n_{\text{N}_2\ \text{cần}} = \frac{1}{0{,}4} = 2{,}5\ \text{mol}$$

Bước 4. Tính thể tích

$$V_{\text{N}_2} = 2{,}5 \times 24{,}79 = 61{,}975\ \text{L}$$

Kết luận: Cần khoảng $61{,}98$ L khí $\text{N}_2$ ở điều kiện chuẩn.

Dạng 3: Xác định thành phần hỗn hợp khí sau phản ứng tổng hợp ammonia

Phương pháp giải

Bước 1: Chọn số mol ban đầu. Nếu đề chỉ cho tỉ lệ, có thể chọn số mol cụ thể cho gọn, ví dụ $1$ mol $\text{N}_2$ và $3$ mol $\text{H}_2$.

Bước 2: Gọi $x$ là số mol $\text{N}_2$ đã phản ứng, lập bảng ba dòng:

$\text{N}_2$ $3\text{H}_2$ $2\text{NH}_3$
Ban đầu $a$ $b$ $0$
Phản ứng $-x$ $-3x$ $+2x$
Sau phản ứng $a – x$ $b – 3x$ $2x$

Bước 3: Tính $x$ từ hiệu suất: $x = H \times n_{\text{chất hết}}$ (quy về $\text{N}_2$).

Bước 4: Tính các đại lượng đề hỏi.

$$\%V_i = \frac{n_i}{n_{\text{sau}}} \times 100\% \qquad \overline{M}_{\text{sau}} = \frac{m_{\text{hỗn hợp}}}{n_{\text{sau}}} \qquad d_{X/\text{H}_2} = \frac{\overline{M}_X}{2}$$

Hai điều then chốt của dạng này:

  • Khối lượng hỗn hợp không đổi trước và sau phản ứng (định luật bảo toàn khối lượng), chỉ có số mol giảm.
  • Cứ $4$ mol khí phản ứng tạo ra $2$ mol khí, nên số mol khí giảm đi đúng $2x$: $$n_{\text{giảm}} = n_{\text{đầu}} – n_{\text{sau}} = 2x = n_{\text{NH}_3\ \text{tạo thành}}$$

Ví dụ mẫu

Đề bài: Trộn $\text{N}_2$ và $\text{H}_2$ theo tỉ lệ mol $1 : 3$ rồi thực hiện phản ứng tổng hợp ammonia với hiệu suất $25\%$, thu được hỗn hợp khí X.

a) Tính phần trăm thể tích mỗi khí trong hỗn hợp X.

b) Tính tỉ khối của hỗn hợp X so với khí hydrogen.

Lời giải

Bước 1. Chọn số mol ban đầu

Chọn $1$ mol $\text{N}_2$ và $3$ mol $\text{H}_2$, tổng số mol ban đầu là $4$ mol.

Khối lượng hỗn hợp:

$$m = 1 \times 28 + 3 \times 2 = 34\ \text{g}$$

Bước 2. Tính số mol $\text{N}_2$ đã phản ứng

Hai chất trộn đúng tỉ lệ nên phản ứng vừa đủ, hiệu suất tính theo $\text{N}_2$:

$$x = 25\% \times 1 = 0{,}25\ \text{mol}$$

Bước 3. Lập bảng

$\text{N}_2$ $\text{H}_2$ $\text{NH}_3$
Ban đầu (mol) $1$ $3$ $0$
Phản ứng (mol) $-0{,}25$ $-0{,}75$ $+0{,}50$
Sau phản ứng (mol) $0{,}75$ $2{,}25$ $0{,}50$

Tổng số mol sau phản ứng:

$$n_{\text{sau}} = 0{,}75 + 2{,}25 + 0{,}50 = 3{,}5\ \text{mol}$$

Câu a. Phần trăm thể tích

$$\%V_{\text{N}_2} = \frac{0{,}75}{3{,}5}\times 100\% \approx 21{,}43\%$$

$$\%V_{\text{H}_2} = \frac{2{,}25}{3{,}5}\times 100\% \approx 64{,}29\%$$

$$\%V_{\text{NH}_3} = \frac{0{,}50}{3{,}5}\times 100\% \approx 14{,}28\%$$

Câu b. Tỉ khối so với hydrogen

Khối lượng hỗn hợp không đổi, vẫn là $34$ g:

$$\overline{M}_X = \frac{34}{3{,}5} \approx 9{,}71\ \text{g/mol}$$

$$d_{X/\text{H}_2} = \frac{9{,}71}{2} \approx 4{,}86$$

Kiểm tra: Số mol khí giảm $4 – 3{,}5 = 0{,}5$ mol, đúng bằng số mol $\text{NH}_3$ tạo thành. Khối lượng mol trung bình tăng từ $\dfrac{34}{4} = 8{,}5$ lên $9{,}71$, phù hợp vì khối lượng giữ nguyên trong khi số mol giảm.

Dạng 4: Tính toán theo chuỗi chuyển hoá tạo đạm nitrate

Phương pháp giải

Chuỗi chuyển hoá trong tự nhiên khi có sấm sét:

$$\text{N}_2 \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{NO} \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{NO}_2 \xrightarrow{+\text{O}_2,\ \text{H}_2\text{O}} \text{HNO}_3 \rightarrow \text{H}^+ + \text{NO}_3^-$$

Các phương trình tương ứng:

$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{tia lửa điện}} 2\text{NO}$$

$$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$$

$$4\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{HNO}_3$$

Bước 1: Dùng sơ đồ hợp thức để rút gọn cả chuỗi, không cần tính từng phương trình:

$$\text{N}_2 \rightarrow 2\text{NO} \rightarrow 2\text{NO}_2 \rightarrow 2\text{HNO}_3 \rightarrow 2\text{NO}_3^-$$

Nghĩa là mỗi nguyên tử N trong $\text{N}_2$ cuối cùng cho $1$ ion $\text{NO}_3^-$, hay $1$ mol $\text{N}_2$ cho tối đa $2$ mol $\text{HNO}_3$.

Bước 2: Nếu đề cho hiệu suất từng giai đoạn, hiệu suất chung là tích các hiệu suất:

$$H_{\text{chung}} = H_1 \times H_2 \times H_3$$

Bước 3: Tính lượng sản phẩm cuối:

$$n_{\text{HNO}_3} = 2\,n_{\text{N}_2} \times H_{\text{chung}}$$

Ví dụ mẫu

Đề bài: Trong một cơn mưa dông kèm sấm sét, giả thiết có $4{,}958$ L khí $\text{N}_2$ (đkc) tham gia chuỗi chuyển hoá tạo thành nitric acid. Biết hiệu suất của ba giai đoạn lần lượt là $50\%$, $80\%$ và $100\%$.

a) Viết các phương trình hoá học xảy ra.

b) Tính khối lượng $\text{HNO}_3$ tạo thành.

Lời giải

Câu a. Ba phương trình xảy ra lần lượt là:

$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{tia lửa điện}} 2\text{NO}$$

$$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$$

$$4\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{HNO}_3$$

Câu b.

Số mol $\text{N}_2$ ban đầu:

$$n_{\text{N}_2} = \frac{4{,}958}{24{,}79} = 0{,}2\ \text{mol}$$

Theo sơ đồ hợp thức $\text{N}_2 \rightarrow 2\text{HNO}_3$, số mol $\text{HNO}_3$ theo lí thuyết:

$$n_{\text{HNO}_3\ \text{lí thuyết}} = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4\ \text{mol}$$

Hiệu suất chung của cả quá trình:

$$H_{\text{chung}} = 50\% \times 80\% \times 100\% = 40\%$$

Số mol $\text{HNO}_3$ thực tế:

$$n_{\text{HNO}_3} = 0{,}4 \times 0{,}4 = 0{,}16\ \text{mol}$$

$$m_{\text{HNO}_3} = 0{,}16 \times 63 = 10{,}08\ \text{g}$$

Kết luận: Thu được $10{,}08$ g $\text{HNO}_3$, tương ứng $0{,}16$ mol ion $\text{NO}_3^-$ cung cấp cho đất.

Liên hệ thực tế: Trong tự nhiên, phản ứng $\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{NO}$ là phản ứng thuận nghịch, thu nhiệt và cần nhiệt độ trên $3,000\ ^\circ\text{C}$, nên hiệu suất giai đoạn đầu rất thấp. Đây là lí do lượng đạm nitrate mà mưa dông cung cấp cho đất tuy có ích nhưng không nhiều, không thể thay thế phân bón.

Dạng 5: Tính nguyên tử khối trung bình của nitrogen từ đồng vị

Phương pháp giải

Nitrogen có hai đồng vị bền là $^{14}\text{N}$ và $^{15}\text{N}$. Áp dụng công thức nguyên tử khối trung bình:

$$\overline{A} = \frac{A_1 \cdot x_1 + A_2 \cdot x_2}{100}$$

trong đó $A_1$, $A_2$ là số khối và $x_1$, $x_2$ là phần trăm số nguyên tử của mỗi đồng vị.

Nếu đề hỏi số nguyên tử của một đồng vị trong một lượng chất, dùng thêm:

$$\text{số nguyên tử} = n \times N_A \times \%\text{đồng vị}, \qquad N_A = 6{,}022\times 10^{23}$$

Ví dụ mẫu

Đề bài: Nitrogen trong tự nhiên gồm hai đồng vị bền là $^{14}\text{N}$ chiếm $99{,}63\%$ và $^{15}\text{N}$ chiếm $0{,}37\%$ số nguyên tử.

a) Tính nguyên tử khối trung bình của nitrogen.

b) Trong $1$ mol khí $\text{N}_2$ có bao nhiêu nguyên tử $^{15}\text{N}$?

Lời giải

Câu a.

$$\overline{A} = \frac{14 \times 99{,}63 + 15 \times 0{,}37}{100} = \frac{1,394{,}82 + 5{,}55}{100} = \frac{1,400{,}37}{100} = 14{,}0037 \approx 14{,}00$$

Câu b.

Số mol nguyên tử N trong $1$ mol $\text{N}_2$:

$$n_{\text{N}} = 2 \times 1 = 2\ \text{mol}$$

Tổng số nguyên tử N:

$$2 \times 6{,}022\times 10^{23} = 1{,}2044\times 10^{24}\ \text{nguyên tử}$$

Số nguyên tử $^{15}\text{N}$:

$$1{,}2044\times 10^{24} \times 0{,}37\% \approx 4{,}46\times 10^{21}\ \text{nguyên tử}$$

Kết luận: $\overline{A} \approx 14{,}00$ và có khoảng $4{,}46\times 10^{21}$ nguyên tử $^{15}\text{N}$.

Bảng tra nhanh: chọn phương pháp theo dữ kiện đề bài

Đề cho Cần tìm Cách làm Dạng
Lượng $\text{N}_2$, $\text{H}_2$ và lượng $\text{NH}_3$ thu được Hiệu suất Xác định chất hết, so $n$ thực tế với $n$ lí thuyết 1
Lượng nguyên liệu và hiệu suất Lượng $\text{NH}_3$ $n_{\text{lí thuyết}} \times H$ 2
Lượng $\text{NH}_3$ cần và hiệu suất Lượng nguyên liệu $n_{\text{lí thuyết}} \div H$ 2
Tỉ lệ mol đầu và hiệu suất $\%V$, $\overline{M}$, tỉ khối sau phản ứng Bảng ba dòng, $m$ không đổi, $n$ giảm $2x$ 3
Lượng $\text{N}_2$ và hiệu suất từng giai đoạn Lượng $\text{HNO}_3$ Sơ đồ hợp thức $\text{N}_2 \rightarrow 2\text{HNO}_3$, $H_{\text{chung}} = H_1H_2H_3$ 4
Phần trăm hai đồng vị Nguyên tử khối trung bình $\overline{A} = \dfrac{A_1x_1 + A_2x_2}{100}$ 5
ThS. Lê Thị Mai Nhi

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ