Lớp 11 · Hóa Học
Bài 4
Nitrogen
Cấu tạo, tính chất vật lí - hóa học và ứng dụng của khí nitrogen (N₂)
1
Trạng thái tự nhiên & Cấu tạo nguyên tử, phân tử
▼
▸ Trạng thái tự nhiên
| Nơi tồn tại | Đặc điểm |
|---|---|
| Khí quyển | Nguyên tố phổ biến nhất: 75,5% khối lượng (78,1% thể tích) |
| Vỏ Trái Đất | Mỏ khoáng NaNO₃ (diêm tiêu Chile) |
| Cơ thể sinh vật | Có trong protein, nucleic acid; trong người chiếm ~3% khối lượng |
| Đồng vị | ¹⁴N (99,63%) và ¹⁵N (0,37%) |
▸ Cấu tạo nguyên tử
- Vị trí trong BTH: ô số 7, chu kỳ 2, nhóm VA.
- Cấu hình electron: $1s^2 2s^2 2p^3$.
- Độ âm điện: 3,04 → nitrogen là phi kim điển hình.
- Số oxi hóa thường gặp: từ -3 đến +5.
Trục số oxi hóa N từ -3 đến +5. N₂ có số oxi hóa 0 (trung gian) → vừa có tính khử, vừa có tính oxi hóa
▸ Cấu tạo phân tử N₂
| Đặc điểm | Mô tả |
|---|---|
| Công thức phân tử | N₂ |
| Liên kết | Liên kết ba (1 liên kết σ + 2 liên kết π) |
| Năng lượng liên kết | 945 kJ/mol (rất lớn) |
| Tính phân cực | Phân tử không có cực |
| Công thức Lewis | :N≡N: |
| Công thức cấu tạo | N≡N |
Phân tử N₂ với liên kết ba rất bền vững (1σ + 2π)
🔑
Giải thích tính trơ của nitrogen: Do liên kết ba trong phân tử N₂ có năng lượng liên kết rất lớn (945 kJ/mol) → liên kết này rất bền, khó bị phá vỡ. Vì vậy, ở nhiệt độ thường, nitrogen khá trơ về mặt hóa học.
2
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 L nước hòa tan 0,012 L N₂) |
| Khả năng cháy/hô hấp | Không duy trì sự cháy và sự hô hấp |
💡
Giải thích: Phân tử N₂ không phân cực + khối lượng phân tử nhỏ → tương tác van der Waals yếu → N₂ khó hóa lỏng và tan rất ít trong nước.
🧊
Lưu ý ứng dụng: Nitrogen lỏng (-196°C) được dùng để bảo quản tế bào gốc, mẫu vật y tế, làm lạnh nhanh thực phẩm... vì nhiệt độ cực thấp giúp đông lạnh nhanh chóng mà không gây phản ứng hoá học.
3
Tính chất hóa học
▼
ĐẶC ĐIỂM CHUNG
• Ở nhiệt độ thường: nitrogen khá trơ (liên kết ba rất bền).
• Ở nhiệt độ cao: nitrogen hoạt động hơn.
• Nitrogen vừa thể hiện tính oxi hóa, vừa thể hiện tính khử.
• Ở nhiệt độ cao: nitrogen hoạt động hơn.
• Nitrogen vừa thể hiện tính oxi hóa, vừa thể hiện tính khử.
▸ 3.1. Tác dụng với hydrogen — Tính oxi hóa
Ở nhiệt độ cao, áp suất cao và có xúc tác, nitrogen tác dụng với hydrogen tạo ammonia (quy trình Haber-Bosch):
$\overset{0}{\text{N}_2}(g) + 3\text{H}_2(g) \xrightarrow{t°, p, \text{xt}} 2\overset{-3}{\text{N}}\text{H}_3(g)$
| Điều kiện | Giá trị |
|---|---|
| Nhiệt độ | ~ 450°C |
| Áp suất | ~ 200 bar |
| Xúc tác | Bột Fe |
⚗️
Phân tích vai trò N: Số oxi hóa của N: 0 → -3 (giảm) → N bị khử → N₂ là chất oxi hóa.
▸ 3.2. Tác dụng với oxygen — Tính khử
Ở nhiệt độ rất cao (trên 3000°C) hoặc có tia lửa điện, nitrogen tác dụng với oxygen:
$\overset{0}{\text{N}_2}(g) + \text{O}_2(g) \xrightarrow{t° > 3000°C} 2\overset{+2}{\text{N}}\text{O}(g) \quad \Delta_r H^\circ = +180{,}6 \text{ kJ}$
- Phản ứng thu nhiệt ($\Delta_r H^\circ > 0$).
- Hiệu suất rất thấp do điều kiện rất khắc nghiệt.
- Trong tự nhiên, phản ứng xảy ra khi có sấm chớp (tia lửa điện).
⚗️
Phân tích vai trò N: Số oxi hóa của N: 0 → +2 (tăng) → N bị oxi hóa → N₂ là chất khử.
📝 Ví dụ tổng hợp
Trong 2 phản ứng trên, nitrogen thể hiện vai trò gì?
Phản ứng (1) N₂ + H₂: SOH N giảm $0 \to -3$ → N₂ là chất oxi hóa.
Phản ứng (2) N₂ + O₂: SOH N tăng $0 \to +2$ → N₂ là chất khử.
Kết luận: Trong 2 phản ứng, N₂ thể hiện cả tính oxi hóa và tính khử.
⭐
Trường hợp đặc biệt: Nitrogen có thể phản ứng với kim loại lithium (Li) ngay ở nhiệt độ thường:
$6\text{Li} + \text{N}_2 \rightarrow 2\text{Li}_3\text{N}$
Đây là phản ứng duy nhất của N₂ ở nhiệt độ thường.
$6\text{Li} + \text{N}_2 \rightarrow 2\text{Li}_3\text{N}$
Đây là phản ứng duy nhất của N₂ ở nhiệt độ thường.
4
Quá trình tạo đạm nitrate trong tự nhiên
▼
Trong những cơn mưa dông có sấm sét, nitrogen trong khí quyển chuyển hóa thành đạm nitrate cung cấp cho cây trồng theo sơ đồ:
SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT
$\text{N}_2 \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{NO} \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{NO}_2 \xrightarrow{+\text{O}_2 + \text{H}_2\text{O}} \text{HNO}_3 \rightarrow \text{NO}_3^-$
▸ Các phương trình chi tiết
| Bước | Phương trình |
|---|---|
| 1 | $\text{N}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{tia lửa điện}} 2\text{NO}$ |
| 2 | $2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$ |
| 3 | $4\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{HNO}_3$ |
| 4 | $\text{HNO}_3 \rightarrow \text{H}^+ + \text{NO}_3^-$ (điện li) |
Sơ đồ quá trình nitrogen khí quyển chuyển hóa thành đạm nitrate cho cây trồng
🌱
Ý nghĩa sinh học: Ion NO₃⁻ (nitrate) là dạng phân đạm tự nhiên mà cây trồng có thể hấp thụ qua rễ để sinh trưởng và phát triển. Đây là cách thiên nhiên "bón đạm" cho đất.
5
Ứng dụng của nitrogen
▼
| Ứng dụng | Cơ sở khoa học |
|---|---|
| Tác nhân làm lạnh | Nitrogen lỏng có nhiệt độ -196°C, làm đông lạnh nhanh. |
| Tổng hợp ammonia | Nguyên liệu trong quy trình Haber-Bosch sản xuất NH₃. |
| Tạo khí quyển trơ | Nitrogen trơ 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 (tế bào gốc, tinh trùng, trứng…). |
📝 Phân tích ứng dụng
Vì sao dùng N₂ trong bao bì thực phẩm thay không khí?
1. Nitrogen trơ hóa học → không phản ứng với chất béo, vitamin trong thực phẩm.
2. Không duy trì sự hô hấp → ngăn vi sinh vật phát triển.
3. So với không khí (21% O₂): O₂ sẽ oxi hóa chất béo gây ôi thiu, làm mất vitamin, hỗ trợ vi khuẩn phát triển.
4. Khí N₂ làm căng bao bì → tạo lớp đệm bảo vệ thực phẩm khỏi va đập.
🩺
Ứng dụng y tế: Bệnh viện dùng N₂ lỏng để bảo quản tế bào gốc, mẫu máu, tinh trùng, trứng… Ở -196°C, mọi hoạt động sinh học của tế bào bị "đóng băng" → có thể bảo quản trong nhiều năm mà không hư hỏng.
6
Xem đầy đủ lý thuyết
▼
Để xem lý thuyết đầy đủ kèm 7 dạng bài tập có lời giải chi tiết, sơ đồ tư duy và những sai lầm thường gặp, các em hãy đọc bài viết bên dưới:
📚
Bài 4 — Nitrogen: Lý thuyết trọng tâm và phương pháp giải
Toàn bộ lý thuyết, 7 dạng bài tập (xác định số oxi hóa, tính hiệu suất tổng hợp NH₃...), ví dụ mẫu và bảng tổng kết các sai lầm thường gặp.
Xem ngay →
Toàn bộ lý thuyết, 7 dạng bài tập (xác định số oxi hóa, tính hiệu suất tổng hợp NH₃...), ví dụ mẫu và bảng tổng kết các sai lầm thường gặp.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát chương trình SGK Kết Nối Tri Thức!
1
—
Điểm: 0/25
💨
Luyện tập Bài 4 – Nitrogen!
25 câu: 20 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 3 tự luận
🏆
Tuyệt vời!
0/25
💡 Gợi ý
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