Câu hỏi mở đầu trang 29

Đề bài: Trong công nghiệp, đơn chất nitrogen kết hợp với hydrogen tạo thành ammonia là một hợp chất quan trọng trong sản xuất phân bón, hoá chất. Tại sao phản ứng trên cần thực hiện ở nhiệt độ cao? Đơn chất nitrogen đóng vai trò gì trong phản ứng đó?

Lời giải:

• Tại sao cần nhiệt độ cao: Phân tử $\text{N}_2$ có liên kết ba rất bền (năng lượng liên kết 945 kJ/mol), nên ở nhiệt độ thường $\text{N}_2$ kém hoạt động hoá học. Cần nhiệt độ cao để cung cấp đủ năng lượng phá vỡ liên kết ba, giúp phản ứng xảy ra.
• Vai trò của $\text{N}_2$: Trong phản ứng $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$, số oxi hoá của N giảm từ 0 xuống –3 → $\text{N}_2$ đóng vai trò là chất oxi hoá.

I. Trạng thái tự nhiên

Hoạt động trang 29

Đề bài: Nêu ứng dụng thực tiễn của khí nitrogen và diêm tiêu Chile mà em biết.

Lời giải:

1. Ứng dụng của khí nitrogen ($\text{N}_2$):

• Làm môi trường khí trơ trong luyện kim, sản xuất linh kiện điện tử, bóng đèn sợi đốt.
• Bảo quản thực phẩm, dược phẩm (thay không khí trong bao bì để chống oxi hoá).
• Nguyên liệu tổng hợp ammonia ($\text{NH}_3$) trong công nghiệp.
• Nitrogen lỏng dùng làm tác nhân làm lạnh sâu, bảo quản tế bào, máu, mẫu vật y tế.

2. Ứng dụng của diêm tiêu Chile ($\text{NaNO}_3$):

• Làm phân đạm cung cấp nitrogen cho cây trồng.
• Nguyên liệu sản xuất thuốc nổ, thuỷ tinh, pháo hoa.

II. Cấu tạo nguyên tử, phân tử

1. Cấu tạo nguyên tử

Hoạt động trang 30

Đề bài:

1. Sắp xếp các hợp chất sau vào vị trí tương ứng trong trục biểu diễn số oxi hoá của nitrogen: NO, $\text{N}_2\text{O}$, $\text{NO}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{HNO}_2$, $\text{HNO}_3$, $\text{NH}_4\text{Cl}$, $\text{KNO}_2$, $\text{NaNO}_3$.
2. Dựa vào trục biểu diễn số oxi hoá của nitrogen để giải thích nitrogen có cả tính oxi hoá và tính khử. Viết một quá trình oxi hoá và một quá trình khử để minh hoạ.

Lời giải:

1. Sắp xếp theo số oxi hoá của N:

2. Giải thích tính oxi hoá và tính khử:

Trong đơn chất $\text{N}_2$, số oxi hoá của N là 0 — nằm ở giữa dãy số oxi hoá của N (từ –3 đến +5). Do đó:

• N có thể nhận thêm electron → số oxi hoá giảm xuống –3 → thể hiện tính oxi hoá.
• N có thể nhường bớt electron → số oxi hoá tăng lên (+1, +2, …, +5) → thể hiện tính khử.

Ví dụ minh hoạ:

• Quá trình khử (số oxi hoá giảm, N là chất oxi hoá):

$$\overset{0}{\text{N}}_2 + 6e \longrightarrow 2\overset{-3}{\text{N}}$$

• Quá trình oxi hoá (số oxi hoá tăng, N là chất khử):

$$\overset{0}{\text{N}}_2 \longrightarrow 2\overset{+2}{\text{N}} + 4e$$

2. Cấu tạo phân tử

Hoạt động trang 30

Đề bài:

1. Viết công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của phân tử nitrogen.
2. Từ cấu tạo phân tử, hãy cho biết tại sao phân tử $\text{N}_2$ có năng lượng liên kết lớn. Dự đoán về khả năng hoạt động hoá học của nitrogen ở nhiệt độ thường.

Lời giải:

1. Nguyên tử N có 5 electron lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử N góp chung 3 cặp electron để đạt cấu hình bền vững.

• Công thức electron: hai nguyên tử N với 3 cặp electron dùng chung ở giữa và mỗi N có 1 cặp electron tự do.
• Công thức Lewis: :N≡N: (3 gạch nối thay cho 3 cặp e dùng chung, 2 dấu hai chấm thể hiện cặp e tự do).
• Công thức cấu tạo: N≡N.)

2.

• $\text{N}_2$ có liên kết ba (gồm 1 liên kết σ và 2 liên kết π) — đây là liên kết bền nhất trong các liên kết cộng hoá trị giữa hai nguyên tử.
• Để phá vỡ liên kết ba cần cung cấp năng lượng rất lớn → $\text{N}_2$ có năng lượng liên kết lớn (945 kJ/mol).

Dự đoán: Ở nhiệt độ thường, $\text{N}_2$ kém hoạt động hoá học (khá trơ). Chỉ ở nhiệt độ cao, $\text{N}_2$ mới trở nên hoạt động hơn.

III. Tính chất vật lí

Câu 1 trang 30

Đề bài: Dựa vào tương tác van der Waals, hãy giải thích tại sao đơn chất $\text{N}_2$ khó hoá lỏng và ít tan trong nước.

Lời giải:

• Phân tử $\text{N}_2$ gồm 2 nguyên tử N giống nhau, liên kết đối xứng → phân tử không phân cực.
• → Tương tác van der Waals giữa các phân tử $\text{N}_2$ rất yếu.

Hệ quả:

• Khó hoá lỏng: Vì lực hút giữa các phân tử yếu → cần làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp (–196 °C) thì các phân tử mới đủ chậm để gắn kết thành chất lỏng.
• Ít tan trong nước: Nước là dung môi phân cực, còn $\text{N}_2$ không phân cực → theo quy tắc “chất tương tự tan trong chất tương tự”, $\text{N}_2$ ít tan trong nước.

IV. Tính chất hoá học

Câu 2 trang 31

Đề bài: Trong phương trình hoá học của phản ứng tổng hợp ammonia, hãy xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá và vai trò của nitrogen.

Lời giải:

Phương trình hoá học:

$$\overset{0}{\text{N}}_2(g) + 3\overset{0}{\text{H}}_2(g) \xrightarrow{t^o, p, xt} 2\overset{-3}{\text{N}}\overset{+1}{\text{H}}_3(g)$$

Xác định sự thay đổi số oxi hoá:

• N: $0 \longrightarrow -3$ (giảm 3) → N nhận electron → N là chất oxi hoá.
• H: $0 \longrightarrow +1$ (tăng 1) → H nhường electron → H là chất khử.

→ Trong phản ứng này, nitrogen đóng vai trò là chất oxi hoá.

Câu 3 trang 31

Đề bài: Trong phương trình hoá học của phản ứng giữa nitrogen với oxygen:

a) Hãy xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá.

b) Tại sao thực tế không sử dụng phản ứng này để tạo ra NO, một hợp chất trung gian quan trọng trong công nghiệp sản xuất nitric acid?

Lời giải:

Phương trình hoá học:

$$\overset{0}{\text{N}}_2(g) + \overset{0}{\text{O}}_2(g) \xrightarrow{t^o} 2\overset{+2}{\text{N}}\overset{-2}{\text{O}}(g)$$

a) Xác định sự thay đổi số oxi hoá:

• N: $0 \longrightarrow +2$ (tăng 2) → N là chất khử.
• O: $0 \longrightarrow -2$ (giảm 2) → O là chất oxi hoá.

b) Tại sao thực tế không dùng phản ứng này tạo NO:

• Phản ứng yêu cầu nhiệt độ rất cao (trên 3 000 °C) hoặc có tia lửa điện → tiêu tốn nhiều năng lượng.
• Hiệu suất phản ứng rất thấp → lượng NO thu được ít.

→ Không hiệu quả về kinh tế nên trong công nghiệp không dùng phản ứng này để tạo NO.

Câu 4 trang 31

Đề bài: Viết các phương trình hoá học minh hoạ quá trình hình thành đạm nitrate trong tự nhiên xuất phát từ nitrogen.

Lời giải:

Quá trình hình thành đạm nitrate trong tự nhiên (xảy ra trong các cơn mưa dông kèm sấm sét) gồm 4 giai đoạn:

Bước 1: $\text{N}_2$ kết hợp $\text{O}_2$ tạo NO (nhờ tia lửa điện từ sấm sét):

$$\text{N}_2(g) + \text{O}_2(g) \xrightarrow{t^o} 2\text{NO}(g)$$

Bước 2: NO tiếp tục kết hợp $\text{O}_2$ trong không khí tạo $\text{NO}_2$:

$$2\text{NO}(g) + \text{O}_2(g) \longrightarrow 2\text{NO}_2(g)$$

Bước 3: $\text{NO}_2$ tan trong nước mưa, kết hợp với $\text{O}_2$ tạo nitric acid:

$$4\text{NO}_2(g) + \text{O}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \longrightarrow 4\text{HNO}_3(aq)$$

Bước 4: $\text{HNO}_3$ phân li trong nước mưa tạo ion nitrate:

$$\text{HNO}_3 \longrightarrow \text{H}^+ + \text{NO}_3^-$$

→ Ion $\text{NO}_3^-$ theo nước mưa vào đất, được cây trồng hấp thụ làm phân đạm.

V. Ứng dụng

Hoạt động trang 32

Đề bài: Sưu tầm một số hình ảnh để báo cáo, thuyết trình về ứng dụng của nitrogen trong thực tiễn. Sử dụng các tính chất vật lí và hoá học để giải thích cơ sở khoa học của các ứng dụng này.

Lời giải (gợi ý nội dung báo cáo):

Câu 5 trang 32

Đề bài:

a) Tại sao nitrogen lỏng được dùng để bảo quản mẫu vật phẩm trong y học?

b) Tại sao dùng khí nitrogen để làm căng vỏ bao bì thực phẩm mà không dùng không khí?

Lời giải:

a) Nitrogen lỏng bảo quản mẫu vật phẩm y học vì:

• Nitrogen lỏng có nhiệt độ rất thấp (–196 °C) → đông lạnh sâu, ngăn vi khuẩn phát triển và ngăn enzyme hoạt động → mẫu vật được giữ nguyên vẹn trong thời gian dài.
• $\text{N}_2$ trơ về mặt hoá học → không phản ứng với mẫu vật, không gây biến đổi chất lượng mẫu.

b) Dùng $\text{N}_2$ thay không khí để làm căng vỏ bao bì thực phẩm vì:

• Không khí chứa $\text{O}_2$ → gây oxi hoá thực phẩm (làm dầu mỡ bị ôi, biến chất) và giúp vi khuẩn hiếu khí phát triển → thực phẩm nhanh hỏng.
• $\text{N}_2$ trơ về mặt hoá học, không duy trì sự cháy và sự hô hấp → bảo vệ thực phẩm khỏi oxi hoá và vi khuẩn → giữ thực phẩm tươi lâu hơn.

Em có thể

Giải thích quá trình tạo và cung cấp ion nitrate cho đất từ nước mưa

Lời giải:

Trong các cơn mưa dông kèm sấm sét, ion nitrate được tạo ra theo các bước:

1. Tia lửa điện cung cấp năng lượng phá vỡ liên kết ba trong $\text{N}_2$, phản ứng với $\text{O}_2$ tạo NO:

$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{NO}$$

2. NO tiếp tục kết hợp $\text{O}_2$ trong không khí:

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

3. $\text{NO}_2$ tan trong nước mưa, kết hợp với $\text{O}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$ tạo $\text{HNO}_3$:

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

4. $\text{HNO}_3$ phân li trong nước mưa, theo nước thấm vào đất:

$$\text{HNO}_3 \longrightarrow \text{H}^+ + \text{NO}_3^-$$

→ Ion $\text{NO}_3^-$ là nguồn đạm tự nhiên mà cây trồng hấp thụ để sinh trưởng.

Giải thích các ứng dụng của nitrogen ở thể khí và thể lỏng

Lời giải:

Nitrogen lỏng dùng trong bảo quản mẫu vật phẩm y tế, tế bào, máu, dược phẩm vì:

• Nhiệt độ hoá lỏng rất thấp (–196 °C) → đông lạnh sâu, giữ nguyên cấu trúc mẫu vật, ngăn vi sinh vật phát triển.
• Trơ về mặt hoá học → không phản ứng làm biến chất mẫu.

Khí nitrogen dùng trong bảo quản thực phẩm, dược phẩm (đóng gói bao bì) vì:

• Trơ về mặt hoá học → không oxi hoá thực phẩm, không phản ứng với dược phẩm.
• Không duy trì sự cháy và sự hô hấp → ngăn vi khuẩn hiếu khí phát triển → thực phẩm, dược phẩm giữ được lâu hơn.

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