Giải Hóa 11 Bài 4 (Kết nối tri thức): Nitrogen

Giải Hóa 11 Bài 4: Nitrogen

Giải Hóa 11 trang 29

Mở đầu trang 29 Hóa học 11: 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 được thực hiện ở nhiệt độ cao? Đơn chất nitrogen đóng vai trò gì trong phản ứng đó?

Lời giải:

- 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:

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.

I. Trạng thái tự nhiên

Hoạt động trang 29 Hóa học 11: Nêu ứng dụng thực tiễn của khí nitrogen và diêm tiêu Chile mà em biết.

Lời giải:

- Ứng dụng thực tiễn của khí nitrogen (N2): 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 (NaNO3, sodium nitrate): Sản xuất phân bón; sản xuất thuốc nổ; sản xuất dược phẩm; sản xuất kính; bảo quản thịt …

Giải Hóa 11 trang 30

Hoạt động 1 trang 30 Hóa học 11: Sắp xếp các hợp chất sau vào vị trí tương ứng trong trục biểu diễn số oxi hoá của nitrogen: NO, N₂O, NO₂, NH₃, HNO₂, HNO₃, NH₄Cl, KNO₂, NaNO₃.

Lời giải:

Hoạt động 2 trang 30 Hóa học 11: 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:

Khi tham gia phản ứng oxi hoá – khử, số oxi hoá của nitrogen có thể giảm hoặc tăng, do đó N2 thể hiện tính oxi hoá hoặc tính khử. Một số quá trình minh hoạ:

Quá trình oxi hoá:

Quá trình khử:

Hoạt động 1 trang 30 Hóa học 11: Viết công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của phân tử nitrogen.

Lời giải:

- Công thức electron của phân tử nitrogen:

- Công thức Lewis của phân tử nitrogen:

- Công thức cấu tạo của phân tử nitrogen:

Hoạt động 2 trang 30 Hóa học 11: Từ cấu tạo phân tử, hãy cho biết tại sao phân tử N2 có năng lượng liên kết lớn. Dự đoán về khả năng hoạt động hoá học của nitrogen ở nhiệt độ thường.

Lời giải:

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 N₂ có năng lượng liên kết lớn.

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

III. Tính chất vật lí

Câu hỏi 1 trang 30 Hóa học 11: Dựa vào sự tương tác van der Waals, hãy giải thích tại sao đơn chất N₂ khó hoá lỏng và ít tan trong nước.

Lời giải:

Tương tác vander Waals phụ thuộc vào hai yếu tố chính là số lượng eletron và điểm tiếp xúc giữa các phân tử suy ra giữa các phân tử nitrogen tồn tại tương tác van der Waals nhưng rất yếu. Do đó đơn chất N2 khó hoá lỏng và ít tan trong nước.

Giải Hóa 11 trang 31

IV. Tính chất hoá học

Câu hỏi 2 trang 31 Hóa học 11: 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:

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.

Câu hỏi 3 trang 31 Hóa học 11: 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:

a)

b) Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao trên 3000oC 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.

Câu hỏi 4 trang 31 Hóa học 11: 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 tạo và cung cấp đạm nitrate cho đất từ nước mưa được biểu diễn theo sơ đồ:

Các phương trình hoá học minh hoạ cho sơ đồ:

N₂(g) + O₂(g) 2NO(g)

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)

4NO₂(g) + 2H₂O(l) + O₂(g) → 4HNO₃(aq)

HNO₃ → H⁺ + NO₃^-

Giải Hóa 11 trang 32

V. Ứng dụng

Hoạt động trang 32 Hóa học 11: 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:

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 ^oC. 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.

Câu hỏi 5 trang 32 Hóa học 11: 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 hoá lỏng ở nhiệt độ thấp, -196 ^oC. 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.

Em có thể trang 32 Hóa học 11: - Giải thích quá trình tạo và cung cấp ion nitrate cho đất từ nước mưa.

- Giải thích được 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.

Lời giải:

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

Các phương trình hoá học minh hoạ cho sơ đồ:

N₂(g) + O₂(g) 2NO(g)

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)

4NO₂(g) + 2H₂O(l) + O₂(g) → 4HNO₃(aq)

HNO₃ → H⁺ + NO₃^-

- 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 ^oC.

Lý thuyết Nitrogen

1. 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 ) và tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu và trong vỏ Trái Đất thì nó tồn tại tập trung ở một số mỏ khoáng dưới dạng sodium nitrate.

Nguyên tố nitrogen có trong tất cả cơ thể động vật và thực vật và trong cả cơ thể người.

Nguyên tố nitrogen tồn tại trong tự nhiên với hai đồng vị bền là ¹⁴N (99,63%) và ¹⁵N (0.37%).

2. Cấu tạo nguyên tử, phân tử

a. Cấu tạo nguyên tử

Nguyên tố nitrogen ở ô số 7, nhóm VA, chu kì 2 trong bảng tuần hoàn. Nguyên tử nitrogen có độ âm điện lớn (3,04). Nitrogen là phi kim điển hình.

b. Cấu tạo phân tử

Phân tử nitrogen gồm hai nguyên tử, liên kết với nhau bằng liên kết ba (1 liên kết Ϭ và 2 liên kết π). Phân tử nitrogen có năng lượng liên kết lớn (945 kJ/mol) và không có cực.

3. Tính chất vật lí

Ở điều kiện thường, nitrogen là chất khí, không màu, không mùi, không vị, khó hoá lỏng (hoá lỏng ở –196 °C), tan rất ít trong nước (1 lít nước hoà tan được 0,012 lit khí nitrogen). Khi nitrogen không duy trì sự chảy và sự hô hấp.

4. Tính chất hoá học

Nitrogen khá trơ ở nhiệt độ thường, ở nhiệt độ cao, nitrogen trở nên hoạt động hơn. Nitrogen thể hiện cả tính oxi hoá và tính khử.

a. Tác dụng với hydrogen

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

Phản ứng tổng hợp ammonia là quá trình trung gian quan trọng để sản xuất nitric acid, thuốc nổ, đạm nitrate, urea, ammophos....

b. Tác dụng với oxygen

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

N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g) (điều kiện nhiệt độ)

Trong thực tế, phản ứng hoá hợp giữa nitrogen với oxygen thường xảy ra đồng thời với quá trình đốt cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao bằng không khi. Các hoạt động giao thông vận tải và sản xuất công nghiệp là nguyên nhân chính gây phát thải các oxide của nitrogen vào khí quyển.

5. Ứng dụng

- Tác nhân làm lạnh.

- Tổng hợp ammoniac.

- Tạo khí quyển trơ.

- Bảo quản thực phẩm.

Sơ đồ tư duy Nitrogen

Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 11 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Bài 5: Ammonia. Muối ammonium

Bài 6: Một số hợp chất của nitrogen với oxygen

Bài 7: Sulfur và sulfur dioxide

Bài 8: Sulfuric acid và muối sulfate

Bài 9: Ôn tập chương 2