Giải chi tiết Hóa học 11 Chân trời mới bài 3: Đơn chất nitrogen

MỞ ĐẦU

Nitrogen là khí có hàm lượng lớn nhất trong không khí, có vai trò cung cấp đạm tự nhiên cho cây trồng. Nitrogen có tính chất gì và có những ứng dụng nào trong cuộc sống?

Hướng dẫn trả lời:

Nitrogen là chất khí không màu không vị, có khả năng phản ứng với O₂, H₂, Kim loại,... được ứng dụng trong sản xuất phân bón,...

1. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

Tìm hiểu trạng thái tự nhiên của nitrogen

Thảo luận 1. Quan sát hình 3.1, cho biết trong không khí, khí nào chiếm tỉ lệ thể tích lớn nhất?

Hướng dẫn trả lời:

Khí chiếm tỉ lệ thể tích lớn nhất là nitrogen (khoảng 78%)

Thảo luận 2. Ngoài đơn chất nitrogen thì nguyên tố nitrogen còn tồn tại ở những dạng nào? Lấy ví dụ.

Hướng dẫn trả lời:

Nitrogen còn tồn tại ở dạng hợp chất có nhiều trong khoáng vật sodium nitrate để còn gọi là diêm tiêu Natri

Ngoài ra nitrogen còn có trong thành phần của protein, nucle acid,...và nhiều chất hữu cơ khác

2. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Tìm hiểu tính chất vật lí của nitrogen

Thảo luận 3. Quan sát hình 3.2, nêu hiện tượng xảy ra. Giải thích

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng cây nến bị tắt khi cho vào lọ đựng N₂, do N₂ không duy trì sự cháy

Thảo luận 4. Nitrogen nặng hay nhẹ hơn không khí. Tại sao?

Hướng dẫn trả lời:

Nitrogen nhẹ hơn không khí do dN2/kk = 28/29 <1

Luyện tập. Người ta có thể thu khí nitrogen trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp đẩy nước. Hãy giải thích điều này 

Hướng dẫn trả lời:

do nitrogen ít trong nước nên người ta sử dụng phương pháp đẩy nước để thu khí nitrogen

3. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC

Tìm hiểu tính chất hóa học của nitrogen

Thảo luận 5. Quan sát hình 3.3 và từ dữ kiện năng lượng liên kết trong phân tử N2, dự đoán về độ bền của phân tử và khả năng phản ứng của nitrogen ở nhiệt độ thường

Hướng dẫn trả lời:

phân tử nitrogen có 1 liên kết 3, năng lượng liên kết lớn --> phân tử nitrogen bền vì vậy nên khó xảy ra về phản ứng hóa học điều kiện thường

Thảo luận 6. Xác định tính oxi hóa, tính khử của nitrogen trong phản ứng N₂ với H₂ và với O₂. Cho biết phản ứng này thu nhiệt hay tỏa nhiệt?

Hướng dẫn trả lời:

Khi tác dụng với H₂: N₂ đóng vai trò là  chất oxi hóa, phản ứng toả nhiệt

H₂(g)+N₂(g) ⇌ NH₃(g) (to,xt,p) (số oxi hoá của N: 0 --> -3)

Khi phản ứng với O₂: N₂ đóng vai trò là chất khử, phản ứng thu nhiệt

N₂(g)+ O₂(g) ⇌ 2NO(g) (t^o) (số oxi hoá của N: 0 --> +2)

4. QUÁ TRÌNH TẠO VÀ CUNG CẤP NITRATE CHO ĐẤT TỪ NƯỚC MƯA

Tìm hiểu quá trình tạo và cung cấp nitrate trong đất từ nước mưa

Thảo luận 7. Quan sát hình 3.4, cho biết con người có thể can thiệp vào chu trình của nitrogen trong tự nhiên bằng cách nào? Nếu sự can thiệp đó vượt ngưỡng cho phép thì ảnh hưởng như thế nào?

Hướng dẫn trả lời:

Ngày nay con người can thiệp vào chu trình nitrogen bằng cách sản xuất các loại phân đạm kết quả của việc sử dụng nhiều phân đạm là tăng năng suất cây trồng như hệ quả của nó để lại là ô nhiễm nguồn nước, đất, môi trường, gây ô nhiễm thức ăn cho bản thân con người qua hiện tượng tích lũy các loại đảm hữu cơ trong thực vật, động vật

5. ỨNG DỤNG

Tìm hiểu ứng dụng của đơn chất nitrogen khí và lỏng trong sản xuất, trong hoạt động nghiên cứu

Thảo luận 8. Quan sát hình 3.5 và dựa vào các tính chất của nitrogen. Hãy giải thích vì sao nitrogen có những ứng dụng đó.

Hướng dẫn trả lời:

- Trong sản xuất rượu bia: Khí nitrogen được bơm vào để loại bỏ khí oxygen, nhằm tránh hiện tượng lên men giấm làm rượu bia bị chua và mất đi hương vị vốn có ban đầu.

- Trong công nghệ đóng gói thực phẩm: Khí nitrogen được bơm vào để loại bỏ khí oxygen, tránh hiện tượng oxi hoá làm cho thực phẩm bên trong bị ôi thiu. Ngoài ra, khí nitrogen bơm vào sẽ làm phồng bao bì trong sản xuất thực phẩm đóng gói, giúp thực phẩm bền trong tránh bị vỡ vụn lúc vận chuyển.

- Trong công tác phòng cháy chữa cháy: Do tính chất trơ, không duy trì sự cháy nên nitrogen được sử dụng để dập tắt các đám cháy do hóa chất, chập điện, ...

- Trong lĩnh vực y tế: Do tính chất trơ và hoá lông ở nhiệt độ rất thấp (-195,8 °C) nên có thể đâm bảo môi trường gần như vô khuẩn trong quá trình bảo quản máu, nội tạng để cấy ghép, tế bào sinh dục (trứng, tinh trùng),....

- Trong khai thác dầu khí: Hỗn hợp khí N2 và CO2 được bơm vào bể chứa dầu mỏ để tạo áp suất đấy dầu còn dư bị kẹt lại lên trên nhờ đặc tính nén cao.

Vận dụng. Giải thích vì sao người ta bơm khí nitrogen vào trong những loại vaccin

Hướng dẫn trả lời:

Do khí nitrogen là một loại khí tương đối trơ ở nhiệt độ phòng nên được sử dụng để làm chậm quá trình phân hủy của một số chất trong vaccin

BÀI TẬP

Bài tập 1. Trình bày cấu tạo của phân tử N₂. Giải thích vì sao điều kiện thường N₂ khá trơ về mặt hóa học 

Hướng dẫn trả lời:

Cấu hình electron của nitrogen: 1s²2s²2p³

CTCT của phân tử nitrogen: N ≡ N

Giữa hai nguyên tử trong phân tử N₂ hình thành một liên kết ba bền vững. Mỗi nguyên tử nitơ trong phân tử N₂ có 8 electron lớp ngoài cùng, trong đó có ba cặp electron dùng chung và 1 cặp electron dùng riêng đã ghép đôi.

Ở điều kiện thường nitrogen là chất trơ vì có lên kết ba bền vững giữa hai nguyên tử, liên kết này chỉ bị phân huỷ rõ rệt thành nguyên tử ở nhiệt độ 3000^oC.

Ở nhiệt độ cao nitrogen trở nên hoạt động vì phân tử N₂ phân huỷ thành nguyên tử nitrogen có 5 electron lớp ngoài cùng và có độ âm điện tương đối lớn (3,04) nên trở nên hoạt động.

Bài tập 2. Viết phương trình hóa học chứng minh tính oxi hóa và tính khử của nitrogen. Cho biết số oxi hóa của nitrogen thay đổi như thế nào trong các phản ứng hóa học đó.

Hướng dẫn trả lời:

Nitrogen có tính oxi hoá: 

Mg(s) + N₂(g) → Mg₃N₂(s) (số oxi hoá của N: 0 --> -3)

H₂(g)+N₂(g) ⇌ NH₃(g) (t^o,xt,p) (số oxi hoá của N: 0 --> -3)

Nitrogen có tính khử

N2(g)+ O2(g) ⇌ 2NO(g) (to) (số oxi hoá của N: 0 --> +2)

Bài tập 3. Dựa vào giá trị năng lượng liên kết (E_b), hãy dự đoán ở điều kiện thường đơn chất nào (nitrogen, hydrogen, oxygen, chlorine) khó và dễ tham gia phản ứng hóa học nhất. Vì sao?

a) N_2(g) → 2N_(g) E_b= 945 kJ/mol 

b) H_2(g) → 2H_(g) E_b=432  kJ/mol 

c) O_2 (g) → 2O_(g) E_b=498 kJ/mol 

d) Cl_2 (g) → 2Cl_(g) E_b= 243  kJ/mol 

Hướng dẫn trả lời:

Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền --> càng khó tham gia phản ứng hóa học

Trong 4 đơn chất trên Cl₂ dễ tham gia phản ứng hóa học nhất, N₂ khó tham gia phản ứng hóa học nhất