Giải chi tiết Hóa học 11 Kết nối mới bài 4: Nitrogen

MỞ ĐẦU

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?

Hướng dẫn trả lời:

Nhiệt độ cao là điều kiện để phản ứng trên xảy ra: nitrogen khá trơ, ở nhiệt độ cao nitrogen trở nên hoạt động hơn.

Đơn chất nitrogen đóng vai trò vừa là chất oxi hóa và chất khử trong phản ứng.

I. TRANG THÁI THỰ NHIÊN

Hoạt động nghiên cứu: Nêu ứng dụng thực tiễn của khí nitrogen và diêm tiêu Chile mà em biết.

Hướng dẫn trả lời:

Ứng dụng của nitrogen:

• Tác nhân làm lạnh
• Tổng hợp ammonia
• Tạo khí quyển trơ
• Bảo quản thực phẩm

Ứng dụng của diêm tiêu Chile:

• Sản xuất phân bón
• Sản xuất axit nitric
• Bảo quản nhiệt
• Dùng trong công nghiệp nước thải

II. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ

1. Cấu tạo nguyên tử

Hoạt động nghiên cứu: 

1. Sắp xếp các hợp chất sau vào vị trí tương ứng trong trục biểu diễn số oxi hóa của nitrogen: NO, N₂O, NO₂, NH₃, HNO₂, HNO₃, NH₄CL, KNO₂, NaNO₃.

Hướng dẫn trả lời:

2. Dựa vào trục biểu diễn số oxi hóa của nitrogen để giải thích nitrogen có cả tính oxi hóa và tính khử. Viết một quá trình oxi hóa và một quá trình khử để mình họa.

Hướng dẫn trả lời:

Nitrogen có số oxi hóa giảm từ 0 → -3 thể hiện tính oxi hóa; 

N₂ + 3H₂ → 2NH₃.

Nitrogen có tính khử: +2 → + 4

2NO + O₂ → NO₂

2. Cấu tạo phân tử

Hoạt động nghiên cứu: 

1. Viết công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của phân tử nitrogen.

Hướng dẫn trả lời:

2. 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.

Hướng dẫn trả lời:

Phân tử nitrogen gồm hai nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết ba (1 liên kết σ và hai liên kết π) nên phân tử nitrogen có năng lượng liên kết lớn.

Khả năng hoạt động hóa học ở nhiệt độ thường của nitrogen kém.

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

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

Hướng dẫn trả lời:

Tương tác van der Waals tăng theo sự tăng của số electron trong phân tử. Làm tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các chất. Vậy nên đơn chất N2 khó hoá lỏng và ít tan trong nước.

IV. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Câu hỏi 2: 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.

Hướng dẫn trả lời:

Phản ứng tổng hợp ammonia: 

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Nguyên tử thay đổi số oxi hóa là nitrogen: 0 → -3; hydrogen 0 → +1.

Vai trò của nitrogen là chất oxi hóa.

Câu hỏi 3: 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?

Hướng dẫn trả lời:

a) Phản ứng: N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g).

Nguyên tử có sự thay đổi số oxi hóa là nitrogen: 0 → +2 và oxi 0 → -2.

b) Trong 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 vì phản ứng này thường xảy ra đồng thời với quá trình đốt cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao bằng không khí gây ô nhiễm môi trường.

Câu hỏi 4: Viết các phương trình hoá học minh hoạ quá trình hình thành đạm nitrate trong tự nhiên xuất phát từ nitrogen.

Hướng dẫn trả lời:

(1) N2+O2→2NO

(2) 2NO+O2→2NO2

(3) 4NO2+O2+4H2O→4HNO3

 (4) HNO3→H++NO−3

V. ỨNG DỤNG

Hoạt động nghiên cứu: 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.

Hướng dẫn trả lời:

Ứng dụng của nitrogen lỏng trong y tế và công nghệ thực phẩm

Nitrogen lỏng làm mô bị đóng băng ngay khi tiếp xúc nên được dùng điều trị mụn cóc và một số bệnh ngoài đa.

Nitrogen lỏng được phun vào vỏ bao bì, sau đó gắn kín, nitrogen biến thành thể khí làm căng vỏ bao bì, vừa bảo vệ thực phẩm khi va chạm, vừa bảo quản được thực phẩm.

Câu hỏi 5: 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?

Hướng dẫn trả lời:

a) Nitrogen lỏng là loại chất lỏng cực lạnh. Nhiệt độ của nitrogen lỏng thường là -196 độ C. Nên nitrogen lỏng được dùng để bảo quản mẫu vật phẩm trong y học.

b) Khi dùng nitrogen để bảo quản thực phẩm, khí nitrogen sẽ tạo ra một bức tường tự nhiên ngăn cách bề mặt thực phẩm tiếp xúc với oxy bên ngoài. Điều đó vi sinh vật, vi khuẩn và các chất oxy hóa sẽ không thể ảnh hưởng đến thực phẩm. Còn không khí có chứa oxy sẽ làm trình trạng ôi thiu, biến mùi, biến vị sẽ diễn ra nhanh hơn khi dùng nitrogen.