Giải sách bài tập Hóa học 11 cánh diều bài 4: Đơn chất Nitrogen

Câu 1: Phát biểu nào sau đây về nguyên tố nitrogen ($_{7}N$) là không đúng?

A. Nguyên tử nguyên tố nitrogen có cấu hình electron là 1s$^{2}$s$^{2}$p$^{3}$.

B. Nguyên tử nguyên tố nitrogen có 3 electron hoá trị.

C. Nguyên tố nitrogen thuộc chu kì 2, nhóm VA trong bảng tuần.

D. Trong một số hợp chất, nguyên tử nitrogen có thể dùng cặp electron hóa trị riêng để tạo một liên kết cho - nhận với nguyên tử khác.

Hướng dẫn trả lời:

Chọn đáp án B.

Nguyên tử nguyên tố nitrogen có 5 electron hoá trị.

Câu 2: Số oxi hoá và hoá trị của nitrogen trong hợp chất nitric acid lần lượt là:

A. +5 và V.              B. +5 và IV.            C. +5 và III.            D. +4 và IV.

Hướng dẫn trả lời:

Chọn đáp án B.

Trong hợp chất nitric acid HNO$_{3}$, N có số oxi hóa là +5, hóa trị IV.

Câu 3: Phát biểu nào sau đây về đơn chất nitrogen (N$_{2}$) là không đúng?

A. Dù phân tử N$_{2}$ có tính kém hoạt động hoá học, nhưng vẫn hoạt động hoá học mạnh hơn chlorine, Cl$_{2}$.

B. Đơn chất nitrogen không phản ứng với hydrogen, oxygen ở điều kiện thường.

C. Do có nhiệt độ rất thấp nên nitrogen lỏng được sử dụng bảo quản một số loại mẫu vật.

D. Trong bầu khí quyển, khi có sấm chớp, khí nitrogen tạo các nitrogen oxide, là một nguyên nhân làm cho nước mưa có tính acid.

Hướng dẫn trả lời:

Chọn đáp án A.

Ở nhiệt độ và áp suất thường, nitrogen trơ, kém hoạt động hóa học.

Câu 4: Trong một số nghiên cứu tổng hợp hữu cơ cần môi trường trơ, người ta loại oxygen ra khỏi hệ phản ứng bằng cách dùng bơm chân không rút không khí ra khỏi hệ, sau đó xả khí nitrogen vào hệ phản ứng. Lượng khí được rút ra thường đi kèm một lượng dung môi hữu cơ; để tránh làm hỏng bơm và ngăn hơi dung môi hữu cơ độc hại thoát ra ngoài, lượng khí rút ra được dẫn qua bình chứa, bình này lại được ngâm trong nitrogen lỏng. Bình chứa này còn được gọi là bẫy dung môi, hơi dung môi sẽ bị giữ lại ở đây và được thu hồi sau khi phản ứng kết thúc. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy, bẫy dung môi này tiềm ẩn nhiều nguy cơ phát nổ và thực tế đã không ít vụ nổ đã xảy ra. Nguyên nhân được cho là do sự gia tăng áp suất đột ngột khi oxygen lỏng bay hơi khi loại bỏ nitrogen lỏng cũng như phản ứng mãnh liệt giữa chất lỏng này với một số chất hữu cơ tạo thành các hợp chất dễ gây nổ.

(Nguồn: https://researchsafety.northwestern.edu/safety-information/glass-vacuum-trap-safety-alert.html, truy cập ngày 3-1-2023.)

Đọc đoạn thông tin trên và trả lời các câu hỏi dưới đây bằng cách chọn phương án đúng:

a) Vai trò của khí nitrogen trong hệ phản ứng trên là gì?

A. Tạo môi trường trơ.                                B. Là chất tham gia phản ứng.

C. Giữ nhiệt độ phản ứng cố định.              D. Hạn chế sự bay hơi của dung môi hữu cơ.

b) Có thể thay khí nitrogen bằng loại khí nào sau đây?

A. Các khí có chứa nguyên tố nitrogen vì nitrogen cần cho phản ứng.

B. Hơi nước vì hơi nước giúp ổn định nhiệt độ và không độc hại.

C. Argon, neon,... hoặc các khí trơ khác.

D. Các khí có tỉ trọng lớn để ngăn dung môi hữu cơ bay hơi.

c) Vì sao bẫy dung môi cần được ngâm trong nitrogen lỏng?

A. Do nhiệt độ nitrogen lỏng rất thấp.

B. Do phản ứng cần môi trường trơ.

C. Để hạ nhiệt độ phản ứng làm mát bơm.

D. Vì nitrogen lỏng có thể phản ứng với dung môi hữu cơ tạo chất ít độc hại.

d) Từ tìm hiểu, tra cứu nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của một số dung môi hữu cơ thông dụng, dự đoán dung môi hữu cơ được giữ lại trong bẫy dung môi dưới dạng nào sau đây.

A. Khí.                 B. Lỏng.                 C. Rắn.                   D. Lỏng hoặc rắn.

e) Vì sao có sự xuất hiện của oxygen lỏng trong trong bẫy dung môi?

A. Oxygen có sẵn trong hệ khi rút ra sẽ hóa lỏng khi đi qua bẫy dung môi.

B. Nhiệt độ nóng chảy của oxygen cao hơn nhiệt độ nitrogen lỏng.

C. Oxygen được sinh ra trong phản ứng tổng hợp.

D. Oxygen có thể đi vào hệ thông qua các kẽ hở.

g) Nguyên nhân gây nổ được xác định là do oxygen lỏng. Để hạn chế việc này xảy ra người ta đã thiết kế, cải tiến bẫy dung môi bằng chất liệu phù hợp. Theo em, nên chọn loại vật liệu nào sau đây?

A. Loại thép dày, nếu vụ nổ có xảy ra cũng không thể phá huỷ, không gây nguy hiểm cho người sử dụng.

B. Vật liệu chống cháy, vụ nổ có thể tạo ra nhiều nhiệt do đó cần vật liệu cách nhiệt để tránh hơi nóng thoát ra gây hoả hoạn.

C. Thuỷ tinh cách nhiệt, trong suốt giúp quan sát phát hiện màu xanh của oxygen lỏng, đồng thời ngăn nhiệt thoát ra ngoài.

D. Thuỷ tinh chịu nhiệt, trong suốt giúp phát hiện lượng oxygen lỏng xuất hiện (nếu có) và xử lí sớm, do oxygen lỏng có màu xanh.

Hướng dẫn trả lời:

a) Chọn đáp án A.

Vai trò của khí nitrogen trong hệ phản ứng trên là tạo môi trường trơ.

b) Chọn đáp án C.

Có thể thay khí nitrogen bằng các khí trơ khác như argon, neon, ...

c) Chọn đáp án A.

Nitrogen hóa lỏng ở nhiệt độ thấp, -196oC nên nitrogen lỏng được dùng để làm lạnh nhanh.

d) Chọn đáp án C.

Vì nhiệt độ hóa hơi và nhiệt độ nóng chảy của dung môi hữu cơ cao hơn nhiều so với nhiệt độ của nitrogen lỏng.

=> Dung môi hữu cơ được giữ lại trong bẫy dung môi dưới dạng rắn.

e) Chọn đáp án A.

Có sự xuất hiện của oxygen lỏng trong trong bẫy dung môi vì oxygen có sẵn trong hệ khi rút ra sẽ hóa lỏng khi đi qua bẫy dung môi.

g) Chọn đáp án D.

Nên cải tiến bẫy dung môi bằng chất liệu thuỷ tinh chịu nhiệt, trong suốt giúp phát hiện lượng oxygen lỏng xuất hiện (nếu có) và xử lí sớm, do oxygen lỏng có màu xanh.

Câu 5: Cho hai phương trình hoá học sau:

N$_{2}$(g) + O$_{2}$(g) → 2NO(g)                 $\Delta _{r}H^{o}_{298}$ = 180kJ (1)

2NO(g) + O$_{2}$(g) → 2NO$_{2}$(g)            $\Delta _{r}H^{o}_{298}$ = -114kJ (2)

Những phát biểu nào sau đây về hai phương trình hoá học trên là đúng?

(a) Phản ứng (1) là phản ứng thu nhiệt, phản ứng (2) là phản ứng toả nhiệt.

(b) Phản ứng (2) tạo NO$_{2}$ từ NO, là quá trình thuận lợi về mặt năng lượng.

Điều này cũng phù hợp với thực tế là khí NO (không màu) nhanh chóng bị oxi hoá thành khí NO$_{2}$ (màu nâu đỏ).

(c) Enthalpy tạo thành chuẩn của NO$_{2}$ là 80 kJ mol$^{-1}$.

(d) Từ giá trị biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng (1) và năng lượng liên kết trong phân tử O$_{2}$, N$_{2}$ lần lượt là 498 kJ mol$^{-1}$ và 946 kJ mol, tính được năng lượng liên kết trong phân tử NO ở cùng điều kiện là 632 kJ mol$^{-1}$.

Hướng dẫn trả lời:

Phát biểu đúng: (a), (b), (d).

a) $\Delta _{r}H^{o}_{298}$ = 180kJ (1) > 0 => Phản ứng thu nhiệt.

$\Delta _{r}H^{o}_{298}$ = -114kJ (2) < 0 => phản ứng tỏa nhiệt.

b) Phản ứng (2) tạo NO$_{2}$ từ NO, là quá trình thuận lợi về mặt năng lượng.

c) Chú ý: Nhiệt tạo thành chuẩn của các đơn chất bền cững nhất bằng không (O$_{2}$, N$_{2}$)

$\Delta _{r}H^{o}_{298}(1)=2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NO)-\Delta _{f}H^{o}_{298}(N_{2})-\Delta _{f}H^{o}_{298}(O_{2})=2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NO)$

$\Rightarrow \Delta _{f}H^{o}_{298}(NO)=\frac{\Delta _{r}H^{o}_{298}(1)}{2}$ = 90 kJ mol$^{-1}$.

$\Delta _{r}H^{o}_{298}(2)=2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NO_{2})-2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NO)-\Delta _{f}H^{o}_{298}(O_{2})=2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NO_{2})-2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NO)$

$\Rightarrow \Delta _{f}H^{o}_{298}(NO_{2})=\frac{\Delta _{r}H^{o}_{298}(2)+2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NO)}{2}$ = 33 kJ mol$^{-1}$

=> (c) sai

d) $\Delta _{r}H^{o}_{298}(1)=E_{b}(N_{2})+E_{b}(O_{2})-2E_{b}(NO)$

$\Rightarrow E_{b}(NO)=\frac{E_{b}(N_{2})+E_{b}(O_{2})-\Delta _{r}H^{o}_{298}(1)}{2}=\frac{498+946-180}{2}$ = 632 kJ mol$^{-1}$.

Câu 6: Khí nitrogen được dùng trong phòng cháy và chữa cháy, kĩ thuật phẫu thuật lạnh, quá trình sản xuất bia, đóng gói bảo quản thực phẩm,... Hãy tìm kiếm thông tin trên internet hoặc sách báo để giải thích cơ sở của các ứng dụng trên.

Hướng dẫn trả lời:

Dựa trên tính chất là khí nitrogen không duy trì sự cháy, gần như trơ ở nhiệt độ thường và nhiệt độ không quá cao (chỉ hoạt động ở nhiệt độ rất cao) nên nitrogen được dùng trong phòng cháy, chữa cháy; bảo quản thực phẩm, ngăn thực phẩm bị oxi hoá nhanh hỏng; ngăn ethanol trong bia bị oxi hoá thành acid gây ra vị chua. Nitrogen lỏng có nhiệt độ rất thấp -196°C. Ngoài giúp trữ đông mô, việc đưa một lượng khí nitrogen ở nhiệt độ rất thấp vào mô ung thư có thể làm đông đặc mô bệnh, sau đó rã đông, quá trình lặp lại nhiều lần mô bệnh sẽ chết và được loại bỏ; phương pháp này ít gây đau đớn và ít mất máu cho bệnh nhân hơn so với phẫu thuật truyền thống.

Câu 7: Cho bảng giá trị năng lượng của một số liên kết ở điều kiện chuẩn sau:

a) Tính giá trị biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng sau theo năng lượng liên kết:

N$_{2}$(g) + 3H$_{2}$(g) ⇌ 2NH$_{3}$(g)

b) Từ kết quả tính ở a) thì có thể suy ra giá trị enthalpy tạo thành chuẩn của khí ammonia là bao nhiêu kJ mol$^{-1}$

c) Kết quả thực nghiệm xác nhận giá trị enthalpy tạo thành chuẩn của khí ammonia là -45,9 kJ mol$^{-1}$. Hãy cho biết vì sao có sự khác biệt về giá trị enthalpy tạo thành chuẩn của khí ammonia theo kết quả tính ở b) và kết quả thực nghiệm.

Hướng dẫn trả lời:

a) $\Delta _{r}H^{o}_{298}$ = 1.946 + 3.436 - 6.389 = -80 (kJ).

b) Với kết quả tính được từ a) thì enthalpy tạo thành chuẩn của ammonia là -40 kJ mol$^{-1}$.

$\Delta _{r}H^{o}_{298}=2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NH_{3})-\Delta _{f}H^{o}_{298}(N_{2})-3\Delta _{f}H^{o}_{298}(H_{2})=2\Delta _{f}H^{o}_{298}(NH_{3})$

$\Rightarrow \Delta _{f}H^{o}_{298}(NH_{3})=\frac{\Delta _{r}H^{o}_{298}}{2}=\frac{-80}{2}$ = -40 kJ mol$^{-1}$

c) Giá trị enthalpy tạo thành chuẩn tính theo năng lượng liên kết thường khác biệt nhiều với giá trị thực nghiệm. Đó là do giá trị năng lượng của một liên kết cộng hoá trị giữa A và B thường chỉ là giá trị năng lượng liên kết trung bình của các liên kết giữa A và B trong nhiều hợp chất khác nhau. Trong bài tập này, giá trị 389 kJ mol$^{-1}$ được hiểu là giá trị trung bình năng lượng liên kết N và H trong nhiều hợp chất khác nhau, như NH$_{3}$, CH$_{3}$–NH$_{2}$, …