Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Cấu tạo phân tử và tính chất của đơn chất nitrogen
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em giải thích được vì sao khí nitrogen trơ ở nhiệt độ thường nhưng vẫn phản ứng được ở nhiệt độ cao, viết và cân bằng được hai phản ứng đặc trưng của $N_2$ (với hydrogen và với oxygen), và liên hệ được các phản ứng này với quá trình sản xuất ammonia trong công nghiệp cũng như hiện tượng tự nhiên như sấm sét.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở Course 2 (Cân bằng hoá học), em đã học phản ứng thuận nghịch $\rightleftharpoons$ và hằng số cân bằng $K_c$ — một phản ứng thuận nghịch không đi hết về một phía mà dừng ở trạng thái các chất phản ứng và sản phẩm cùng tồn tại. Bài này dùng lại đúng khái niệm đó cho phản ứng tổng hợp ammonia, đồng thời cần nhớ lại kiến thức THCS về liên kết cộng hoá trị: hai nguyên tử phi kim góp chung electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm.
Khởi động
Không khí quanh ta chứa khoảng 78% thể tích là khí nitrogen — nhiều hơn hẳn oxygen. Nhưng khi đốt một que diêm hay bất cứ vật gì trong không khí, ta chỉ thấy oxygen phản ứng, còn nitrogen dường như đứng nhìn. Vì sao một chất chiếm phần lớn bầu khí quyển lại im lặng đến vậy, và điều gì khiến nó lên tiếng trở lại?
Kiến thức trọng tâm
Nguyên tử nitrogen (N, số hiệu 7) có 5 electron lớp ngoài cùng, còn thiếu 3 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm neon. Hai nguyên tử N liên kết với nhau bằng cách góp chung 3 cặp electron, tạo thành phân tử $N_2$ với một liên kết ba $N \equiv N$. Đây là kiểu liên kết cộng hoá trị bền nhất trong các phân tử hai nguyên tử thông thường — muốn phá vỡ nó cần một năng lượng rất lớn, khoảng 945 kJ cho mỗi mol liên kết. Chính vì liên kết ba này quá bền, ở nhiệt độ thường phân tử $N_2$ hầu như không phản ứng với chất nào, kể cả những chất có tính oxi hoá hay tính khử mạnh. Đó là lí do khí nitrogen được dùng để bơm vào bao bì thực phẩm, vỏ lốp xe, hay tạo môi trường trơ trong các thí nghiệm cần tránh oxygen — nitrogen có mặt nhưng không can thiệp vào phản ứng.
Tuy nhiên khi được cấp đủ năng lượng — nhiệt độ cao, áp suất cao, có xúc tác, hoặc năng lượng cực lớn của tia lửa điện — liên kết ba $N \equiv N$ vẫn bị phá vỡ và nitrogen thể hiện cả tính oxi hoá lẫn tính khử tuỳ chất phản ứng cùng.
**Phản ứng với hydrogen** (nitrogen thể hiện tính oxi hoá, số oxi hoá giảm từ 0 xuống −3): đây là phản ứng thuận nghịch, cần xúc tác iron (Fe), nhiệt độ khoảng 400–450 °C và áp suất rất cao 150–300 bar mới đạt hiệu suất chấp nhận được trong công nghiệp — quy trình Haber–Bosch sản xuất ammonia mà em sẽ học kĩ ở bài sau.
$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$
**Phản ứng với oxygen** (nitrogen thể hiện tính khử, số oxi hoá tăng từ 0 lên +2): phản ứng chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, khoảng 3000 °C trở lên — mức nhiệt chỉ đạt được trong tia lửa điện của sấm sét, hoặc trong buồng đốt động cơ ô tô, tuabin phản lực.
$$N_2(g) + O_2(g) \xrightarrow{3000^\circ C} 2NO(g)$$
Khí $NO$ sinh ra không màu, kém bền, kết hợp ngay với oxygen dư trong không khí ở nhiệt độ thường tạo khí $NO_2$ màu nâu đỏ: $2NO + O_2 \to 2NO_2$. Chuỗi phản ứng này chính là khởi đầu của quá trình hình thành mưa acid do sấm sét, và cũng là lí do khí thải động cơ đốt trong luôn chứa một lượng nhỏ $NO_x$ dù nhiên liệu không hề chứa nitrogen — $NO_x$ sinh ra từ chính khí $N_2$ có sẵn trong không khí nạp vào buồng đốt.
Nitrogen chỉ phản ứng khi liên kết ba N≡N được cấp đủ năng lượng.
Ví dụ
Cân bằng và mô tả phản ứng tổng hợp ammonia
1
Viết phương trình hoá học của phản ứng giữa nitrogen và hydrogen tạo ammonia, cho biết đây là phản ứng một chiều hay thuận nghịch, và nêu điều kiện phản ứng.
2
Ammonia sinh ra từ $N_2$ và $H_2$ không đi hết về một phía — trong bình kín, khi nồng độ $NH_3$ đủ lớn, một phần $NH_3$ lại phân huỷ ngược trở về $N_2$ và $H_2$. Đây là phản ứng thuận nghịch, cần kí hiệu $\rightleftharpoons$ theo đúng quy ước đã học ở Course 2.
3
Vế trái có 2 nguyên tử N và 6 nguyên tử H (từ $3H_2$); vế phải với hệ số 2 trước $NH_3$ cũng cho 2 N và 6 H. Phương trình đã cân bằng: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$.
4
Phản ứng cần xúc tác iron (Fe), nhiệt độ khoảng 400–450 °C, áp suất cao khoảng 150–300 bar mới đạt hiệu suất đủ lớn để khai thác trong công nghiệp — đây chính là quy trình Haber–Bosch.
5
Vậy phương trình cần viết là $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$, xúc tác Fe, nhiệt độ và áp suất cao — một phản ứng thuận nghịch chứ không phải một chiều.
Ví dụ
Tính thể tích khí NO sinh ra khi sấm sét đốt cháy nitrogen trong không khí
1
Ước tính một tia sét làm phản ứng hết 5,6 lít khí $N_2$ (đo ở đkc: 25 °C, 1 bar). Tính thể tích khí $NO$ sinh ra ở cùng điều kiện, biết phản ứng xảy ra hoàn toàn theo phương trình $N_2 + O_2 \xrightarrow{3000^\circ C} 2NO$.
2
Ở đkc theo chương trình 2018, $V_m = 24{,}79$ lít/mol. Ta có $n(N_2) = \dfrac{5{,}6}{24{,}79} \approx 0{,}226$ mol.
3
Theo phương trình $N_2 + O_2 \to 2NO$, tỉ lệ mol $N_2 : NO = 1 : 2$. Suy ra $n(NO) = 2 \times 0{,}226 = 0{,}452$ mol.
4
Ở cùng điều kiện đkc: $V(NO) = 0{,}452 \times 24{,}79 \approx 11{,}2$ lít.
5
Vậy thể tích khí $NO$ sinh ra xấp xỉ 11,2 lít — đúng gấp đôi thể tích $N_2$ đã phản ứng, khớp với tỉ lệ mol 1:2 của phương trình.
Sai lầm thường gặp
Nhiều em nghĩ nitrogen không bao giờ phản ứng vì thấy nó trơ ở điều kiện thường, rồi khi gặp câu hỏi về sấm sét hay động cơ đốt trong lại lúng túng không biết $NO_x$ từ đâu ra. Hãy nhớ: nitrogen trơ ở nhiệt độ thường vì liên kết ba quá bền, chứ không phải trơ tuyệt đối — nhiệt độ đủ cao vẫn phá vỡ được liên kết đó.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
$N_2$ trơ ở nhiệt độ thường nhờ liên kết ba $N \equiv N$ rất bền, nhưng phản ứng được ở nhiệt độ cao: với $H_2$ (xúc tác Fe, nhiệt độ và áp suất cao) tạo $NH_3$ — nitrogen là chất oxi hoá; với $O_2$ (khoảng 3000 °C, tia lửa điện) tạo $NO$ rồi $NO_2$ — nitrogen là chất khử.
Cầu nối
Bài tiếp theo đặt phản ứng Haber–Bosch vào một bức tranh lớn hơn: chu trình nitrogen trong tự nhiên, nơi cả con đường sinh học lẫn con đường công nghiệp cùng đưa nitrogen từ khí quyển vào đất, vào cây trồng, rồi trở lại khí quyển.
Sau bài này, em giải thích được vì sao khí nitrogen trơ ở nhiệt độ thường nhưng vẫn phản ứng được ở nhiệt độ cao, viết và cân bằng được hai phản ứng đặc trưng của N2 (với hydrogen và với oxygen), và liên hệ được các phản ứng này với quá trình sản xuất ammonia trong công nghiệp cũng như hiện tượng tự nhiên như sấm sét.
Ở Course 2 (Cân bằng hoá học), em đã học phản ứng thuận nghịch ⇌ và hằng số cân bằng Kc — một phản ứng thuận nghịch không đi hết về một phía mà dừng ở trạng thái các chất phản ứng và sản phẩm cùng tồn tại. Bài này dùng lại đúng khái niệm đó cho phản ứng tổng hợp ammonia, đồng thời cần nhớ lại kiến thức THCS về liên kết cộng hoá trị: hai nguyên tử phi kim góp chung electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm.
Nguyên tử nitrogen (N, số hiệu 7) có 5 electron lớp ngoài cùng, còn thiếu 3 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm neon. Hai nguyên tử N liên kết với nhau bằng cách góp chung 3 cặp electron, tạo thành phân tử N2 với một liên kết ba N≡N. Đây là kiểu liên kết cộng hoá trị bền nhất trong các phân tử hai nguyên tử thông thường — muốn phá vỡ nó cần một năng lượng rất lớn, khoảng 945 kJ cho mỗi mol liên kết. Chính vì liên kết ba này quá bền, ở nhiệt độ thường phân tử N2 hầu như không phản ứng với chất nào, kể cả những chất có tính oxi hoá hay tính khử mạnh. Đó là lí do khí nitrogen được dùng để bơm vào bao bì thực phẩm, vỏ lốp xe, hay tạo môi trường trơ trong các thí nghiệm cần tránh oxygen — nitrogen có mặt nhưng không can thiệp vào phản ứng.
Tuy nhiên khi được cấp đủ năng lượng — nhiệt độ cao, áp suất cao, có xúc tác, hoặc năng lượng cực lớn của tia lửa điện — liên kết ba N≡N vẫn bị phá vỡ và nitrogen thể hiện cả tính oxi hoá lẫn tính khử tuỳ chất phản ứng cùng.
Phản ứng với hydrogen (nitrogen thể hiện tính oxi hoá, số oxi hoá giảm từ 0 xuống −3): đây là phản ứng thuận nghịch, cần xúc tác iron (Fe), nhiệt độ khoảng 400–450 °C và áp suất rất cao 150–300 bar mới đạt hiệu suất chấp nhận được trong công nghiệp — quy trình Haber–Bosch sản xuất ammonia mà em sẽ học kĩ ở bài sau.
N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)
Phản ứng với oxygen (nitrogen thể hiện tính khử, số oxi hoá tăng từ 0 lên +2): phản ứng chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, khoảng 3000 °C trở lên — mức nhiệt chỉ đạt được trong tia lửa điện của sấm sét, hoặc trong buồng đốt động cơ ô tô, tuabin phản lực.
N2(g)+O2(g)3000∘C2NO(g)
Khí NO sinh ra không màu, kém bền, kết hợp ngay với oxygen dư trong không khí ở nhiệt độ thường tạo khí NO2 màu nâu đỏ: 2NO+O2→2NO2. Chuỗi phản ứng này chính là khởi đầu của quá trình hình thành mưa acid do sấm sét, và cũng là lí do khí thải động cơ đốt trong luôn chứa một lượng nhỏ NOx dù nhiên liệu không hề chứa nitrogen — NOx sinh ra từ chính khí N2 có sẵn trong không khí nạp vào buồng đốt.
Ammonia sinh ra từ N2 và H2 không đi hết về một phía — trong bình kín, khi nồng độ NH3 đủ lớn, một phần NH3 lại phân huỷ ngược trở về N2 và H2. Đây là phản ứng thuận nghịch, cần kí hiệu ⇌ theo đúng quy ước đã học ở Course 2.
Vế trái có 2 nguyên tử N và 6 nguyên tử H (từ 3H2); vế phải với hệ số 2 trước NH3 cũng cho 2 N và 6 H. Phương trình đã cân bằng: N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g).
Vậy phương trình cần viết là N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g), xúc tác Fe, nhiệt độ và áp suất cao — một phản ứng thuận nghịch chứ không phải một chiều.
Ước tính một tia sét làm phản ứng hết 5,6 lít khí N2 (đo ở đkc: 25 °C, 1 bar). Tính thể tích khí NO sinh ra ở cùng điều kiện, biết phản ứng xảy ra hoàn toàn theo phương trình N2+O23000∘C2NO.
Ở đkc theo chương trình 2018, Vm=24,79 lít/mol. Ta có n(N2)=24,795,6≈0,226 mol.
Theo phương trình N2+O2→2NO, tỉ lệ mol N2:NO=1:2. Suy ra n(NO)=2×0,226=0,452 mol.
Ở cùng điều kiện đkc: V(NO)=0,452×24,79≈11,2 lít.
Vậy thể tích khí NO sinh ra xấp xỉ 11,2 lít — đúng gấp đôi thể tích N2 đã phản ứng, khớp với tỉ lệ mol 1:2 của phương trình.
Nhiều em nghĩ nitrogen không bao giờ phản ứng vì thấy nó trơ ở điều kiện thường, rồi khi gặp câu hỏi về sấm sét hay động cơ đốt trong lại lúng túng không biết NOx từ đâu ra. Hãy nhớ: nitrogen trơ ở nhiệt độ thường vì liên kết ba quá bền, chứ không phải trơ tuyệt đối — nhiệt độ đủ cao vẫn phá vỡ được liên kết đó.
N2 trơ ở nhiệt độ thường nhờ liên kết ba N≡N rất bền, nhưng phản ứng được ở nhiệt độ cao: với H2 (xúc tác Fe, nhiệt độ và áp suất cao) tạo NH3 — nitrogen là chất oxi hoá; với O2 (khoảng 3000 °C, tia lửa điện) tạo NO rồi NO2 — nitrogen là chất khử.