Bài 4: Nitrogen

1. Kiến thức trọng tâm

Nitrogen là nguyên tố thuộc nhóm VA, chu kì 2, có cấu hình electron lớp ngoài cùng $2s^22p^3$ và độ âm điện lớn. Đơn chất nitrogen ($N_2$) chiếm khoảng 78% thể tích không khí. Phân tử $N_2$ có liên kết ba $N \equiv N$ rất bền với năng lượng liên kết lớn, vì vậy nitrogen khá trơ ở nhiệt độ thường, chỉ phản ứng mạnh ở nhiệt độ cao hoặc có xúc tác.

Nitrogen có các số oxi hoá từ $-3$ đến $+5$: $-3$ trong $NH_3$, $0$ trong $N_2$, $+1$ trong $N_2O$, $+2$ trong $NO$, $+3$ trong $HNO_2$, $+4$ trong $NO_2$, $+5$ trong $HNO_3$. Ở nhiệt độ cao, nitrogen tác dụng với hydrogen tạo ammonia, với oxygen tạo nitrogen monoxide, với một số kim loại như lithium, magnesium tạo nitride.

Trong công nghiệp, nitrogen được điều chế bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng. Trong phòng thí nghiệm, có thể điều chế nitrogen bằng cách đun nóng dung dịch bão hoà ammonium nitrite: $NH_4NO_2 \xrightarrow{t^\circ} N_2 + 2H_2O$.

Nitrogen được dùng để tạo môi trường trơ trong bảo quản thực phẩm, sản xuất ammonia, phân đạm và nhiều hợp chất quan trọng khác. Trong cơ thể sinh vật, nitrogen là thành phần của protein, nucleic acid và nhiều hợp chất sinh học thiết yếu.

2. Ví dụ minh họa

Xét phản ứng giữa nitrogen và lithium: $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$. Trong phản ứng này, nitrogen đóng vai trò chất oxi hoá vì số oxi hoá của nó giảm từ $0$ xuống $-3$. Ngược lại, khi nitrogen tác dụng với oxygen ở nhiệt độ rất cao trong động cơ hoặc khi có sấm sét, $N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO$, nitrogen đóng vai trò chất khử vì số oxi hoá tăng từ $0$ lên $+2$. Điều này cho thấy nitrogen vừa có tính oxi hoá vừa có tính khử.

Tính thể tích nitrogen ở điều kiện chuẩn cần dùng để điều chế $34$ gam ammonia theo phản ứng $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Số mol $NH_3$ là $34 / 17 = 2$ mol, cần $1$ mol $N_2$, tương ứng $24,79$ lít.

3. Ghi nhớ

$N_2$ có liên kết ba rất bền nên khá trơ ở nhiệt độ thường. Nitrogen có số oxi hoá từ $-3$ đến $+5$, vừa có tính oxi hoá vừa có tính khử. Nitrogen chiếm 78% thể tích không khí và là nguyên liệu sản xuất ammonia, phân đạm.