Carl Scheele, một nhà hóa học người Thụy Điển và Daniel Rutherford, một nhà thực vật học người Scotland, đã phát hiện ra nitơ riêng biệt vào năm 1772. Mục sư Cavendish và Lavoisier cũng độc lập thu được nitơ vào cùng thời điểm. Nitơ lần đầu tiên được công nhận là một nguyên tố bởi Lavoisier, người đặt tên cho nó là "azo", có nghĩa là "vô tri". Chaptal đặt tên cho nguyên tố nitơ vào năm 1790. Tên này bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp "nitre" (nitrat chứa nitơ trong nitrat)
Các nhà sản xuất sản xuất nitơ - Nhà máy và nhà cung cấp sản xuất nitơ Trung Quốc (xinfatools.com)
Nguồn nitơ
Nitơ là nguyên tố phổ biến thứ 30 trên Trái đất. Xét rằng nitơ chiếm 4/5 thể tích khí quyển, hay hơn 78%, chúng ta có sẵn lượng nitơ gần như không giới hạn. Nitơ còn tồn tại ở dạng nitrat trong nhiều loại khoáng chất, chẳng hạn như muối tiêu Chile (natri nitrat), muối tiêu hoặc nitre (kali nitrat) và các khoáng chất chứa muối amoni. Nitơ có mặt trong nhiều phân tử hữu cơ phức tạp, bao gồm protein và axit amin có trong mọi sinh vật sống.
Tính chất vật lý
Nitơ N2 là chất khí không màu, không vị, không mùi ở nhiệt độ phòng và thường không độc. Mật độ khí ở điều kiện tiêu chuẩn là 1,25g/L. Nitơ chiếm 78,12% tổng lượng khí quyển (phần thể tích) và là thành phần chính của không khí. Có khoảng 400 nghìn tỷ tấn khí trong khí quyển.
Dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn, khi được làm lạnh đến -195,8oC, nó trở thành chất lỏng không màu. Khi được làm lạnh đến -209,86oC, nitơ lỏng trở thành chất rắn giống như tuyết.
Nitơ không dễ cháy và được coi là một loại khí gây ngạt thở (tức là hít phải nitơ tinh khiết sẽ làm cơ thể con người mất đi lượng oxy). Nitơ có độ hòa tan rất thấp trong nước. Ở nhiệt độ 283K, một thể tích nước có thể hòa tan khoảng 0,02 thể tích N2.
Tính chất hóa học
Nitơ có tính chất hóa học rất ổn định. Rất khó phản ứng với các chất khác ở nhiệt độ phòng, nhưng nó có thể trải qua những thay đổi hóa học với một số chất trong điều kiện nhiệt độ cao và năng lượng cao, đồng thời có thể được sử dụng để tạo ra các chất mới có ích cho con người.
Công thức quỹ đạo phân tử của phân tử nitơ là KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Ba cặp electron góp phần tạo nên liên kết, tức là hình thành hai liên kết π và một liên kết σ. Không có sự đóng góp nào cho liên kết, và năng lượng liên kết và phản liên kết xấp xỉ bằng nhau và chúng tương đương với các cặp electron đơn độc. Vì có liên kết ba N≡N trong phân tử N2 nên phân tử N2 có độ ổn định cao và cần 941,69 kJ/mol năng lượng để phân hủy nó thành nguyên tử. Phân tử N2 ổn định nhất trong số các phân tử hai nguyên tử đã biết và khối lượng phân tử tương đối của nitơ là 28. Hơn nữa, nitơ không dễ cháy và không hỗ trợ quá trình đốt cháy.
Phương pháp thử
Đặt thanh Mg đang cháy vào bình thu khí chứa đầy nitơ, thanh Mg sẽ tiếp tục cháy. Chiết phần tro còn lại (bột Mg3N2 hơi vàng), thêm một lượng nhỏ nước, tạo ra khí (amoniac) làm giấy quỳ đỏ ướt chuyển sang màu xanh. Phương trình phản ứng: 3Mg + N2 = bốc cháy = Mg3N2 (magie nitrit); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 + 2NH3↑
Đặc điểm liên kết và cấu trúc liên kết hóa trị của nitơ
Vì đơn chất N2 cực kỳ ổn định trong điều kiện bình thường nên người ta thường lầm tưởng nitơ là nguyên tố không hoạt động hóa học. Trên thực tế thì ngược lại, nitơ nguyên tố có hoạt tính hóa học cao. Độ âm điện của N (3.04) chỉ đứng sau F và O, cho thấy nó có thể hình thành liên kết mạnh với các nguyên tố khác. Ngoài ra, tính ổn định của phân tử N2 đơn chất chỉ thể hiện hoạt tính của nguyên tử N. Vấn đề là người ta vẫn chưa tìm ra điều kiện tối ưu để kích hoạt phân tử N2 ở nhiệt độ và áp suất phòng. Nhưng trong tự nhiên, một số vi khuẩn trên nốt sần thực vật có thể chuyển hóa N2 trong không khí thành hợp chất nitơ trong điều kiện năng lượng thấp ở nhiệt độ và áp suất bình thường và sử dụng chúng làm phân bón cho cây trồng.
Vì vậy, việc nghiên cứu quá trình cố định đạm luôn là một chủ đề nghiên cứu khoa học quan trọng. Vì vậy, chúng ta cần hiểu chi tiết các đặc điểm liên kết và cấu trúc liên kết hóa trị của nitơ.
Loại trái phiếu
Cấu trúc lớp electron hóa trị của nguyên tử N là 2s2p3, nghĩa là có 3 electron đơn lẻ và một cặp electron đơn độc. Dựa trên điều này, khi hình thành các hợp chất, có thể tạo ra ba loại liên kết sau:
1. Hình thành liên kết ion 2. Hình thành liên kết cộng hóa trị 3. Hình thành liên kết phối trí
1. Hình thành liên kết ion
Nguyên tử N có độ âm điện cao (3,04). Khi chúng tạo thành nitrua nhị phân với các kim loại có độ âm điện thấp hơn, chẳng hạn như Li (độ âm điện 0,98), Ca (độ âm điện 1,00) và Mg (độ âm điện 1,31), chúng có thể thu được 3 electron và tạo thành ion N3-. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- Các ion có điện tích âm cao hơn và bán kính lớn hơn (171pm). Chúng sẽ bị thủy phân mạnh khi gặp các phân tử nước. Do đó, các hợp chất ion chỉ có thể tồn tại ở trạng thái khô và sẽ không có ion N3- ngậm nước.
2. Sự hình thành liên kết cộng hóa trị
Khi nguyên tử N tạo thành hợp chất với các phi kim có độ âm điện cao hơn, các liên kết cộng hóa trị sau được hình thành:
Các nguyên tử ⑴N ở trạng thái lai hóa sp3, hình thành ba liên kết cộng hóa trị, giữ lại một cặp electron đơn độc và cấu hình phân tử là hình chóp tam giác, chẳng hạn như NH3, NF3, NCl3, v.v. Nếu bốn liên kết đơn cộng hóa trị được hình thành thì cấu hình phân tử là tứ diện đều, chẳng hạn như ion NH4+.
Các nguyên tử ⑵N ở trạng thái lai hóa sp2, hình thành hai liên kết cộng hóa trị và một liên kết, đồng thời giữ lại một cặp electron đơn độc và cấu hình phân tử là góc cạnh, chẳng hạn như Cl—N=O. (Nguyên tử N tạo thành liên kết σ và liên kết π với nguyên tử Cl và một cặp electron đơn độc trên nguyên tử N làm cho phân tử có hình tam giác.) Nếu không có cặp electron đơn độc thì cấu hình phân tử là hình tam giác, chẳng hạn như phân tử HNO3 hoặc ion NO3-. Trong phân tử axit nitric, nguyên tử N lần lượt tạo thành ba liên kết σ với ba nguyên tử O và một cặp electron trên quỹ đạo π của nó và các electron π đơn của hai nguyên tử O tạo thành liên kết π ba tâm bốn electron được định vị. Trong ion nitrat, một liên kết π lớn được định vị bằng sáu electron bốn tâm được hình thành giữa ba nguyên tử O và nguyên tử N trung tâm. Cấu trúc này làm cho số oxi hóa biểu kiến của nguyên tử N trong axit nitric +5. Do có các liên kết π lớn nên nitrat đủ ổn định trong điều kiện bình thường. Nguyên tử ⑶N áp dụng phương pháp lai hóa sp để tạo thành liên kết ba cộng hóa trị và giữ lại một cặp electron đơn độc. Cấu hình phân tử là tuyến tính, chẳng hạn như cấu trúc của nguyên tử N trong phân tử N2 và CN-.
3. Hình thành trái phiếu phối hợp
Khi các nguyên tử nitơ tạo thành các chất hoặc hợp chất đơn giản, chúng thường giữ lại các cặp electron đơn độc, do đó các chất hoặc hợp chất đơn giản đó có thể đóng vai trò là chất cho cặp electron để phối hợp với các ion kim loại. Ví dụ: [Cu(NH3)4]2+ hoặc [Tu(NH2)5]7, v.v.
Sơ đồ năng lượng tự do trạng thái oxy hóa-Gibbs
Cũng có thể thấy từ biểu đồ năng lượng tự do trạng thái oxy hóa-Gibbs của nitơ, ngoại trừ các ion NH4, phân tử N2 có số oxi hóa bằng 0 nằm ở điểm thấp nhất của đường cong trong biểu đồ, điều này cho thấy N2 có tính chất nhiệt động. ổn định so với các hợp chất nitơ có số oxi hóa khác.
Giá trị của các hợp chất nitơ khác nhau có số oxi hóa từ 0 đến +5 đều nằm trên đường nối hai điểm HNO3 và N2 (đường chấm trong sơ đồ) nên các hợp chất này không ổn định về mặt nhiệt động và dễ xảy ra phản ứng không cân xứng. Chất duy nhất trong sơ đồ có giá trị thấp hơn phân tử N2 là ion NH4+. [1] Từ biểu đồ năng lượng tự do trạng thái oxy hóa-Gibbs của nitơ và cấu trúc của phân tử N2, có thể thấy nguyên tố N2 không có hoạt tính. Chỉ ở nhiệt độ cao, áp suất cao và sự có mặt của chất xúc tác, nitơ mới có thể phản ứng với hydro tạo thành amoniac: Trong điều kiện phóng điện, nitơ có thể kết hợp với oxy tạo thành oxit nitric: N2+O2=xả=2NO Oxit nitric nhanh chóng kết hợp với oxy để tạo thành tạo thành nitơ dioxide 2NO+O2=2NO2 Nitơ dioxide hòa tan trong nước tạo thành axit nitric, oxit nitric 3NO2+H2O=2HNO3+NO Ở các nước có thủy điện phát triển, phản ứng này đã được sử dụng để sản xuất axit nitric. N2 phản ứng với hydro tạo ra amoniac: N2+3H2=== (dấu thuận nghịch) 2NH3 N2 phản ứng với các kim loại có khả năng ion hóa thấp và nitrit của chúng có năng lượng mạng tinh thể cao để tạo thành nitrit ion. Ví dụ: N2 có thể phản ứng trực tiếp với liti kim loại ở nhiệt độ phòng: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 phản ứng với các kim loại kiềm thổ Mg, Ca, Sr, Ba ở nhiệt độ nóng sáng: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 có thể chỉ phản ứng với boron và nhôm ở nhiệt độ nóng sáng: 2 B + N2=== 2 BN (hợp chất đại phân tử) N2 thường phản ứng với silicon và các nguyên tố nhóm khác ở nhiệt độ cao hơn 1473K.
Phân tử nitơ góp ba cặp electron vào liên kết, nghĩa là tạo thành hai liên kết π và một liên kết σ. Nó không tham gia vào liên kết, và năng lượng liên kết và phản liên kết gần như bù đắp và chúng tương đương với các cặp electron đơn độc. Do có liên kết ba N≡N trong phân tử N2 nên phân tử N2 có độ ổn định cao và cần 941,69kJ/mol năng lượng để phân hủy nó thành nguyên tử. Phân tử N2 ổn định nhất trong số các phân tử hai nguyên tử đã biết và khối lượng phân tử tương đối của nitơ là 28. Hơn nữa, nitơ không dễ cháy và không hỗ trợ quá trình đốt cháy.
Thời gian đăng: 23-07-2024
