Nguyên tử Nitơ nằm ở ô thứ 7, nhóm VA, chu kỳ 2 trên bảng tuần hoàn. Cấu hình electron của nguyên tử Nitơ là 1s22s22p. Ba electron trong phân lớp 2p có thể tạo ba liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác. Phân tử Nitơ bao gồm hai nguyên tử, hình thành một liên kết ba giữa chúng: N ≡ N.

Tính chất vật lí

Ở điều kiện thường, Nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị, và nhẹ hơn không khí. Nitơ hóa lỏng ở nhiệt độ -196°C. Khí Nitơ hòa tan rất ít trong nước. Nitơ không cháy và không tham gia quá trình hô hấp.

Tính chất hóa học

Liên kết ba trong phân tử Nitơ rất bền. Ở nhiệt độ cao, Nitơ có thể tác dụng với nhiều chất khác nhau. Trong các hợp chất cộng hóa trị của Nitơ với các nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn như hiđro, kim loại, nguyên tử Nitơ có số oxi hóa là từ -3 đến 0. Trong các hợp chất cộng hóa trị của Nitơ với các nguyên tử có độ âm điện lớn hơn như oxi, flo, nguyên tử Nitơ có số oxi hóa từ +1 đến +5.

Tính oxi hóa

a. Tác dụng với kim loại: Ở nhiệt độ cao, Nitơ tác dụng với một số kim loại hoạt động như Ca, Mg, Al,… tạo thành nitrua kim loại.

b. Tác dụng với hiđro: Ở nhiệt độ cao, áp suất cao và có mặt chất xúc tác, Nitơ tác dụng trực tiếp với hiđro, tạo ra khí amoniac.

Trong các phản ứng nêu trên, số oxi hóa của nguyên tử Nitơ giảm từ 0 đến -3, Nitơ thể hiện tính oxi hóa .

Tính chất của Nitơ

nitơ vị trí và cấu hình electron nguyên tử

Tính khử của nitơ là khá quan trọng trong quá trình sản xuất nhiệt độ khoảng 3000oC, chẳng hạn như nhiệt độ của lò hồ quang điện. Nitơ có khả năng kết hợp trực tiếp với oxi, tạo ra khí nitơ monooxit NO. Ở điều kiện thường, khí NO không có màu và kết hợp với oxi của không khí, tạo ra khí nitơ đioxit NO2có màu nâu đỏ. Ngoài ra, còn tồn tại các oxit khác của nitơ như N2O, N2O3, N2O5, nhưng chúng không thể được điều chế bằng cách tác dụng trực tiếp giữa nitơ và oxi.

Ứng dụng của Nitơ

Nitơ đóng vai trò là một trong những thành phần dinh dưỡng quan trọng cho thực vật. Trong công nghiệp, nitơ được sử dụng chủ yếu để tổng hợp khí amoniac, từ đó sản xuất axit nitric, phân đạm và nhiều sản phẩm khác. Các ngành công nghiệp như luyện kim, thực phẩm, điện tử và nhiều lĩnh vực khác cũng sử dụng nitơ làm môi trường trơ. Nitơ lỏng thường được sử dụng để bảo quản máu và các mẫu vật sinh học khác.

Trạng thái tự nhiên của Nitơ

Trong tự nhiên, nitơ tồn tại dưới dạng tự do (chiếm khoảng 78,16% thể tích của không khí) và dướng dạng hợp chất. Nitơ thiên nhiên là một hỗn hợp của hai đồng vị: 14N (chiếm 99,63%) và 15N (chiếm 0,37%). Ở dạng hợp chất, nitơ có mặt trong nhiều khoáng chất như natri nitrat (NaNO3), được gọi là diêm tiêu natri.

Quá trình điều chế Nitơ trong công nghiệp

Nitơ được sản xuất trong công nghiệp thông qua phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng. Sau khi loại bỏ CO2và hơi nướ c, không khí được hóa lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ rất thấp. Bằng cách nâng nhiệt độ không khí lỏng lên đến -196oC, nitơ sẽ sôi và được lấy ra, còn lại là oxi lỏng vì oxi lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn (-183oC). Khí nitơ được vận chuyển trong các bình thép, nén dưới áp suất 150 atm.

Điều chế Nitơ tinh khiết trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm, một lượng nhỏ nitơ tinh khiết được điều chế bằng phương pháp đun nóng nhẹ dung dịch bão hoà muối amoni nitrit. Quá trình phản ứng có thể được mô tả như sau:

Hỗn hợp chứa muối amoni nitrit, có công thức hóa học NH4NO2, được đun nóng. Trong quá trình này, muối amoni nitrit phân hủy thành hai chất: khí Nitơ (N2) thoát ra từ dung dịch dưới dạng khí và nước (H2O) còn lại trong dung dịch.

Sự không ổn định của muối amoni nitrit

Muối amoni nitrit không ổn định và có thể phân hủy dễ dàng. Do đó, để điều chế nitơ tinh khiết, ta có thể thay thế muối amoni nitrit bằng dung dịch bão hoà của amoni clorua (NH4Cl) và natri nitrit (NaNO2). Quá trình phản ứng được mô tả như sau:

Hỗn hợp chứa amoni clorua và natri nitrit được pha loãng thành dung dịch bão hoà. Khi đun nóng dung dịch này, xảy ra phản ứng hoá học. Trong quá trình này, amoni clorua và natri nitrit phản ứng với nhau tạo ra khí Nitơ (N2), muối natri clorua (NaCl) và nước (H2O).

Tóm lại

Quá trình điều chế nitơ tinh khiết trong phòng thí nghiệm có thể sử dụng hai phương pháp. Phương pháp đầu tiên là đun nóng nhẹ dung dịch bão hoà muối amoni nitrit, trong đó muối amoni nitrit phân h ủy thành khí Nitơ và nước. Phương pháp thứ hai là sử dụng dung dịch bão hoà của amoni clorua và natri nitrit, trong đó amoni clorua và natri nitrit phản ứng với nhau tạo ra khí Nitơ, muối natri clorua và nước. Việc điều chế nitơ tinh khiết là quan trọng trong nhiều ứng dụng trong lĩnh vực khoa học và công nghiệp.

Bài viết mang lại thông tin hữu ích về quá trình điều chế nitơ tinh khiết trong phòng thí nghiệm.