Nitơ là gì? Tính chất hóa học, vai trò, ứng dụng của Nitrogen?

1. Nitơ là gì? 

Nitơ là một thành phần quan trọng của khí quyển giúp bảo vệ trái đất khỏi tác động và sự phá hủy của bức xạ mặt trời. Công thức hóa học của nitơ là N².

Nitơ chiếm khoảng 78% và là một phần quan trọng làm nên môi trường sống của tất cả các sinh vật sống. Nitơ có hai dạng được sử dụng rộng rãi: nitơ dạng khí và nitơ lỏng. Trong đó nitơ lỏng phổ biến hơn vì các đặc tính hữu ích của nó. 

Cấu tạo phân tử Nitơ N²: 

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nhóm VA là ns2np3 nên nitơ vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa. 

Cấu hình electron của N2 là 1s22s22p3. Chỉ số oxy lần lượt là -3, 0, 1, 2, 3, 4, 5…

2. Đặc điểm của nitơ:

2.1. Đặc điểm vật lý của Nitơ:

Nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí với d = 28/29) Nó hóa lỏng ở -196 độ C.

Nitơ liệu có tan trong nước không? Câu trả lời là nó kém tan trong nước, nó đông đặc ở nhiệt độ rất thấp. Một số người còn thắc mắc rằng khí nitơ có cháy không? Câu trả lời là không, nitơ không hỗ trợ quá trình đốt cháy và hô hấp.

2.2. Đặc điểm hóa học của Nitơ:

Nito có EN N = 946 kj/mol nên nito khá trơ nếu ở trong điều kiện nhiệt độ thường. Nitơ hoạt động chủ yếu ở nhiệt độ cao. 

Số oxi hóa của nitơ lần lượt là -3, 0, 1, 2, 3, 4, 5. Vì có số oxi hóa là không nên nitơ không chỉ có tính oxi hóa khử mà còn có tính oxi hóa, nhưng tính oxi hóa đặc trưng hơn.

Tính oxi hóa của nitơ:

Cấu tạo của phân tử nitơ tương đối bền vững giữa ba liên kết và chung phát sinh tính oxi hóa với các nguyên tố hóa học sau:

– Phản ứng với hiđro tạo thành H2: Nito phản ứng với hiđro ở nhiệt độ và áp suất cao và có chất xúc tác tạo thành amoniac.

– Phản ứng với kim loại:  Ở nhiệt độ thường, nitơ phản ứng với liti để tạo thành nitrua. Phương trình phản ứng là:

6Li + N2 -> 2Li3N

Ở nhiệt độ cao, nito tác dụng với Mg, tạo thành magie nitrua, phương trình như sau:

3Mg + N2 -> Mg3N2

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nitrat dễ bị thủy phân thành NH3. Nitơ chỉ có tính oxi hóa với những nguyên tố có độ âm điện kém hơn.

Tính khử của khí Nitơ:

Khí nitơ là chất khử khi kết hợp với các nguyên tố có độ âm điện lớn hơn. 

Ở nhiệt độ khoảng 3000 độ C, nitơ phản ứng với oxi tạo thành monoxit. 

Ở điều kiện thường, nitơ oxit phản ứng với oxi trong không khí tạo thành nitơ đioxit có màu nâu đỏ đặc trưng. 

Một số oxit khác của nitơ là N2O, N2O3, N2O5, nhưng chúng không được tạo ra trực tiếp từ oxi và nitơ.

3. Lịch sử ra đời của Nitơ: 

Nitơ (tiếng Latinh nitrum, tiếng Hy Lạp Nitron có nghĩa là “sự ra đời của soda”, “nguồn gốc”, “hình thức”) về hình thức được coi là được Daniel Rutherford phát hiện năm 1772, ông gọi nó là không khí độc hại hay không khí cố định. Đó là bởi vì phần không khí không hỗ trợ quá trình cháy đã được các nhà hóa học biết đến vào cuối thế kỷ 18. Đồng thời, nitơ cũng được nghiên cứu bởi Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish và Joseph Priestley, những người gọi nó là không khí bị cháy hoặc không khí phlogiston. Khí nitơ trơ đến mức Antoine Lavoisier vào năm 1789 coi nó là azode, nghĩa là không có sự sống. Thuật ngữ này trở thành tên tiếng Pháp của “nitơ” và sau đó lan sang nhiều ngôn ngữ khác. Năm 1790, Jean Antoine Chaptal đặt tên khí đó là nitơ.

Các hợp chất nitơ đã được biết đến từ thời trung cổ. Các nhà giả kim biết axit nitric (HNO3) là sức mạnh của nước. Hỗn hợp axit nitric và axit clohydric (HCl) được gọi là nước cường toan vì khả năng hòa tan vàng của nó. Việc sử dụng các hợp chất nitơ trong công nghiệp và nông nghiệp sớm nhất là xanthate (có thể là natri nitrat (NaNO3) hoặc kali nitrat  (KNO3)), chủ yếu làm thuốc súng, sau đó làm phân bón và sau đó để tạo ra các hóa chất bổ sung. Năm 1910, Lord Rayleigh phát hiện ra rằng sự phóng điện trong khí nitơ tạo ra “nitơ hoạt tính”, một dạng hình thù được gọi là đơn nguyên tử. Một “đám mây xoáy ánh sáng màu vàng sáng” được tạo ra bởi thiết bị của ông ấy phản ứng với thủy ngân để tạo ra thủy ngân nitride dễ nổ.

4. Vai trò sinh học của nitơ: 

Nitơ là thành phần quan trọng của axit amin và axit nucleic, điều đó dẫn đến việc nitơ cần thiết cho sự sống. Nitơ nguyên tố trong khí quyển không được thực vật và động  vật sử dụng trực tiếp mà phải qua một quá trình xử lý, khử trùng hoặc cố định. Mưa thường chứa một lượng đáng kể amoni và nitrat, được cho là sản phẩm của quá trình cố định nitơ do sấm sét và các hiện tượng khí quyển khác tạo nên. Giả thuyết này được Liebig đề xuất vào năm 1827 và sau đó được xác nhận. Tuy nhiên, vì amoniac tồn tại nhiều hơn trên thảm thực vật rừng so với nitrat trong khí quyển, nên hầu hết nitơ cố định trên bề mặt đất dưới tán cây ở dạng nitrat. Nitrat trong đất chủ yếu được hấp thụ bởi rễ cây thay vì amoniac trong đất. Cây họ đậu, chẳng hạn như đậu nành, có thể hấp thụ nitơ trực tiếp từ không khí vì rễ của chúng có nốt sần chứa vi khuẩn cố định đạm giúp chuyển đổi nitơ thành amoniac. Các cây họ đậu sau đó chuyển đổi amoniac thành các ion oxit nitric và axit amin để tạo ra protein. Các vi khuẩn đặc biệt (ví dụ, Rhizobium trifolium) chứa các enzym nitơ có khả năng cố định nitơ trong khí quyển thành các chất hữu ích cho các sinh vật bậc cao. Quá trình này đòi hỏi rất nhiều năng lượng và điều kiện thiếu oxy. Những vi khuẩn như vậy sống tự do trong đất (ví dụ: Azotobacter) nhưng thường cộng sinh trong các đốt của cây họ  đậu (ví dụ: cỏ ba lá, Trifolium hoặc đậu tương, Glycine max). Vi khuẩn cố định đạm cũng cộng sinh với nhiều loài thực vật có họ hàng gần như Alnus, Địa y, Phi lao, Myrica, Marchantiophyta và Gunnera.

5. Trạng thái trong tự nhiên của nitơ: 

Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở dạng  hợp chất và ở dạng tự do 

 – Ở dạng tự do, nitơ chiếm 80% thể tích không khí 

 – Ở dạng hợp chất, nitơ có trong thành phần của protein, axit nucleic và nhiều hợp chất khác . . Nitơ có nhiều trong NaNO3, một khoáng chất được gọi là natri muối.

6. Các ứng dụng của nitơ trong cuộc sống hàng ngày:

Nitơ trong bảo quản thực phẩm:

Nhờ tính trơ trong phản ứng nên nito ngăn chặn rất tốt các tác động của quá trình oxy hóa. Đó là lý do tại sao nitơ được sử dụng trong bảo quản thực phẩm. 

Nitơ được sử dụng để đóng gói hoặc với số lượng lớn. Làm chậm quá trình ôi thiu và các tổn thất khác gây ra bởi oxy hóa. 

Nitơ được ứng dụng trong hàn ống và chế biến kim loại:

Nito được sử dụng trong hàn ống và gia công kim loại để cải thiện độ bền. Nitơ có tác dụng làm sạch đường ống an toàn, không làm hỏng các sản phẩm khác nên được nhiều người ưa chuộng sử dụng trong cuộc sống hàng ngày. 

Nito được ứng dụng để luyện kim và chế tác kim loại:

Trong ngành luyện kim hay sản xuất linh kiện điện tử, sản xuất thép không gỉ thường cần đến sự có mặt của Nito để hỗ trợ sản xuất. Tùy theo đặc điểm công việc và nhu cầu sử dụng mà định lượng và mức độ sử dụng khác nhau.

Nitơ được sử dụng trong việc bơm lốp ô tô và máy bay:

Nitơ được sử dụng rộng rãi để bơm lốp ô tô và máy bay vì đặc tính chờ  và thiếu các tính ẩm, đặc biệt là lượng oxy rất thấp.

Khí Nito trong vận chuyển thực phẩm và mẫu xử lý sinh học: 

Khí Nito được sử dụng để làm lạnh trong vận chuyển thực phẩm. Nito  có các tính năng giúp làm lạnh thực phẩm an toàn mà không làm hỏng thực phẩm, giúp bảo vệ các cơ quan trong cơ thể và đảm bảo quá trình bảo quản tinh trùng và trứng.

Nitơ trong nghiên cứu và giáo dục: 

Nitơ được sử dụng trong phân tích mẫu. Nitơ là thành phần của nhiều hợp chất nên còn được dùng trong hóa học, đảm bảo cho quá trình nghiên cứu và giảng dạy cho học sinh, sinh viên tính chất của một số hợp chất khác.

7. Các cách chế tạo nitơ: 

Khí nitơ có nhiều phương pháp sản xuất, nhưng được chia thành hai loại chính: sản xuất trong phòng thí nghiệm và sản xuất trong công nghiệp. 

 Trong phòng thí nghiệm:

Có thể tạo ra khí nitơ với một lượng nhỏ amoni clorua và natri nitrit 

Nung nóng amoni dicromat 

Phân hủy nhiệt natri azit hoặc bari azit. 

Trong công nghiệp:

Ngành này ưa chuộng các phương pháp tạo ra nhiều sản phẩm nhất với chi phí thấp nhất có thể: 

Phương pháp cơ học: màng lọc sử dụng áp suất 

Chưng cất một phần không khí thành chất lỏng, sau đó nitơ nguyên chất được tách ra khỏi hỗn hợp.