Cho hình vẽ mô tả thí nghiệm điều chế khí Y từ dung dịch chứa chất X

Cặp chất X, Y phù hợp là

I. Vị trí và cấu hình electron nguyên tử

- Nitơ (nitrogen) ở ô thứ 7, nhóm VA, chu kì 2 của bảng tuần hoàn.

- Cấu hình electron nguyên tử của nitơ là 1s^22s^22p^3.

⇒ Ba electron ở phân lớp 2p có thể tạo được ba liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác.

- Phân tử nitơ gồm hai nguyên tử, giữa chúng hình thành một liên kết ba: N ≡ N .

II. Tính chất vật lí

- Ở điều kiện thường, nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị, hơi nhẹ hơn không khí, hóa lỏng ở -196$°$C.

- Khí nitơ tan rất ít trong nước.

- Nitơ không duy trì sự cháy và sự hô hấp.

III. Tính chất hóa học

- Liên kết ba trong phân tử nitơ rất bền.         

 ⇒ Ở nhiệt độ thường, nitơ khá trơ về mặt hóa học.

- Ở nhiệt độ cao, nitơ có thể tác dụng được với nhiều chất.

- Khi tham gia phản ứng oxi hóa - khử, số oxi hóa của nitơ có thể giảm hoặc tăng, do đó nó thể hiện tính oxi hóa hoặc tính khử.

- Tính oxi hóa vẫn là tính chất chủ yếu của nitơ.

1. Tính oxi hóa

Trong phản ứng với kim loại và hiđro, số oxi hóa của nguyên tố nitơ giảm từ 0 đến -3, nitơ thể hiện tính oxi hóa

a. Tác dụng với kim loại

- Ở nhiệt độ cao, nitơ tác dụng được với một số kim loại hoạt động như Ca, Mg, Al,... tạo thành nitrua kim loại.

Thí dụ:

$\begin{array}{l}3Mg+{\stackrel{0}{N}}_2\stackrel{t^o}{\to }M{g}_3{\stackrel{-3}{N}}_2\\ magienitrua\end{array}$         

Chú ý: Li có thể phản ứng với $N_2$ ở ngay nhiệt độ thường.

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.

   ${\stackrel{0}{N}}_2+3H_2\underset{xt}{\overset{t^o,p}{\rightleftarrows }}2\stackrel{-3}{N}{H}_3$      

2. Tính khử

Ở nhiệt độ khoảng 3000$°$C (hoặc nhiệt độ của lò hồ quang điện), nitơ kết hợp trực tiếp với oxi, tạo ra khí nitơ monooxit NO.

    ${\stackrel{0}{N}}_2+O_2\stackrel{t^o}{\rightleftarrows }2\stackrel{+2}{N}O$     

- Trong thiên nhiên, khí NO được tạo thành khi có sấm sét.

Hình 1: Sấm sét cung cấp năng lượng cho phản ứng giữa $N_2$ và $O_2$ tạo thành NO

- Ở điều kiện thường, khí NO không màu kết hợp ngay với oxi của không khí, tạo ra khí nitơ đioxit N$O_2$ màu nâu đỏ.

   $2\stackrel{+2}{N}O+O_2\to 2\stackrel{+4}{N}{O}_2$      

Lưu ý: Các oxit khác của nitơ như $N_2$O, $N_2$$O_3$, $N_2$$O_5$, chúng không điều chế được bằng tác dụng trực tiếp giữa nitơ và oxi.

IV. Ứng dụng

- Nguyên tố nitơ là một trong những thành phần dinh dưỡng chính của thực vật.

- Trong công nghiệp, phần lớn lượng nitơ sản xuất ra được dùng để tổng hợp khí amoniac, từ đó sản xuất ra axit nitric, phân đạm, ...

- Nhiều ngành công nghiệp như luyện kim, thực phẩm, điện tử, ... sử dụng nitơ làm môi trường trơ. Nitơ lỏng được dùng để bảo quản máu và các mẫu vật sinh học khác.

V. Trạng thái tự nhiên

- Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở dạng tự do (khí $N_2$ chiếm 78,16% thể tích của không khí) và dạng hợp chất.

- Nitơ thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị: ${}_7{}^{14}N$ (99,63%) và ${}_7{}^{15}N$(0,37%).

- Ở dạng hợp chất, nitơ có nhiều trong khoáng chất natri nitrat NaN$O_3$, với tên gọi là diêm tiêu natri.

VI. Điều chế

1. Trong công nghiệp

- Nitơ được sản xuất bằng phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng.

+ Sau khi đã loại bỏ C$O_2$ và hơi nước, không khí được hóa lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ rất thấp.

+ Nâng nhiệt độ không khí lỏng đến -196$°$C thì nitơ sôi và được lấy ra, còn lại là oxi lỏng, vì oxi lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn (-183$°$C).

- Khí nitơ được vận chuyển trong các bình thép, nén dưới áp suất 150 atm.

2. Trong phòng thí nghiệm

- Một lượng nhỏ nitơ tinh khiết được điều chế bằng cách đun nóng nhẹ dung dịch bão hoà muối amoni nitrit:

          N$H_4$N$O_2$$\stackrel{t^o}{\to }$$N_2$ ↑ + $H_2$O

- Tuy nhiên, muối này kém bền, có thể được thay thế bằng dung dịch bão hoà của amoni clorua và natri nitrit:

          N$H_4$Cl + NaN$O_2$  $\stackrel{t^o}{\to }$$N_2$↑ + NaCl + 2$H_2$O