CHỦ ĐỀ 2. NITROGEN VÀ SULFUR

BÀI 4: ĐƠN CHẤT NITROGEN    

(20 CÂU)

1. NHẬN BIẾT (5 câu)

Câu 1: Hãy nêu quan điểm của em về phát biểu "Nitrogen là nguyên tố đặc trưng cho sự sống".

Giải:

Nguyên tố nitrogen có trong cơ thể của mọi sinh vật chủ yếu ở dạng các hợp chất hữu cơ như amino acid, nucleic acid, protein, chlorophyll (chất diệp lục),... Các hợp chất này đóng vai trò quan trọng trong những quá trình sinh hoá của sinh vật.

=> Nitrogen là nguyên tố đặc trưng cho sự sống.

Câu 2:  Hãy giải thích tính trơ của đơn chất nitrogen ở nhiệt độ thường.

Giải:

Liên kết ba giữa hai nguyên tử N trong phân tử nitrogen có năng lượng liên kết rất lớn nên rất khó bị phá vỡ. Vì vậy, ở nhiệt độ và áp suất thường, nitrogen rất khó tham gia các phản ứng hóa học. Đặc điểm này được gọi là tính kém hoạt động hóa học hay tính trơ của đơn chất nitrogen.

Câu 3: Dựa vào tính chất kém hoạt động hóa học, nitrogen được ứng dụng để làm gì?

Giải:

Người ta dùng khí nitrogen để thay thế hoàn toàn hoặc một phần không khí trong rất nhiều trường hợp khác nhau để giảm nguy cơ cháy nổ, giảm quá trình oxi hóa do oxygen trong không khí gây nên. Chẳng hạn, sau khi rút xăng, dầu ra khỏi các bồn chứa hoặc khi đóng gói thực phẩm, người ta bơm khí nitrogen vào để làm giảm nồng độ của oxygen. Trong lĩnh vực hóa học, khi cần nghiên cứu sự biến đổi chất ở môi trường trơ, cần đẩy không khí ra và thay vào là khí nitrogen hoặc các khí trơ khác.

Câu 4: Quá trình tạo và cung cấp nitrate cho đất từ nước mưa xảy ra như thế nào?

Giải:

Trước tiên, nitrogen monoxide được tạo thành từ nitrogen và oxygen khi có sấm sét. Sau đó, nitrogen monoxide nhanh chóng bị oxi hóa bởi oxygen trong khí quyển tạo thành nitrogen dioxide

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)        = -116,2 kJ

Tiếp theo là quá trình nitrogen dioxide chuyển thành acid trong nước mưa, có thể được mô tả qua phản ứng

4NO₂(g) + 2H₂O(l) + O₂(g) → 4HNO₃(aq)

Nước mưa có nồng độ acid phù hợp sẽ giúp cung cấp đạm cho đất ở dạng ion nitrate cần thiết cho cây trồng.

Câu 5: Hãy nêu các ứng dụng của đơn chất nitrogen lỏng.

Giải:

Nitrogen hóa lỏng ở nhiệt độ thấp, -196⁰C. Vì vậy, nitrogen lỏng được sử dụng để làm lạnh nhanh, bảo quản thực phẩm ngay tại nhà máy và trong quá trình vận chuyển. Nitrogen lỏng còn được sử dụng để đóng băng và kiểm soát dòng chảy trong các đường ồng.

Trong lĩnh vực sinh học và y học, các mẫu vật sinh học (máu, mô, tế bào, bộ phận cơ thể,…) được bảo quản trong bình nitrogen lỏng.

2. THÔNG HIỂU (3 câu)

Câu 1: Cho biết năng lượng liên kết của phân tử fluorine, nitrogen lần lượt là 159 kJ mol−1 và 946 kJ mol−1.

1. a) Giải thích nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt giá trị năng lượng liên kết giữa hai phân tử trên.
2. b) Cho biết chất nào hoạt động hoá học hơn.

Giải:

1. a) Sự khác biệt giá trị năng lượng liên kết là liên kết giữa phân tử fluorine là liên kết đơn, còn nitrogen là liên kết ba.
2. b) Fluorine hoạt động hóa học mạnh hơn, vì năng lượng liên kết của nitrogen lớn hơn fluorine (946 > 159) nên liên kết phân tử nitrogen khó phá vỡ → hoạt động kém.

Câu 2: Dựa vào giá trị biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng, hãy cho biết phản ứng giữa nitrogen với hydrogen hay với oxygen diễn ra thuận lợi hơn.

Giải:

Phản ứng giữa nitrogen với hydrogen có enthalpy nhỏ hơn giữa nitrogen với oxygen (-91,8 kJ < 182,6 kJ) => phản ứng giữa nitrogen với hydrogen thuận lợi hơn.

Câu 3: Dựa vào các giá trị năng lượng liên kết, hãy dự đoán ở nhiệt độ thường thì đơn chất nitrogen hay chlorine dễ phản ứng với hydrogen hơn. Cho biết năng lượng liên kết Cl−Cl trong phân tử chlorine là 243 kJ mol⁻¹.

Giải:

Năng lượng liên kết clorine 243 kJ mol⁻¹.

Năng lượng liên kết nitrogen 946 kJ mol⁻¹.

=> Ở nhiệt độ thường thì đơn chất chlorine dễ phản ứng với hydrogen hơn.

3. VẬN DỤNG (9 câu)

Câu 1: Phải dùng bao nhiêu lít khí nitrogen và bao nhiêu lít khí hydrogen để điều chế 17,0 gam NH₃? Biết rằng hiệu suất của phản ứng là 25%.

Giải:

Ta có:  =  = 1 mol

 N₂      +        3H₂    ⇌       2NH₃

          0,5               1,5               1                 mol

Vì H = 25% nên thể tích N₂ và H₂ thực tế cần dùng là:

Câu 2: Sử dụng kiến thức hoá học để giải thích câu ca dao sau:

"Lúa chiêm lấp ló đầu bờ

Hễ nghe tiếng sấm, phất cờ mà lên"

Giải:

Trước tiên, nitrogen monoxide được tạo thành từ nitrogen và oxygen khi có sấm sét. 

N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g)              Δr  = 182,6 kJ

Sau đó, nitrogen monoxide nhanh chóng bị oxi hoá bởi oxygen trong khí quyển tạo thành nitrogen dioxide (NO₂).

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)        Δr  = −116,2 kJ

Tiếp theo là quá trình nitrogen dioxide chuyển thành acid trong nước mưa, có thể được mô tả qua phản ứng

                                4NO₂(g) + 2H₂O(l) + O₂(g) → 4HNO₃(aq)                   

Nước mưa với nồng độ acid phù hợp sẽ giúp cung cấp đạm cho đất ở dạng ion nitrate cần thiết cho cây trồng.

Câu 3: Viết phương trình hoá học của phản ứng giữa nitrogen với hydrogen và với oxygen. Nêu ứng dụng của mỗi phản ứng này trong thực tế..

Giải:

PTHH: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃                                                 Δr  = -91,8 kJ

Ứng dụng: Phản ứng tổng hợp amonia là quá trình trung gian quan trọng để sản xuất nitric acid, thuốc nổ, đạm nitrate, urea, ammophos,...

PTHH: N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g)              Δr  = 182,6 kJ

Ứng dụng: Phản ứng khởi đầu cho quá trình tạo thành ion nitrate - nguồn cung cấp đạm cho đất

Câu 4: Cho 4 lít N₂ và 12 lít H₂ vào bình kín để thực hiện phản ứng tổng hợp NH₃. Biết hiệu suất phản ứng là 25%, hỗn hợp thu được sau phản ứng có thể tích là bao nhiêu biết rằng các thể tích khí đo trong cùng điều kiện.

Giải:

Ở cùng điều kiện thì tỉ lệ về thể tích chính là tỉ lệ về số mol.

Do hiệu suất phản ứng bằng 25% nên

                         N₂           +        3H₂    ⇌       2NH₃

Ban đầu:                     4                      12                0                 lít

Phản ứng:                   1                      3                 2                 lít

Sau phản ứng:             3                      9                 2                 lít

Thể tích của hỗn hợp sau phản ứng là:

V =  +  +

V = 3 + 9 + 2 = 14 (lít)

Vậy sau phản ứng, thể tích của hỗn hợp là 14 lít.

Câu 5: Cho 25 lít N₂ và 60 lít H₂ vào bình phản ứng, hỗn hợp thu được sau phản ứng có thể tích bằng 75 lít (thể tích các khí đo ở cùng điều kiện). Hiệu suất phản ứng là bao nhiêu?

Giải:

Ở cùng điều kiện thì tỉ lệ thể tích chính là tỉ lệ về số mol

    N₂             +        3H₂    ⇌       2NH₃

Do  >  ⇒ Hiệu suất tính theo H₂

Đặt thể tích H₂ phản ứng là x lít, dựa vào phương trình, ta có:

                           N₂         +        3H₂    ⇌       2NH₃

Ban đầu:                     25                    60                0                 lít

Phản ứng:                                         x                                 lít

Sau phản ứng:             25-                  60-x                             lít

Tổng thể tích khí thu được là V =  +  +  

⇒ 75 = 25 -   + 60 – x +

⇒ x = 15 lít

H% = .100% = 25%

Câu 6: Cho 4 lít N₂ và 14 lít H₂ vào bình phản ứng, hỗn hợp thu được sau phản ứng có thể tích bằng 16,4 lít (thể tích các khí đo ở cùng điều kiện). Hiệu suất phản ứng là bao nhiêu?

Giải:

Ở cùng điều kiện thì tỉ lệ thể tích chính là tỉ lệ về số mol

    N₂             +        3H₂    ⇌       2NH₃

Do  <  ⇒ Hiệu suất tính theo H₂

Đặt thể tích N₂ phản ứng là x lít, dựa vào phương trình, ta có:

                           N₂         +        3H₂    ⇌       2NH₃

Ban đầu:                     4                      14                0                 lít

Phản ứng:                                        3x                               lít

Sau phản ứng:             4-x                   14-3x           2x                lít

Tổng thể tích khí thu được là V =  +  +  

⇒ 16,4 = 4-x+14-3x+2x

⇒ x = 0,8 lít

H% = .100% = 20%

Câu 7: Điều chế NH₃ từ đơn chất. Thể tích NH₃ tạo thành là 74,37 lít. Biết hiệu suất phản ứng là 25%, hãy tính thể tích N₂ (lít) cần dùng.

Giải:

Ta có: =  =  = 3 mol

N₂       +        3H₂    ⇌       2NH₃

1,5                                   3        (mol)

 = 1,5.24,79 = 37,185 (lít)

Mà hiệu suất H% = 25%

⇒  = 148,74 (lít)

Câu 8: Để điều chế 68 gam NH₃ cần lấy bao nhiêu lít N₂ và H₂, biết hiệu suất phản ứng là 20%?

Giải:

Ta có: =  =  = 4 mol

N₂       +        3H₂    ⇌       2NH₃

2                   6                 4        (mol)

Vì hiệu suất phản ứng là 20% nên thể tích các chất khí cần dùng là:

Câu 9: Cho 2 lít N₂ và 7 lít H₂ vào bình phản ứng, hỗn hợp thu được sau phản ứng có thể tích bằng 8,2 lít (thể tích các khí đo ở cùng điều kiện). Hiệu suất phản ứng là bao nhiêu?

Giải:

Ở cùng điều kiện thì tỉ lệ thể tích chính là tỉ lệ về số mol

    N₂             +        3H₂    ⇌       2NH₃

Do  <  ⇒ Hiệu suất tính theo H₂

Đặt thể tích N₂ phản ứng là x lít, dựa vào phương trình, ta có:

                           N₂         +        3H₂    ⇌       2NH₃

Ban đầu:                     2                      7,5               0                 lít

Phản ứng:                                        3x                               lít

Sau phản ứng:             2-x                   7-3x             2x                lít

Tổng thể tích khí thu được là V =  +  +  

⇒ 8,2 = 2-x+7-3x+2x

⇒ x = 0,4 lít

H% = .100% = 20%

4. VẬN DỤNG CAO (3 câu)

Câu 1: Mỗt hỗn hợp khí X gồm 3 oxit của N là NO, NO₂ và N_xO_y. Biết phần trăm thể tích của các oxit trong X là: %V_NO = 45%, %V_NO2 = 15%, %V_NxO_y = 40%, còn phần trăm theo khối lượng NO trong hỗn hợp là 23,6%. Công thức N_xO_y là?

Giải:

Vì ở cùng điều kiện bên ngoài về nhiệt độ, áp suất, tỉ lệ thể tích giữa các chất khí cũng chính là tỉ lệ số mol giữa chúng, nên nếu gọi số mol hỗn hợp khí X là a (mol) thì số mol của các khí thành phần là:

     ⇒

Ta có:  = 30.0,45a = 13,5a

Vì %  = 13,6%

⇒  = 57,2a

Mặt khác:  =  -  -

⇒  = 57,2a – 13,5a – 6,9a = 35,8a

⇒  =  = 92

 14x + 16y = 92

Vậy N_xO_y là N₂O₄

Câu 2: Cho a mol N₂ phản ứng với 3a mol H₂, sau phản ứng áp suất của hệ giải 10%. Hiệu suất phản ứng tổng hợp NH₃ là?

Giải:

Sau phản ứng áp suất của hệ giảm 10% mà tỉ lệ về số mol cũng chính là tỉ lệ về áp suất

⇒ Tổng số mol khí sau phản ứng giảm 10% so với ban đầu

⇒ Số mol khí sau = 90% số mol khí ban đầu

Giả sử a =1

⇒ Ban đầu có 1 mol N₂ và 3 mol H₂

                     N₂      +        3H₂    ⇌       2NH₃

Ban đầu:                1                 3                           (mol)

Phản ứng:              x                 3x                2x

Sau phản ứng:        1-x              3(1-x)          2x

Tổng số mol khí sau phản ứng là: 4 – 2x

⇒ 4 – 2x = 90%.4 = 3,6

⇒ x = 0,2

⇒ H = 20%

Câu 3: Trong bình phản ứng có chứa hỗn hợp khí A gồm 10 lít N₂ và 10 lít H₂ ở nhiệt độ 0⁰C và 10 atm. Sau khi Phản ứng tổng hợp NH₃, lại đưa bình về 0⁰C. Biết rằng có 60% hidro tham gia phản ứng.

1. a) Tính số mol các khí trong bình sau phản ứng.
2. b) Tính áp suất trong bình sau phản ứng

Giải:

Phản ứng tổng hợp NH₃ xảy ra theo tỉ lệ :  = 1 : 3

Theo đề bài: :  = :  = 1 : 1

⇒ H₂ thiếu.

⇒ Phải dựa vào số mol H₂ phản ứng để tính số mol NH₃.

Ta có:  = 10.60% = 6 lít

1. a) Phương trình phản ứng:

N₂      +        3H₂      ⇌      2NH₃

Ban đầu:                10                10                0    lít

Phản ứng:              2                 6                 4   lít

Sau phản ứng:        8                 4                 4   lít

Vậy số mol các khi trong bình sau phản ứng là:

1. b) Tổng thể tích sau phản ứng là V_s = 8 + 4 + 4 = 16 lít

Tổng thể tích khí trong bình ban đầu là V_đ = 10 + 10 = 20 lít

Vì trước và sau phản ứng nhiệt độ không thay đổi nên:

 =  =  ⇒  =

⇒ p_s = 8 (atm)