Tiêu đề 9.1. Chủ đề 9.1 Nitrogen và hợp chất.docx ✅

Dự án soạn TL BDHSG Hóa 10-11-12 nhóm thầy Dương Thành Tính – THPT Chuyên Thủ Khoa Nghĩa – Châu Đốc – An Giang Người soạn: Võ Thị Hà – Trường THPT Nguyễn Văn Trỗi Tỉnh Hà Tĩnh 1 Chuyên đề 9.1: Nitrogen và hợp chất Cấu tạo, các dạng thù hình, tính chất vật lý, tính chất hoá học, điều chế, ứng dụng, trạng thái thiên nhiên của các đơn chất và hợp chất của các nguyên tố nhóm VA Phần I: HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO I. KHÁI QUÁT VỀ NHÓM NITƠ 1. Vị trí nhóm nitrogen trong bảng tuần hoàn Nhóm nitrogen gồm các nguyên tố: nitrogen ( 7 N), phosphorus ( 15 P), arsenic ( 33 As), atimony ( 51 Sb) và bismuth ( 83 Bi), moscovium ( 115 Mc). Chúng đều thuộc các nguyên tố p. 2. Tính chất chung của các nguyên tố nhóm nitrogen a) Cấu hình electron nguyên tử Lớp ngoài cùng của nguyên tử là ns 2 np 3 (có 5 electron). • Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của các nguyên tố nhóm nitrogen có 3 electron độc thân, do đó trong một số hợp chất chúng có hoá trị ba. • Đối với nguyên tử của các nguyên tố P, As, Sb và Bi ở trạng thái kích thích, một electron trong cặp electron của phân lớp ns có thể chuyển sang obitan d trống của phân lớp nd. Như vậy, ở trạng thái kích thích nguyên tử của các nguyên tố này có 5 electron độc thân nên có thể có hoá trị năm trong các hợp chất. b) Sự biến đổi tính chất của các đơn chất • Sự biến đổi tính hoá - khử Trong các hợp chất, các nguyên tổ nhóm nitrogen có số oxygen hoá cao nhất là +5. Ngoài ra, chúng còn có các số oxi hoá -3 oxi và +3. Riêng nguyên tử nitrogen còn có thêm các số oxygen hoá +1, +2, + 4. Do khả năng giảm và tăng số oxi hoá trong các phản ứng hoá học, nên nguyên tử các nguyên tố nhóm nitrogen thể hiện tính oxi hoá và tính khử. Khả năng oxi hoá giảm dần từ N đến Bi, phù hợp với chiều giảm độ âm điện của nguyên tử các nguyên tố trong nhóm. • Tính kim loại - phi kim Đi tử nitrogen đến bismuth, tỉnh phi kim của các nguyên tố giảm dần, đồng thời tính kim loại tăng dân. Nitrogen, phosphorus là các phi kim. Asen thể hiện tính phi kim trội hơn tính kim loại, Antimon thể hiện tính kim loại và tỉnh phi kim ở mức độ gần như nhau, còn bitmut tính kim loại trội hơn tính phi kim. c) Sự biến đổi tính chất của các hợp chất • Hợp nhất với hydrogen Tất cả các nguyên tố nhóm nitrogen đều tạo được hợp chất khí với hydrogen (hidride), có công thức chung là RH 3 . Độ bền nhiệt của các hidride giảm dần từ NH 3 đến BiH 3 . Dung dịch của chúng không có tính Acid. • Oxide và hydroxide Từ N đến Bi, tính Acid của các oxide và hydroxide tương ứng giảm dần đồng thời tỉnh base của chúng tăng dần. Độ bền của các hợp chất với số oxi hoá +3 tăng. còn độ bền của các hợp chất với số oxi hoá +5 nói chung giảm. Các oxide của nitrogen và phosphorus với số oxygen hoá +5 (N 2 O, P 2 O) là oxide Acid, hydroxide của chúng là các Acid (HNO 3 , H 3 PO 4 ). Trong các oxide với số oxygen hoá +3 thì As 2 O 3 là oxide lưỡng tính, tính Acid trội hơn tính base, Sb 2 O 3 là oxide lưỡng tính, tính base trội hơn tính Acid, còn
Dự án soạn TL BDHSG Hóa 10-11-12 nhóm thầy Dương Thành Tính – THPT Chuyên Thủ Khoa Nghĩa – Châu Đốc – An Giang Người soạn: Võ Thị Hà – Trường THPT Nguyễn Văn Trỗi Tỉnh Hà Tĩnh 2 Bi 2 O 3 , là oxide base, tan dễ dàng trong dung dịch Acid và hầu như không tan trong dung dịch kiềm. II. NITROGEN 1. Cấu tạo phân tử Nguyên tử nitrogen có cấu hình electron: 2231s2s2p , phân lớp ngoài cùng có 3 electron độc thân. Hai nguyên tử nitrogen liên kết với nhau bằng ba liên kết cộng hóa trị không có cực, tạo thành phần tử N 2 . Công thức electron Công thức Lewis Công thức cấu tạo Công thức phân tử :N::N: :NN:º NNº N 2 Nguyên tố nitrogen trong tự nhiên là hỗn hợp hai đồng vị 14 7N (99,63%) và 15 7N (0,37%) 2. Tính chất vật lí Ở điều kiện thường, nitrogen là chất khí không màu, không mùi, không vị, hơi nhẹ hơn không khí, hóa lỏng ở - 196°C, hóa rắn ở - 210°C, rất ít tan trong nước, (ở nhiệt độ thường, 1 lít nước hòa tan được 0,015 lít khí nitrogen). Nitrogen không duy trì sự cháy và sự hô hấp. 3. Tính chất hóa học • Vì có liên kết ba với năng lượng liên kết lớn (E N=N = 946 kJ/mol) nên phân tử nitrogen rất bền, chỉ ở nhiệt độ cao mới phân li thành nguyên tử. Do vậy, ở nhiệt độ thường, nitrogen khá trơ về mặt hóa học, nhưng ở nhiệt độ cao, nitrogen trở nên hoạt động hơn và có thể tác dụng với nhiều chất. • Tuỳ thuộc vào bản chất phản ứng mà nitrogen thể hiện tính oxi hoá hay tỉnh khử. Tuy nhiên, tính oxi hoá vẫn trội hơn tính khử. a) Tính oxi hóa • Tác dụng với hydrogen Ở nhiệt độ cao (trên 400°C), áp suất cao và có chất xúc tác, nitrogen tác dụng trực tiếp với hydrogen tạo ra khí ammonia. 223 . N3H2NHtp xt   92HkJ • Tác dụng với kim loại Ở nhiệt độ thường, nitrogen chỉ tác dụng với Lithium 236LiN2LiN Lithium nitride Ở nhiệt độ cao, nitrogen tác dụng với một số kim loại như Ca, Mg, Al, .. 600C 2323MgNMgN magnesium nitride 0 22AlN2AlNt aluminium nitride Các nitride kim loại là những tinh thể ion, bị thủy phân hoàn toàn giải phóng NH 3 23 32223 AlN3HOAl(OH),NH MgN6HO3Mg(OH)2NH   b) Tính khử Ở nhiệt độ cao khoảng 3000°C (hoặc nhiệt độ của lò hồ quang điện), nitrogen kết hợp trực tiếp với oxygen tạo ra khí NO. 0 22NO2NOt  H180kJ Khí NO không màu kết hợp ngay với oxygen trong không khí tạo ra nitrogen dioxide (NO 2 ) màu nâu. 222NOO2NO Các oxide khác của nitrogen như 22325NO,NO,NO không điều chế được từ phản ứng trực tiếp giữa nitrogen và oxygen. 4. Điều chế a) Trong phòng thí nghiệm 0 2422NaNONHClNaClN2HOt
Dự án soạn TL BDHSG Hóa 10-11-12 nhóm thầy Dương Thành Tính – THPT Chuyên Thủ Khoa Nghĩa – Châu Đốc – An Giang Người soạn: Võ Thị Hà – Trường THPT Nguyễn Văn Trỗi Tỉnh Hà Tĩnh 3 0 4222NHNON2HOt b) Trong công nghiệp. Trong công nghiệp người ta hóa lỏng không khí sau đó tách N 2 ra khỏi O 2 bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. III. HỢP CHẤT CỦA NITROGEN VỚI HYDROGEN 1. AMONIA a) Cấu tạo phân tử Công thức electron Công thức Lewis Công thức cấu tạo Công thức phân tử NH 3 Phân tử NH 3 , có cấu tạo hình chóp, với nguyên tử nitrogen ở đỉnh, đáy là tam giác mà đỉnh là ba nguyên tử hydrogen. Ba liên kết N-H đều là liên kết có cực, các cặp electron chung đều lệch về phía nguyên tử nitrogen. Do đó, NH 3 là phân tử có cực. Góc  HNH = 107°, độ dài liên kết N - H khoảng 0,102 nm. (Trong phân tử NH 3 nguyên tử trung tâm N lai hóa sp 3 , phân tử còn 1 cặp electron chưa liên kết, góc liên kết bé hơn góc tứ diện (108,5 o )) b) Tính chất vật lí • NH 3 là chất khí không màu, mùi khai và sốc, nhẹ hơn không khí nên có thể thu NH 3 bằng phương pháp đầy không khí. • Khi NH 3 tan nhiều trong nước (0 20°C, 1 lít H 2 O hòa tan 800 lít khí NH 3 ). • Dung dịch NH 3 đậm đặc thường có nồng độ 25%. c) Tính chất hóa học * Tính base yếu - Tác dụng với nước Khi tan trong nước, một phần nhỏ phân tử NH 3 kết hợp với ion H + của nước, tạo thành ion ammonium 4NH . 324NHHONHOH⇄ Hằng số phân li của NH 3 trong nước ở 25 o C là  45 b 3 NHOH K1,8.10 NH     Như vậy, dung dịch NH 3 có tính base yếu. Dung dịch NH 3 làm phenolphthalein từ không màu chuyển sang màu hồng, quỳ tím chuyển sang màu xanh. - Tác dụng với Acid NH 3 phản ứng với Acid cho muối ammonium. 34NHHNH 34NH(k)HCl(k)NHCl()r (dùng để nhận biết khí NH 3 ) (khói trắng) 32444 22NHHSONHSO (Ammoniun sulfate: đạm 1 lá) 3343NHHNONHNO (Ammoniun nitrate: đạm 2 lá) 32243NHCOHONHHCO (Ammoniun hydrogen carbonate) - Tác dụng với dung dịch muối Dung dịch NH 3 có khả năng kết tủa nhiều hydroxide kim loại khi tác dụng với dung dịch muối của chúng. 3 3234Al3NH3HOAl(OH)3NH 3 3234Fe3NH3HOFe(OH)3NH *) Khả năng tạo phức Dung dịch NH 3 có khả năng hòa tan hydroxide hay muối ít tan của một số kim loại như Ag, Cu, Zn, Co, Cd, Hg, Ni tạo thành các dung dịch phức chất
Dự án soạn TL BDHSG Hóa 10-11-12 nhóm thầy Dương Thành Tính – THPT Chuyên Thủ Khoa Nghĩa – Châu Đốc – An Giang Người soạn: Võ Thị Hà – Trường THPT Nguyễn Văn Trỗi Tỉnh Hà Tĩnh 4        2 2334 332 2 2334 3 3336 2 2334 2 2334 2 2336 Cu(OH)4NHCuNH2OH AgCl2NHAgNHCl Zn(OH)4NHZnNH2OH Co(OH)6NHCoNH3OH Cd(OH)4NHCdNH2OH Hg(OH)4NHHgNII2OH Ni(OH)6NHNiNH                         2OH Sự hình thành các ion phức trên là do trong phân tử NH 3 , nitrogen còn một cặp electron không liên kết nên nó dễ tạo liên kết cho – nhận với obital trống của ion kim loại. *) Tính khử 0 32224NH3O2N6HOt 3H1,27.10kJ 0 3224NH5O4NO6HOt Pt 907kJH 0 t 3222NH3CuO3Cu3HON 0 323222NHFeO2Fe3HONt 0 3222NH3PbO3Pb3HONt Dẫn khí NH 3 vào bình chứa khí chlorine, NH 3 tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa có "khói" trắng. 2NH 3 + 3Cl 2 → N 2 + 6HCI "Khói" trắng là những hạt NH 4 Cl sinh ra do khí NH 3 vừa tạo thành hóa hợp với NH 3 . 34HCl(k)NH(k)NHCl(r) Để loại bỏ khí chlorine trong phòng thí nghiệm, người ta dùng khí NH 3 . *) Phản ứng thế - Trong phân tử NH 3 có thể thay thế 1, 2 hoặc cả 3 nguyên tử H bằng kim loại kiềm: 300C 322 1 NHNaNaNHH 2   sodium amide 0 t 322NH2NaNaNHH sodium imide 0 t 332 3 NH3NaNaNH 2 sodium nitride - Ở nhiệt độ cao, rất nhiều kim loại tạo được muối nitride với ammonia 0 32 3 AlNHAlNH 2 t  d) Điều chế *) Trong phòng thí nghiệm - Đun nhẹ dung dịch NH đặc 25% - Cho dung dịch kiểm tác dụng với muối ammonium: 0 24232Ca(OH)2NHClCaCl2NH2HOt - Thủy phân muối nitride: 0 233AlN + 3OAl(OH)NHtH Để làm khô khỉ NH 3 , người ta cho khí NH 3 có lẫn hơi nước đi qua bình đựng vôi sống (CaO). *) Trong công nghiệp Tổng hợp từ N 2 và H 2 theo phản ứng: