Chương 2. Nhóm nitơ - phốt pho
Lí thuyết về nitơ và hợp chất của nitơ
- Chi tiết
- Chuyên mục: Chương 2. Nhóm nitơ - phốt pho
- Được viết ngày Chủ nhật, 15 Tháng 3 2015 13:53
- Viết bởi Nguyễn Văn Đàm
I. KHÁI QUÁT VỀ NHÓM NITƠ
- Nhóm nitơ (nhóm VA) gồm các nguyên tố: N, P, As, Sb, Bi.
- Cấu hình e lớp ngoài cùng: ns2np3.
- Trong các hợp chất, các nguyên tố nhóm nitơ có mức oxi hóa cao nhất là +5, ngoài ra còn có các mức -3 và +3. Riêng N còn có thêm các mức oxi hóa +1, +2 và +4.
- Từ N đến Bi: tính phi kim của các nguyên tố giảm dần, đồng thời tính kim loại tăng dần; tính axit của các oxit và hidroxit giảm dần đồng thời tính bazơ của chúng tăng dần.
- Hợp chất với H của các nguyên tố nhóm VA đều có dạng RH3. Độ bền nhiệt giảm dần từ NH3 đến BiH3. Dung dịch của chúng không có tính axit.
II. NITƠ
1. Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí
- Cấu tạo phân tử: N2 (N ≡ N).
- Chất khí, không màu, không mùi, không vị, không duy trì sự sống, sự cháy.
2. Tính chất hóa học
- Các mức oxi hóa có thể có của N: -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5.
- Vì phân tử chứa liên kết ba rất bền vững nên ở điều kiện thường, nitơ là một chất ít hoạt động chỉ tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao. Nitơ vừa là chất khử vừa là chất oxi hóa.
a. Nitơ là chất oxi hóa
- Tác dụng với kim loại → muối nitrua.
+ Nhiệt độ thường chỉ tác dụng với Li:
6Li + N2 → 2Li3N
+ Nhiệt độ cao phản ứng với một số kim loại như Mg, Ca và Al ...
2Al + N2 → 2AlN
3Ca + N2 → Ca3N2
- Tác dụng với H2 → Amoniac
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 (> 4000C; Fe, p); ΔH = -92kJ
b. Nitơ là chất khử
N2 + O2 ↔ 2NO (Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ 30000C hoặc có tia lửa điện)
2NO + O2 → 2NO2
(khí không màu) (khí màu nâu đỏ)
3. Điều chế
- Trong phòng thí nghiệm: nhiệt phân muối amoni nitrit
NH4NO2 → N2 + 2H2O (t0)
NH4Cl + NaNO2 → N2 + NaCl + 2H2O (t0)
- Trong công nghiệp: chưng cất phân đoạn không khí lỏng, dùng màng lọc rây phân tử.
4. Nhận biết
Trong các bài toán nhận biết, N2 thường được để lại để nhận biết sau cùng.
5. Trạng thái tự nhiên và ứng dụng
- Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở dạng tự do và trong hợp chất:
+ Dạng tự do: Nitơ chiếm 80% thể tích không khí.
+ Dạng hợp chất: có nhiều ở dạng NaNO3 (diêm tiêu natri), trong thành phần protein, axit nucleic...
- Ứng dụng: phần lớn được dùng để tổng hợp amoniac từ đó sản xuất ra các loại phân đạm, axit nitric... Dùng làm môi trường trơ cho các ngành công nghiệp luyện kim; nitơ lỏng được dùng để bảo quản máu và các các mẫu sinh học khác....
III. AMONIAC
1. Cấu tạo và tính chất vật lí
- Công thức phân tử: NH3.
- Là chất khí không màu, mùi khai và xốc. Tan nhiều trong nước.
2. Tính chất hóa học
a. Tính bazơ yếu (do cặp e chưa tham gia liên kết ở nguyên tử N)
Ba(OH)2 > NaOH > NH3 > Mg(OH)2 > Al(OH)3
- Các phản ứng minh họa:
+ Phản ứng với nước:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-
→ Dung dịch NH3 làm cho quỳ tím chuyển màu xanh, phenolphtalein không màu chuyển màu hồng.
+ Phản ứng với axit → muối amoni:
NH3 (k) + HCl (k) → NH4Cl (khói trắng)
NH3 + H2SO4 → NH4HSO4
2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4
+ Tác dụng với dung dịch muối của các kim loại mà hiđroxit không tan → bazơ và muối:
2H2O + 2NH3 + MgCl2 → Mg(OH)2 + 2NH4Cl
Chú ý: Với muối của Cu2+, Ag+ và Zn2+ có kết tủa sau đó kết tủa tan do tạo phức chất tan Cu(NH3)4(OH)2; Ag(NH3)2OH; Zn(NH3)4(OH)2.
CuSO4 + 2NH3 + 2H2O → Cu(OH)2 + (NH4)2SO4
Cu(OH)2 + 4NH3 → [Cu(NH3)3](OH)2
xanh thẫm
Khi NH3 dư thì:
CuSO4 + 4NH3 → [Cu(NH3)3]SO4
b. Tính khử mạnh (do N trong NH3 có mức oxi hóa thấp nhất -3)
- Tác dụng với O2
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O (t0 thường)
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (8500C và có Pt làm xúc tác)
- Tác dụng với Cl2
2NH3 + 3Cl2 → N2 + 6HCl (t0)
8NH3 + 3Cl2 → N2 + 6NH4Cl
- Tác dụng với oxit của kim loại
3CuO + 2NH3 → N2 + 3H2O + N2 (t0)
3. Điều chế
- Trong công nghiệp: tổng hợp từ N2 và H2
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 (4500C; Fe, p)
- Trong phòng thí nghiệm:
+ Cho muối amoni tác dụng với dung dịch kiềm:
NH4Cl + NaOH → NaCl + NH3 + H2O
+ Nhiệt phân muối amoni
NH4Cl → NH3 + HCl (t0)
NH4HCO3 → NH3 + H2O + CO2 (t0)
4. Nhận biết
- Khí không màu có mùi khai.
- Khí làm cho quỳ tím chuyển màu xanh hoặc làm cho phenolphtalein không màu chuyển màu hồng.
- Tạo khói trắng với HCl đặc.
IV. MUỐI AMONI
1. Khái niệm và công thức tổng quát
- Muối amoni là muối của NH3 với axit.
- Công thức tổng quát: (NH4)xA.
2. Tính chất vật lí
- Tất cả các muối amoni đều tan và là những chất điện li mạnh.
(NH4)xA → xNH4+ + Ax-
- Nếu muối amoni của axit mạnh (A là gốc axit của một axit mạnh) thì thủy phân tạo môi trường axit.
NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+
3. Tính chất hóa học
- Tác dụng với dung dịch axit → muối mới và bazơ mới
NH4HCO3 + HCl → NH4Cl + H2O + CO2
- Tác dụng với dung dịch bazơ → muối mới + NH3 + H2O
NH4Cl + NaOH → NH3 + H2O + NaCl
- Tác dụng với dung dịch muối → 2 muối mới
(NH4)2CO3 + CaCl2 → CaCO3 + 2NH4Cl
- Muối amoni còn dễ bị phân hủy bởi nhiệt → NH3 và axit tương ứng.
NH4Cl → NH3 + HCl
NH4HCO3 → NH3 + H2O + CO2
Nếu axit tạo ra có tính oxi hóa mạnh thì axit đó sẽ oxi hóa NH3 để tạo thành các sản phẩm khác:
NH4NO2 → N2 + 2H2O
NH4NO3 → N2O + 2H2O
4. Điều chế
- NH3 + axit.
- Dùng phản ứng trao đổi ion.
5. Nhận biết
Muối amoni tạo khí mùi khai với dung dịch kiềm
NH4+ + OH- → NH3 + H2O
V. AXIT NITRIC
1. Tính chất vật lí
- Là chất lỏng, không màu, tan tốt trong nước (C < 65%).
- Trong điều kiện thường, dung dịch có màu hơi vàng do HNO3 bị phân hủy chậm:
4HNO3 → 4NO2 + 2H2O + O2
→ phải đựng dung dịch HNO3 trong bình tối màu.
2. Tính chất hóa học
a. HNO3 là một axit mạnh
- Làm quỳ tím chuyển thành màu đỏ.
- Tác dụng với oxit bazơ (trong đó kim loại đã đạt hóa trị cao nhất) → muối + H2O:
2HNO3 + CuO → Cu(NO3)2 + H2O
- Tác dụng với bazơ (trong đó kim loại đã đạt hóa trị cao nhất) → muối + H2O:
2HNO3 + Mg(OH)2 → Mg(NO3)2 + 2H2O
- Tác dụng với muối (trong muối kim loại đã đạt hóa trị cao nhất) → muối mới + axit mới:
2HNO3 + CaCO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O
b. HNO3 là chất oxi hóa mạnh
- Tác dụng với kim loại
+ HNO3 phản ứng với hầu hết các kim loại trừ Au và Pt → muối nitrat + H2O và sản phẩm khử của N+5 (NO2, NO, N2O, N2 và NH4NO3).
M + HNO3 → M(NO3)n + H2O + NO2 (NO, N2O, N2, NH4NO3)
+ Sản phẩm khử của N+5 là tùy thuộc vào độ mạnh của kim loại và nồng độ của dung dịch axit. Thông thường thì dung dịch đặc → NO2, dung dịch loãng → NO; dung dịch axit càng loãng, kim loại càng mạnh thì N bị khử xuống mức càng sâu.
Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Fe + 4HNO3 loãng → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
8Na + 10HNO3 → 8NaNO3 + NH4NO3 + 3H2O
Chú ý: Nếu cho Fe hoặc hỗn hợp Fe và Cu tác dụng với dung dịch HNO3 mà sau phản ứng còn dư kim loại → trong dung dịch Fe thu được chỉ ở dạng muối Fe2+. HNO3 đặc nguội thụ động với Al, Fe, Cr.
- Tác dụng với phi kim → NO2 + H2O + oxit của phi kim.
C + 4HNO3 → CO2 + 4NO2 + 2H2O
S + 4HNO3 → SO2 + 4NO2 + 2H2O
P + 5HNO3 → H3PO4 + 5NO2 + H2O
- Tác dụng với các chất khử khác (oxit bazơ, bazơ và muối trong đó kim loại chưa có hóa trị cao nhất...).
4HNO3 + FeO → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O
4HNO3 + FeCO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O + CO2
3. Điều chế
- Trong công nghiệp: NH3 → NO → NO2 → HNO3
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (Pt, 8500C)
2NO + O2 → 2NO2
4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3
- Trong phòng thí nghiệm
H2SO4 đặc + NaNO3 tinh thể → HNO3 + NaHSO4
4. Nhận biết
- Làm đỏ quỳ tím.
- Tác dụng với kim loại đứng sau H tạo khí nâu đỏ.
5. Ứng dụng
Axit nitric là một trong những hóa chất cơ bản và quan trọng. Phần lớn axit này được dùng để sản xuất phân đạm. Ngoài ra nó còn được dùng để sản xuất thuốc nổ, thuốc nhuộm, dược phẩm...
VI. MUỐI NITRAT
1. Khái niệm và công thức tổng quát
- Muối amoni là muối của axit nitric.
- Công thức tổng quát: M(NO3)n.
2. Tính chất vật lí
Tất cả các muối nitrat đều tan và là các chất điện li mạnh:
M(NO3)n → Mn+ + nNO3-
3. Tính chất hóa học
a. Muối nitrat có các tính chất hóa học chung của muối
- Tác dụng với axit → muối mới + axit mới
Ba(NO3)2 + H2SO4 → BaSO4 + 2HNO3
- Tác dụng với ddịch bazơ → muối mới + bazơ mới
Mg(NO3)2 + 2NaOH → Mg(OH)2 + 2NaNO3
- Tác dụng với dung dịch muối → 2 muối mới
Mg(NO3)2 + Na2CO3 → MgCO3 + 2NaNO3
- Tác dụng với kim loại có tính khử mạnh hơn kim loại trong muối → muối mới + kim loại mới.
Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag
b. Muối nitrat dễ bị nhiệt phân
- Nếu muối nitrat của kim loại đứng trước Mg → muối nitrit và O2
M(NO3)n → M(NO2)n + n/2O2
ví dụ:
NaNO3 → NaNO2 + 1/2O2
- Nếu muối của kim loại trung bình (từ Mg đến Cu) → oxit kim loại + NO2 + O2
2M(NO3)n → M2On + 2nNO2 + n/2O2
ví dụ:
2Cu(NO3)2 → 2CuO + 4NO2 + O2
- Nếu muối nitrat của kim loại sau Cu → kim loại + NO2 + O2
M(NO3)n → M + nNO2 + n/2O2
ví dụ:
AgNO3 → Ag + NO2 + 1/2O2
Chú ý: Một số muối nhiệt phân không theo quy luật trên như Fe(NO3)3, NH4NO3…
Nếu muối nitrat tồn tại trong môi trường axit thì cũng có tính oxi hóa mạnh như HNO3.
3Cu + 8HCl + 2KNO3 → 3CuCl2 + 2KCl + 2NO + 4H2O
4. Điều chế
Cho HNO3 phản ứng với kim loại, oxit kim loại, bazơ, muối bằng phản ứng trao đổi ion (muối trong đó kim loại giữ nguyên hóa trị) hoặc phản ứng oxi hóa khử (tạo muối kim loại có hóa trị cao).
5. Nhận biết
Dùng dung dịch HCl và mẩu Cu cho vào dung dịch cần nhận biết, nếu Cu tan tạo thành dung dịch màu xanh và có khí màu nâu đỏ bay ra thì đó là muối nitrat.
Cu + 4H+ + 2NO3- → Cu2+ + 2NO2 + 2H2O
Vận dụng các kiến thức lí thuyết nêu trên, mời các bạn tham gia giải các bài tập sau cùng hochoaonline.net: