3. Nhóm Nitơ a. Ứng dụng của nitơ và một số hợp chất quan trọng *Sơ đồ ứng dụng (1) (2) (3) (4) N 2 (5) (9) NH 3 (6) (8) (10) (7) (16) (15) HNO 3 (11) (14) (13) (12) *Cụ thể hoá các ứng dụng (1) Khí N 2 được sử dụng làm môi trường trơ [10,11,37] Đơn chất nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng phân tử 2 nguyên tử N 2 , trong phân tử có 1 liên kết ba :N ≡ N: Năng lượng của liên kết rất lớn (942 kJ/mol) và độ dài liên kết nhỏ (1,095 A o ) làm liên kết ba N ≡ N bền gấp 6 lần liên kết đơn N-N. Vì vậy, đơn chất nitơ rất trơ. Ở nhiệt độ thường, N 2 là 1 trong những chất trơ nhất; ở nhiệt độ 3000 o C, N 2 vẫn chưa bị phân hủy rõ rệt. Lợi dụng tính trơ này, người ta sử dụng khí N 2 làm môi trường trơ trong luyện kim, công nghiệp điện tử và công nghiệp thực phẩm nhằm tránh các quá trình oxi hóa không mong muốn làm giảm chất lượng sản phẩm và gây một số tổn thất. Ví dụ như trong luyện kim dùng môi trường N 2 sẽ tránh được quá trình oxi hóa kim loại bởi oxi không khí; trong công nghiệp thực phẩm môi trường N 2 làm chậm quá trình ôi thiu. Làm môi trường trơ Vai trò sinh học Nitơ lỏng Đánh dấu nguyên tử Chất làm lạnh Hiđrazin Bột nở Phân đạm Kĩ thuật tên lửa Thuốc nổ Phẩm nhuộm Dược phẩm Nước cường toan Cũng do tính trơ mà khí N 2 được dùng để bơm vào lốp xe ô tô, máy bay. Bơm khí N 2 là một biện pháp an toàn cho lốp xe khi lăn bánh trên những con đường nóng rát giữa mùa hè. Khi thời tiết nóng, ma sát giữa lốp xe và mặt đường, giữa má phanh và vành luôn sinh nhiệt làm không khí trong lốp xe dãn ra khiến lốp bị pan, mất độ bám đường cần thiết và rất nguy hiểm khi xe đi với tốc độ cao. Đồng thời, khi nhiệt độ cao, bột lốp cao su có thể tạo ra hơi vinyl dễ cháy gây nổ lốp. Với đặc tính trơ, nitơ không tham gia các phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng nên hiệu ứng phụ do nhiệt độ trong lốp xe được giảm tối đa. Theo tính toán của các chuyên gia, lốp bơm khí N 2 giữ áp lực lâu hơn lốp thường 3 lần. Bên cạnh đó, loại bỏ oxi trong lốp cũng giúp vành xe không bị oxi hoá khi bám nước mưa và bụi bẩn. Chính nhờ đặc tính ổn định trước thời tiết nên việc bơm khí N 2 cho lốp ô tô dân dụng đã rất phổ biến tại Châu Âu và Châu Mĩ. (2) Ứng dụng của N 2 lỏng [19,26,37] Nitơ lỏng được sản xuất trên qui mô công nghiệp bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng. N 2 lỏng là tác nhân làm lạnh rất tốt, có thể làm cứng ngay lập tức các mô sống khi tiếp xúc. Khi được cách li thích hợp khỏi nhiệt của môi trường xung quanh, nitơ lỏng có tác dụng là chất cô đặc và nguồn vận chuyển nitơ dạng khí mà không cần nén. Nó còn có khả năng duy trì nhiệt độ thấp rất tốt do nó bay hơi chậm ở 77K (-196 o C). Nitơ lỏng được dùng để bảo quản máu và các mẫu sinh học khác, bảo quản thực phẩm, làm nguồn mát để tăng tốc cho CPU, GPU hay các dạng phần cứng khác. Nitơ lỏng còn dùng để chạy động cơ ô tô nhờ quá trình bay hơi chậm của nó. Ô tô đi 100km tiêu tốn hết 5,5lít N 2 lỏng. Giá thành của nitơ lỏng bằng giá xăng nhưng nó có ưu điểm vượt trội là không gây ô nhiễm môi trường. (3) Sử dụng NH 3 để làm lạnh [10] NH 3 được dùng làm chất gây lạnh trong máy lạnh vì nó có nhiệt độ sôi thấp (- 33,35 o C). Khi bay hơi, nó thu nhiệt mạnh. (4) Sử dụng NH 3 để sản xuất bột nở [19,26] NH 3 dùng để sản xuất bột nở (NH 4 ) 2 CO 3 hay NH 4 HCO 3 . Ở điều kiện thường, 2 muối này bị phân hủy tạo ra nhiều khí có tác dụng làm xốp bánh. (NH 4 ) 2 CO 3 → 2NH 3 ↑ + H 2 O + CO 2 ↑ NH 4 HCO 3 → NH 3 + H 2 O + CO 2 ↑ (5) Tổng hợp hidrazin từ NH 3 [10,26] Từ NH 3 điều chế được hiđrazin theo phương trình phản ứng: 2NH 3 + NaOCl gelatin → N 2 H 4 + NaCl + H 2 O Hiđrazin có tính khử mạnh, khi cháy toả ra lượng nhiệt lớn nên được dùng làm nhiên liệu tên lửa. Hiđrazin còn được dùng trong nhiều tổng hợp hữu cơ, trong công nghiệp chất dẻo, cao su, thuốc trừ sâu, chất nổ và trong hoá học phân tích (6) Sử dụng HNO 3 để sản xuất thuốc nổ [9,10,11,19,20,26,38] Hầu hết các hợp chất vô cơ cũng như hữu cơ có chứa nhóm -NO 3 hay nhóm -NO 2 đều có tính chất cháy nổ. Từ xa xưa, các muối nitrat đã được dùng làm thuốc nổ đen. Các hợp chất hữu cơ trong phân tử chứa nhiều nhóm nitro (-NO 2 ) đều là những chất nổ rất mạnh, ví dụ như trinitrotoluen, trinitrophenol, trinitrobenzen, trinitroglixerol… Từ axit nitric có thể điều chế được các loại hợp chất này. Ví dụ: CH 3 + 3HNO 3 dac H 2 SO 4 dac CH 3 NO 2 O 2 N NO 2 + 3H 2 O Trinitrotoluen (TNT) Toluen CH 2 CH H 2 C OH OH OH + 3HNO 3dac H 2 SO 4 dac CH 2 CH H 2 C ONO 2 ONO 2 ONO 2 + 3H 2 O Trinitroglixerol hay glixeryl trinitrat Glixerol hay glixerin H 2 SO 4 đặc có tác dụng làm tăng sự ion hoá tạo ion NO 2 + của HNO 3 . Khi cháy, TNT và nitroglixerin bị phân hủy nhanh chóng, tạo ra 1 lượng lớn sản phẩm khí, phát nhiều nhiệt, gây nổ mạnh: 2C 7 H 5 N 3 O 6 → 3N 2 ↑ + 5H 2 O + 7CO ↑ + 7C TNT 4C 3 H 5 (NO 3 ) 3 → 6N 2 ↑ + 12CO 2 ↑ + 10H 2 O + O 2 Trinitroglixerol TNT là chất rắn, khi nổ tạo ra cả C và CO nên vụ nổ TNT rất nhiều khói và độc. Những người tiếp xúc nhiều với TNT sẽ dễ bị bệnh thiếu máu và viêm phổi. TNT là 1 trong những thuốc nổ thông dụng nhất, được sử dụng trong công nghiệp và quân đội. TNT có nhiệt độ nóng chảy là 80 o C, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ mà nó tự phát nổ. Nhờ đó nó có thể được trộn chung một cách an toàn với các chất nổ khác. TNT không hút nước hay hòa tan trong nước nên có thể sử dụng rất hiệu quả trong cả môi trường ẩm ướt. So với các chất nổ khác, TNT tương đối bền. Nitroglixerin là chất lỏng. Để dễ bảo quản và vận chuyển, nhà khoa học Nobel lần đầu tiên đã trộn nó với một loại đất chứa silic và ông đã đặt tên cho nó là hỗn hợp điamit. (7) HNO 3 được sử dụng làm chất oxi hoá trong tên lửa [10] HNO 3 có tính oxi hoá mạnh, lại ở thể lỏng nên được dùng để thay thế oxi trong kĩ thuật tên lửa. (8) Sử dụng NH 3 và HNO 3 trong công nghiệp sản xuất phân đạm [6,11,25] Phân đạm là các hợp chất vô cơ có chứa nitơ ở dạng dễ tan mà cây trồng có thể hấp thu được. Từ NH 3 và HNO 3 có thể điều chế được nhiều loại phân đạm. Có 3 loại phân đạm chính là phân amoni (sản xuất từ NH 3 ); phân nitrat (sản xuất từ HNO 3 ) và phân ure (sản xuất từ NH 3 ), trong đó urê là loại phân đạm quan trọng nhất. Urê là phân sinh lí trung tính, có thể được lá cây hấp thu trực tiếp. Phân đạm urê (NH 2 ) 2 CO có hàm lượng đạm cao, có nhiều tính chất vật lí tốt như: ít vón cục, không cháy nổ, không háo nước ở điều kiện thường. Hiện nay, đạm urê được sản xuất và sử dụng rất phổ biến. Từ NH 3 và CO 2 , ure được điều chế qua 2 giai đoạn ở nhiệt độ 180÷200 o C và 200 atm: 2NH 3 + CO 2 ƒ H 2 N - CO - ONH 4 (1) (Amoni cacbamat) H 2 N - CO - ONH 4 ƒ H 2 N - CO - NH 2 + H 2 O (2) Ta có thể viết gộp 2 giai đoạn tổng hợp urê theo phương trình phản ứng: CO 2 + 2NH 3 → (NH 2 ) 2 CO + H 2 O Khi bón phân urê vào đất sẽ xảy ra quá trình: CO(NH 2 ) 2 + 2H 2 O ureEnzim aza → (NH 4 ) 2 CO 3 (NH 4 ) 2 CO 3 + H 2 O → NH 4 HCO 3 + NH 4 OH Phân amoni (gồm NH 4 Cl, (NH 4 ) 2 SO 4 , NH 4 NO 3 …) thuộc loại phân sinh lí chua. Vì vậy, chúng thường được dùng cho đất ít chua hoặc đất đã được khử chua trước bằng vôi bột (CaO). Khi bón vào đất, các loại phân này sẽ tác dụng với keo đất (KĐ - ]) tạo ra ion H + . NH 4 NO 3 là đạm 2 lá, được tạo ra trực tiếp từ phản ứng giữa NH 3 và HNO 3 . Đạm 2 lá dễ hút ẩm và vón cục nên để dễ bảo quản, người ta sản xuất đạm 2 lá ở dạng viên và thêm vào đó từ 0,5÷3% bột đá, bột photphorit, bột thạch cao hay bột đôlômit (CaCO 3 .MgCO 3 ) Khi bón phân đạm 2 lá vào đất, xảy ra phản ứng: NH 4 NO 3 → NH + 4 + NO 3 − 2NH 4 NO 3 + 2O 2  → vsv 4HNO 3 + 2H 2 O Các ion NH + 4 và NO − 3 được cây trồng hấp thụ trực tiếp. Một phần NH + 4 hấp phụ trên keo đất, cùng với sự phân hủy NH 4 NO 3 dưới tác dụng của vi sinh vật tạo ra môi trường axit, làm xấu đất. (NH 4 ) 2 SO 4 là loại đạm 1 lá, được sản xuất từ khí NH 3 nguyên chất hoặc NH 3 có trong khí cốc. Trong đất: (NH 4 ) 2 SO 4 → 2NH 4 + + SO 4 2- . Ion NH 4 + được cây hấp thụ còn ion SO 4 2- ít được hấp thụ. Dưới tác dụng của vi sinh vật, xảy ra phản ứng: (NH 4 ) 2 SO 4 + 4O 2  → vsv 2HNO 3 + H 2 SO 4 + 2H 2 O. Sự hấp phụ của ion NH 4 + vào keo đất cùng quá trình oxi hoá đạm làm cho đất chua, gây ảnh hưởng xấu cho đất. NH 4 Cl cũng là loại đạm 1 lá, được sản xuất từ sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất NH 3 : NH 3 + CO 2 + H 2 O + NaCl → NH 4 Cl + NaHCO 3 . Trong đất, NH 4 Cl có phản ứng tương tự phân (NH 4 ) 2 SO 4 nhưng do có ion Cl - nên nó gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng nông sản. Vì vậy, phải bón NH 4 Cl vào đất trước khi gieo trồng vài tháng để ion Cl - được rửa trôi bớt. Các loại phân đạm nitrat như NaNO 3 , Ca(NO 3 ) 2 …được sản xuất từ axit nitric, cho tác dụng với muối cacbonat của các kim loại. Phân đạm NaNO 3 ít phổ biến, được tạo ra từ phản ứng: 2HNO 3 + Na 2 CO 3 → 2NaNO 3 + CO 2 ↑ + H 2 O Một số ứng dụng khác của hợp chất chứa nitơ [19,20,26] - Viện kĩ thuật lâm nghiệp Matxcơva đã phát hiện ra dung dịch NaNO 3 nóng có khả năng làm khô gỗ nhanh hơn phương pháp sấy khô bằng đối lưu, đồng thời làm cho gỗ ít bị ngót và nứt. - NH 4 Cl được dùng để phun lên mối hàn trước khi mạ. Nó có tác dụng làm sạch lớp màng oxit trên bề mặt kim loại, làm chất hàn bám dính tốt hơn vào kim loại. Quá trình tẩy lớp màng oxit xảy ra khi bắt đầu mạ, hàn vì lúc đó bề mặt kim loại được làm nóng mạnh. Nếu kim loại là Cu hay Fe thì phản ứng xảy ra như sau: 4CuO + 2NH 4 Cl → 3Cu + CuCl 2 + N 2 + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 8NH 4 Cl → FeCl 2 + FeCl 3 + 8NH 3 + 4H 2 O Ưu thế của NH 4 Cl so với các chất tẩy gỉ khác là dễ bị phân huỷ thành các chất bay hơi nên nếu dư nó cũng không bám trên bề mặt kim loại. b. Ứng dụng của photpho và một số hợp chất *Sơ đồ ứng dụng (1) (2) (3) (4) (5) (6) (9) (7) (8) (10) (12) (11) *Cụ thể hoá một số nội dung ứng dụng (1) Sử dụng P làm chất bán dẫn [19] Photpho được dùng làm chất bán dẫn là loại photpho trắng có độ tinh khiết rất cao, khoảng 99,9999%. Ca 3 (PO 4 ) 2 Chất bán dẫn Vai trò sinh học Đạn cháy, bom, đạn khói Thuốc diệt chuột Phân lân Dược phẩm Men sứ Diêm P H 3 PO 4 (2) Sử dụng P làm đạn, bom [11] Do photpho là chất dễ cháy nên nó thường được sử dụng để làm đạn cháy, bom, đạn khói. (3) Vai trò sinh học của photpho [6,10,11,20] Photpho rất cần thiết cho sinh vật. Trong cơ thể người, khoảng 90% photpho tập trung ở xương, 16% tập trung ở cơ, gần 1% ở các tế bào não dưới dạng các chất vô cơ và hữu cơ. Người lao động trí óc cần lượng P nhiều hơn. Thiếu P, cơ thể sẽ giảm khả năng làm việc, bị rối loạn thần kinh chức năng và rối loạn sự trao đổi chất. Photpho ở dạng ion photphat tham gia vào quá trình tạo men răng, làm cho răng khỏi bị sâu: 5Ca 2+ + 3PO 4 3- + OH - → Ca 5 (PO 4 ) 3 OH↓ Với thực vật, thiếu photpho thì không thể sống được. Nhiều quá trình trao đổi chất, quá trình tổng hợp chỉ được tiến hành khi có mặt photpho. Trong cơ thể thực vật, hàm lượng photpho chiếm khoảng 0,3÷3,4% tổng khối lượng chất khô, phần lớn ở dạng hữu cơ, một phần ở dạng muối vô cơ và axit H 3 PO 4 . P là thành phần trong nhân tế bào, cấu tạo lên các nhóm chất hữu cơ quan trọng như nhóm axit nucleic (gồm ADN, ARN), các nucleotit, nhóm phophoprotit, phiton…Khi cây còn non, P tham gia cấu tạo nhân tế bào, sản sinh ra hợp chất mới. Khi cây đã trưởng thành, P thúc đẩy cây trồng sớm ra hoa, kết quả, tăng năng suất cây trồng. P được cung cấp đẩy đủ sẽ giúp tăng năng suất và chất lượng nông sản, đặc biệt là đối với cây lấy hạt. Nếu thiếu P, bộ rễ của cây kém phát triển, lá giảm màu xanh, thậm chí bị đỏ và năng suất thu hoạch giảm. (4) Sử dụng muối photphua làm thuốc diệt chuột [10,19] Từ P có thể tạo ra các muối photphua như Zn 3 P 2 được dùng làm thuốc diệt chuột: 2P + 3Zn o t → Zn 3 P 2 Khi Zn 3 P 2 xâm nhập vào cơ thể chuột, nó sẽ phản ứng với nước trong cơ thể chuột làm chuột bị mất nước, đồng thời giải phóng ra khí photphin PH 3 rất độc: Zn 3 P 2 + 6H 2 O → 2PH 3 ↑ + 3Zn(OH) 2 Chuột ăn phải thuốc sẽ khát nước và uống càng nhiều nước, chuột càng chóng chết. (5) Sử dụng P để chế tạo diêm [10,19,20,26,38] Năm 1831, loại diêm đầu tiên ra đời. Loại diêm này có đầu diêm được nhúng vào hỗn hợp chứa photpho trắng, rất dễ cháy nên rất nguy hiểm. P trắng còn độc nên rất có hại cho sức khoẻ của con người. Khoảng 20 năm sau, Lundstron (người Thụy Điển) đã phát minh ra một loại diêm mới an toàn hơn. Trong thuốc ở đầu que diêm có các chất oxi hoá mạnh như KClO 3 , K 2 Cr 2 O 4 , MnO 2 và các chất khử như S, tinh bột và keo dán. Photpho đỏ cùng với Sb 2 S 3 và keo dán tạo thành thuốc phấn diêm. Để tăng sự cọ xát, người ta còn cho thêm bột thủy tinh nghiền vào cả 2 thứ thuốc này. Khi quẹt diêm vào bao diêm, những hạt nhỏ P đỏ ở trong phấn diêm bốc cháy và đốt thuốc đầu diêm làm que diêm bắt lửa (6) Sử dụng quặng photphat để điều chế đơn chất P [10,11] Từ hợp chất canxi photphat trong các khoáng vật tự nhiên, người ta có thể điều chế được P bằng cách nung trong lò điện ở 1500 o C với điện cực than, có cát và than cốc: 2Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6SiO 2 → 6CaSiO 3 + P 4 O 10 P 4 O 10 + 10C → 10CO↑ + 4P(hơi) Viết gọn: Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3SiO 2 + 5C 1500 o C Lo dien → 3CaSiO 3 + 2P(hơi) + 5CO↑ Hơi P thoát ra được ngưng tụ trong buồng tưới nước tạo P trắng dạng rắn, còn CaSiO 3 có dạng xỉ lỏng chảy ra ở đáy lò. . viêm phổi. TNT là 1 trong những thuốc n thông dụng nhất, được sử dụng trong công nghi p và qu n đội. TNT có nhiệt độ n ng chảy là 80 o C, th p h n nhiều. thích h p khỏi nhiệt của môi trường xung quanh, nitơ lỏng có tác dụng là chất cô đặc và ngu n v n chuy n nitơ dạng khí mà không c n n n. N c n có khả n ng