Nhóm Ni tơ pptx

Nhóm nitơ I. Mục tiêu của chơng 1. Về kiến thức Biết: - Vị trí của các nguyên tố thuộc nhóm nitơ trong bảng tuần hoàn. - Tính chất của các đơn chất và hợp chất của nitơ và photpho. - ứng dụng của các đơn chất và hợp chất nitơ. - Điều chế nitơ, photpho và các hợp chất quan trọng của chúng. Hiểu: - Sự liên quan giữa vị trí nitơ, photpho trong bảng tuần hoàn với cấu tạo nguyên tử, phân tử của chúng. - Sự liên quan giữa cấu tạo nguyên tử, phân tử của nitơ và photpho với tính chất hoá học của đơn chất và hợp chất của chúng. 2. Về kỹ năng - Từ vị trí, cấu tạo nguyên tử, phân tử dự đoán tính chất hoá học của đơn chất và hợp chất của nitơ, photpho. - Lập phơng trình phản ứng của các đơn chất và hợp chất của nitơ và photpho. Xác định đợc vai trò và so sánh tính khử, tính oxi hoá của chúng trong các phản ứng oxi hoá - khử. - Viết đợc các phơng trình phản ứng trong các sơ đồ chuyển hoá. Biết giải các dạng khác nhau của bài tâp trắc nghiệm, bài tập tự luận định lợng. - Tiến hành một số thí nghiệm đơn giản để nghiên cứu tính chất hoá học của đơn chất nitơ, photpho và các hợp chất của chúng. 3. Về tình cảm, thái độ - Có ý thức tích cực, tự giác và hợp tác trong học tập. - Có ý thức bảo vệ môi trờng. II. Một số điểm cần lu ý về nội dung dạy học và phơng pháp dạy học 1. Trong nhóm nitơ chỉ xét kĩ nitơ và photpho, cần làm rõ sự giống nhau và khác nhau của các đơn chất và các hợp chất của hai nguyên tố đó. Đây là những kiến mới đối với học sinh. Do học sinh đã đợc học đầy đủ cơ sở lý thuyết nh cấu tạo nguyên tử, bảng tuần hoàn, liên kết hoá học, cân bằng hoá học, sự điện li, khái niệm về axit, bazơ và muối, nên giáo viên cần dẫn dắt để học sinh có thể dựa vào lý thuyết chủ đạo đó dự đoán đợc tính chất của đơn chất nitơ, photpho và các hợp chất của chúng. Giáo viên biểu diễn thí nghiệm, học sinh quan sát, nhận xét và rút ra kết luận để khẳng định sự đúng đắn của những dự đoán đó. 2. Sự khác nhau về cấu tạo và độ bền của phân tử nitơ và phân tử photpho. * Phân tử nitơ N 2 có kích thớc nhỏ hơn phân tử P 4 (d N N = 0,109 nm; d p-p = 0,221nm) và vì N 2 ở trạng thái khí nên lực tơng tác giữa các phân tử N 2 nhỏ hơn nhiều so với lực tơng tác giữa các phân tử P 4 . * Liên kết ba trong phân tử N 2 có năng lợng lớn (E N N = 946 kJ/mol), lớn gấp 6 lần liên kết đơn N - N (E N - N = 169 kJ/mol), nên là liên kết rất bền. ở 3000 0 C nó mới bắt đầu bị phân huỷ thành nguyên tử nitơ, do đó ở nhiệt độ thờng nitơ phân tử là một trong những chất trơ nhất. Còn ở nhiệt độ cao, nitơ trở nên hoạt động hơn, nhất là khi có mặt chất xúc tác. * Mặc dù photpho có độ âm điện (2,1) nhỏ hơn so với nitơ (3,0), nhng ở điều kiện thờng photpho hoạt động hơn nitơ. Đó là do liên kết đơn P - P trong phân tử P 4 kém bền hơn liên kết ba trong phân tử nitơ (E P-P ~ 200 kJ/mol). ở trên 2000 0 C phân tử P 4 bị phân huỷ thành các nguyên tử photpho. * ở nguyên tử N không có khả năng kích thích cặp electron đã ghép đôi ở phân lớp 2s để chuyển sang obitan 3s của lớp thứ ba, vì obitan này có năng lợng cao hơn nhiều. Vì vậy cộng hoá trị cực đại của nitơ trong các hợp chất bằng 4: ba liên kết đ ợc tạo thành theo cơ chế trao đổi, còn một liên kết đợc tạo thành theo cơ chế cho - nhận. Nitơ thể hiện các số oxi hoá: -3 (NH 3 ), - 2(N 2 H 4 ), -1(N- 2 O), 0 (N 2 ), +1(N 2 O), +2(NO), +3(N 2 O 3 ), + 4(NO 2 , N 2 O 4 ), +5 (N 2 O 5 ). 3. Điều chế nitơ trong công nghiệp Nitơ đợc điều chế bằng phơng pháp chng cất phân đoạn không khí lỏng còn chứa khí hiếm và những vết oxi. Trong nhiều tr ờng hợp, tạp chất khí hiếm không gây trở ngại gì cả, nhng oxi thì không đợc lẫn. Để loại tạp chất oxi, ngời ta cho nitơ đi qua một hệ thống chứa đồng kim loại đốt nóng. Khi đó tất cả oxi đều phản ứng tạo thành CuO. 4. Amoniac * Khí amoniac là một trong những khí tan nhiều trong nớc. Hiện tợng tan nhiều của amoniac đợc giải thích bằng sự tạo thành liên kết hiđro giữa các phân tử NH 3 và H 2 O (cả hai đều là phân tử có cực: momen lỡng cực à NH3 = 1,48D, à H2O = 1,86D). Liên kết này đ- ợc hình thành nhờ lực tơng tác tĩnh điện giữa nguyên tử H mang một phần điện tích dơng của phân tử H 2 O và nguyên tử N mang một phần điện tích âm của phân tử NH 3 . * Là hợp chất có cực, NH 3 dễ hoá lỏng và dễ hóa rắn (t nc = -78 0 C, t s = - 33 0 C) cao hơn nhiều so với các hợp chất tơng tự nh PH 3 (t nc = -133 0 C, t s = - 87,4 0 C), AsH 3 (t nc = -116 0 C, t s = -62 0 C) v.v Điều này đợc giải thích là: do phân cực khá mạnh, nên các phân tử NH 3 dễ kết hợp với nhau tạo thành tập hợp phân tử (NH 3 ) n nhờ liên kết hiđro. Để phá vỡ tập hợp phân tử này cần tiêu tốn năng l- ợng. Bởi vậy, NH 3 có t nc , t s và cả nhiệt hoá hơi (22,82 kJ/mol) cao hơn PH 3 , A s H 3 . ở những hợp chất này không xảy ra hiện tợng tập hợp phân tử. * Khi tan trong nớc, trong dung dịch nớc của amoniac xảy ra các quá trình sau: NH 3 . H 2 O NH 3 + H 2 O NH 3 . H 2 O NH + 4 + OH - Khi đó NH 3 kết hợp với H + của H 2 O theo cơ chế cho - nhận, tạo thành ion NH + 4 và dung dịch trở nên có tính bazơ. Phản ứng chung đợc viết là: NH 3 (dd) + H 2 O NH + 4 + OH - Đây là phản ứng thuận nghịch, ở lạnh nó chuyển dịch từ trái sang phải, khi đun nóng trong bình hở nó chuyển sang dịch từ phải sang trái. Hằng số phân li bazơ của amoniac trong dung dịch ở 25 0 C: K b = _ 3 + [ ] 4 [NH ] [ NH ] OH = 1,8. 10 -5 Trớc đây, ngời ta cho rằng tính bazơ là do NH 3 kết hợp với H 2 O tạo thành phân tử NH 4 OH, nhng thực tế không có những bằng chứng minh sự tồn tại của phân tử này. Khi nghiên cứu nhiệt độ hoá rắn của dung dịch NH 3 ngời ta thấy có ba dạng hiđrat bền ở nhiệt độ thấp là 2NH 3 .H 2 O (t nc = -78,8 0 C); NH 3 .H 2 O (t nc = -79 0 C) và NH 3 .2NH 3 (t nc = -98 0 C). Trong các hợp chất hiđrat đó, phân tử NH 3 liên kết với phân tử H 2 O bằng liên kết hiđro, chứ không có các ion NH + 4 , OH - và phân tử NH 4 OH. * Khả năng kết hợp của amoniac với nớc và với axit tạo thành ion NH + 4 và với các ion kim loại nh Ca 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Ag + v.v tạo thành cation phức (gọi chung là amoniacat kim loại [Ca(NH 3 ) 8 ] 2+ , [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ , [Ag(NH 3 ) 2 ] + , v.v là do có sự hình thành các liên kết cho - nhận (còn gọi là liên kết phối trí) giữa cặp electron tự do cha sử dụng của nguyên tử N trong phân tử NH 3 và obitan lai hoá còn trống của ion kim loại (theo thuyết liên kết hóa trị). * Amoniac còn có tính khử, mặc dù không đặc trng bằng phản ứng kết hợp. Tính khử của NH 3 là do nguyên tử nitơ có số oxi hoá thấp nhất (-3) gây ra. Ngoài O 2 và oxit kim loại ra, clo và brom oxi hoá mãnh liệt amoniac ở trạng thái khí và trạng thái dung dịch ngay ở nhiệt độ thờng. 2NH 3 + 3Cl 2 HCl6N 2 0 + 2NH 3 + 3Br 2 HBr6N 2 0 + 5. Muối amoni * Cần thấy rõ sự giống nhau và khác nhau giữa muối amoni và muối kim loại kiềm. Giống với muối của kim loại kiềm, các muối amoni đều tan nhiều trong nớc và khi tan phân ly hoàn thành các ion. Ion NH + 4 cũng không có màu nh ion kim loại kiềm. Khác với muối kim loại kiềm, dung dịch muối amoni có tính axit do ion amoni cho proton: NH + 4 + H 2 O NH 3 + H 3 O, K a = 5,5.10 -10 . * Cần hiểu và nắm vững phản ứng nhiệt phân của muối amoni. Sản phẩm của phản ứng này là khác nhau, tuỳ thuộc vào bản chất của axit tạo nên muối. - Muối amoni tạo bởi axit không có tính oxi hoá, khi bị nhiệt phân tạo ra amoniac và axit tơng ứng. Ví dụ: NH 4 Cl 0 t NH 3 + HCl (NH 4 ) 2 CO 3 0 t 2NH 3 + CO 2 + H 2 O NH 4 HCO 3 0 t NH 3 + CO 2 + H 2 O (NH 4 ) 3 PO 4 0 t 3NH 3 + H 3 PO 4 (NH 4 ) 2 S 0 t 2NH 3 + H 2 S - Muối amoni tạo bởi các axit có tính oxi hoá, khi bị nhiệt phân thì axit đợc tạo thành sẽ oxi hoá NH 3 , tạo ra các sản phẩm khác nhau. Ví dụ: NH 4 NO 3 0 250 N 2 O + 2H 2 O NH 4 NO 2 0 t N 2 + 2H 2 O (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 0 t N 2 + Cr 2 O 3 + 4H 2 O (NH 4 ) 2 SO 4 0 t NH 3 + NH 4 HSO 4 Tiếp tục đun nóng thêm muối NH 4 HSO 4 sẽ bị phân huỷ: 3NH 4 HSO 4 0 t N 2 + NH 3 + 3SO 2 + 6H 2 O Chú ý: Khi làm thí nghiệm nhiệt phân muối NH 4 NO 3 cần tuân thủ nghiêm ngặt chế độ nhiệt, vì NH 4 NO 3 nóng chảy ở 169 0 C, từ khoảng 190 - 260 0 C bị phân huỷ cho thoát ra N 2 O. Còn ở nhiệt độ cao hơn 300 0 C sẽ phân huỷ nổ, do N 2 O không bền phân huỷ nhanh ra N 2 + O 2 : 2N 2 O 0 t 2N 2 + O 2 . 6. Axit nitric HNO 3 là axit có tính oxi hoá mạnh. Có tài liệu nói rằng ở nồng độ rất loãng và lạnh HNO 3 không thể hiện tính oxi hoá trong dung dịch nớc. Khi HNO 3 rất loãng và lạnh tác dụng với kim loại hoạt động, ví dụ Mg, thì có H 2 thoát ra ở thời điểm bắt đầu phản ứng. Trong nhiều tài liệu, khi nói về tính oxi hoá của HNO 3 ngời ta không đa tính chất này vào, thậm chí có một số tài liệu còn khẳng định là khi tác dụng với kim loại, HNO 3 không cho H 2 thoát ra. Nếu sử dụng HNO 3 đặc thì sản phẩm cuối cùng luôn luôn là NO 2 . Đó là vì tất cả các hợp chất chứa oxi của nitơ với số oxi hoá (+4 đều bị HNO 3 đặc oxi hoá đến NO 2 ). Ví dụ: 2HNO 3 + NO 3NO 2 + H 2 O Các kim loại có tính khử trung bình và yếu (thí dụ Fe, Pb, Cu, Ag,) khử HNO 3 loãng chủ yếu đến NO. Còn các kim loại có tính khử mạnh (thí dụ Al, Zn, Mg,) khử HNO 3 loãng chủ yếu đến N 2 O hoặc N 2 và khử HNO 3 rất loãng đến NH 3 (ở dạng muối NH 4 NO 3 ). Trong các phản ứng, kim loại bị oxi hóa đến mức oxi hoá bền, cao nhất. Quá trình khử HNO 3 thờng diễn ra theo một số hớng song song, kết quả thu đợc một hỗn hợp sản phẩm khử khác nhau, tuỳ thuộc vào độ mạnh, yếu của chất khử và nồng độ axit. Hình dới đây minh hoạ hàm lợng tơng đối của các sản phẩm khác nhau khi khử HNO 3 bằng Fe tuỳ thuộc vào nồng độ của axit. Axit càng loãng thì càng có nhiều sản phẩm khử sâu hơn trong hỗn hợp, ví dụ NH 3 (ở dạng NH 4 NO 3 ). HNO 3 "bốc khói" đợc điều chế trong phòng thí nghiệm theo phản ứng NaNO 3 + H 2 SO 4 NaHSO 4 + HNO 3 Phản ứng này đợc tiến hành trong chân không, để HNO 3 bay hơi ngay và ít bị phân huỷ, khi đó thu đợc HNO 3 100%. Cũng có thể không sử dụng chân không, nhng cần lấy NaNO 3 rắn và H 2 SO 4 đặc (~ 98%). Phản ứng đợc tiến hành khi đun nóng nhẹ, giúp cho HNO 3 bay hơi và dịch chuyển cân bằng sang phải (HNO 3 bay hơi mạnh hơn nhiều so với H 2 SO 4 ). Đun nóng mạnh sẽ làm phân huỷ HNO 3 tạo thành. Nếu dùng dung dịch loãng, sau đó cô đặc thì chỉ thu đợc hỗn hợp đẳng phí 68%. 7. Muối nitrat Khi đun nóng muối nitrat cao hơn nhiệt độ nóng chảy của chúng (có trờng hợp cha đạt đến nhiệt độ nóng chảy) thì chúng bị phân huỷ. Tính chất phân huỷ của muối nitrat phụ thuộc vào bản chất của cation. Muối của các kim loại hoạt động nhất (đứng trớc Mg trong dãy điện hoá) tạo thành muối nitrit tơng ứng và giải phóng oxi. Muối của các kim loại hoạt động kém hơn (Mg - Cu) bị phân huỷ tạo thành oxit. Muối của các kim loại kém hoạt động hơn nữa (đứng sau Cu) bị phân huỷ giải phóng kim loại. Tính chất khác nhau này khi tiến hành phản ứng là do độ bền khác nhau của các muối nitrit và oxit t ơng ứng ở nhiệt độ bị phân huỷ: trong các điều kiện đó đối với natri thì nitrit bền, đối với Mg thì nitrit kém bền, nên cho thoát ra kim loại. Trong môi trờng trung tính, ion NO 3 - không có khả năng oxi hoá Trong môi trờng axit, ion NO 3 - có khả năng oxi hoá nh HNO 3 Ví dụ: 3Cu + 8H + + 2NO 3 - 3Cu 2+ + 2 NO + 4H 2 O Trong môi trờng kiềm mạnh, d, ion NO 3 - bị Al (hoặc Zn) khử đến NH 3 Ví dụ: 8Al + 5OH - + 3NO 3 - + 2H 2 O 8AlO 2 - + 3NH 3 8. Cần nắm vững các điều kiện chuyển hoá giữa hai dạng thù hình của photpho. Khi đun nóng trên 250 0 C, không có không khí, P đỏ chuyển thành hơi, khi làm lạnh thì hơi đó ngng tụ thành P trắng. Còn khi đun nóng P trắng đến 250 0 C không có không khí hoặc dới tác dụng của ánh sáng thì nó chuyển chậm thành P đỏ là dạng bền hơn. Phản ứng này có thể tăng nhanh khi có một ít iot làm xúc tác. Có thể biểu diễn các quá trình chuyển hoá đó nh sau: P trắng D P đỏ H = - 16,7 kJ/ mol Tất cả các dạng thu hình của photpho khi nóng chảy đều tạo thành cùng một chất lỏng gần những phân tử tứ diện P 4 . Dạng P 4 cũng tồn tại ở trạng thái hơi. Nhng ở nhiệt độ cao hơn 800 0 C và áp suất thấp, P 4 bị phân huỷ tạo thành các phân tử P 2 . Dới áp suất khí quyển và nhiệt độ ~ 1800 0 C, 50% P 4 phân hủy thành 2P 2 , còn ở ~ 2800 0 C thì 50% P 2 phân huỷ thành 2P. ở trạng thái rắn, P đỏ có cấu trúc polime nh sau: P P P P P P P P P P P P P P P P 9. Photpho trắng rất hoạt động về mặt hoá học, dễ dàng bốc cháy trong không khí ở nhiệt độ thờng, nếu ở dạng phân tán nhỏ. Điều này đợc minh hoạ bằng thí nghiệm sau: Hoà tan một mẩu nhỏ P trắng trong dung môi cacbon đisunfua (CS 2 ). Tẩm dung dịch thu đợc vào một băng giấy lọc còn lại những hạt P trắng rất nhỏ. Chúng bị oxi hoá bởi oxi không khí, phát nhiệt mạnh, làm bốc cháy băng giấy lọc. 10. Các axit photphoric Cấu tạo phân tử của các axit photphoric: H O P O O axit metaphotphoric H O H O P O P O H O H axit diphotphoric H O H O P O axit octophotphoric (axit photphoric) H O Số oxi hoá của P trong các axit này đều là +5. Axit H 3 PO 4 là axit ba lần axit có độ mạnh trung bình (K 1 = 7,6 x 10 -3 ; K 2 = 6,2 x 10 -8 ; K 3 = 4,4 x 10 -13 ). Axit H 4 P 2 O 7 mạnh hơn H 3 PO 4 và là axit bốn lần axit ( K 1 = 3 x 10 -2 ; K 2 = 4 x 10 -3 ; K 3 = 2 x 10 -7 ; K 4 = 5 x 10 -10 ). Tuy nhiên, chỉ mới biết đợc hai loại muối của axit này: muối đihiđrođiphotphat, thí dụ Na 2 H 2 P 2 O 7 và muối điphotphat trung tính, thí dụ Na 4 P 2 O 7. Axit HPO 3 mạnh hơn cả hai axit trên. Trong số các muối metaphotphat chỉ có muối của kim loại kiềm và magie là dễ tan. Trong phòng thí nghiệm thờng sử dụng axit H 3 PO 4 và các muối của nó (muối photphat). Khác với axit nitric, các axit photphoric đều không có khả năng oxi hoá. Điều đó là do photpho có độ âm điện nhỏ, dẫn đến ái lực với eletron nhỏ. 11. Muối photphat Một trong những tính chất cần biết của muối photphat là phản ứng thuỷ phân. Trong số các muối photphat tan, muối photphat trung tính của kim loại kiềm bị thuỷ phân mạnh trong dung dịch cho môi tr ờng kiềm mạnh. Thí dụ: Na 3 PO 4 + H 2 O D Na 2 HPO 4 + NaOH 3 4 PO + H 2 O D HPO 2- 4 + OH - Do đó khi kết tinh từ dung dịch, Na 3 PO 4 thờng có lẫn NaOH. Muối hiđrophotphat, thí dụ Na 2 HPO 4 bị thuỷ phân yếu hơn: Na 2 HPO 4 + H 2 O D NaH 2 PO 4 + NaOH 2 4 HPO + H 2 O D H 2 PO 4 - + OH - Quá trình thuỷ phân này xảy ra mạnh hơn so với quá trình phân li axit của ion HPO 2- 4 2 4 HPO + H 2 O D PO 4 3- + H 3 O + nên dung dịch có môi trờng axit yếu. Muối đihiđrophotphat, thí dụ NaH 2 PO 4 bị thuỷ phân yếu hơn nữa: NaH 2 PO 4 + H 2 O D H 3 PO 4 + NaOH H 2 PO 4 - + H 2 O D H 3 PO 4 + OH - Quá trình thuỷ phân này xảy ra kém hơn so với quá trình phân li axit của ion H 2 PO 4 - H 2 PO 4 - + H 2 O D H 3 PO 4 + H 3 O + nên dung dịch NaH 2 PO 4 có môi trờng axit yếu. . Nhóm nitơ I. Mục tiêu của chơng 1. Về kiến thức Biết: - Vị trí của các nguyên tố thuộc nhóm nitơ trong bảng tuần hoàn. - Tính. chất của các đơn chất và hợp chất của nitơ và photpho. - ứng dụng của các đơn chất và hợp chất nitơ. - Điều chế nitơ, photpho và các hợp chất quan trọng