Chuyên đề và bài tập hóa đại cương và vô cơ 11 c2 nitơ, photpho

CHUYÊN ĐỀ : NHÓM NITƠ BÀI : KHÁI QT VỀ NHĨM NITƠ A LÝ THUYẾT I Vị trí nhóm nitơ bảng tuần hồn Nhóm nitơ gồm nguyên tố : nitơ (N), photpho (P), asen (As), antimon (Sb) bitmut (Bi) Chúng thuộc nguyên tố p Một số tính chất nguyên tố nhóm nitơ Số hiệu nguyên tử Nguyên tử khối Cấu hình electron lớp ngồi Bán kính ngun tử Nitơ 14,01 Photpho 15 30,97 Asen 33 74,92 Antimon 51 121,75 Bitmut 83 208,98 2s22p3 3s23p3 4s24p3 5s25p3 6s26p3 0,121 0,141 0,146 2,18 2,05 2,02 947 834 703 0,070 0,110 (nm) Độ âm điện 3,04 2,19 Năng lượng ion hoá thứ 1402 1012 (kJ/mol) II Tính chất chung ngun tố nhóm nitơ Cấu hình electron ngun tử Lớp electron nguyên tử ns2np3, có electron   ns2   np3 Ở trạng thái bản, nguyên tử nguyên tố nhóm nitơ có electron độc thân, số hợp chất chúng có hố trị ba Đối với nguyên tử nguyên tố P, As, Sb Bi trạng thái kích thích, electron cặp electron phân lớp ns chuyển sang obitan d trống phân lớp nd Như vậy, trạng thái kích thích nguyên tử nguyên tố có electron độc thân chúng có hố trị năm hợp chất Sự biến đổi tính chất đơn chất a Tính oxi hố - khử Trong hợp chất, ngun tố nhóm nitơ có số oxi hố cao +5 Ngồi ra, chúng cịn có số oxi hố +3 -3 Riêng ngun tử nitơ cịn có thêm số oxi hố +1, +2, +4 Do có khả giảm tăng số oxi hoá phản ứng hoá học, nên nguyên tử nguyên tố nhóm nitơ thể tính oxi hố tính khử Khả oxi hoá giảm dần từ nitơ đến bitmut, phù hợp với chiều giảm độ âm điện ngun tử ngun tố nhóm b Tính kim loại - phi kim Đi từ nitơ đến bitmut, tính phi kim nguyên tố giảm dần, đồng thời tính kim loại tăng dần Nitơ, photpho phi kim Asen thể tính phi kim trội tính kim loại Antimon thể tính kim loại tính phi kim mức độ gần nhau, bitmut tính kim loại trội tính phi kim Sự biến đổi tính chất hợp chất a Hợp chất với hiđro Tất nguyên tố nhóm nitơ tạo hợp chất khí với hiđro (hiđrua), có cơng thức chung RH3 Độ bền nhiệt hiđrua giảm dần từ NH3 đến BiH3 Dung dịch chúng khơng có tính axit b Oxit hiđroxit Từ nitơ đến bitmut, tính axit oxit hiđroxit tương ứng giảm dần đồng thời tính bazơ chúng tăng dần Độ bền hợp chất với số oxi hố +3 tăng, cịn độ bền hợp chất với số oxi hố +5 nói chung giảm Các oxit nitơ photpho với số oxi hoá +5 (N2O5, P2O5) oxit axit, hiđroxit chúng axit (HNO3, H3PO4) Trong oxit với số oxi hố +3 As2O3 oxit lưỡng tính, tính axit trội tính bazơ ; Sb 2O3 oxit lưỡng tính, tính bazơ trội tính axit ; cịn Bi2O3 oxit bazơ, tan dễ dàng dung dịch axit không tan dung dịch kiềm BÀI : NITƠ A LÝ THUYẾT I Cấu tạo phân tử - Cấu hình electron : 1s22s22p3 - CTCT : NN CTPT : N2 II Tính chất vật lí - Là chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, nhẹ khơng khí, hóa lỏng -196oC - Nitơ tan nước, hố lỏng hố rắn nhiệt độ thấp - Khơng trì cháy hơ hấp III Tính chất hóa học Tính oxi hố Phân tử nitơ có liên kết ba bền (ở 3000oC chưa bị phân hủy), nên nitơ trơ mặt hóa học nhiệt độ thường a Tác dụng với hiđro : Ở nhiệt độ cao, áp suất cao có xúc tác Nitơ phản ứng với hiđro tạo amoniac Đây phản ứng thuận nghịch toả nhiệt : o t ,xt ��� � 2NH3 (k) H = -92KJ N (k) + 3H (k) ��� � b Tác dụng với kim loại - Ở nhiệt độ thường nitơ tác dụng với liti tạo liti nitrua 6Li + N2 � 2Li3N - Ở nhiệt độ cao, nitơ tác dụng với nhiều kim loại 3Mg + N2 � Mg3N2 magie nitrua ● Nhận xét : Nitơ thể tính oxi hố tác dụng với nguyên tố có độ âm điện nhỏ Tính khử - Ở nhiệt độ cao (3000oC) Nitơ phản ứng với oxi tạo nitơ monoxit N2 + O2 � 2NO (không màu) - Ở điều kiện thường, nitơ monoxit tác dụng với oxi khơng khí tạo nitơ đioxit màu nâu đỏ 2NO + O2 � 2NO2 ● Nhận xét : Nitơ thể tính khử tác dụng với nguyên tố có độ âm điện lớn Chú ý : Các oxit khác nitơ : N2O , N2O3, N2O5 không điều chế trực tiếp từ niơ oxi IV Điều chế a Trong công nghiệp Nitơ sản xuất cách chưng cất phân đoạn khơng khí lỏng b Trong phịng thí nghiệm Nhiệt phân muối nitrit o t � N2 + 2H2O NH4NO2 �� o t � N2 + NaCl +2H2O NH4Cl + NaNO2 �� BÀI : AMONIAC VÀ MUỐI AMONI A LÝ THUYẾT ● PHẦN : AMONIAC Trong phân tử NH3, N liên kết với ba nguyên tử hiđro ba liên kết cộng hóa trị có cực NH3 có cấu tạo hình chóp với ngun tử Nitơ đỉnh Nitơ cịn cặp electron hóa trị ngun nhân tính bazơ NH3 I Tính chất vật lí - Là chất khí khơng màu, có mùi khai xốc, nhẹ khơng khí - Tan nhiều nước (1 lít nước hịa tan 800 lít khí NH3) - Amoniac hòa tan vào nước thu dung dịch amoniac II Tính chất hóa học Tính bazơ yếu a Tác dụng với nước NH3 + H2O � NH4+ + OH- - Thành phần dung dịch amoniac gồm: NH3, NH4+, OH- - Dung dịch NH3 dung dịch bazơ yếu làm quỳ tím hóa xanh b Tác dụng với dung dịch muối AlCl3 + 3NH3 + 3H2O � Al(OH)3↓ + 3NH4Cl Al3+ + 3NH3 + 3H2O � Al(OH)3↓ + 3NH4+ c Tác dụng với axit tạo muối amoni NH3 + HCl � NH4Cl (amoni clorua) 2NH3 + H2SO4 � (NH4)2SO4 (amoni sunfat) Tính khử a Tác dụng với oxi o t 4NH3 + 3O2 �� � 2N2 + 6H2O - Nếu có Pt xúc tác, ta thu khí NO o t , xt 4NH3 + 5O2 ��� � 4NO + 6H2O b Tác dụng với clo 2NH3 + 3Cl2 � N2 + 6HCl - NH3 kết hợp với HCl vừa sinh tạo “ khói trắng” NH4Cl c Tác dụng với oxit kim loại o t 2NH3 + 3CuO �� � 3Cu + N2 + 3H2O Khả tạo phức dung dịch NH3 Dung dịch NH3 có khả hịa tan hiđroxit, oxit hay muối tan số kim loại, tạo thành dung dịch phức chất Ví dụ với Cu(OH)2 Cu(OH)2 +4NH3 � [Cu(NH3)4](OH)2 Cu(OH)2 + 4NH3 � [Cu(NH3)4]2++ 2OHMàu xanh thẫm Ví dụ với Với AgCl AgCl + 2NH3 � [Ag(NH3)2] Cl AgCl + 2NH3 � [Ag(NH3)2]+ + ClSự tạo thành ion phức phân tử NH kết hợp với ion Cu2+, Zn2+, Ni2+, Ag+ liên kết cho – nhận cặp electron chưa sử dụng nguyên tử nitơ với obitan trống ion kim loại III Điều chế Trong phịng thí nghiệm Bằng cách đun nóng muối amoni với Ca(OH)2 o t 2NH4Cl + Ca(OH)2 �� � CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O Trong công nghiệp Tổng hợp từ nitơ hiđro : o t , xt ��� � 2NH3 (k) H = -92KJ N (k) + 3H (k) ��� � - Nhiệt độ: 450 – 5000C - Áp suất cao từ 200 – 300 atm - Chất xúc tác: sắt kim loại trộn thêm Al2O3, K2O, Làm lạnh hỗn hợp khí bay ra, NH3 hóa lỏng tách riêng ● PHẦN : MUỐI AMONI Là tinh thể ion gồm cation NH4+ anion gốc axit Ví dụ : NH4Cl, (NH4)2SO4 I Tính chất vật lí Tan nhiều nước, điện li hịan tồn thành ion, ion NH4+ khơng màu II Tính chất hóa học: Tác dụng với dung dịch kiềm o t (NH4)2SO4 + 2NaOH �� � 2NH3 + 2H2O + Na2SO4 o t NH4+ + OH– �� � NH3 + H2O Phản ứng dùng để nhận biết ion amoni điều chế amoniac phịng thí nghiệm Phản ứng nhiệt phân - Muối amoni chứa gốc axit khơng có tính oxi hóa đun nóng bị phân hủy thành NH Ví dụ : o t NH4Cl (r) �� � NH3 (k) + HCl (k) o t (NH4)2CO3 (r) �� � NH3 (k) + NH4HCO3 (r) o t NH4HCO3 �� � NH3 + CO2 + H2O NH4HCO3 dùng làm xốp bánh - Muối amoni chứa gốc axit có tính oxi hóa axit nitrơ, axit nitric bị nhiệt phân cho N2, N2O ( đinitơ oxit) Ví dụ : o t NH4NO2 �� � N2 + 2H2O o t NH4NO3 �� � N2O + 2H2O Nhiệt độ lên tới 500oC , ta có phản ứng : o t 2NH4NO3 �� � N2 + O2 + 4H2O BÀI : AXIT NITRIC VÀ MUỐI NITRAT A LÝ THUYẾT PHẦN : AXIT NITRIC I Cấu tạo phân tử : - CTPT : HNO3 - CTCT : - Nitơ có số oxi hố cao +5 II Tính chất vật lý - Là chất lỏng khơng màu, bốc khói mạnh khơng khí ẩm ; D = 1.53g/cm3 - Axit nitric khơng bền, có ánh sáng , phân huỷ phần : 4HNO3 � 4NO2 + O2 + 2H2O Do axit HNO3 cất giữ lâu ngày có màu vàng NO2 phân huỷ tan vào axit - Axit nitric tan vơ hạn nước (HNO3 đặc có nồng độ 68%, D = 1,40 g/cm3 ) III Tính chất hố học Tính axit : Là số cc axit mạnh nhất, dung dịch phân li hoàn toàn ion : HNO3 � H + + NO3– - Dung dịch axit HNO3 có đầy đủ tính chất mơt dung dịch axit - làm đỏ quỳ tím, tác dụng với oxit bazơ, bazơ, muối axit yếu CuO + 2HNO3 � Cu(NO3)2 + H2O Ba(OH)2 + 2HNO3 � Ba(NO3)2 + 2H2O CaCO3 + 2HNO3 � Ca(NO3)2 + CO2 + H2O Tính oxi hố Tuỳ vào nồng độ axit chất chất khử mà HNO3 bị khử đến NO, NO2, N2O, N2, NH4NO3 a Với kim loại : HNO3 oxi hoá hầu hết kim loại (trừ vàng paltin ) khơng giải phóng khí H 2, ion NO3- có khả oxi hố mạnh H + Khi kim loại bị oxi hóa đến mức oxi hóa cao - Với kim loại có tính khử yếu : Cu, Ag…thì HNO3 đặc bị khử đến NO2 ; HNO3 lỗng bị khử đến NO Ví dụ : Cu + 4HNO3 đặc � Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H 2O 3Cu + 8HNO3 loãng � 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H 2O - Khi tác dụng với kim loại có tính khử mạnh : Mg, Zn, Al….thì HNO3 đặc bị khử yếu đến NO2 ; HNO3 lỗng bị kim loại khử mạnh Mg, Al, Zn…khử đến N 2O , N2 NH4NO3 ● Lưu ý : Fe, Al, Cr bị thụ động hoá dung dịch HNO3 đặc nguội cho kim loại tác dụng với HNO3 khơng xảy phản ứng b Với phi kim Khi đun nóng HNO3 đặc tác dụng với C, P, S…Ví dụ : o t C + 4HNO3 (đ) �� � CO2 + 4NO2 + 2H2O o t S + 6HNO3 (đ) �� � H2SO4 + 6NO2 + 2H2O o t P + 5HNO3 (đ) �� � H3PO4 + 5NO2 + H2O c Với hợp chất - H2S, Hl, SO2, FeO, muối sắt (II)… tác dụng với HNO nguyên tố bị oxi hoá hợp chất chuyển lên mức oxi hố cao Ví dụ : 3FeO + 10HNO3 (đ)  3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O 3H2S + 2HNO3 (đ)  3S + 2NO + 4H2O - Nhiều hợp chất hữu giấy, vải, dầu thông… bốc cháy tiếp xúc với HNO3 đặc V Điều chế Trong phịng thí nghiệm o t NaNO3 (r) + H2SO4 (đ) �� � HNO3 + NaHSO4 Hơi HNO3 dẫn vào bình làm lạnh ngưng tụ Trong cơng nghiệp - Được sản xuất từ amoniac theo sơ đồ :  O2 , H O  O2 (t , Pt)  O2 , t NH3 ���� � HNO3 � NO ��� � NO2 ���� o o + Ở to = 850 - 900oC, xt : Pt : 4NH3 +5O2 4NO +6H2O ; H = – 907kJ + Oxi hoá NO thành NO2 : 2NO + O2  2NO2 + Chuyển hóa NO2 thành HNO3 : 4NO2 +2H2O +O2  4HNO3 Dung dịch HNO3 thu có nồng độ 60 – 62% Chưng cất với H 2SO4 đậm đặc thu dung dịch HNO3 96 – 98% PHẦN : MUỐI NITRAT Tính chất vật lý Dễ tan nước, chất điện li mạnh dung dịch, chúng phân li hồn tồn thành ion Ví dụ : Ca(NO3)2  Ca2+ + 2NO3- Ion NO3- khơng có màu, màu số muối nitrat màu cation kim loại Một số muối nitrat dễ bị chảy rữa NaNO3, NH4NO3… Tính chất hố học Các muối nitrat dễ bị phân huỷ đun nóng a Muối nitrat kim loại hoạt động (trước Mg): o t Nitrat �� � Nitrit + O2 o t 2KNO3 �� � 2KNO2 + O2 b) Muối nitrat kim loại từ Mg đến Cu : o t Nitrat �� � Oxit kim loại + NO2 + O2 o t 2Cu(NO3)2 �� � 2CuO + 4NO2 + O2 c Muối kim loại hoạt động ( sau Cu ) : o t Nitrat �� � kim loại + NO2 + O2 o 2AgNO3 t �� � 2Ag + 2NO2 + O2 Nhận biết ion nitrat (NO3–) Trong mơi trường axit, ion NO3– thể tính oxi hóa giống HNO Do thuốc thử dùng để nhận biết ion NO3– hỗn hợp vụn đồng dung dịch H2SO4 lỗng, đun nóng Hiện tượng : dung dịch có màu xanh, khí khơng màu hóa nâu đỏ khơng khí 3Cu + 8H+ + 2NO3– � 3Cu2+ + 2NO↑ + 4H2O (dung dịch màu xanh) 2NO + (khơng màu) O2 (khơng khí) � 2NO2 (màu nâu đỏ) B PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ NITƠ VÀ HỢP CHẤT CỦA NITƠ 10 Trong đất, tác dụng vi sinh vật urê bị phân huỷ cho thoát amoniac, chuyển dần thành muối amoni cacbonat tác dụng với nước : (NH2)2CO + 2H2O  (NH4)2CO3 Ở nước ta có nhà máy phân đạm Bắc Giang sản xuất urê dạng hạt, nhà máy phân đạm Phú Mỹ sản xuất urê từ khí mỏ dầu II Phân lân Phân lân cung cấp photpho cho dạng ion photphat Phân lân cần thiết cho thời kì sinh trưởng thúc đẩy trình sinh hoá, trao đổi chất lượng thực vật Phân lân có tác dụng làm cho cành khoẻ, hạt chắc, củ to Độ dinh dưỡng phân lân đánh giá hàm lượng % P2O5 tương ứng với lượng photpho có thành phần Nguyên liệu để sản xuất phân lân quặng photphorit apatit Một số loại phân lân supephotphat, phân lân nung chảy, Supephotphat Có hai loại supephotphat supephotphat đơn supephotphat kép Thành phần hai loại muối tan canxi đihiđrophotphat a Supephotphat đơn chứa 14 - 20% P2O5, sản xuất cách cho bột quặng photphorit apatit tác dụng với axit sunfuric đặc : Ca3(PO4)2 + 2H2SO4  Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4 Cây trồng đồng hoá dễ dàng muối Ca(H2PO4)2, cịn CaSO4 phần khơng có ích, làm rắn đất Ở nước ta, Cơng ti supephotphat hố chất Lâm Thao - Phú Thọ sản xuất loại supephotphat đơn từ quặng apatit Lào Cai b Supephotphat kép chứa hàm lượng P2O5 cao (40 - 50% P2O5) có Ca(H2PO4)2 Q trình sản xuất supephotphat kép xảy qua hai giai đoạn : điều chế axit photphoric, cho axit phophoric tác dụng với photphorit apatit : Ca3(PO4)2 + 3H2SO4  2H3PO4 + 3CaSO4 Ca3(PO4)2 + 4H3PO4  3Ca(H2PO4)2 Phân lân nung chảy Để sản xuất phân lân nung chảy, người ta nung hỗn hợp bột quặng apatit (hay photphorit) với đá xà vân (thành phần magie silicat) than cốc nhiệt độ 1000 oC lò đứng Sản phẩm nóng chảy từ lị làm nguội nhanh nước để khối chất bị vỡ thành hạt vụn, sau sấy khơ nghiền thành bột 82 Thành phần phân lân nung chảy hỗn hợp photphat silicat canxi magie (chứa 12 - 14% P2O5) Các muối không tan nước, nên thích hợp cho loại đất chua Ở nước ta, phân lân nung chảy sản xuất Văn Điển (Hà Nội) số địa phương khác III Phân kali Phân kali cung cấp cho trồng nguyên tố kali dạng ion K+ Phân kali giúp cho hấp thụ nhiều đạm hơn, cần cho việc tạo chất đường, chất bột, chất xơ chất dầu, tăng cường sức chống bệnh, chống rét chịu hạn Độ dinh dưỡng phân kali đánh giá hàm lượng % K2O tương ứng với lượng kali có thành phần Hai muối kali clorua kali sunfat sử dụng nhiều để làm phân kali Tro thực vật loại phân kali có chứa K2CO3 IV Một số loại phân bón khác Phân hỗn hợp phân phức hợp Phân hỗn hợp phân phức hợp loại phân bón chứa đồng thời hai ba nguyên tố dinh dưỡng  Phân hỗn hợp chứa ba nguyên tố N, P, K gọi phân NPK Loại phân sản phẩm trộn lẫn loại phân đơn theo tỉ lệ N : P : K khác tuỳ theo loại đất trồng Thí dụ : Nitrophotka hỗn hợp (NH4)2HPO4 KNO3  Phân phức hợp sản xuất tương tác hố học chất Ví dụ : Amophot hỗn hợp muối NH4H2PO4 (NH4)2HPO4 thu cho amoniac tác dụng với axit photphoric Phân vi lượng Phân vi lượng cung cấp cho nguyên tố bo (B), kẽm (Zn), mangan (Mn), đồng (Cu), molipđen (Mo), dạng hợp chất Cây trồng cần lượng nhỏ loại phân bón để tăng khả kích thích q trình sinh trưởng trao đổi chất, tăng hiệu lực quang hợp, Phân vi lượng đưa vào đất với phân bón vơ phân bón hữu có hiệu cho loại loại đất, dùng lượng quy định có hại cho B PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ PHOTPHO VÀ HỢP CHẤT CỦA PHOTPHO I Tính chất P2O5 a Phản ứng P2O5 với nước 83 P2O5 � + 3H2O 2H3PO4 (1) b Phản ứng với dung dịch kiềm Khi phản ứng với dung dịch kiềm, P2O5 phản ứng với H2O trước để tạo axit H 3PO4, sau H3PO4 sinh phản ứng với dung dịch kiềm II Phản ứng H3PO4 với dung dịch kiềm Xét phản ứng H3PO4 với dung dịch NaOH KOH 3NaOH + H3PO4 � Na3PO4 2NaOH + H3PO4 � Na2HPO4 � NaH2PO4 NaOH + H3PO4 + 3H2O + + (1) 2H2O (2) H2O (3) Xét phản ứng H3PO4 với dung dịch Ba(OH)2 Ca(OH)2 3Ba(OH)2 + 2H3PO4 � Ba3(PO4)2 Ba(OH)2 + H3PO4 � BaHPO4 Ba(OH)2 + 2H3PO4 + + � Ba(H2PO4)2 6H2O (1) 2H2O (2) + 2H2O (3) Căn vào phản ứng H3PO4 với dung dịch kiềm, đặt T = nOH nH3PO4 ứng với giá trị T ta thu chất khác : Giá trị T Chất thu sau phản ứng T=1 H2PO4T=2 HPO42T=3 PO43T3 PO43- NaOH dư 1