NITROGEN vướng tình tay ba với Oxygen & Hydrogen

Nitrogen (N₂)… vì thế mà thoát ế 👫. Để ghi nhận công đóng góp tuyệt vời của hai ông mai mát tay, thế giới đã trao đến 2 giải Nobel; một cho Fritz Haber năm 1918 và một cho Carl Bosch năm 1931. Đặc biệt họ đặt tên cho sự kiện mai mối “ngàn năm có một” này là Quy trình Haber-Bosch (The Haber–Bosch process).🍾🥂🍻

1. Đơn chất Nitrogen – N₂

Biểu đồ tỉ lệ % thể tích các khí có trong khí quyển mình đang sống như sau:

Vậy trong không khí, đơn chất nitrogen (N₂) chiếm tỉ lệ thể tích lớn nhất. Từ đó, con người tìm cách tách lấy N₂, O₂ và cả khí trơ Ar từ không khí, bé thấy hay hông? Quá trình này sản xuất được N₂, O₂, Ar có độ tinh khiết cao dùng trong đời sống và công nghiệp.

Quy trình sản xuất khí N₂, O₂, Ar từ không khí rất phức tạp và khó hiểu. Các bé sau này nếu làm trong lãnh vực này sẽ hiểu rõ ràng tường tận nha. Bây giờ mình xem nguyên lý chung qua clip dưới đây đi:

Clip dưới đây mô tả máy móc cụ thể trong nhà máy; coi hay lắm, nhưng tiếc họ nói gì mình hổng nghe kịp. Không sao, bé cứ vui xem thôi:

2. Đơn chất Nitrogen có đặc tính gì để dùng trong cuộc đời?

Cũng cần biết thêm O₂ là chất có tính oxy hóa mạnh, nói dễ hiểu là O₂ dễ phản ứng với chất khác – tức dễ làm chất khác bị hư hỏng. Đồng thời các vi khuẩn gây hại loại hiếu khí cũng cần O₂ để thở.

Hoàn toàn trái ngược O₂, bé hãy xem các đặc tính giúp N₂ được con người tận dụng là:

1. Liên kết trong phân tử N₂ là LIÊN KẾT BA N≡N rất chắc bền; muốn N₂ xảy ra phản ứng với chất khác; thì bước đầu tiên, bé phải cắt phân tử N₂ thành 2 nguyên tử N. Tức bé phải dùng năng lượng để cắt đứt liên kết ≡ ; mà đây là liên kết bền cứng – do vậy bé phải dùng năng lượng (nhiệt độ) lớn cơ, mới cắt được liên kết ba đó. Điều đó cũng có nghĩa là… N₂ hoàn toàn không thể có phản ứng hóa học với chất khác ở nhiệt độ phòng-chỉ khoảng 28⁰C đến hơn 30⁰C xíu; người ta nói N₂ trơ (như khi gặp người đẹp O₂ mà nó cứ trơ trơ cái mặt, chẳng thèm động tay động chân phản ứng gì hết á!. Chứ người đẹp O₂ mà gặp kim loại Na thì có mà hết đường chạy!). Nói tóm lại, N₂ không phản ứng, nên không thể phá hủy chất khác ở nhiệt độ thường.
2. Ở điều kiện thường, N₂ là khí không màu-không mùi-không vị; nhẹ hơn không khí, tan rất ít trong nước; N₂ cũng không duy trì sự cháy, sự hô hấp. Vì vậy
   • trong CN thực phẩm; dùng N₂ bơm vào túi đựng để loại bỏ khí O₂ và làm phồng bao bì cho đẹp. Điều này giúp loại O₂ gây hư đồ ăn, bịt luôn đường thở của vi khuẩn hiếu khí mà không ảnh hưởng đến hương vị, màu sắc của đồ ăn; đồng thời giúp bản quản thực phẩm lâu hơn.
   • trong sản xuất bia rượu, dùng N₂ bơm vào các bể chứa để loại bỏ khí O₂.
   • bơm khí N₂ vào lọ vaccine để bảo quản.
   • người ta còn xử tử tội phạm bằng khí N₂ (gây ngạt) như một hình thức thay thế cho việc tiêm thuốc độc. Đọc thêm tại đây.
3. Khí N₂ hóa lỏng ở -196⁰C, hóa rắn ở -210⁰C. Điều đó có nghĩa nếu dùng N₂ lỏng để ướp vật thể, ta có thể hạ nhiệt độ của vật thể xuống đến t⁰ âm rất thấp (cũng như H₂O lỏng hóa H₂O đá ở 0⁰C, dùng nước đá ướp bia, thịt, cá ta thấy chúng rất lạnh. Nguyên lý đơn giản: t⁰ chuyển từ cao xuống thấp. Vật thể đang ở t⁰ cao; khi gặp N₂ lỏng, H₂O đá ở t⁰ thấp hơn, chúng sẽ chuyển t⁰ qua N₂ lỏng, H₂O đá; kết quả là vật thể bị mất t⁰-tức chúng chuyển xuống t⁰ thấp hơn). Áp dụng khả năng làm lạnh ghê gớm (hạ t⁰ xuống rất âm) của N₂ lỏng trong thực tế:
   • trong y tế, dùng N₂ lỏng để bảo quản máu, tế bào, tinh trùng, trứng, máu cuống rốn … Hiện nay, ở Việt nam, việc bảo quản này rất phổ biến.
   • một số người bị bệnh nan y hoặc đã già, nhưng trình độ y tế hiện nay chưa chữa được bệnh đó hoặc chưa có thuốc trường sinh; nên khi chết, họ nhờ công ty ướp lạnh – để xác không bị hư. Họ hy vọng trong tương lai, khi tìm ra được cách trị bệnh hoặc thuốc trẻ hóa tế bào, họ sẽ được rã đông, trị bệnh để sống lại. Bé nào quan tâm, xem bài báo và video tại đây. Bé cũng có thể đọc bài viết mới đăng vào ngày 15/01/2023 trên euronews.com có tiêu đề “Inside the US facility where 199 ‘legally dead’ humans and almost 100 pets await being revived) tại đây” (Bên trong cơ sở ở Mỹ nơi 199 người ‘chết hợp pháp’ và gần 100 thú cưng đang chờ được hồi sinh).
   • Ở Việt nam mình thấy dùng Nitrogen lỏng làm kem lạnh đến –196⁰C, gọi là KEM MÂY hay KEM KHÓI. Một thời là “hot trend”, giờ bớt rồi.
   • dưới đây là hình một công ty tại Tp. HCM quảng cáo trên Zallo, cho thấy họ bán tủ đông dùng N₂ lỏng làm lạnh đạt đến –50⁰C; họ đông lạnh sầu riêng (mà mình cũng thắc mắc không biết khi đó, sầu riêng còn ngon lành gì nữa không?)

3. Đơn chất nitrogen N₂ lấy được từ không khí còn dùng để làm gì?

Phần lớn khí N₂ được dùng để tổng hợp khí Ammonia (NH₃). Từ NH₃, người ta tiếp tục sản xuất ra acid nitric (HNO₃), phân đạm (muối nitrate & muối ammonium) bón cho cây trồng. Phân đạm phổ biến hay gặp gồm: ammonium chloride NH₄Cl, ammonium sulfate (NH₄)₂SO₄, ammonium nitrate NH₄NO₃.

Phản ứng tạo NH₃ từ N₂ như sau:

• nhiệt độ 380 ⁰C – 450 ⁰C
• áp suất 25 bar – 200 bar
• xúc tác là kim loại Fe

N₂ có nhiều trong khí quyển nhưng thực vật và động vật không thể sử dụng được trừ khi nó được chuyển hóa thành hợp chất nitơ; vì vậy mà con người mới tìm cách chuyển N₂ thành phân đạm bón cho cây. Sự chuyển N₂ thành NH₃, rồi thành HNO₃, phân đạm được gọi là Cố định đạm (Cố định Nitrogen); bởi vì… N₂ từ chỗ bay bay trong không khí, bé không thể sờ-cầm nắm được, giờ đây đã được cố định nhốt đựng trong bình lọ để lấy đi sử dụng.

4. N₂ bị lấy mất thì sao không khí vẫn còn N₂?

Nitrogen cần thiết cho sự sống trên Trái đất. Biết được điều đó, Thiên nhiên rất diệu kì khi cho xảy ra chu trình tuần hoàn khép kín để chuyển hóa nitrogen:

• từ dạng đơn chất nitrogen (N₂) sang dạng hợp chất đơn giản, phức tạp trong khí quyển, đất, cơ thể thực vật-động vật (N₂O, NO, NO₂, NH₃, NH₄⁺, NO₂^–, NO₃^–, peptid, protein, …)
• rồi lại quay trở lại N₂.

Chu trình trên xảy ra liên tiếp, giúp chuyển N₂ từ khí quyển vào đất đến sinh vật và quay trở lại khí quyển. Chu trình này thật khó để tường tận. Chắc mình phải tìm đọc nhiều nguồn tài liệu khác nhau mới hiểu ngóc ngách vấn đề. Thôi, bé nhìn hình dưới đây xem sao?

5. Tính chất hóa học của đơn chất nitrogen

Để dễ hiểu, bé nên đọc lại bài viết Phản ứng oxy hóa – khử tại đây trước khi học tiếp phần dưới.

5.1. Đơn chất nitrogen có tính oxy hóa hay tính khử?

Phân tử N₂ có liên kết ba rất bền; nên N₂ trơ ở t⁰ thường, ở t⁰ cao N₂ mới trở nên hoạt động (do khi đó liên kết ba mới có khả năng bị cắt đứt).

Nitrogen có cả tính oxy hóa & tính khử. Nhưng độ âm điện (khả năng hút-nhận electron) của N (3,04) lớn; chỉ nhỏ hơn 3 nguyên tố là F (3,98) ; O (3,44) và Cl (3,16). Vì vậy:

• N có khả năng nhận electron vượt trội hơn khả năng nhường electron.
• Nói cách khác, N có tính oxy hóa vượt trội hơn tính khử.

5.2. Viết phản ứng chứng tỏ nitrogen có tính oxy hóa, tính khử?

Đơn chất N₂ đương nhiên có số oxy hóa là 0. Trong hợp chất, N có các số oxy hóa -3 +1 +2 +3 +4 +5. Vậy người ta nói N₂ có số oxy hóa trung gian (ghi cho dễ hiểu là -3 0 +1 +2 +3 +4 +5, giống trục số bên môn Toán á!) ; điều này có nghĩa từ 0 có thể giảm xuống -3 hoặc tăng lên +1 +2 +3 +4 +5. Kết quả:

• khi GIẢM từ 0 xuống -3 ⇒ N₂ có tính OXY HÓA.
• khi TĂNG từ 0 lên +1 +2 +3 +4 +5 ⇒ N₂ có tính KHỬ. Tuy nhiên, N₂ hổng có phản ứng lên +1 +3 +4 +5 đâu; mà trong tự nhiên, mới chỉ có phản ứng tăng từ 0 lên +2 thôi à!.

🪴 Nitrogen có tính oxy hóa (số oxy hóa từ 0 xuống -3)

Phản ứng với hydrogen tạo khí ammonia

Phản ứng với kim loại

• Phản ứng với Li ngay ở t⁰ thường

6Li + N₂ → 2Li₃N (liti nitrua)

• Phản ứng với Ca, Mg, Al ở t⁰ cao                       

3Mg + N₂ → Mg₃N₂ (magie nitrua)

⛈ Nitrogen có tính khử (số oxy hóa từ 0 lên +2)

Phản ứng với Oxygen tạo khí Nitrogen monoxide

Phản ứng này cần nhiệt độ cao quá, con người không thể thực hiện trong công nghiệp. Phản ứng này chỉ xảy ra trong tự nhiên khi có sấm chớp – đây cũng là phép lạ của tạo hóa, bởi vì

• khi mưa và sấm chớp đùng đùng-lúc đó t⁰ tia sét rất khủng khiếp (>50 000⁰C), N₂ và O₂ trong khí quyển lúc này mới được cung cấp đủ năng lượng để phản ứng tạo NO.
• vậy trong điều kiện bình thường, các phân tử N₂ và O₂ không phản ứng; điều này giúp duy trì lượng khí O₂ cho chúng mình sống. Phản ứng trên nếu xảy ra dễ dàng thì O₂ sẽ hết trơn (do tỉ lệ phản ứng là 1:1; và lượng N₂ nhiều hơn O₂).

Phản ứng N₂ + O₂ còn xảy ra ở đâu?

Trong động cơ đốt trong, nhiệt độ trong buồng đốt đạt đến 2500 ⁰C; vì vậy đây cũng là nơi phản ứng N₂ + O₂ xảy ra. Điều này làm khí thải có chứa khí NO gây ô nhiễm môi trường.

6. Liên kết nhanh

Đọc thêm về Quy trình Haber-Bosch tại đây.

Đọc thêm các bài viết của Hóa lớp 11 tại đây.

Viết bởi Đỗ Trọng Toan từ W3chem.com

Mình là người tự thực hiện toàn bộ dự án này – bao gồm xây dựng trang web, viết nội dung, tìm tài liệu tham khảo, trả lời câu hỏi bạn gởi về. Vui lòng xem xét QUYÊN GÓP để hỗ trợ W3chem CHỈ BẰNG CÁCH CHIA SẺ BÀI VIẾT NÀY LÊN MẠNG XÃ HỘI; bởi vì trong tương lai, bạn sẽ cho mình nhiều thời gian để làm việc trên W3chem, cũng có nghĩa bạn nhận thêm nhiều nội dung mới nhanh hơn tại đây.😍 🥰 😘

Mình cảm ơn bạn rất nhiều ⤵