Nitơ

Nitơ, 7N
Quang phổ vạch của Nitơ
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Nitơ, N
Hình dạng	Không màu ở cả ba dạng khí, lỏng, rắn sẽ phát sáng với ánh sáng tím khi ở dạng plasma
Nitơ trong bảng tuần hoàn
- ↑ N ↓ P Carbon ← Nitơ → Oxy
Số nguyên tử (Z)	7
Khối lượng nguyên tử chuẩn (±) (Ar)	14,0067(2)
Phân loại	phi kim
Nhóm, phân lớp	15, p
Chu kỳ	Chu kỳ 2
Cấu hình electron	1s^2 2s^2 2p^3
mỗi lớp	2, 5
Tính chất vật lý
Màu sắc	Không màu
Trạng thái vật chất	Chất khí
Nhiệt độ nóng chảy	63,15 K ​(-210,00 °C, ​-346,00 °F)
Nhiệt độ sôi	77,36 K ​(-195,79 °C, ​-320,33 °F)
Mật độ	1,251 g/L (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ sôi: 0,808 g·cm^−3
Điểm ba	63.1526 K, ​12,53 kPa
Điểm tới hạn	126,19 K, 3,3978 MPa
Nhiệt lượng nóng chảy	(N2) 0,72 kJ·mol^−1
Nhiệt bay hơi	(N2) 5,56 kJ·mol^−1
Nhiệt dung	(N2) 29,124 J·mol^−1·K^−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 37 41 46 53 62 77
Tính chất nguyên tử
Trạng thái oxy hóa	5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3 ​Acid mạnh
Độ âm điện	3,04 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 1402,3 kJ·mol^−1 Thứ hai: 2856 kJ·mol^−1 Thứ ba: 4578,1 kJ·mol^−1
Bán kính liên kết cộng hóa trị	71±1 pm
Bán kính van der Waals	155 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Lục phương
Vận tốc âm thanh	(thể khí, 27 °C) 353 m·s^−1
Độ dẫn nhiệt	25,83 × 10^−3 W·m^−1·K^−1
Tính chất từ	Nghịch từ
Số đăng ký CAS	7727-37-9
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Nitơ
Iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP ^13N Tổng hợp 9.965 phút ε 2.220 ^13C ^14N 99.634% ^14N ổn định với 7 neutron ^15N 0.366% ^15N ổn định với 8 neutron

Phân tử Nitrogen

Nitơ (danh pháp IUPAC: nitrogen) là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố có ký hiệu N và số nguyên tử bằng 7, nguyên tử khối bằng 14. Ở điều kiện bình thường nó là một chất khí không màu, không mùi, không vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử N₂, còn gọi là đạm khí. Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là thành phần của mọi cơ thể sống. Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan trọng như các amino acid, amonia, acid nitric và các cyanide. Liên kết hóa học cực kỳ bền vững giữa các nguyên tử nitơ gây khó khăn cho cả sinh vật và công nghiệp để chuyển hóa N
₂ thành các hợp chất hóa học hữu dụng, nhưng đồng thời cũng giải phóng một lượng lớn năng lượng hữu ích khi cháy, nổ hoặc phân hủy trở lại thành khí nitơ. Các ammoniac và nitrat được tổng hợp là các loại phân công nghiệp chính và phân nitrat là các chất ô nhiễm chính gây ra hiện tượng phú dưỡng môi trường nước.

Nitơ có mặt trong tất cả các cơ thể sống, chủ yếu ở dạng các amino acid (và protein) và cũng có trong các acid nucleic (DNA và RNA). Cơ thể người chứa khoảng 3% nitơ theo trọng lượng, là nguyên tố phổ biến thứ tư trong cơ thể sau oxy, carbon và hydro. Chu trình nitơ miêu tả sự chuyển động của nguyên tố này từ không khí vào sinh quyển và các hợp chất hữu cơ, sau đó quay trở lại không khí.

Tính chất

Nitơ là một phi kim, với độ âm điện là 3,04.^[1] Nó có 5 điện tử trên lớp ngoài cùng, vì thế thường thì nó có hóa trị III trong phần lớn các hợp chất để đạt cơ cấu bền (8 điện tử hóa trị). Nitơ tinh khiết là một chất khí ở dạng phân tử không màu và chỉ tham gia phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng khi nó phản ứng với Lithi. Nó hóa lỏng ở nhiệt độ 77 K (999°C) trong điều kiện áp suất khí quyển và đóng băng ở 63 K (-210°C)^[2] thành dạng thù hình có tinh thể lục phương đóng kín. Dưới 35,4K (−237.6°C) nitơ được cho là có thù hình của hệ lập phương (được gọi là pha alpha).^[3] Nitơ lỏng, có dạng giống như nước, nhưng có tỷ trọng chỉ bằng 80,8% (tỷ trọng nitơ lỏng ở điểm sôi là 0,808 g/mL), là chất làm lạnh phổ biến.^[4]

Các thù hình không bền của nitơ có hơn hai nguyên tử đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm, như N
₃ và N
₄.^[5] Trong điều kiện áp suất cực kỳ cao (1,1 triệu atm) và nhiệt độ cao (2000 K), khi tạo ra bằng diamond anvil cell, nitơ polymer hóa thành các cấu trúc tinh thể lập phương liếm liên kết đơn. Cấu trúc này tương tự cấu trúc của kim cương, và cả hai có các liên kết cộng hóa trị cực mạnh. N
₄ còn có tên gọi là "kim cương nitơ".^[6]

Các dạng thù hình khác (chưa tổng hợp được) bao gồm hexazine (N
₆, một vòng benzen)^[7] và octaazacuban (N
₈, một cubane đơn).^[8] Dạng nitơ 6 được dự đoán là không ổn định trong cao, trong khi dạng nitơ 8 được dự đoán là ổn định động học, vì sự đối xứng quỹ đạo.^[9]

Đồng vị

Có hai đồng vị ổn định của nitơ là: ¹⁴N và ¹⁵N. Phổ biến nhất là ¹⁴N (99,634%), là đồng vị tạo ra trong chu trình CNO trong các ngôi sao.^[10] Phần còn lại là ¹⁵N. Trong số 10 đồng vị tổng hợp nhân tạo thì 1 có chu kỳ bán rã là 9 phút còn các đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã ở mức độ 1 giây hay nhỏ hơn.^[11]

Các phản ứng trung gian sinh học (ví dụ: đồng hóa, nitrat hóa và khử nitrat) kiểm soát chặt chẽ cân bằng động của nitơ trong đất. Các phản ứng này gần như là tạo ra sự làm giàu ¹⁵N trong chất nền và làm suy kiệt sản phẩm.^[12] Mặc dù nước mưa chứa các lượng tương đương amônium và nitrat, nhưng do amônium là tương đối khó chuyển hóa/hấp thụ hơn so với nitrat khí quyển nên phần lớn nitơ trong khí quyển chỉ có thể đi vào trong đất dưới dạng nitrat. Nitrat trong đất được các loại rễ cây hấp thụ tốt hơn so với khi nitơ ở dưới dạng amônium.

Một phần nhỏ (0,73%) của nitơ phân tử trong khí quyển Trái Đất là isotopologue ¹⁴N¹⁵N, và hầu hết phần còn lại là ¹⁴N₂.^[13]

Đồng vị phóng xạ ¹⁶N là thành phần hạt nhân phóng xạ chiếm ưu thế trong chất làm mát của các lò phản ứng hạt nhân nước áp lực hoặc lò phản ứng nước sôi ở chế độ vận hành bình thường. Nó được tạo ra từ ¹⁶O (trong nước) qua phản ứng (n,p). Nó có chu kỳ bán rã khoảng 7,1 giây,^[11] nhưng trong khi nó phân rã ngược lại tạo ra ¹⁶O thì sinh ra tia phóng xạ gama năng lượng cao (5 đến 7 MeV).^[11][14] Do đó, việc tiếp cận các ống dẫn chất làm lạnh sơ cấp trong lò phản ứng nước áp lực phải được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình vận hành lò phản ứng.¹⁶N là một trong những công cụ chính được dùng để nhận dạng nhanh các vụ rò rỉ thậm chí nhỏ từ chất làm lạnh sơ cấp đến chu trình hơi thứ cấp.^[14]

Phổ điện từ

Ống phóng nitơ (quang phổ)

Nitơ phân tử (¹⁴N₂) phần lớn có quang phổ trong suốt đến hồng ngoại và nhìn thấy do nó là một phân tử cấu tạo bởi cùng hạt nhân và do đó, không có môment lưỡng cực để kết hợp với bức xạ điện từ ở các bước sóng này. Sự hấp thụ đáng kể xảy ra ở các bước sóng siêu cực tím,^[15] bắt đầu vào khoảng 100 nm. Điều này liên quan với sự chuyển tiếp điện tử trong phân tử sang các trạng thái tích điện không được phân bố thậm chí giữa các nguyên tử nitơ. Sự hấp thụ nitơ dẫn đến sự hấp thụ đáng kể các bức xạ cực tím trong thượng tầng khí quyển và khí quyển của các hành tinh khác. Vì các lý do tương tự, các tia laser nitơ phân tử tinh khiết đặc biệt phát xạ ánh sáng trong dải cực tím.

Phản ứng

Cấu trúc của phân tử khí nitơ, N₂

Cấu trúc của [Ru(NH₃)₅(N₂)]²⁺

Nhìn chung, nitơ không hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất chuẩn. Nitơ phản ứng với nguyên tố lithi. Lithi cháy trong không khí có N₂ tạo ra lithi nitride:^[16]

6 Li + N₂ → 2 Li₃N

Magiê cũng cháy trong nitơ tạo ra Magiê nitrua:

3 Mg + N₂ → Mg₃N₂

N₂ tạo thành nhiều sản phẩm cộng với các kim loại chuyển tiếp như [Ru(NH₃)₅(N₂)]²⁺ (xem hình). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phối tử N2 thu được bằng cách phân hủy hydrazin, và không phối với đi nitơ tự do. Các hợp chất này hiện có rất nhiều như IrCl(N₂)(PPh₃)₂, W(N₂)₂(Ph₂PCH₂CH₂PPh₂)₂, and [(η⁵-C₅Me₄H)₂Zr]₂(μ₂, η²,η²-N₂). Các phức này minh hoạ bằng cách nào N₂ có thể kết hợp với các kim loại trong các enzym nitrogenase và xúc tác cho quá trình Haber.^[17] Quá trình xúc tác để khử N₂ thành ammoniac bằng cách sử dụng phức molybden với sự có mặt của nguồn proton được công bố năm 2005.^[16]

Ứng dụng

Hợp chất nitơ

Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nó bị chuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp nhờ một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn (xem Vai trò sinh học dưới đây). Khả năng kết hợp hay cố định nitơ là đặc trưng quan trọng của công nghiệp hóa chất hiện đại, trong đó nitơ (cùng với khí thiên nhiên) được chuyển hóa thành amonia (thông qua phương pháp Haber). Amonia, trong lượt của mình, có thể được sử dụng trực tiếp (chủ yếu như là phân bón), hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng khác, bao gồm thuốc nổ, chủ yếu thông qua việc sản xuất acid nitric theo phương pháp Ostwald.

Các muối của acid nitric bao gồm nhiều hợp chất quan trọng như xanpet (hay diêm tiêu- trong lịch sử nhân loại nó là quan trọng do được sử dụng để làm thuốc súng) và nitrat amôni, một phân bón hóa học quan trọng. Các hợp chất nitrat hữu cơ khác, chẳng hạn trinitrôglyxêrin và trinitrotoluen (tức TNT), được sử dụng làm thuốc nổ. Acid nitric được sử dụng làm chất oxy hóa trong các tên lửa dùng nhiên liệu lỏng. Hiđrazin và các dẫn xuất của nó được sử dụng làm nhiên liệu cho các tên lửa.

Khí nitơ

Nitơ dạng khí được sản xuất nhanh chóng bằng cách cho nitơ lỏng (xem dưới đây) ấm lên và bay hơi. Nó có nhiều ứng dụng, bao gồm cả việc phục vụ như là sự thay thế trơ hơn cho không khí khi mà sự oxy hóa là không mong muốn.^[18]

• để bảo quản tính tươi của thực phẩm đóng gói hay dạng rời (bằng việc làm chậm sự ôi thiu và các dạng tổn thất khác gây ra bởi sự oxy hóa),^[19]
• trên đỉnh của chất nổ lỏng để đảm bảo an toàn

Nó cũng được sử dụng trong:

• sản xuất các linh kiện điện tử như transistor, diode, và mạch tích hợp (IC).
• sản xuất thép không gỉ,^[20]
• bơm lốp ô tô và máy bay^[21] do tính trơ và sự thiếu các tính chất ẩm, oxy hóa của nó, ngược lại với không khí (mặc dù điều này là không quan trọng và cần thiết đối với ô tô thông thường)^[22]

Ngược lại với một số ý kiến, nitơ thẩm thấu qua lốp cao su không chậm hơn không khí. Không khí là hỗn hợp chủ yếu chứa nitơ và oxy (trong dạng N₂ và O₂), và các phân tử nitơ là nhỏ hơn. Trong các điều kiện tương đương thì các phân tử nhỏ hơn sẽ thẩm thấu qua các vật liệu xốp nhanh hơn.

Một ví dụ khác về tính đa dụng của nó là việc sử dụng nó (như là một chất thay thế được ưa chuộng cho dioxide cacbon) để tạo áp lực cho các thùng chứa một số loại bia,^[23] cụ thể là bia đen có độ cồn cao và bia ale của Anh và Scotland, do nó tạo ra ít bọt hơn, điều này làm cho bia nhuyễn và nặng hơn. Một ví dụ khác về việc nạp khí nitơ cho bia ở dạng lon hay chai là bia tươi Guinness.^[24][25]

Nitơ lỏng

Bài chi tiết: Nitơ lỏng

Nitơ hóa lỏng.

Nitơ lỏng được sản xuất theo quy mô công nghiệp với một lượng lớn bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng và nó thường được nói đến theo công thức giả LN₂. Nó là một tác nhân làm lạnh (cực lạnh), có thể làm cứng ngay lập tức các mô sống khi tiếp xúc với nó. Khi được cách ly thích hợp khỏi nhiệt của môi trường xung quanh thì nó phục vụ như là chất cô đặc và nguồn vận chuyển của nitơ dạng khí mà không cần nén. Ngoài ra, khả năng của nó trong việc duy trì nhiệt độ một cách siêu phàm, do nó bay hơi ở 77 K (-196°C hay -320°F) làm cho nó cực kỳ hữu ích trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn trong vai trò của một chất làm lạnh chu trình mở, bao gồm:

• làm lạnh để vận chuyển thực phẩm
• bảo quản các bộ phận thân thể cũng như các tế bào tinh trùng và trứng, các mẫu và chế phẩm sinh học.
• trong nghiên cứu các tác nhân làm lạnh
• để minh họa trong giáo dục
• trong da liễu học để loại bỏ các tổn thương da ác tính xấu xí hay tiềm năng gây ung thư, ví dụ các mụn cóc, các vết chai sần trên da v.v.^[26]
• nguồn làm mát để tăng tốc CPU, GPU, hay các dạng phần cứng khác.^[27]

Nitơ là một trong các loại khí công nghiệp và có ứng dụng rộng rãi, là khí trơ, không màu, không mùi, không độc hại, không gây cháy nổ. Nitơ lỏng có trọng lượng riêng là 0,807g/ml và có hằng số điện môi là 1,4. Số nguyên tử của nó là 7. Nitơ chiếm 78% trong bầu khí quyển, nitơ lỏng được nén lại bằng phương pháp chưng cất phân đoạn không khí => thu được nitơ long và oxi lỏng => Các khí nitơ lỏng sẽ được đưa vào thùng chứa và đưa vào sử dụng trong công nghiệp Các khí nitơ này được đưa vào công nghiệp sẽ có hệ thống giàn hóa hơi biến khí Nitơ lỏng này trở lại thành khí Nitơ thông thường Sau khi qua giàn hóa hơi nitơ được hóa hơi sẽ đưa qua các van áp để phân chia vào công nghiệp Nitơ lỏng được ứng dụng trong hằng trăm lĩnh vực kể không bao giờ hết cả, từ lĩnh vực thực phẩm đến lĩnh vực dệt nhuộm và còn rất nhiều lĩnh vực khác.

Lịch sử

Nitơ (tiếng Latinh: nitrum, tiếng Hy Lạp: Nitron có nghĩa là "sinh ra sôđa", "nguồn gốc", "tạo thành") về hình thức được coi là được Daniel Rutherford phát hiện năm 1772, ông gọi nó là không khí độc hại hay không khí cố định.^[28][29] Có điều này là do một phần của không khí không hỗ trợ sự cháy đã được các nhà hóa học biết đến vào cuối thế kỷ XVIII. Nitơ cũng được Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish và Joseph Priestley nghiên cứu vào cùng khoảng thời gian đó, là những người nói đến nó như là không khí đã cháy hay không khí phlogiston. Khí nitơ là trơ đến mức Antoine Lavoisier coi nó như là azote vào năm 1789, có nghĩa là không có sự sống^[30]; thuật ngữ này đã trở thành tên gọi trong tiếng Pháp để chỉ "nitơ" và sau đó đã lan rộng sang nhiều thứ tiếng khác. Năm 1790, Jean Antoine Chaptal đặt ra tên gọi nitrogen để chỉ nitơ.

Các hợp chất của nitơ đã được biết tới từ thời Trung cổ. Các nhà giả kim thuật đã biết acid nitric (HNO₃) như là aqua fortis (tức nước khắc đồng). Hỗn hợp của acid nitric và acid clohiđríc (HCl) được biết đến dưới tên gọi aqua regia (tức nước cường toan), do nó có khả năng hòa tan cả vàng. Các ứng dụng sớm nhất trong công nghiệp và nông nghiệp của các hợp chất nitơ sử dụng nó trong dạng xanpet (có thể là nitrat natri (NaNO₃) hay nitrat kali (KNO₃)), chủ yếu làm thuốc súng và sau đó là làm phân bón, và muộn hơn nữa là để làm hóa chất bổ sung. Năm 1910, Lord Rayleigh đã phát hiện rằng việc phóng điện trong khí nitơ tạo ra "nitơ hoạt động", là một thù hình được xem là đơn nguyên tử. "đám mây xoáy có ánh sáng vàng rực rỡ" được tạo ra bởi bộ máy của ông phản ứng với thủy ngân để tạo ra chất nổ thủy ngân nitride.^[31]

Sự phổ biến

Nitơ là thành phần lớn nhất của khí quyển Trái Đất (78,084% theo thể tích hay 75,5% theo trọng lượng).^[32] Henry Cavendish là người đã xác định tương đối chính xác thành phần "khí cháy" (oxy, khoảng 21%) của không khí vào cuối thế kỷ XVIII. Hơn một thế kỷ sau, người ta xác định phần còn lại ("không cháy") của không khí chủ yếu là nitơ^[33].

Nitơ được sản xuất cho các mục đích công nghiệp nhờ chưng cất phân đoạn không khí lỏng hay bằng các biện pháp cơ học khác đối với không khí ở dạng khí (màng thẩm thấu nghịch áp suất hay PSA (viết tắt của từ tiếng Anh: Pressure Swing Adsorption).

Các hợp chất chứa nitơ cũng được quan sát là có trong vũ trụ. Nitơ N¹⁴ được tạo ra như là một phần của phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao.^[34] Phân tử nitơ và các hợp chất nitơ đã được các nhà thiên văn học phát hiện trong môi trường liên sao bằng cách sử dụng Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer.^[35] Nitơ là thành phần lớn của các chất thải động vật (ví dụ phân), thông thường trong dạng urê, acid uric, và các hợp chất của các sản phẩm chứa nitơ này.

Nitơ ở dạng phân tử đã được biết là có trong khí quyển của Titan, và cũng đã được David Knauth và các cộng sự phát hiện là tồn tại trong không gian liên sao nhờ sử dụng FUSE.

Các hợp chất chính của nitơ

Hydride chính của nitơ là amonia (NH₃) mặc dù hiđrazin (N₂H₄) cũng được biết đến rất nhiều. Amonia là một chất có tính base nhiều hơn nước, và trong dung dịch thì nó tạo ra các cation amôni (NH₄⁺). Amonia lỏng trên thực tế là một chất có tính tạo các ion kép (amôni và amit (NH₂^-); cả hai loại muối amit và nitride (N^3-) đều được biết đến, nhưng đều bị phân hủy trong nước. Các hợp chất của amonia bị thay thế đơn và kép được gọi là các amin. Các chuỗi lớn, vòng và cấu trúc khác của hydride nitơ cũng được biết đến nhưng trên thực tế không ổn định.

Các lớp anion khác của nitơ là azua (N₃^-), chúng là tuyến tính và đồng electron với dioxide cacbon. Các phân tử khác có cấu trúc tương tự là đinitơ mônoxide (N₂O), hay khí gây cười. Đây là một trong các dạng oxide của nitơ, nổi bật nhất trong số các oxide là nitơ mônoxide (NO) và nitơ dioxide (NO₂), cả hai oxide này đều chứa các điện tử không bắt cặp. Oxide sau thể hiện một số xu hướng với sự nhị trùng hóa và là thành phần chính trong các loại khói.

Các oxide tiêu chuẩn hơn là đinitơ trioxide (N₂O₃) và đinitơ pentoxide (N₂O₅), trên thực tế là tương đối không ổn định và là các chất nổ. Các acid tương ứng là acid nitrơ (HNO₂) và acid nitric (HNO₃), với các muối tương ứng được gọi là nitrit và nitrat. Acid nitric là một trong ít các acid mạnh hơn hydroni.

Điều chế

Trong công nghiệp, nitơ được sản xuất bằng phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng. Sau khi đã loại bỏ CO₂ và hơi nước, không khí được hóa lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ thấp. Nâng dần nhiệt độ không khí lỏng đến -196 độ C thì nitơ sôi và tách khỏi được oxy vì oxy có nhiệt độ sôi cao hơn (-183 độ C). Khí nitơ được vần chuyển trong các bình thép, nén dưới áp suất 150 atm.

Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế một lượng nhỏ nitơ tinh khiết bằng cách đun nóng nhẹ dung dịch bão hòa muối amoni nitrit:

NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O

Có thể thay muối amoni nitrit kém bền bằng dung dịch bão hòa của muối natri nitrit và amoni chloride

NH₄Cl + NaNO₂ →  N₂ + NaCl + 2H₂O

Vai trò sinh học

Nitơ là thành phần quan trọng của các amino acid và acid nucleic, điều này làm cho nitơ trở thành thiết yếu đối với sự sống.^[32] Nitơ nguyên tố trong khí quyển không thể được động và thực vật sử dụng trực tiếp mà phải qua quá trình khử trùng hoặc cố định. Giáng thủy thường chứa một lượng đáng kể amonia và nitrat, được cho là sản phẩm cố định nitơ bởi các tia sét và các hiện tượng điện khác trong khí quyển.^[36] Điều này được Liebig đưa ra đầu tiên vào năm 1827 và sau đó được xác nhận.^[36] Tuy nhiên, do amonia được ưu tiên giữa lại bởi tác cây rừng tương đối so với nitrat khí quyển, hầu hết nitơ được cố định đến được bề mặt đất bên dưới cây ở dạng nitrat. Nitrat trong đất được rễ cây ưu tiên hấp thụ so với ammoniac trong đất.^[37] Các cây họ Đậu như đậu tương, có thể hấp thụ nitơ trực tiếp từ không khí do rễ của chúng có các nốt sần chứa các vi khuẩn cố định đạm để chuyển hóa nitơ thành amonia. Các cây họ Đậu sau đó sẽ chuyển hóa amonia thành các ion oxide nitơ và các amino acid để tạo ra các protein. Vi khuẩn đặc biệt (như Rhizobium trifolium) sở hữu các enzym nitrogenase có khả năng cố định nitơ trong khí quyển thành các chất hữu ích cho các sinh vật bậc cao hơn. Quá trình này đòi hỏi một lượng năng lượng lớn và các điều kiện thiếu oxy. Các vi khuẩn như thế có thể sống tự do trong đất (như Azotobacter) nhưng thường tồn tại ở dạng cộng sinh trong các nốt sần của rễ câu họ Đậu (như clover, Trifolium, hay đậu nành, Glycine max). Vi khuẩn cố định nitơ cũng cộng sinh với nhiều loài thực vật không liên quan như Alnus, địa y, Casuarina, Myrica, Marchantiophyta, và Gunnera.^[38]

Phòng ngừa

Các chất phân bón chứa nitrat bị rửa trôi là nguồn ô nhiễm chính nước ngầm và các con sông. Các hợp chất chứa xyanua (-CN) tạo ra các muối cực độc hại và gây ra cái chết của nhiều động vật.

Hợp chất hóa học của nitơ

Nitơ có 8 số oxy hóa lần lượt là -3; -2; -1; +1; + 2; +3; +4 và +5. Ở điều kiện bình thường mặc dù độ âm điện của nitơ lớn hơn photpho nhưng lại hoạt động hóa học yếu hơn photpho do đơn chất nitơ có liên kết ba với năng lượng liên kết lớn.

Oxide của nitơ

Hầu hết các oxide của nitơ đều là các oxide trung tính như NO, N₂O nhưng cũng có một số oxide là oxide acid như N₂O₃, N₂O₅, NO₂.

Nitơ monoxide và Nitơ đioxide

Nitơ đioxide ở nhiệt độ càng thấp càng bị mất màu do tạo thành điniơ tetraoxide N₂O₄ (không màu).

Ở nhiệt độ khoảng 3000^oC hay các tia hồ quang điện, nitơ tác dụng với khí oxi trong không khí tạo ra nitơ monoxide (NO).

${\displaystyle {\ce {N2 + O2 <=>[t^o] 2 NO}}}$ với ${\displaystyle \Delta H=+180\,\mathrm {kJ} }$

Trong tự nhiên khí NO được tạo thành khi có cơn giông. Khí NO không màu dễ dàng phản ứng với oxi trong không khí ở điều kiện thường tạo thành khí nitơ đioxide (NO₂) có màu đỏ nâu.

${\displaystyle {\ce {2NO + O2 -> 2NO2}}}$

NO₂ dễ dàng bị đime hóa thành N₂O₄ (điniơ tetraoxide, không màu) ở nhiệt độ thấp. Theo nguyên lí Le Chatelier, phản ứng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch tạo thành NO₂ khi tăng nhiệt độ.

${\displaystyle {\ce {2NO2 <=> N2O4}}}$

NO₂ là oxide acid hỗn hợp khi tác dụng với nước cho ra hỗn hợp acid.

2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂

Ngay lập tức HNO₂ sẽ phân hủy.

3HNO₂ → HNO₃ + 2NO + H₂O

NO, NO₂ là chất oxy hóa khi tác dụng với các chất khử mạnh khác như SO₂, H₂S.

SO₂ + NO₂ → SO₃ + NO

2NO + 2H₂S → 2S + N₂ + H₂O

NO₂ có thể điều chế bằng cách cho lưu huỳnh, cacbon tác dụng với acid nitric đặc, nóng.

4HNO₃ + C → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

6HNO₃ + S → H₂SO₄ + 6NO₂ + 2H₂O

Cho khí amonia tác dụng với oxi ở nhiệt độ cao có mặt xúc tác

4NH₃ + 5O₂ ${\displaystyle {\ce {->[t^o, xt]}}}$ 4NO + 6H₂O

Nitrơ oxide và đinitơ pentoxide

N₂O là khí không màu, mùi dễ chịu, vị hơi ngọt. N₂O không tác dụng với oxi. Ở 500^oC bị nhiệt phân hủy thành N₂ và O₂. N₂O có thể điều chế bằng cách cho NO cháy trong SO₂ hoặc nhiệt phân muối amoni nitrat.

2NO + SO₂ → SO₃ + N₂O

NH₄NO₃ → N₂O + 2H₂O

N₂O₅ (Đinitơ pentoxide) là một oxide khi tan vào nước tạo ra acid nitric. N₂O₅ có thể điều chế bằng cách cho NO₂ phản ứng với ozon O₃

2NO₂ + O₃ → N₂O₅ + O₂

Hydride

Có hai hydride của nitơ là NH₃ (amoniac) và N₂H₄ (hiđrazin), cả hai đều có mùi khai nhưng hiđrazin nguy hiểm hơn.

Dung dịch hydrazin lỏng

Hidrazin

Hidrazin là nhiên liệu dùng trong tên lửa ,nấu ăn, lò phản ứng,... do các phản ứng tỏa nhiệt dưới đây

3N₂H₄ → 4NH₃ + N₂

N₂H₄ → N₂ + H₂

Tuy nhiên cũng có phản ứng là thu nhiệt

4NH₃ + N₂H₄ → 3N₂ + 8H₂

Hydrazin được điều chế bằng cách cho amonia tác dụng với hydro peroxide (oxy già)

2NH₃ + H₂O₂ → N₂H₄ + 2H₂O

Hoặc cũng có thể cho phân urê tác dụng với dung dịch natri hipoclorit và xút

(NH₂)₂CO + NaClO + 2NaOH → N₂H₄ + H₂O + N₂CO₃ + NaCl

Amonia

Xem thêm

• Chất dinh dưỡng
• Chu trình nitơ
• NOx

Tham khảo

1. Lide, D. R. biên tập (2003). CRC Handbook of Chemistry and Physics (ấn bản thứ 84). Boca Raton, FL: CRC Press.
2. Gray, Theodore (2009). The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN 978-1-57912-814-2.
3. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. (1997), Chemistry of the Elements (ấn bản thứ 2), Oxford: Butterworth-Heinemann, ISBN 0-7506-3365-4
4. doi:10.1016/j.jsb.2005.12.004
   Hoàn thành chú thích này
5. “A new molecule and a new signature – Chemistry – tetranitrogen”. Science News. ngày 16 tháng 2 năm 2002. Bản gốc lưu trữ ngày 16 tháng 10 năm 2015. Truy cập ngày 18 tháng 8 năm 2007.
6. “Polymeric nitrogen synthesized”. physorg.com. ngày 5 tháng 8 năm 2004. Truy cập ngày 22 tháng 6 năm 2009.
7. Fabian, J. and Lewars, E. (2004). “Azabenzenes (azines)—The nitrogen derivatives of benzene with one to six N atoms: Stability, homodesmotic stabilization energy, electron distribution, and magnetic ring current; a computational study” (PDF). Canadian Journal of Chemistry. 82 (1): 50–69. doi:10.1139/v03-178. ISSN 0008-4042. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 29 tháng 3 năm 2005. Truy cập ngày 12 tháng 12 năm 2013.
8. Muir, B. Cubane. (See "further topics" section.)
9. Patil, Ujwala N.; Dhumal, Nilesh R. and Gejji, Shridhar P. (2004). “Theoretical studies on the molecular electron densities and electrostatic potentials in azacubanes”. Theoretica Chimica Acta. 112: 27–32. doi:10.1007/s00214-004-0551-2. Bản gốc lưu trữ ngày 6 tháng 4 năm 2020. Truy cập ngày 12 tháng 12 năm 2013.
10. Bethe, H. A. (1939). “Energy Production in Stars”. Physical Review. 55 (5): 434–56. Bibcode:1939PhRv...55..434B. doi:10.1103/PhysRev.55.434.
11. ^ Audi, G.; Wapstra, A. H.; Thibault, C.; Blachot, J. and Bersillon, O. (2003). “The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties” (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 23 tháng 9 năm 2008. Truy cập ngày 12 tháng 12 năm 2013.
12. Flanagan, Lawrence B.; Ehleringer, James R; Pataki, Diane E. (ngày 15 tháng 12 năm 2004). Stable Isotopes and Biosphere - Atmosphere Interactions: Processes and Biological Controls. tr. 74–75. ISBN 9780080525280.
13. “Atomic Weights and Isotopic Compositions for Nitrogen”. NIST. Truy cập ngày 22 tháng 5 năm 2013.
14. ^ Neeb, Karl Heinz (1997). The Radiochemistry of Nuclear Power Plants with Light Water Reactors. Berlin-New York: Walter de Gruyter. tr. 227. ISBN 3-11-013242-7.
15. Worley, R. (1943). “Absorption Spectrum of N2 in the Extreme Ultraviolet”. Physical Review. 64 (7–8): 207. Bibcode:1943PhRv...64..207W. doi:10.1103/PhysRev.64.207.
16. ^ Schrock, R. R. (2005). “Catalytic Reduction of Dinitrogen to Ammonia at a Single Molybdenum Center”. Acc. Chem. Res. 38 (12): 955–962. doi:10.1021/ar0501121. PMC 2551323. PMID 16359167.
17. Fryzuk, M. D. and Johnson, S. A. (2000). “The continuing story of dinitrogen activation”. Coordination Chemistry Reviews. 200–202: 379. doi:10.1016/S0010-8545(00)00264-2.
18. Emsley, p. 364
19. Ministers, Nordic Council of (2002). “Food Additives in Europe 2000”: 591. ISBN 9789289308298.
20. Gavriliuk, V. G.; Berns, Hans (1999). High nitrogen steels: structure, properties, manufacture, applications. Springer. ISBN 3-540-66411-4.
21. “Why don't they use normal air in race car tires?”. HowStuffWorks. Truy cập ngày 25 tháng 6 năm 2021.
22. “Dear Tom and Ray”. cartalk. Bản gốc lưu trữ ngày 30 tháng 1 năm 2010. Truy cập ngày 25 tháng 6 năm 2021.
23. “Beer On Nitro”. ngày 6 tháng 7 năm 2013. Bản gốc lưu trữ ngày 4 tháng 10 năm 2013. Truy cập ngày 13 tháng 12 năm 2013.
24. “How does the widget in a beer can work?”. Howstuffworks.
25. Denny, Mark (ngày 1 tháng 11 năm 2009). Froth!: The Science of Beer. tr. 131. ISBN 9780801895692.
26. Ahmed I, Agarwal S, Ilchyshyn A, Charles-Holmes S, Berth-Jones J (2001). “Liquid nitrogen cryotherapy of common warts: cryo-spray vs. cotton wool bud”. Br. J. Dermatol. 144 (5): 1006–9. doi:10.1046/j.1365-2133.2001.04190.x. PMID 11359389.
27. Nordlund, Alec; Harrison, Matthew; Gess, Joshua (1 tháng 12 năm 2021). “Viability of Cryogenic Cooling to Reduce Processor Power Consumption”. Journal of Electronic Packaging (bằng tiếng Anh). 143 (4). doi:10.1115/1.4051752. ISSN 1043-7398.
28. Lavoisier, Antoine Laurent (1965). Elements of chemistry, in a new systematic order: containing all the modern discoveries. Courier Dover Publications. tr. 15. ISBN 0-486-64624-6.
29. Weeks, Mary Elvira (1932). “The discovery of the elements. IV. Three important gases”. Journal of Chemical Education. 9 (2): 215. Bibcode:1932JChEd...9..215W. doi:10.1021/ed009p215.
30. Elements of Chemistry, trans. Robert Kerr (Edinburgh, 1790; New York: Dover, 1965), 52.
31. Lord Rayleigh's Active Nitrogen Lưu trữ 2012-11-01 tại Wayback Machine. Lateralscience.co.uk. Truy cập 2011-10-26.
32. ^ Emsley, p. 360
33. Thành phần khí quyển Trái Đất, có lịch sử khám phá Nitơ
34. Croswell, Ken (1996). Alchemy of the Heavens. Anchor. ISBN 0-385-47214-5.
35. Meyer, Daved M.; Cardelli, Jason A.; Sofia, Ulysses J. (1997). “Abundance of Interstellar Nitrogen”. The Astrophysical Journal. 490: L103–L106. arXiv:astro-ph/9710162. Bibcode:1997ApJ...490L.103M. doi:10.1086/311023.
36. ^ Vladimir A. Rakov & Uman, Martin A. (2007). Lightning: Physics and Effects. Cambridge University Press. tr. 508. ISBN 978-0-521-03541-5.
37. Jama, Bashir; Ndufa, J. K.; Buresh, R. J.; Shepherd, K. D. “Vertical Distribution of Roots and Soil Nitrate: Tree Species and Phosphorus Effects”. 62 (1). Soil Science Society of America Journal: 280–286. Bản gốc lưu trữ ngày 26 tháng 4 năm 2015. Truy cập ngày 2 tháng 1 năm 2013.
38. Bothe, Hermann; Ferguson, Stuart John; Newton, William Edward (2007). Biology of the nitrogen cycle. Elsevier. tr. 283. ISBN 0-444-52857-1.

Liên kết ngoài

• WebElements.com – Nitơ
• Nguyên tố nitơ
• Schenectady County Community College – Nitơ Lưu trữ 2007-08-22 tại Wayback Machine
• Nitơ N2-Thuộc tính, sử dụng, ứng dụng
• Wiki hóa điện toán^{[liên kết hỏng]}
• Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos – Nitơ Lưu trữ 2006-02-10 tại Wayback Machine