Ứng dụng chuong N - P

Lợi dụng tính trơ này, người ta sử dụng khí N2 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

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)

(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 N2, 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 Ao) 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, N2 là 1 trong những chất trơ nhất; ở nhiệt độ 3000oC, N2 vẫn chưa bị phân hủy rõ rệt

Lợi dụng tính trơ này, người ta sử dụng khí N2 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 N2 sẽ tránh được quá trình oxi hóa kim loại bởi oxi không khí; trong công nghiệp thực phẩm môi trường N2 làm chậm quá trình ôi thiu

Làm môi

trường trơ

Vai trò sinh học

nguyên tử

Chất làm lạnh Hiđrazin

Bột nở Phân đạm

Kĩ thuật

Phẩm nhuộm Dược phẩm

Nước cường toan

Cũng do tính trơ mà khí N2 được dùng để bơm vào lốp xe ô tô, máy bay Bơm khí

N2 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 N2 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 N2 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 N2 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 (-196oC) 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 N2 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]

NH3 được dùng làm chất gây lạnh trong máy lạnh vì nó có nhiệt độ sôi thấp (-33,35oC) Khi bay hơi, nó thu nhiệt mạnh

(4) Sử dụng NH 3 để sản xuất bột nở [19,26]

NH3 dùng để sản xuất bột nở (NH4)2CO3 hay NH4HCO3 Ở điều kiện thường, 2 muối này bị phân hủy tạo ra nhiều khí có tác dụng làm xốp bánh

(NH4)2CO3 → 2NH3↑ + H2O + CO2↑

NH4HCO3 → NH3 + H2O + CO2↑

(5) Tổng hợp hidrazin từ NH 3 [10,26]

Từ NH3 điều chế được hiđrazin theo phương trình phản ứng:

2NH3 + NaOCl →gelatin N2H4 + NaCl + H2O 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 -NO3 hay nhóm -NO2

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 (-NO2) 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:

CH3

+ 3HNO3 dac H2SO4dac

CH3

NO2

O2N

NO2

+ 3H2O

Trinitrotoluen (TNT) Toluen

CH2

CH

H2C

OH OH OH

+ 3HNO3dac H2 SO4dac

CH2 CH

H2C

ONO2

ONO2 ONO2

+ 3H2O

Trinitroglixerol hay glixeryl trinitrat

Glixerol

hay glixerin

H2SO4 đặc có tác dụng làm tăng sự ion hoá tạo ion NO2+ của HNO3

Khi cháy, TNT và nitroglixerin bị phân hủy nhanh chóng, tạo ra 1 lượng lớn sản phẩm khí, phát nhiều nhiệt, gây nổ mạnh:

2C7H5N3O6 → 3N2 ↑ + 5H2O + 7CO↑ + 7C TNT

4C3H5(NO3)3 → 6N2 ↑+ 12CO2 ↑ + 10H2O + O2

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 80oC, 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]

HNO3 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 NH3 và HNO3 có thể điều chế được nhiều loại phân đạm Có 3 loại phân đạm chính là phân amoni (sản xuất từ NH3); phân nitrat (sản xuất từ HNO3) và phân ure (sản xuất từ NH3), 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

(NH2)2CO 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 NH3 và CO2, ure được điều chế qua 2 giai đoạn ở nhiệt độ 180÷200oC và 200 atm:

2NH3 + CO2 ƒ H2N - CO - ONH4 (1)

(Amoni cacbamat)

H2N - CO - ONH4 ƒ H2N - CO - NH2 + H2O (2)

Ta có thể viết gộp 2 giai đoạn tổng hợp urê theo phương trình phản ứng:

CO2 + 2NH3 → (NH2)2CO + H2O Khi bón phân urê vào đất sẽ xảy ra quá trình:

CO(NH2)2 + 2H2O Enzimureaza→ (NH4)2CO3

(NH4)2CO3 + H2O → NH4HCO3 + NH4OH

Phân amoni (gồm NH4Cl, (NH4)2SO4, NH4NO3…) 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 NH3 và HNO3 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 (CaCO3.MgCO3)

Khi bón phân đạm 2 lá vào đất, xảy ra phản ứng:

NH4NO3 → NH+4 + NO3− 2NH4NO3 + 2O2   →vsv 4HNO3 + 2H2O

Các ion NH+4 và NO3− được cây trồng hấp thụ trực tiếp Một phần NH+4 hấp phụ trên keo đất, cùng với sự phân hủy NH4NO3 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 NH3nguyên chất hoặc NH3 có trong khí cốc

Trong đất: (NH4)2SO4 → 2NH4+ + SO42-

Ion NH4+ được cây hấp thụ còn ion SO42- ít được hấp thụ Dưới tác dụng của vi sinh vật, xảy ra phản ứng:

(NH4)2SO4 + 4O2   →vsv 2HNO3 + H2SO4 + 2H2O

Sự hấp phụ của ion NH4+ 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 NH3:

NH3 + CO2 + H2O + NaCl → NH4Cl + NaHCO3 Trong đất, NH4Cl có phản ứng tương tự phân (NH4)2SO4 nhưng do có ion Cl- nên

nó gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng nông sản Vì vậy, phải bón NH4Cl vào đất trước khi gieo trồng vài tháng để ion Cl- được rửa trôi bớt

Các loại phân đạm nitrat như NaNO3, Ca(NO3)2…được sản xuất từ axit nitric, cho tác dụng với muối cacbonat của các kim loại

Phân đạm NaNO3 ít phổ biến, được tạo ra từ phản ứng:

2HNO3 + Na2CO3 → 2NaNO3 + CO2 ↑+ H2O

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 NaNO3 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

- NH4Cl 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 + 2NH4Cl → 3Cu + CuCl2 + N2 + 4H2O

Fe3O4 + 8NH4Cl→ FeCl2 + FeCl3 + 8NH3 + 4H2O

Ưu thế của NH4Cl 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)

(7) (8)

*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%

Ca3(PO4)2

học

Đạn cháy, bom, đạn khói

Thuốc diệt chuột

Diêm

P

H3PO4

(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:

5Ca2+ + 3PO43- + OH- → Ca5(PO4)3OH↓

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 H3PO4 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 Zn3P2 được dùng làm thuốc diệt chuột:

2P + 3Zn →t o Zn3P2

Khi Zn3P2 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 PH3 rất độc:

Zn3P2 + 6H2O → 2PH3↑ + 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 KClO3,

K2Cr2O4, MnO2 và các chất khử như S, tinh bột và keo dán Photpho đỏ cùng với Sb2S3 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 1500oC với điện cực than, có cát và than cốc:

2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 → 6CaSiO3 + P4O10

P4O10 + 10C → 10CO↑ + 4P(hơi) Viết gọn: Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C 1500o C

Lo dien

→ 3CaSiO3 + 2P(hơi) + 5CO↑

Hơi P thoát ra được ngưng tụ trong buồng tưới nước tạo P trắng dạng rắn, còn CaSiO3 có dạng xỉ lỏng chảy ra ở đáy lò