Giáo án Bài 4. Nitrogen

Tạo tình huống có vấn đề, gợi nhu cầu tìm hiểu tính chất và vai trò của N₂ trong tự nhiên và nông nghiệp.

GV đưa hình ảnh cánh đồng lúa vàng úa khi thiếu phân đạm và thông tin không khí khô chứa khoảng 78% N₂ theo thể tích. HS trả lời câu hỏi: Vì sao không khí chứa nhiều N₂ nhưng cây trồng vẫn cần bón phân đạm? Đồng thời HS dự đoán: N₂ có hoạt động hoá học mạnh như O₂ không?

Nêu được ý kiến ban đầu: N₂ chiếm tỉ lệ lớn nhưng cây thông thường không hấp thụ trực tiếp N₂ như nguồn đạm chính; cần chuyển N₂ thành hợp chất (nitrate, ammonium). Ghi được câu hỏi cần giải quyết: Vì sao N₂ trơ? Khi nào N₂ phản ứng? Nitrogen được tạo đạm tự nhiên như thế nào?

Nêu được trạng thái tự nhiên, tính chất vật lí của N₂; giải thích tính trơ ở nhiệt độ thường dựa vào liên kết ba.

HS làm việc theo cặp với Phiếu học tập số 1 (phần A): quan sát mô phỏng 3D, đọc thông tin về cấu hình electron lớp ngoài cùng $2s^2 2p^3$, liên kết trong phân tử N₂. Nhiệm vụ: (1) Nêu trạng thái tự nhiên và tính chất vật lí của N₂. (2) Giải thích vì sao N₂ không phân cực và khá trơ ở nhiệt độ thường. (3) Khi tắt tia lửa, không khí trong bình có đổi không? Giải thích.

Kết quả HS rút ra: N₂ là khí không màu, ít tan trong nước, chiếm khoảng 78% thể tích không khí khô. Hai nguyên tử N giống nhau nên liên kết không phân cực. Liên kết ba $N\equiv N$ rất bền (khoảng 945 kJ/mol), cần nhiều năng lượng để phá vỡ nên N₂ trơ ở nhiệt độ thường. Khi tắt tia lửa, không khí trong bình không đổi dù chờ bao lâu, chứng tỏ N₂ không tự phản ứng ở nhiệt độ thường.

Trình bày được tính oxi hoá của N₂ (với H₂) và tính khử của N₂ (với O₂) dựa vào sự thay đổi số oxi hoá.

HS làm việc theo nhóm 4 theo kĩ thuật khăn trải bàn với Phiếu học tập số 1 (phần B). Nhiệm vụ: (1) Xác định số oxi hoá của N trong N₂, NH₃, NO. (2) Trong phản ứng $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}$, N₂ là chất oxi hoá hay khử? Vì sao? (3) Trong phản ứng $\mathrm{N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO}$ xảy ra trong hồ quang hoặc nhiệt độ rất cao, N₂ là chất oxi hoá hay khử? (4) Vì sao không dùng ngọn lửa thông thường để khẳng định phản ứng thứ hai xảy ra đáng kể?

Số oxi hoá: N trong N₂ bằng 0; trong NH₃ bằng −3; trong NO bằng +2 (O có số oxi hoá −2). Với H₂ (điều kiện công nghiệp thích hợp), N nhận electron, số oxi hoá giảm từ 0 xuống −3 nên N₂ là chất oxi hoá. Với O₂ (hồ quang, nhiệt độ rất cao), N bị oxi hoá, số oxi hoá tăng từ 0 lên +2 nên N₂ là chất khử. Không dùng ngọn lửa thông thường vì phản ứng này cần nhiệt độ rất cao (hồ quang), phản ứng không đáng kể ở ngọn lửa thường; năng lượng liên kết bền chỉ giải thích năng lượng hoạt hoá lớn, không quyết định một mình vị trí cân bằng.

Giải thích được quá trình tạo đạm tự nhiên khi có sấm sét, mô tả chu trình nitrogen và nêu ứng dụng của nitrogen.

HS làm việc theo cặp, chạy tiếp mô phỏng: bật tia lửa điện, quan sát khí không màu chuyển thành khí nâu đỏ lan khắp bình, nước có chất chỉ thị chuyển đỏ. Dùng Phiếu học tập số 2: (1) Viết chuỗi phản ứng N₂ + O₂ → 2NO, 2NO + O₂ → 2NO₂, NO₂ + O₂ + H₂O → HNO₃ và giải thích đạm sinh ra từ sấm sét. (2) Vẽ sơ đồ chu trình nitrogen gồm khí quyển, đất, sinh vật. (3) Nêu ba ứng dụng của nitrogen.

Đạm từ sấm sét: khi có tia lửa điện (khoảng 3 000 °C), N₂ + O₂ → 2NO (không màu); NO tiếp tục bị oxi hoá thành NO₂ (nâu đỏ); NO₂ cùng O₂ và nước tạo HNO₃ rơi xuống đất theo nước mưa, cung cấp nitrate cho cây. Chu trình: cố định đạm (sinh học, phóng điện, công nghiệp) chuyển N₂ thành nitrate, ammonium; cây hấp thụ, tạo amino acid, protein; sinh vật phân huỷ trả nitrogen về đất; phản nitrate đưa N₂ về khí quyển. Ứng dụng: N₂ bảo quản thực phẩm, bơm lốp, tạo môi trường trơ; nitrogen lỏng bảo quản mẫu sinh học, làm lạnh nhanh; nguyên liệu tổng hợp ammonia và sản xuất phân đạm.

Vận dụng số oxi hoá, tính trơ, cố định đạm và tính theo phương trình để giải các bài tập định tính và định lượng.

HS làm việc cặp đôi, hoàn thành bài tập 1 đến 7 (phiếu bài tập hoặc bài tập tương tác trên trang NeoEdu). GV yêu cầu HS giải thích ngắn gọn cho các câu 4 và 6.

Đáp án: Câu 1: A (phân tử có liên kết ba bền). Câu 2: B (N₂ là chất oxi hoá, số oxi hoá N giảm 0 → −3). Câu 3: 0,40 mol NH₃ (nNH₃ = 2 × 0,20 = 0,40 mol, theo tỉ lệ 1:2). Câu 4: a) Đ (hai nguyên tử giống nhau); b) S (cây chủ yếu nhận NH₄⁺, NO₃⁻); c) Đ (O = −2 nên N = +2); d) Đ (nhiệt độ rất thấp gây bỏng lạnh). Câu 5: A và B (cố định đạm chuyển N₂ thành hợp chất; Haber tạo NH₃ từ N₂ và H₂). Câu 6: khí trơ tương đối trong bao bì – không phải khí để hô hấp; nitrogen lỏng – làm lạnh sâu, cần bảo hộ chuyên dụng; N₂ trong Haber – cần xúc tác, áp suất và nhiệt độ phù hợp. Câu 7: 7,80 mol N₂ (10,0 × 0,78).

Phân biệt quá trình cố định đạm với các quá trình khác; vận dụng đặc tính trơ, không màu, không mùi của N₂ để nhận diện nguy cơ.

HS làm việc cá nhân rồi thảo luận cặp: câu 5 (chọn các quá trình cố định nitrogen khí quyển: A. Vi khuẩn chuyển N₂ thành hợp chất đạm; B. Haber tạo NH₃ từ N₂ và H₂; C. Cây hấp thụ nitrate sẵn có; D. Phản nitrate tạo N₂) và câu 6 (ghép công dụng với giới hạn, nêu ngắn gọn).

Đáp án câu 5: A và B, vì cố định đạm là chuyển N₂ thành hợp chất; C là hấp thụ nitrate có sẵn và D là chiều trả N₂ về khí quyển, không phải cố định. Câu 6: khí trơ trong bao bì phải dùng đúng mục đích, không phải khí để hô hấp; nitrogen lỏng làm lạnh sâu, cần bảo hộ; N₂ trong quá trình Haber cần xúc tác, áp suất, nhiệt độ phù hợp. Kết luận: không khí không độc không đồng nghĩa không nguy hiểm.

Vận dụng tính chất của N₂ và nguy cơ thiếu oxygen để đề xuất cách xử lí an toàn khi nghi ngờ rò rỉ khí.

Tình huống: Trong phòng kho của trường có bình nitrogen lỏng bị rò. Một bạn nói: «Mình không ngửi thấy mùi gì, nên vào kiểm tra được.» Nhiệm vụ nhóm 4: (1) Vì sao không được vào phòng kín nghi rò nitrogen dù không ngửi thấy mùi? (2) Nêu các việc cần làm theo thứ tự. (3) Liên hệ: vì sao không tự ý sang chiết hay đậy kín nitrogen lỏng? Đây là bài tập về nhà nếu không đủ thời gian trên lớp.

Đáp án gợi ý: N₂ không màu, không mùi có thể làm giảm phần oxygen trong không khí tới mức gây ngạt, nên không thể dùng việc không ngửi thấy để kết luận an toàn (1,5 điểm giải thích gây ngạt; 1,5 điểm giải thích không mùi không đảm bảo an toàn). Các việc cần làm: không vào phòng, báo ngay cho người phụ trách và cảnh báo người xung quanh; rời khu vực nguy cơ; để đội được huấn luyện đo khí, thông gió và cứu hộ; không tự vào cứu khi chưa có thiết bị. Không tự chiết rót hay đậy kín nitrogen lỏng vì bình có áp suất và nhiệt độ rất thấp, dễ gây nổ hoặc bỏng lạnh, chỉ người được huấn luyện mới được thao tác.