Khí nitơ là gì? Tính chất và ứng dụng của nitơ trong cuộc sống?

Bạn có biết rằng trong không khí mà chúng ta hít thở, nitơ chiếm nhiều nhất. Nó chiếm đến 78%, còn lại là 21% oxi và 1% các loại khí khác. Mặc dù con người không dùng khí nitơ để hít thở nhưng chúng rất có ích trong nhiều ngành công nghiệp. Vậy nitơ là gì? Nó có tính chất gì đặc biệt và có những ứng dụng nào? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu thông qua bài viết dưới đây nhé! 

1. Định nghĩa khí nitơ là gì?

Nitơ (N) là nguyên tố hóa học thuộc nhóm phi kim trong bảng tuần hoàn các nguyên tố. Nito có mặt trong tất cả các cơ thể sống, nó cấu tạo nên nhiều hợp chất quan trọng như: axit amin, amoniac, axit nitric,… Cơ thể người chứa khoảng 3% nitơ theo trọng lượng.

 Khí nitơ có công thức hoá học là N2. Nó có 5 điện tử trên lớp ngoài cùng nên có thể nhận nhiều electron với nhiều hoá trị khác nhau như II, III và IV.

Nitơ thường có dạng lỏng hoặc khí (mặc dù nito có thể đạt được thể rắn khi đóng băng ở -210 độ C). Trong không khí, nó tồn tại dưới dạng phân tử N2, không phản ứng với các loại khí khác nên được gọi là khí trơ. Nó hóa lỏng ở nhiệt độ rất thấp – 196 độ C, trong điều kiện áp suất khí quyển.

Với cấu trúc hoá học của nitơ, nguyên tử nitơ cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ để phản ứng với các chất khác. So với khí oxy, khí nitơ ít phản ứng hơn và không bắt lửa và thực hiện phản ứng đốt cháy. Đây cũng chính là lý do để ngăn chặn các quá trình oxi hoá chậm và nhanh nên giúp con người an toàn trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường.

Cấu trúc khí nitơ

2. Cấu tạo phân tử của nitơ 

Phân tử nitơ gồm 2 nguyên tử, giữa chúng hình thành một liên kết 3 do nó có 5 electron ở lớp vỏ ngoài nên thể hiện hóa trị 3 trong hầu hết các hợp chất.

Trong các hợp chất, nito thể hiện nhiều mức oxi hóa khác nhau. Trong đó, mức oxi hoá cao nhất là +5, còn các mức là -3 và +3 thì ít gặp hơn. Riêng N còn có thêm các mức oxi hoá +1, +2 và +4.

3. Tính chất của khí nitơ

Khí nito có những đặc trưng dưới đây:

3.1. Tính chất vật lý

Khí Nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị. Nó có khối lượng nhẹ hơn không khí. Nitơ chiếm 4/5 trong không khí nhưng không có khả năng duy trì sự cháy và sự sống. 

Nito ít tan trong nước. Những thông số đặc trưng gồm:

• Nhiệt độ hoá lỏng ở -196 độ C: Khí được ngưng tụ thành chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước.
• Nhiệt độ hoá rắn cũng rất thấp ở -210 độ C

3.2. Tính chất hoá học

Nitơ là một hoạt chất ít tham gia các phản ứng hóa học, chỉ trong những điều kiện nhất định do phân tử chứa liên kết ba rất bền vững nên ở điều kiện thường. Nito vừa là chất khử vừa là chất oxi hoá.

Các mức oxi hoá mà nitơ có thể có là: -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Nó có số oxi hóa 0 nên vừa thể hiện tính oxi hóa và tính khử.

– Tính oxi hoá

• Nitơ tác dụng với kim loại: Nitơ thể hiện tính oxi hóa khi tác dụng với nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn.

Trong điều kiện nhiệt độ thường, nitơ chỉ tác dụng với liti tạo liti nitrua: 6 Li + N2 → 2 Li3N

Trong điều kiện nhiệt độ cao, nitơ tác dụng với nhiều kim loại như 3 Mg + N2 → Mg3N2

Tuy nhiên, các nitrua dễ bị phân hủy tạo NH3

• Nitơ tác dụng với H2: Ở nhiệt độ cao, áp suất cao và có chất xúc tác. Nitơ phản ứng với hidro tạo ra amoniac.

– Tính khử (N2 + O2): Nitơ thể hiện tính khử khi tác dụng với nguyên tố có độ âm điện lớn hơn như oxy.

Phản ứng của nitơ với oxi xảy ra ở nhiệt độ 3000 độ C hoặc trong lò hồ quang điện: 2N + O2 → 2NO

Sau đó, nitơ monoxit tác dụng với oxi không khí tạo nitơ dioxit màu nâu đỏ: NO+1/2O2→NO2

Các oxit khác của nitơ là N2O, N2O3, N2O5 không điều chế trực tiếp được từ phản ứng giữa oxi và nitơ. 

Một số tính chất của khí nitơ

4. Ứng dụng của nitơ trong cuộc sống

Nitơ được sử dụng rộng rãi, chủ yếu do tính chất không phản ứng khi tiếp xúc với các loại khí khác. Vì vậy, nó được dùng làm một loại khí phủ. Lớp phủ nitơ được sử dụng để bảo vệ các chất rắn và chất lỏng dễ cháy hoặc nổ khi tiếp xúc với không khí.

• Trong công nghiệp, phần lớn lượng nitơ được dùng để tổng hợp khí amoniac, tiếp theo là sản xuất ra axit nitric, phân đạm,… Nhiều ngành công nghiệp như luyện kim, thực phẩm, điện tử,… sử dụng nitơ làm môi trường trơ.
• Trong y tế, dược phẩm, Nitơ lỏng được dùng để bảo quản máu và các mẫu vật sinh học khác. Ngoài ra, nó còn là môi trường để làm lạnh sâu, nhanh các sản phẩm huyết thanh, vi khuẩn… Nitơ lỏng được sử dụng trong phẫu thuật lạnh để phá hủy mô bệnh.
• Ngành công nghiệp thực phẩm và thức uống, nitơ được sử dụng để thay thế khí oxi trong việc bảo quản nông sản, đồ uống tốt hơn. Do độ lạnh cực mạnh trong nitơ lỏng cho phép làm đông lạnh thực phẩm rất nhanh.
• Ngành dầu khí, các nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu và tàu chở dầu biển sử dụng nitơ để thanh lọc thiết bị, bể chứa và đường ống chứa hơi và khí nguy hiểm. Ngoài ra, nó còn làm mát các lò phản ứng chứa đầy chất xúc tác trong quá trình bảo trì.

Ứng dụng của khí nitơ

Trên đây là những kiến thức về nito cũng như khí nito trong không khí. Từ đó giúp bạn hiểu rõ hơn về một loại khí phổ biến xung quanh chúng ta.