Số oxi hóa của nitơ trong NH4NO3 là bao nhiêu?

1. Số oxi hóa của nitơ trong NH4NO3 là bao nhiêu?

Số oxi hóa của nitơ trong NH4NO3 là một vấn đề phức tạp, vì nitơ có hai trạng thái oxi hóa khác nhau trong phân tử này. Để giải thích chi tiết, chúng ta cần sử dụng quy tắc số oxi hóa và cân bằng điện tích của phân tử.

Quy tắc số oxi hóa cho biết rằng số oxi hóa của hydro là +1, số oxi hóa của oxy là -2, và số oxi hóa của các nguyên tố đơn chất là 0. Vì vậy, chúng ta có thể viết công thức NH4NO3 như sau:

NH4NO3 = (N+1H+1)4(NxO-2)3

Trong đó x là số oxi hóa của nitơ trong nhóm NO3. Để tìm x, chúng ta cần cân bằng điện tích của phân tử, tức là tổng số oxi hóa của các nguyên tố bằng 0. Vì vậy, chúng ta có phương trình:

4(+1) + x + 3(-2) = 0

Giải phương trình, ta được x = +5. Đây là số oxi hóa của nitơ trong nhóm NO3.

Tương tự, để tìm số oxi hóa của nitơ trong nhóm NH4, chúng ta cũng cân bằng điện tích của nhóm này, tức là:

y + 4(+1) = 0

Trong đó y là số oxi hóa của nitơ trong nhóm NH4. Giải phương trình, ta được y = -3. Đây là số oxi hóa của nitơ trong nhóm NH4.

Vậy, kết luận là số oxi hóa của nitơ trong NH4NO3 là -3 và +5.

2. Các hợp chất có trạng thái oxy hóa nitơ là -3:

Hai loại hợp chất phổ biến nhất có trạng thái oxi hóa -3 của nitơ là amoni và muối amoni (hay amoni hydroxit NH₄OH).

2.1. Amoni:

Hai phương pháp phổ biến nhất để thu được amoni là trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp:

Trong công nghiệp – 3H₂ + N₂ = 2NH₃ (trong điều kiện khắc nghiệt ở áp suất và nhiệt độ cao và khi có chất xúc tác);

Trong phòng thí nghiệm – Ca(OH)₂ + 2NH₄Cl = 2NH₃ + 2H₂O + CaCl₂.

Các tính chất chính của amoni như sau:

– NH₃ + HCl = NH₄Cl (phản ứng với axit dẫn đến sự hình thành muối amoni);

– 2NH₃ + AgCl = [Ag(NH₃)₂]Cl (phản ứng với muối của kim loại nặng dẫn đến hình thành phức chất; trong trường hợp này bạc (I) dạng diamine clorua);

– 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O (phản ứng đốt cháy);

– 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O (phản ứng oxy hóa xúc tác với sự có mặt của bạch kim khi đun nóng);

– 2NH₃ + CuO = N₂ + 3Cu + 3H₂O (phản ứng khử đồng khỏi oxit của nó, được thực hiện khi đun nóng).

2.2. Muối amoni:

Muối amoni là chất kết tinh rắn. Chúng ta có thể thấy sự hiện diện của ion amoni trong muối bằng cách thêm chất kiềm vào nó:

NH₄Cl + KOH = NH₃ + NaCl + H₂O (amoni thoát ra trong phản ứng có mùi đặc trưng; vì là giấy quỳ bazơ chuyển sang màu xanh khi cho vào bình phản ứng);

Muối amoni cũng có thể bị phân hủy dưới tác dụng nhiệt. Sản phẩm chính xác của phản ứng phụ thuộc vào thành phần của muối ban đầu:

(NH₄)₂SO₄ = NH₃ + NH₄HSO₄;

NH₄NO₃ = N₂O + 2H₂O;

NH₄Cl = NH₃ + HCl.

Mặt khác, tính chất của muối amoni lặp lại tính chất của các muối khác hòa tan trong nước.

3. Nitơ ở trạng thái oxy hóa +5:

N₂O₅ là chất rắn không ổn định, có tính axit. Nó có thể thu được bằng các phản ứng:

– Cho axit theo đó đi qua cột có photpho (V):

4HNO₃ + P₄O₁₀ = 2N₂O₅ + 4HPO₃ (cần làm mát đến -10 ᵒC hoặc 14 ᵒF).

– Ozone phản ứng với nitơ (IV) oxit:

2NO₂ + O₃ = N₂O₅ + O₂.

Tính chất hóa học:

+ Phân hủy thành oxy và nitơ (4) oxit:

2N₂O₅ = 4NO₂ + O₂;

+ Hòa tan trong nước:

N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃;

+ Phản ứng với bazơ và oxit bazơ:

N₂O₅ + 2NaOH = 2NaNO₃ + H₂O; N₂O₅ + Na₂O = 2NaNO₃.

Axit nitơ là chất oxy hóa mạnh (theo tính chất vật lý, nó là chất lỏng không màu, không có mùi). Nó có thể thu được trong phòng thí nghiệm như sau:

KNO₃ + H₂SO₄ = KHSO₄ + HNO₃ (lấy axit sulfuric đậm đặc).

Trong công nghiệp, quy trình ba giai đoạn được sử dụng:

Quá trình oxy hóa amoniac (chất xúc tác bạch kim và đun nóng đến 500 ᵒC hoặc 932 ᵒF):

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O.

*Ôxi hóa oxit thu được trong không khí thành NO₂:

2NO + O₂ = 2NO₂.

Sự hòa tan NO₂ trong nước khi có nhiều oxy:

4NO₂ + О₂ + 2H₂O = 4HNO₃.

Các tính chất hóa học chính (ngoài các tính chất đặc trưng của tất cả các axit):

– 4HNO₃ = 4NO₂ + 2H₂O + O₂ (sự phân hủy axit đậm đặc dưới ánh sáng);

– S + 4HNO₃(conc.) = SO₂ + 4NO₂ + 2H₂O (phản ứng với phi kim).

Axit nitric đậm đặc và loãng phản ứng với kim loại mà không giải phóng hydro:

4HNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O (axit đậm đặc);

8HNO₃ + 3Cu = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O (axit loãng);

10HNO₃ + 8Na = 8NaNO₃ + N₂O + 5H₂O (axit đậm đặc);

10HNO₃ + 8Na = 8NaNO₃ + NH₄NO₃ + 3H₂O (axit loãng).

Axit nitric đậm đặc làm thụ động sắt, crom, nhôm, vàng, bạch kim và iridium. Nhiều nitrat (muối của axit nitric) hòa tan trong nước.

Các hợp chất nitơ được sử dụng trong y học (amoniac lỏng, rượu amoniac), nông nghiệp (phân bón) và trong công nghiệp để tổng hợp một số hợp chất hữu cơ.

4. Các quy tắc xác định số ôxi hóa:

Số oxi hóa của một nguyên tố là một số đại số được gán cho nguyên tử của nguyên tố đó theo những quy tắc nhất định. Số oxi hóa được viết bằng chữ số thường, dấu đặt phía trước và được đặt ở trên kí hiệu nguyên tố. Ví dụ: Số oxi hóa của hidro trong H2O là +1..

Để xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong các hợp chất hay ion, ta có thể áp dụng các quy tắc sau:

– Quy tắc 1: Số oxi hóa của các nguyên tố trong đơn chất bằng 0. Ví dụ: Số oxi hóa của các nguyên tố Na, Fe, H, O, Cl trong đơn chất tương ứng Na, Fe, H2, O2, Cl2 đều bằng 0.

– Quy tắc 2: Trong ion đơn nguyên tử, số oxi hóa của nguyên tử bằng điện tích của ion đó. Trong ion đa nguyên tử, tổng đại số số oxi hóa của các nguyên tử trong ion đó bằng điện tích của nó.

– Quy tắc 3: Số ôxi hóa của oxi trong các hợp chất bằng -2, trừ khi oxi kết hợp với flo (-1) hoặc ở dạng siêu ôxi (O2-) hoặc perôxit (O22-) (+1).

– Quy tắc 4: Trong hầu hết các hợp chất: Số oxi hóa của H là +1 (trừ các hợp chất của H với kim loại như NaH, CaH2, thì H có số oxi hóa -1). Số oxi hóa của O là -2 (trừ một số trường hợp như H2O2, F2O, oxi có số oxi hóa lần lượt là: -1, +2).

– Quy tắc 5: Số ôxi hóa của flo trong các hợp chất luôn bằng -1.

– Quy tắc 6: Tổng số ôxi hóa của tất cả các nguyên tố trong một phân tử hoặc ion bằng tổng điện tích của phân tử hoặc ion đó.

Ví dụ:

– Tính số oxi hóa (X) của nitơ trong amoniac NH3. Theo quy tắc 2, ta có số oxi hóa của H là +1. Theo quy tắc 3, ta có X + 3 x (+1) = 0 => X = -3.

– Tính số oxi hóa (X) của sắt trong ion sắt(III) Fe3+. Theo quy tắc 4, ta có X = +3.

5. Bài tập xác định số ôxi hóa:

Bài 1: Xác định số ôxi hóa của các nguyên tố trong phân tử H2O.

Lời giải: Ta có thể áp dụng quy tắc 4 và 5 để suy ra số ôxi hóa của hiđro và oxi trong H2O. Theo quy tắc 4, số ôxi hóa của hiđro bằng +1. Theo quy tắc 5, số ôxi hóa của oxi bằng -2. Vì vậy, số ôxi hóa của H và O trong H2O là +1 và -2.

Bài 2: Xác định số ôxi hóa của các nguyên tố trong phân tử NH3.

Lời giải: Ta có thể áp dụng quy tắc 4 và 6 để suy ra số ôxi hóa của nitơ và hiđro trong NH3. Theo quy tắc 4, số ôxi hóa của hiđro bằng +1. Theo quy tắc 6, tổng số ôxi hóa của các nguyên tố trong NH3 bằng 0. Vì vậy, ta có thể viết phương trình:

x + 3(+1) = 0

Trong đó x là số ôxi hóa của nitơ. Giải phương trình, ta được x = -3. Vậy số ôxi hóa của N và H trong NH3 là -3 và +1.

Bài 3: Xác định số ôxi hóa của các nguyên tố trong phân tử CO2.

Lời giải: Ta có thể áp dụng quy tắc 3 và 6 để suy ra số ôxi hóa của cacbon và oxi trong CO2. Theo quy tắc 3, số ôxi hóa của oxi bằng -2. Theo quy tắc 6, tổng số ôxi hóa của các nguyên tố trong CO2 bằng 0. Vì vậy, ta có thể viết phương trình:

x + 2(-2) = 0

Trong đó x là số ôxi hóa của cacbon. Giải phương trình, ta được x = +4. Vậy số ôxi hóa của C và O trong CO2 là +4 và -2.

Bài 4: Xác định số ôxi hóa của các nguyên tố trong ion SO42-.

Lời giải: Ta có thể áp dụng quy tắc 3 và 6 để suy ra số ôxi hóa của lưu huỳnh và oxi trong SO42-. Theo quy tắc 3, số ôxi hóa của oxi bằng -2. Theo quy tắc 6, tổng số ôxi hóa của các nguyên tố trong SO42- bằng -2. Vì vậy, ta có thể viết phương trình:

x + 4(-2) = -2

Trong đó x là số ôxi hóa của lưu huỳnh. Giải phương trình, ta được x = +6. Vậy số ôxi hóa của S và O trong SO42- là +6 và -2.

Bài 5: Xác định số ôxi hóa của các nguyên tố trong phân tử OF2.

Lời giải: Ta có thể áp dụng quy tắc 3 và 5 để suy ra số ôxi hóa của oxi và flo trong OF2. Theo quy tắc 3, số ôxi hóa của oxi bằng -1 khi kết hợp với flo. Theo quy tắc 5, số ôxi hóa của flo luôn bằng -1. Vì vậy, số ôxi hóa của O và F trong OF2 là -1 và -1.