Nitơ là gì? Nitơ xuất hiện trong thực vật và động vật dưới dạng nào?

1. Khái niệm về khí Nitơ

1.1 Lịch sử khám phá Nitơ

Nitơ, từ tiếng Latinh 'nitrum' và tiếng Hy Lạp 'Nitron' (có nghĩa là “nguồn gốc của soda” hay “chất nền”), được phát hiện vào năm 1772 bởi Daniel Rutherford, người gọi nó là không khí độc hại hoặc không khí cố định. Vào cuối thế kỷ 18, các nhà hóa học đã biết đến phần không khí không hỗ trợ quá trình cháy. Nitơ cũng được nghiên cứu bởi Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish và Joseph Priestley, những người gọi nó là không khí bị cháy hoặc không khí phlogiston. Do tính chất trơ của nó, Antoine Lavoisier đã đặt tên là azode vào năm 1789, nghĩa là “không có sự sống”. Thuật ngữ này sau đó trở thành tên tiếng Pháp của “Nitơ” và được áp dụng trong nhiều ngôn ngữ khác. Năm 1790, Jean Antoine Chaptal chính thức đặt tên khí này là Nitơ.

Các hợp chất của nitơ đã được biết đến từ thời kỳ Trung cổ. Các nhà giả kim đã nhận ra axit nitric (HNO3) có sức mạnh đáng kể, và hỗn hợp axit nitric với axit clohydric (HCl) được gọi là nước cường toan vì khả năng hòa tan vàng của nó. Sử dụng nitơ trong công nghiệp và nông nghiệp bắt đầu từ xanthate (có thể là natri nitrat (NaNO3) hoặc kali nitrat (KNO3)), chủ yếu để sản xuất thuốc súng, sau đó là phân bón và các hóa chất khác. Năm 1910, Lord Rayleigh phát hiện ra “nitơ hoạt tính” qua phóng điện trong khí nitơ, tạo ra một dạng đơn nguyên tử với một “đám mây ánh sáng vàng” phản ứng với thủy ngân để tạo ra thủy ngân nitride dễ nổ.

1.2 Nitơ là gì?

Nitơ là nguyên tố chiếm phần lớn khí quyển, giúp bảo vệ Trái Đất khỏi tác động của bức xạ mặt trời. Với công thức hóa học N2, khí nitơ chiếm khoảng 78% không khí và là thành phần thiết yếu của tất cả các sinh vật sống. Nitơ có hai dạng chính là khí nitơ và nitơ lỏng. Nó đóng vai trò quan trọng trong các hợp chất hóa học và có nhiều ứng dụng trong đời sống, đặc biệt là trong sản xuất phân bón. Nitơ được sử dụng để tạo ra các hợp chất phân bón như amoniac (NH3) và nitrat (NO3-), cung cấp dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng.

Trong tự nhiên, nitơ tồn tại dưới dạng tự do và hợp chất. Dưới dạng tự do, nitơ chiếm khoảng 80% thể tích không khí. Dưới dạng hợp chất, nitơ có mặt trong protein, axit nucleic và nhiều hợp chất khác. Nitơ cũng có mặt trong NaNO3, một khoáng chất gọi là natri muối.

Nitơ còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất axit nitric, chế tạo động cơ máy bay, sản xuất thuốc nổ, chế tạo chất tẩy rửa và chất làm lạnh. Nó cũng được dùng để bảo quản thực phẩm và chất dẻo. Tuy nhiên, nồng độ nitơ cao trong môi trường có thể gây ô nhiễm nước và đất, đồng thời ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu hít phải trong thời gian dài. Nitơ lỏng, với những đặc tính hữu ích, thường xuyên được sử dụng trong đời sống hàng ngày.

1.3 Cấu trúc phân tử của Nitơ (N2)

- Nitơ thuộc nhóm VA với cấu hình electron ngoài cùng là ns2np3, vì vậy nó có khả năng vừa khử vừa oxi hóa.

- Cấu hình electron của phân tử N2 là 1s2 2s2 2p3. Các chỉ số oxi hóa của nó lần lượt là -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5.

2. Đặc điểm của Nitơ

2.1. Các đặc điểm vật lý của Nitơ:

Nitơ là một khí không màu, không mùi, không vị và nhẹ hơn không khí với tỉ trọng d = 28/29. Nó chuyển hóa thành chất lỏng ở nhiệt độ -196 độ C. Nitơ có tan trong nước không? Câu trả lời là nó chỉ tan kém trong nước và sẽ đông đặc ở nhiệt độ rất thấp. Nhiều người cũng thắc mắc về khả năng cháy của khí nitơ. Đáp án là không, nitơ không hỗ trợ quá trình cháy và hô hấp.

2.2. Đặc điểm hóa học của Nitơ:

Nitơ có năng lượng liên kết (EN) là 946 kJ/mol, vì vậy nó tương đối trơ ở nhiệt độ phòng. Nitơ chủ yếu phản ứng ở nhiệt độ cao. Các chỉ số oxi hóa của nitơ là -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Mặc dù nitơ có nhiều số oxi hóa, nó có tính oxi hóa đặc trưng hơn.

Tính oxi hóa của Nitơ: Cấu trúc phân tử nitơ có ba liên kết bền vững và nó tương tác với các nguyên tố hóa học để thể hiện tính oxi hóa.

– Phản ứng với hydro tạo thành H2: Nitơ kết hợp với hydro ở nhiệt độ và áp suất cao cùng với chất xúc tác để tạo ra amoniac.

– Phản ứng với kim loại: Ở nhiệt độ phòng, nitơ kết hợp với liti để tạo thành nitrua liti. Phương trình phản ứng là:

6Li + N2 -> 2Li3N

Khi nhiệt độ tăng cao, nitơ phản ứng với magiê để tạo thành magiê nitrua. Phương trình phản ứng là:

3Mg + N2 -> Mg3N2

Lưu ý rằng nitrat dễ bị phân hủy thành NH3. Nitơ chỉ có tính oxi hóa khi tương tác với các nguyên tố có độ âm điện thấp hơn.

Tính khử của khí Nitơ: Khí nitơ hoạt động như một chất khử khi phản ứng với các nguyên tố có độ âm điện cao hơn. Ở nhiệt độ khoảng 3000 độ C, nitơ phản ứng với oxy để tạo thành monoxit nitơ. Trong điều kiện thường, nitơ oxit sẽ kết hợp với oxy trong không khí để tạo thành nitơ đioxit, có màu nâu đỏ đặc trưng. Một số oxit khác của nitơ bao gồm N2O, N2O3, và N2O5, nhưng chúng không được tạo ra trực tiếp từ oxy và nitơ.

3. Nitơ tồn tại dưới dạng nào trong xác động vật và thực vật?

Câu hỏi: Nitơ trong xác thực vật tồn tại dưới dạng nào?

A. Nitơ hữu cơ, mà cây không thể hấp thụ trực tiếp.

B. Nitơ phân tử tự do, mà cây chỉ có thể sử dụng nhờ vào vi sinh vật cố định nitơ.

C. Nitơ có thể gây hại cho cây.

D. Nitơ dưới dạng muối khoáng có thể được cây hấp thụ.

Đáp án chính xác: A. Nitơ hữu cơ không thể được cây hấp thụ trực tiếp.

Giải thích lý do vì sao lựa chọn A là đúng: Nitơ hữu cơ có trong đất và thực vật không thể được cây hấp thụ trực tiếp mà cần phải được chuyển hóa thành dạng khác.

Nitơ là một nguyên tố phổ biến trong tự nhiên, chủ yếu có mặt trong không khí và trong đất.

Nitơ trong không khí: Nitơ phân tử (N2) chiếm khoảng 80% không khí, nhưng cây không thể hấp thụ trực tiếp N2. Các hợp chất như NO và NO2 có mặt trong khí quyển và có thể gây hại cho thực vật. Để cây có thể sử dụng nitơ, vi sinh vật cần chuyển đổi N2 thành NH3 nhờ enzim nitrogenaza.

Nitơ trong đất: Đất là nguồn cung cấp chính nitơ cho cây trồng. Nitơ trong đất tồn tại dưới hai dạng chính: nitơ vô cơ (khoáng) và nitơ hữu cơ (trong xác sinh vật). Rễ cây chỉ hấp thụ nitơ vô cơ dưới dạng NH+4 và NO−3, còn nitơ trong xác sinh vật phải được các vi sinh vật trong đất chuyển hóa thành NH+4 và NO−3 trước khi cây có thể hấp thụ.

Chu trình sinh địa hóa

– Chu trình sinh địa hóa mô tả quá trình trao đổi các chất vô cơ trong tự nhiên, từ môi trường vào cơ thể sinh vật, qua các bậc dinh dưỡng, và sau đó từ cơ thể sinh vật trở lại môi trường.

– Chu trình sinh địa hóa giúp duy trì sự cân bằng vật chất trong sinh quyển. Trong đó, chu trình Nitơ – N, chiếm 79% thể tích khí quyển, là một khí trơ.

– Thực vật tiếp nhận nitơ dưới dạng các muối như NH4+ (amoni), NO3- (nitrat), NO2- (nitrit). Các muối này được hình thành tự nhiên thông qua các quá trình vật lý, hóa học và sinh học.

Quá trình cố định nitơ phân tử

– Đây là quá trình liên kết N2 với H2 để tạo ra NH3, và trong môi trường nước, NH3 chuyển thành NH4+.

– Con đường hóa học: xảy ra trong ngành công nghiệp.

– Con đường sinh học: được thực hiện bởi các vi sinh vật, đặc biệt là những vi khuẩn có enzim nitrogenaza. Enzim này giúp bẻ gãy ba liên kết cộng hóa trị của nitơ để kết hợp với hidro, tạo ra NH3. Quá trình này bao gồm hai nhóm chính:

+ Các vi sinh vật sống tự do như vi khuẩn lam thường xuất hiện nhiều trong ruộng lúa.

+ Các vi sinh vật sống cộng sinh với thực vật, chẳng hạn như vi khuẩn nốt sần có mặt ở rễ cây họ Đậu.

Các dạng nitơ phổ biến trong cơ thể sống bao gồm:

– Protein: Nitơ là một thành phần thiết yếu của protein, một hợp chất quan trọng trong các tế bào sống. Nitơ trong protein được dùng để tổng hợp amino axit, các đơn vị cấu trúc chính của protein.

– Acid nucleic: Nitơ cũng hiện diện trong acid nucleic (ADN và ARN), các phân tử quan trọng trong việc lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền.

– Amoniac: Amoniac (NH3) là một hợp chất chứa nitơ có thể được cơ thể sống sản xuất và dùng để tổng hợp các hợp chất khác như ure và guanin.

– Nitrat và nitrit: Nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) là các hợp chất chứa nitơ thường gặp trong thực phẩm và nước uống. Chúng cũng có thể được cơ thể sử dụng để tạo ra các hợp chất khác.

Ứng dụng của Nitơ: Nitơ có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và ngành công nghiệp, chẳng hạn:

– Sản xuất phân bón: Nitơ được dùng để chế tạo các hợp chất phân bón như amoniac và nitrat, cung cấp dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng.

– Sản xuất chất tẩy rửa: Nitơ được ứng dụng trong việc sản xuất các hợp chất tẩy rửa như amoniac, sodium hypochlorite và nhiều chất tẩy rửa khác.

– Sản xuất động cơ máy bay: Nitơ được dùng để tạo khí nén cho động cơ máy bay.

– Sản xuất chất làm lạnh: Nitơ được áp dụng làm chất làm lạnh trong các hệ thống điều hòa và làm lạnh.

– Sản xuất axit nitric: Nitơ là nguyên liệu chính để chế tạo axit nitric, một hợp chất thiết yếu trong sản xuất chất tẩy rửa, thuốc nổ và nhiều sản phẩm khác.

– Ứng dụng trong y tế: Nitơ được sử dụng để làm chất làm lạnh trong phẫu thuật, và để chế tạo các hợp chất như nitơ lỏng và oxy nitơ cho các liệu pháp điều trị y tế.

– Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm: Nitơ giúp bảo quản thực phẩm và hạn chế sự phát triển của vi khuẩn trong thực phẩm.

– Ứng dụng trong sản xuất chất dẻo: Nitơ được dùng để chế tạo các hợp chất như nylon, polyurethane và nhiều loại chất dẻo khác.

Rõ ràng, Nitơ có nhiều ứng dụng thiết yếu trong cuộc sống và công nghiệp, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Bài viết của Mytour đã cung cấp thông tin về khí Nitơ và sự hiện diện của nó trong xác động vật, thực vật. Mong rằng bài viết mang lại giá trị hữu ích cho bạn đọc. Cảm ơn bạn đã theo dõi!