Trả lời nhanh
Phân tử N₂ có liên kết ba N≡N rất bền (năng lượng khoảng 945 kJ/mol, độ dài khoảng 110 pm) nên ở điều kiện thường rất khó bị phá vỡ. Phân tử Cl₂ chỉ có liên kết đơn Cl–Cl kém bền (khoảng 243 kJ/mol). Vì vậy độ âm điện gần nhau nhưng N₂ trơ, còn Cl₂ hoạt động hoá học mạnh.
Đề bài
Mặc dù chlorine có độ âm điện là 3,16 xấp xỉ với nitrogen là 3,04 nhưng ở điều kiện thường, nitrogen là chất khí rất trơ, còn chlorine hoạt động hoá học mạnh. Hãy giải thích.
Giải thích chi tiết
Độ âm điện cho biết khả năng hút electron của nguyên tử trong liên kết. Còn khả năng phản ứng của đơn chất trước hết phụ thuộc vào việc phải tốn bao nhiêu năng lượng để phá vỡ liên kết trong phân tử. Hai đại lượng này không đồng nhất với nhau.
- Nitrogen: mỗi nguyên tử N có 5 electron hoá trị, góp chung 3 electron để tạo phân tử N≡N (một liên kết σ và hai liên kết π). Liên kết ba ngắn, mật độ electron lớn nên năng lượng liên kết rất cao (khoảng 945 kJ/mol). Muốn N₂ phản ứng phải phá liên kết này, cần nhiệt độ hoặc năng lượng rất lớn.
- Chlorine: mỗi nguyên tử Cl có 7 electron hoá trị, góp chung 1 electron tạo liên kết đơn Cl–Cl. Liên kết dài hơn (khoảng 199 pm), năng lượng chỉ khoảng 243 kJ/mol nên dễ bị phá vỡ. Nguyên tử Cl sinh ra lại hút electron mạnh nên phản ứng dễ dàng.
Bảng so sánh N₂ và Cl₂
| Tiêu chí | N₂ | Cl₂ |
|---|---|---|
| Độ âm điện của nguyên tử | 3,04 | 3,16 |
| Loại liên kết trong phân tử | Liên kết ba N≡N | Liên kết đơn Cl–Cl |
| Năng lượng liên kết (xấp xỉ) | 945 kJ/mol | 243 kJ/mol |
| Điều kiện phản ứng | Nhiệt độ cao, tia lửa điện, xúc tác | Nhiệt độ thường hoặc đun nhẹ, có ánh sáng |
Minh hoạ bằng phản ứng
Cl₂ phản ứng dễ dàng:
- 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (đun nóng; khói màu nâu đỏ).
- H₂ + Cl₂ → 2HCl (ánh sáng hoặc đốt; phản ứng mạnh, có thể gây nổ).
N₂ chỉ phản ứng khi điều kiện khắc nghiệt:
- N₂ + O₂ ⇌ 2NO (tia lửa điện hoặc khoảng 3000 °C).
- N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (khoảng 450–500 °C, 200–300 atm, xúc tác Fe).
- N₂ + 3Mg → Mg₃N₂ (đun nóng).
Lỗi sai thường gặp
- Chỉ so sánh độ âm điện rồi kết luận N₂ cũng hoạt động mạnh như Cl₂. Đây là nhầm lẫn giữa tính chất của nguyên tử và của phân tử đơn chất.
- Cho rằng N₂ trơ vì phân tử phân cực. Thực tế N₂ không phân cực, nhưng nguyên nhân chính của tính trơ là liên kết ba bền.
- Nói “nitrogen là phi kim yếu”. Nguyên tử N có độ âm điện lớn, tính phi kim mạnh; chỉ là phân tử N₂ khó phản ứng ở điều kiện thường.
Mẹo nhớ: “Liên kết ba – khó phá; liên kết đơn – dễ gãy”. Khi hỏi vì sao đơn chất trơ hay hoạt động, hãy nghĩ đến năng lượng liên kết trước.
Luyện tập
- Năng lượng liên kết N≡N lớn gấp khoảng bao nhiêu lần Cl–Cl?
Đáp án: 945 : 243 ≈ 3,9 lần. - Vì sao khí quyển chứa khoảng 78% N₂ nhưng ta không thấy N₂ phản ứng với O₂ ở điều kiện thường?
Đáp án: do liên kết N≡N rất bền, phản ứng với O₂ cần nhiệt độ rất cao hoặc tia lửa điện. - Vì sao người ta dùng N₂ để bảo quản thực phẩm, tạo môi trường trơ?
Đáp án: N₂ không phản ứng với thực phẩm ở điều kiện thường nên hạn chế oxi hoá.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao nitrogen có độ âm điện lớn mà vẫn trơ ở điều kiện thường?
Vì tính trơ của N₂ do liên kết ba N≡N rất bền (khoảng 945 kJ/mol), cần nhiều năng lượng để phá vỡ. Độ âm điện chỉ nói về nguyên tử, không quyết định độ bền phân tử.
Liên kết trong phân tử Cl₂ là liên kết gì?
Là liên kết cộng hoá trị không phân cực, gồm một cặp electron dùng chung (liên kết đơn Cl–Cl), năng lượng khoảng 243 kJ/mol nên dễ bị phá vỡ.
Khi nào nitrogen phản ứng được?
N₂ phản ứng ở nhiệt độ cao hoặc có tia lửa điện, ví dụ với O₂ tạo NO, với H₂ (xúc tác, áp suất cao) tạo NH₃, hoặc với kim loại hoạt động như Mg khi đun nóng.