《化学必修第二册》——5、氮气和氮氧化物(化学氮气与氮氧化物笔记)

氮元素在元素周期表中的位置:第二周期第ⅤA族。

氮原子的结构:最外层5个电子,不容易失电子,可得到3个电子成为稳定结构。

《化学必修第二册》——5、氮气和氮氧化物(化学氮气与氮氧化物笔记)

氮原子的结构

预测氮元素的性质:氮原子一般通过形成共用电子对(即形成共价键),与其它原子相互结合构成物质。

氮元素的存在:

游离态的氮元素,以氮气分子的形式存在于空气中,约占空气体积的78%。

化合态的氮元素存在动植物体内的蛋白质中,土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中,如硝酸钾、硫酸铵等。

氮元素是构成蛋白质的必须元素,是自然界各种生物生命活动不可缺少的重要元素,农业生产中必须大量使用氮肥。

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自然界中氮元素的循环

一、氮气与氮的固定

氮气是一种无色无味的气体,不溶于水,是空气的主要成分。

根据氮原子核外电子排布和氮气分子的结构,推测氮气的性质。氮气分子的电子式和结构式:

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氮分子内两个氮原子各拿3个电子形成三键,断开该化学键需要较多的能量,所以氮气的化学性质很稳定,通常很难与其他物质发生化学反应。也不能被生物体直接吸收,在工业上用途保护气。

在高温、放电等条件下,氮气得到了足够的能量,N≡N断裂,就能与一些金属或非金属发生化合反应,如镁、氢气、氧气等物质。

《化学必修第二册》——5、氮气和氮氧化物(化学氮气与氮氧化物笔记)

分析上述反应中化合价的升降,氮气与金属反应时作氧化剂,表现出氧化性,与氧气反应时作还原剂,表现出还原性。

上面的化学反应都能将空气中游离态的氮元素转化为含氮的化合物,这种过程叫氮的固定。

大气中发生雷电时,释放出巨大的能量,可将氮气与氧气化合成一氧化氮,是自然固氮的一种。

豆科植物的根瘤菌将氮气直接转化成氨(NH3),这是生物固氮,也是自然固氮的一种。

自然固氮要么难以直接利用,要么难以满足工农业生产的需要。人类通过控制反应条件,将氮气氧化或还原成氮的化合物,实现人工固氮。

最重要的人工固氮是工业合成氨,其原理是用氢气将氮气合成氨,但由于氮气的化学性质很不活泼,这个反应要工业化是一个难题。1909年德国化学家哈伯在500-600℃、17.5Mpa-20.0Mpa和锇作催化剂的条件下,反应后氨的含量可超过6%。之后,德国工程师博施将其转化为工业生产,合成氨工业化生产得以实现。

合成氨工业化的重要意义:为农作物的生长提供了必须的氮元素,氮肥如尿素、硫酸铵、氯化铵等;为其它化学工业提供了重要的原料,如炸药、农药、染料等。

二、一氧化氮和二氧化氮

氮元素的化合价除了-3、0价外,还有 1、 2、 3、 4、 5价等,它们均存在对应的氧化物,一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、三氧化二氮(N2O3)、二氧化氮(NO2)、四氧化二氮(N2O4)、五氧化二氮(N2O5),其中比较重要的是一氧化氮、二氧化氮。

NO和NO2的物理性质:

氧化物

一氧化氮

二氧化氮

颜色

无色

红棕色

状态

气体

气体

气味

刺激性气味

毒性

有毒

有毒

溶解性

不溶于水

易溶于水

NO和NO2的化学性质:

NO在通常情况下就很容易被氧气氧化,生成NO2,气体由无色变红棕色,常用于NO的检验。

2NO+O2 = 2NO2

NO2溶于于水会发生自身的氧化还原反应,生成硝酸和一氧化氮。

3NO2+H2O = 2HNO3+NO

思考:

实验室中怎样收集一氧化氮、二氧化氮气体。

一氧化氮一般用排水法收集,不能用排空气法收集;二氧化氮不能用排水法收集,一般用瓶口向上的排空气法收集。

实验:一氧化氮、二氧化氮、氧气和水之间的反应

操作:在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO,然后吸入5 mL水,用乳胶管和弹簧夹封住管口,振荡注射器。打开弹簧夹,快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹,观察现象,振荡注射器,再观察现象。

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现象:吸入一氧化氮和水后,无明显现象;再吸入空气后,无色气体变为红棕色;再振荡,红棕色气体逐渐变为无色,气体体积缩小。

结论:

NO不溶于水,也不与水反应,但能与氧气反应生成红棕色的NO2。

NO2能与水反应生成无色的NO,体积减小。

思考:

如果要将注射器中的NO充分转化为硝酸,可以采取什么措施?上述实验对工业上生产硝酸有什么启示?

可以继续通入过量的空气将一氧化氮氧化,二氧化氮再溶于水,两个反应不断循环,理论上氮的氧化物可以全部转化成硝酸。

4NO2+O2+2H2O = 4HNO3

4NO+3O2+2H2O = 4HNO3

在工业上生产硝酸的过程中,只要提供充足的氧气,可以使NO或NO2完全吸收,全部转化为硝酸。

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云水散人

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