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氮(化学元素)

氮是一种化学元素,它的化学符号是N,它的原子序数是7。氮是空气中最多的元素,在自然界中存在十分广泛,在生物体内亦有极大作用,是组成氨基酸的基本元素之一。

氮及其化合物在生产生活中应用广泛。

1772年由瑞典药剂师舍勒发现,后由法国科学家拉瓦锡确定是一种元素。

1787年由拉瓦锡和其他法国科学家提出,氮的英文名称nitrogen,是"硝石组成者“的意思。中国清末化学家启蒙者徐寿在第一次把氮译成中文时曾写成“淡气”,意思是说,它“冲淡”了空气中的氧气。

元素名来源于希腊文,原意是“硝石”。

氮在地壳中的含量很少,自然界中绝大部分的氮是以单质分子氮气的形式存在于大气中,氮气占空气体积的百分之七十八。氮的最重要的矿物是硝酸盐。 [1]

氮在地壳中的重量百分比含量是0.0046%,总量约达到4×1012吨。动植物体中的蛋白质都含有氮。土壤中有硝酸盐,例如KNO。在南美洲智利有硝石矿(NaNO),这是世界上唯一的这种矿藏,是少见的含氮矿藏。 [2] 宇宙星际已发现含氮分子,如NH、HCN等。

氮的丰度1.8×10占16位。自然界的氮有两种同位素,分别为99.63%、0.365%。 [3]

在室温下不与空气,碱,水反应,加热到3273K时,只有0.1%分解,因此,N2是化学特性物质, [3]

氮的最重要的矿物是硝酸盐。氮有两种天然同位素:氮14和氮15,其中氮14的丰度为99.625%。

晶体结构:晶胞为六方晶胞。
  
  元素类型:非金属元素

氮气为无色、无味的气体。 [4] 氮通常的单质形态是氮气。它无色无味无臭,是很不易有化学反应呈化学惰性的气体,而且它不支持燃烧。

主要成分:高纯氮≥99.999%; 工业级 一级≥99.5%; 二级≥98.5%。

外观与性状:无色无臭气体。

溶解性:微溶于水、乙醇。

主要用途:用于合成氨,制硝酸,用作物质保护剂,冷冻剂。 [4]

CAS号

7727-37-9。

熔点(℃)

-209.8

沸点(℃)

-195.6

相对密度(水=1)

0.81(-196℃)

相对蒸气密度(空气=1)

0.97

饱和蒸气压(kPa)

1026.42(-173℃)

临界温度(℃)

-147

临界压力(MPa)

3.40

原子体积:(立方厘米/摩尔)

17.3

元素在太阳中的含量(ppm)

1000

太平洋表面

0.00008

氧化态

Main N-3,N-2,N-1,N+1,N+2,N+3,N+4,N+5Other

相对原子质量

14.0037

原子核亏损质量

0.109383u(u代表原子量)

所属周期

2

所属族数

VA

电子层分布

L2-K5

N原子的价电子层结构为2s2p3,即有3个成单电子和一对孤电子对,以此为基础,在形成化合物时,可生成如下三种键型:

形成离子键

N原子有较高的电负性(3.04),它同电负性较低的金属,如Li(电负性0.98)、Ca(电负性1.00)、Mg(电负性1.31)等形成二元氮化物时,能够获得3个电子而形成N3-离子。

N+ 6Li = 2 LiN

N+ 3Mg =点燃= MgN

N3-离子的负电荷较高,半径较大(171pm),遇到水分子会强烈水解,因此的离子型化合物只能存在于干态,不会有N3-的水合离子。

形成共价键

N原子同电负性较高的非金属形成化合物时,形成如下几种共价键:

⑴N原子采取sp3杂化态,形成三个共价键,保留一对孤电子对,分子构型为三角锥型,例如NH、NF、NCl等。

若形成四个共价单键,则分子构型为正四面体型,例如NH+离子。

⑵N原子采取sp2杂化态,形成2个共价双键和1个单键,并保留有一对孤电子对,分子构型为角形,例如ClN=O。(N原子与Cl 原子形成一个σ 键和一个π键,N原子上的一对孤电子对使分子成为角形。)

若没有孤电子对时,则分子构型为三角形,例如HNO分子或NO-离子。硝酸分子中N原子分别与三个O原子形成三个σ键,它的π轨道上的一对电子和两个O原子的成单π电子形成一个三中心四电子的不定域π键。在硝酸根离子中,三个O原子和中心N原子之间形成一个四中心六电子的不定域大π键。

这种结构使硝酸中N原子的表观氧化数为+5,由于存在大π键,硝酸盐在常况下是足够稳定的。

⑶N原子采取sp 杂化,形成一个共价叁键,并保留有一对孤电子对,分子构型为直线形,例如N分子和CN-中N原子的结构。 [5]

形成配位键

N原子在形成单质或化合物时,常保留有孤电子对,因此这样的单质或化合物便可作为电子对给予体,向金属离子配位。例如[Cu(NH)]2+

氮共有九种氧化物:一氧化二氮(NO)、一氧化氮(NO)、一氧化氮二聚体(NO)、二氧化氮(NO)、三氧化二氮(NO)、四氧化二氮(NO)、五氧化二氮(NO)、叠氮化亚硝酰(NO),第九种氮的氧化物三氧化氮(NO)作为不稳定的中间体存在于多种反应之中。 [5]

氮在自然界主要以双原子分子的形式存在于大气中,因而工业上由液态空气分馏来获得氮气。产品通常储存在钢瓶中出售。从空气分馏得到的氮气纯度约为99% [6] ,其中含少量的氧气、氩气及水等杂质。

藉由分馏液态空气可获得氮气。

工业上用分馏液态空气(沸点N=62.93K,O=90K,Ar=83K),可得纯度为99%的“普氮”(其余1%为O及稀有气体)。普氮纯化得电子度为99.9%的高纯氮。 [3]

实验室制备少量氮气的方法很多。例如,可由固体亚硝酸铵的热分解来产生氮气。

此反应剧烈,不易控制。故常采取在饱和亚硝酸钠溶液中,滴加热的饱和氯化钠溶液,或直接温热饱和亚硝酸铵溶液的办法来得到氮气。这样制得的氮气含少量氨、一氧化氮、氧气及水等杂质。

上述反应是爆发式的,但若加入硫酸盐则可控制。

将氨气通入溴水也能制备氮气。经净化除去少量氨、溴及水等杂质后,可得较纯的氮气。

8NH+3Br=N

氯气也可氧化氨气生成氮气。

(过量氨气继续与氯化氢反应)

光谱纯的氮气则可由小心地加热非常干燥的叠氮化钡或叠氮化钠而制得。(反应剧烈,要注意控制温度,加入缓释剂)

氮的惰性广泛用于电子、钢铁、玻璃工业者 性 盖介质,还用于灯泡和膨胀橡胶的填充物,工业上用于保护油类、粮食、精密实验中用作保护气体。 [3]

氮在室温时,能与许多直接化合,如、Li、Mg、Cia、Al、B等,反应生成氮化:

N(g)+3Mg(s)→MgN(s)。 [3]

N与O在高温(~2273K)或放电条件下直接化合N+O→2NO,这是固定氮的一种方法,估计地球上每年由“雷电合成”氮化合物达4~5亿吨,而人工合成氮化合物1亿吨左右。 [3]

氮是植物生长的必需养分之一,它是每个活细胞的组成部分。植物需要大量氮。

氮素是叶绿素的组成成分,叶绿素a和叶绿素ß都是含氮化合物。绿色植物进行光合作用,使光能转变为化学能,把无机物(二氧化碳和水)转变为有机物(葡萄糖)是借助于叶绿素的作用。葡萄糖是植物体内合成各种有机物的原料,而叶绿素则是植物叶子制造“粮食”的工厂。氮也是植物体内维生素和能量系统的组成部分。

氮素对植物生长发育的影响是十分明显的。当氮素充足时,植物可合成较多的蛋白质,促进细胞的分裂和增长,因此植物叶面积增长炔,能有更多的叶面积用来进行光合作用。

此外,氮素的丰缺与叶子中叶绿素含量有密切的关系。能从叶面积的大小和叶色深浅上来判断氮素营养的供应状况。在苗期,一般植物缺氮往往表现为生长缓慢,植株矮小,叶片薄而小,叶色缺绿发黄。禾本科作物则表现为分孽少。生长后期严重缺氮时,则表现为穗短小,籽粒不饱满。在增施氮肥以后,对促进植物生长健壮有明显的作用。往往施用后,叶色很快转绿,生长量增加。但是氮肥用量不宜过多,过量施用氮素时,叶绿素数量增多,能使叶子更长久地保持绿色,以致有延长生育期、贪青晚熟的趋势。对一些块根、块茎作物,如糖用甜菜,氮素过多时,有时表现为叶子的生长量显著增加,但具有经济价值的块根产量却少得使人失望。 [7]

由于氮是一种重要肥料,所以把氮气转化为氮的化合物的方法叫做氮的固定。主要用于农业上。又分生物、自然、人工固氮3种。

一种固氮的方式是利用植物的根瘤菌根瘤菌是一种细菌,能使豆科植物的根部形成根瘤在自然条件下,它能把空气中的氮气转化为含氮的化合物供植物利用。“种豆子不上肥,连种几年地更肥”就是讲的这个道理。 [5]

氮是构成蛋白质的主要成分,对茎叶的生长和果实的发育有重要作用,是与产量最密切的营养元素。在第一穗果迅速膨大前,植株对氮素的吸收量逐渐增加。

以后在整个生育期中,特别是结果盛期,吸收量达到最高峰。土壤缺氮时,植株矮小,叶片黄化,花芽分化延迟,花芽数减少,果实小,坐果少或不结果,产量低,品质差。氮素过多时,植株徒长,枝繁叶茂,容易造成大量落花,果实发育停滞,含糖量降低,植株抗病力减弱。番茄对氮肥的需要,苗期不可缺少,适当控制,防止徒长;结果期应勤施多施,确保果实发育的需要。

氮素是合成绿叶素的组成部分,叶绿素a和叶绿素b中都有含氮化合物。叶绿素是植物制造碳水化合物的工厂。氮素能合成蛋白质,促进细胞分裂和增长。 [7]

蛋白质在消化道内被分解为氨基酸和小分子短肽,并被吸收,大部分用于合成组织蛋白,以供运动后被损肌肉组织的修复和生长,部分用于合成各种功能蛋白和蛋白质以外的含氮化合物,如嘌呤,肌酸。部分氨基酸吸收后,在体内分解供能。

机体在完全不摄入蛋白质的情况下,体内的蛋白质仍然在分解与合成,一个60公斤体重的成年男子每日仍然会从尿,粪,皮肤及分泌物等途径排出3.2克氮,相当于20克蛋白质。这种完全不摄入蛋白质时,机体不可避免的消耗氮量称为“必要的氮损失”。这就是说一个60公斤体重的成年男子,每日至少要摄入20克优质蛋白质。才可以维持肌体内正常的蛋白质代谢。

在一定的时间内,摄入的氮量和排出的氮量之间的关系,就称之为“氮平衡”用以衡量人体蛋白质的需要量和评价人体肌肉蛋白质的状况。

氮平衡有三种情况:

1.氮平衡:在一定的时间内,摄入的氮量与排出的氮量相等。则表示人体内蛋白质的合成与分解处在平衡状态,人体的肌肉围度处于原来的围度与水平。

2.正氮平衡:摄入氮量大于排出氮量,蛋白质的合成大于分解量,运动后被破坏的肌肉纤维就会迅速修复、增长。

3.负氮平衡:摄入的氮量小于排除的氮量,蛋白质的合成小于分解,此时人体的肌肉蛋白为保证机体活动进行分解供能,肌肉处于消减状态。 [4]

安全防护:氮元素以单质(氮气)形式存在时无毒,以化合物形式存在时常常有毒,典型的比如说氨、亚硝酸根等。

接触氮气时无需特别防护,接触液氮时需注意防止冻伤。


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