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氮氣

發(fā)布時間:2024-12-30
物理性質(zhì)
氮在常況下是一種無色無味無嗅的氣體,且通常無毒。氮氣占大氣總量的78.12%(體積分數(shù)),在標準情況下的氣體密度是1.25g·dm-3,氮氣在標準大氣壓下,冷卻至-195.8℃時,變成沒有顏色的液體,冷卻至-209.86℃時,液態(tài)氮變成雪狀的固體。
氮氣在水里溶解度很小,在常溫常壓下,1體積水中大約只溶解0.02體積的氮氣。它是個難于液化的氣體。在水中的溶解度很小,在283k時,一體積水約可溶解0.02體積的n2,氮氣在極低溫下會液化成白色液體,進一步降低溫度時,更會形成白色晶狀固體。在生產(chǎn)中,通常采用灰色鋼瓶盛放氮氣。
化學性質(zhì)
氮分子結(jié)構(gòu)式
氮氣分子的分子軌道式為,對成鍵有貢獻的是三對電子,即形成兩個π鍵和一個σ鍵。對成鍵沒有貢獻,成鍵與反鍵能量近似抵消,它們相當于孤電子對。由于n2分子中存在叁鍵n≡n,所以n2分子具有很大的穩(wěn)定性,將它分解為原子需要吸收941.69kj/mol的能量。n2分子是已知的雙原子分子中zui穩(wěn)定的,氮氣的相對分子質(zhì)量是27。
氮氣結(jié)構(gòu)式
檢驗方法:
將燃著的mg條伸入盛有氮氣的集氣瓶,mg條會繼續(xù)燃燒(mg可在任何環(huán)境燃燒)
提取出燃燒剩下的灰燼(白色粉末mg3n2),加入少量水,產(chǎn)生使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的氣體(氨氣)
反應(yīng)方程式:3mg+n2=點燃=mg3n2(氮化鎂);mg3n2+6h2o=3mg(oh)2↓+2nh3↑
由氮元素的氧化態(tài)-吉布斯自由能圖也可以看出,除了nh4離子外,氧化數(shù)為0的n2分子在圖中曲線的zui低點,這表明相對于其它氧化數(shù)的氮的化合物來講,n2是熱力學穩(wěn)定狀態(tài)。氧化數(shù)為0到+5之間的各種氮的化合物的值都位于hno3和n2兩點的連線(圖中的虛線)的上方,因此,這些化合物在熱力學上是不穩(wěn)定的,容易發(fā)生歧化反應(yīng)。在圖中*的一個比n2分子值低的是nh4+離子。(詳細氧化態(tài)-吉布斯自由能圖請參照http://www.jky.gxnu.edu.cn/jpkc/kj/kj14.ppt)
由氮元素的氧化態(tài)-吉布斯自由能圖和n2分子的結(jié)構(gòu)均可以看出,單質(zhì)n2不活潑,只有在高溫高壓并有催化劑存在的條件下,氮氣可以和氫氣反應(yīng)生成氨:
在放電條件下,氮氣才可以和氧氣化合生成一氧化氮:n2+o2=放電=2no
一氧化氮與氧氣迅速化合,生成二氧化氮2no+o2=2no2
二氧化氮溶于水,生成硝酸,一氧化氮3no2+h2o=2hno3+no
在水力發(fā)電很發(fā)達的國家,這個反應(yīng)已用于生產(chǎn)硝酸。
n2于氫氣反應(yīng)制氨氣:n2+3h2===(可逆符號)2nh3
n2與電離勢小,而且其氮化物具有高晶格能的金屬能生成離子型的氮化物。例如:
n2與金屬鋰在常溫下就可直接反應(yīng):6li+n2===2li3n
n2與堿土金屬mg、ca、sr、ba在熾熱的溫度下作用:3ca+n2===ca3n2
n2與硼和鋁要在白熱的溫度才能反應(yīng):2b+n2===2bn(大分子化合物)
n2與硅和其它族元素的單質(zhì)一般要在高于1473k的溫度下才能反應(yīng)。
制備方法
工業(yè)制法:單質(zhì)氮一般是由液態(tài)空氣的分餾而制得的,常以1.5210pa的壓力把氮氣裝在氣體鋼瓶中運輸和使用。一般鋼瓶中氮氣的純度約99.7%。為獲得純氮,可在上述氮氣中加入少量氨,并以pt作催化劑,將氧除去,也可使不純的氮通過赤熱的銅或其他金屬以除去微量的氧。
實驗室制法:制備少量氮氣的基本原理是用適當?shù)难趸瘎被蜾@鹽氧化,zui常用的是如下幾種方法:
⑴加熱亞硝酸銨的溶液:(343k)nh4no2=====n2↑+2h2o
⑵*與氯化銨的飽和溶液相互作用:nh4cl+nano2===nacl+2h2o+n2↑
⑶將氨通過紅熱的氧化銅:2nh3+3cuo===3cu+3h2o+n2↑
⑷氨與溴水反應(yīng):8nh3+3br2(aq)===6nh4br+n2↑
⑸重鉻酸銨加熱分解:(nh4)2cr2o7===n2↑+cr2o3+4h2o
氮的用途
氮主要用于合成氨,反應(yīng)式為n2+3h2=2nh3(條件為高壓,高溫、和催化劑。反應(yīng)為可逆反應(yīng))還是合成纖維(錦綸、腈綸),合成樹脂,合成橡膠等的重要原料。由于氮的化學惰性,常用作保護氣體。以防止某些物體暴露于空氣時被氧所氧化,用氮氣填充糧倉,可使糧食不霉爛、不發(fā)芽,長期保存。液氨還可用作深度冷凍劑。作為冷凍劑在醫(yī)院做除斑,包,豆等的手術(shù)時常常也使用,即將斑,包,豆等凍掉,但是容易出現(xiàn)疤痕,并不建議使用。
在汽車上氮氣有著非常重要的作用:
1.提高輪胎行駛的穩(wěn)定性和舒適性。氮氣幾乎為惰性的雙原子氣體,化學性質(zhì)極不活潑,氣體分子比氧分子大,不易熱脹冷縮,變形幅度小,其滲透輪胎胎壁的速度比空氣慢約30~40%,能保持穩(wěn)定胎壓,提高輪胎行駛的穩(wěn)定性,保證駕駛的舒適性;氮氣的音頻傳導性低,相當于普通空氣的1/5,使用氮氣能有效減少輪胎的噪音,提高行駛的寧靜度。
2.防止爆胎和缺氣碾行。爆胎是公路交通事故中的*殺手。據(jù)統(tǒng)計,在高速公路上有46%的交通事故是由于輪胎發(fā)生故障引起的,其中爆胎一項就占輪胎事故總量的70%。汽車行駛時,輪胎溫度會因與地面磨擦而升高,尤其在高速行駛及緊急剎車時,胎內(nèi)氣體溫度會急速上升,胎壓驟增,所以會有爆胎的可能。而高溫導致輪胎橡膠老化,疲勞強度下降,胎面磨損劇烈,又是可能爆胎的重要因素。而與一般高壓空氣相比,高純度氮氣因為無氧且?guī)缀醪缓莶缓?,其熱膨脹系?shù)低,熱傳導性低,升溫慢,降低了輪胎聚熱的速度,不可然也不助然等特性,所以可大大地減少爆胎的幾率。
3.延長輪胎使用壽命使用氮氣后,胎壓穩(wěn)定體積變化小,大大降低了輪胎不規(guī)則磨擦的可能性,如冠磨、胎肩磨、偏磨,提高了輪胎的使用壽命;橡膠的老化是受空氣中的氧分子氧化所致,老化后其強度及彈性下降,且會有龜裂現(xiàn)象,這時造成輪胎使用壽命縮短的原因之一。氮氣分離裝置能極大限度地排除空氣中的氧氣、硫、油、水和其它雜質(zhì),有效降低了輪胎內(nèi)襯層的氧化程度和橡膠被腐蝕的現(xiàn)象,不會腐蝕金屬輪輞,延長了輪胎的使用壽命,也極大程度減少輪輞生銹的狀況。
4.減少油耗,保護環(huán)境。輪胎胎壓的不足與受熱后滾動阻力的增加,會造成汽車行駛時的油耗增加;而氮氣除了可以維持穩(wěn)定的胎壓,延緩胎壓降低之外,其干燥且不含油不含水,熱傳導性低,升溫慢的特性,減低了輪胎行走時溫度的升高,以及輪胎變形小抓地力提高等,降低了滾動阻力,從而達到減少油耗的目的。
使用注意事項
毒性與防護:
1、呼吸系統(tǒng)防護:一般不需特殊防護。但當作業(yè)場所空氣中氧氣濃度低于18%時,必須佩戴空氣呼吸器、氧氣呼吸器或長管面具。
2、眼睛防護:戴安全防護面罩。
3、其它防護:避免高濃度吸入密閉操作,提供良好的自然通風條件。操作人員必須經(jīng)過專門培訓,嚴格遵守操作規(guī)程。防止氣體泄漏到工作場所空氣中。搬運時輕裝輕卸,防止鋼瓶及附件破損。配備泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。
消防應(yīng)急措施與防護:
迅速撤離泄漏污染區(qū)人員至上風處,并進行隔離,嚴格限制出入。建議應(yīng)急處理人員戴自給正壓式呼吸器。不要直接接觸泄漏物。盡可能切斷泄漏源。防止氣體在低凹處積聚,遇點火源著火爆炸。用排風機將漏出氣送至空曠處。漏氣容器要妥善處理,修復(fù)、檢驗后再用。
本品不燃。用霧狀水保持火場中容器冷卻??捎渺F狀水噴淋加速液氮蒸發(fā),但不可使用水槍射至液氮。
應(yīng)急措施:
迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難,給輸氧。如呼吸停止,立即進行人工呼吸。就醫(yī)。
氮的成鍵特征和價鍵結(jié)構(gòu)
由于單質(zhì)n2在常況下異常穩(wěn)定,人們常誤認為氮是一種化學性質(zhì)不活潑的元素。實際上相反,元素氮有很高的化學活性。n的電負性(3.04)僅次于f和o,說明它能和其它元素形成較強的鍵。另外單質(zhì)n2分子的穩(wěn)定性恰好說明n原子的活潑性。問題是目前人們還沒有找到在常溫常壓下能使n2分子活化的*條件。但在自然界中,植物根瘤上的一些細菌卻能夠在常溫常壓的低能量條件下,把空氣中的n2轉(zhuǎn)化為氮化合物,作為肥料供作物生長使用。所以固氮的研究一直是一個重要的科學研究課題。因此我們有必要詳細了解氮的成鍵特性和價鍵結(jié)構(gòu)。
n原子的價電子層結(jié)構(gòu)為2s2p3,即有3個成單電子和一對孤電子對,以此為基礎(chǔ),在形成化合物時,可生成如下三種鍵型:
1.形成離子鍵
2.形成共價鍵
3.形成配位鍵
n原子有較高的電負性(3.04),它同電負性較低的金屬,如li(電負性0.98)、ca(電負性1.00)、mg(電負性1.31)等形成二元氮化物時,能夠獲得3個電子而形成n3-離子。
n2+6li==2li3n
n2+3ca==ca3n2
n2+3mg=點燃=mg3n2
n3-離子的負電荷較高,半徑較大(171pm),遇到水分子會強烈水解,因此的離子型化合物只能存在于干態(tài),不會有n3-的水合離子。
形成共價鍵
n原子同電負性較高的非金屬形成化合物時,形成如下幾種共價鍵:
⑴n原子采取sp3雜化態(tài),形成三個共價鍵,保留一對孤電子對,分子構(gòu)型為三角錐型,例如nh3、nf3、ncl3等。
若形成四個共價單鍵,則分子構(gòu)型為正四面體型,例如nh4+離子。
⑵n原子采取sp2雜化態(tài),形成2個共價鍵和一個鍵,并保留有一對孤電子對,分子構(gòu)型為角形,例如cl—n=o。(n原子與cl原子形成一個σ鍵和一個π鍵,n原子上的一對孤電子對使分子成為角形。)
若沒有孤電子對時,則分子構(gòu)型為三角形,例如hno3分子或no3-離子。硝酸分子中n原子分別與三個o原子形成三個σ鍵,它的π軌道上的一對電子和兩個o原子的成單π電子形成一個三中心四電子的不定域π鍵。在硝酸根離子中,三個o原子和中心n原子之間形成一個四中心六電子的不定域大π鍵。
這種結(jié)構(gòu)使硝酸中n原子的表觀氧化數(shù)為+5,由于存在大π鍵,硝酸鹽在常況下是足夠穩(wěn)定的。
⑶n原子采取sp雜化,形成一個共價叁鍵,并保留有一對孤電子對,分子構(gòu)型為直線形,例如n2分子和cn-中n原子的結(jié)構(gòu)。
形成配位鍵
n原子在形成單質(zhì)或化合物時,常保留有孤電子對,因此這樣的單質(zhì)或化合物便可作為電子對給予體,向金屬離子配位。例如[cu(nh3)4]2+或[tu(nh2)5]7等。
危險特性:若遇高熱,容器內(nèi)壓增大,有開裂和爆炸的危險。
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