氮(Nitrogen)是一种化学元素, 它的化学符号为N,原子序号是7。氮在地壳中的含量为0.0046%,自然界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78%。氮是组成动植物体内蛋白质的重要成分,但高等动物及大多数植物不能直接吸收氮。氮主要用来制造氨,其次是制备氮化物、氰化物、硝酸及其盐类等。此外,还可用作保护性气体、泡沫塑料中的发泡剂,液氮可用于冷凝剂。

中文名
英文名
Nitrogen
化学式
N
原子序数
7
原子量
14.006747
熔点
-209.86ºC
沸点
-195.65ºC
密度(g/cc,300K)
1.2506
CAS号
7727-37-9

1发现历程

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对大气的研究导致了氮的发现,而氮的发现并是一个人做的。早在17711772年间,瑞典化学家舍勒(Scheele K W,17421786)根据自己的实验,认识到空气是由两种彼此不同的成分组成的,即支持燃烧的“火空气”和不支持燃烧的“无效的空气”。1772年英国科学家卡文迪什(Cavendish H,17311810)也曾分离出氮气,他把它称为“窒息的空气”。在同一年,英国科学家普利斯特里(Priestley J,17331804)通过实验也得到了一种既不支持燃烧,也不能维持生命的气体,他称它为“被燃素饱和了的空气”,因为它吸足了燃素,继而失去了支持燃烧的能力。

但无论是舍勒,还是卡文迪什和普利斯特里,都没有及时公布他们发现氮的结论。因此,在现在一般化学文献中,都认为氮在欧洲首先是由苏格兰医生、植物学家、化学家丹尼尔·卢瑟福(Rutherford D,17491819)发现的。17729月,丹尼尔·卢瑟福发表了一篇极有影响的论文,叫《固定空气和浊气导论》。在论文中他描述了氮气的性质,这种气体不能维持动物的生命,既不能被石灰水吸收,又不能被碱吸收,有灭火的性质,他称这种气体为“浊气”或“毒气”。

18世纪70年代,氮并没有真正被发现和理解为一种气体化学元素。D·卢瑟福和普利斯特里、舍勒等人一样,受当时燃素说的影响,他并没有认识到“浊气”是空气的一个组成成分。浊气、被燃素饱和了的空气、窒息的空气、无效的空气等名称都没有被接受作为氮的最终名称。

氮这个名称是1787年由拉瓦锡和其他法国科学家提出的,今天的“氮”的拉丁名称Nitrogenium来自英文Nitrogen,是“硝石的组成者”的意思。我国清末化学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。

2制取过程

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单质氮一般是由液态空气的分馏而制得的,常以1.5210pa的压力把氮气装在气体钢瓶中运输和使用。一般钢瓶中氮气的纯度约99.7% 。实验室中制备少量氮气的基本原理是用适当的氧化剂将氨或铵盐氧化,常用的是几种方法是:

⑴亚硝酸钠与氯化胺的饱和溶液相互作用:NH4Cl + NaNO2 === NaCl + 2 H2O + N2

⑵氨与溴水反应:8 NH3 + 3 Br2 (aq) === 6 NH4Br + N2

⑶将氨通过红热的氧化铜:2 NH3+ 3 CuO === 3 Cu + 3 H2O + N2

3氮气

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氮气氮气

单质氮在常况下是一种无色无味的气体,在标准情况下的气体密度是1.25g·dm-3,熔点63K,沸点75K,临界温度为126K,它是个难于液化的气体。在水中的溶解度很小,在283K时,一体积水约可溶解0.02体积的N2

氮气分子的分子轨道式中,对成键有贡献的三对电子可形成两个π键和一个σ键。对成键没有贡献的电子对,成键与反键能量近似抵消,它们相当于孤电子对。由于N2分子中存在三键NN,所以N2分子具有很大的稳定性,将它分解为原子需要吸收941.69kJ/mol的能量。N2分子是已知的双原子分子中最稳定的,因此要生成氮的氧化物,一般都需要在高温或是放电等特定的环境下进行,有的反应下还须借助催化剂。

氮作为气体,具有很多工业用途,液氮具有非常低的温度,所以,用于低温储藏精子,卵子等,作为惰性气体,用食品及化学物质的储藏,以防止其氧化。

4含量分布

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氮是宇宙中常见的元素,在银河系及太阳系的丰度约有14%。由于氮元素及其和氢、氧形成的常见化合物都极易挥发,因此在内太阳系中的类地行星中氮元素较不常见。宇宙星际已发现含氮分子,如NH3HCN等。

自然界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78%。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KNO3。在南美洲智利有硝石矿(NaNO3),这是世界上唯一的这种矿藏,是少见的含氮矿藏。氮的丰度1.8×1016位。

自然界的氮有2种同位素:氮14和氮15,分别为99.625%0.365%

5理化性质

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物理性质

晶体结构:晶胞为六方晶胞。

元素类型:非金属元素

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,N是化学特性物质。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。

熔点:-209.86ºC

沸点:-195.65ºC

密度(g/cc300K): 1.2506

CAS号:7727-37-9

/J/gK: 1.04  

蒸发热/KJ/mol: 2.7928

熔化热/KJ/mol: 0.3604

主要用途:氮主要用于合成氨,由此制造化肥、硝酸和炸药等,氨还是合成纤维(锦纶、腈纶),合成树脂,合成橡胶等的重要原料。由于氮的化学惰性,常用作保护气体。以防止某些物体暴露于空气时被氧所氧化,用氮气填充粮仓,可使粮食不霉烂、不发芽,长期保存。液氨还可用作深度冷冻剂。

化学性质

单质N2在常况下异常稳定,但实际上氮元素有很高的化学活性。N的电负性(3.04)仅次于FO,说明它能和其它元素形成较强的键。另外单质N2分子的稳定性恰好说明N原子的活泼性。

N原子的成键特征和价键结构N原子的成键特征和价键结构

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。

N2+ 6 Li == 2 Li3N

N2+ 3 Ca == Ca3N2

N2+ 3 Mg == Mg3N2

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:

N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NH3NF3NCl3等。

若形成四个共价单键,则分子构型为正四面体型,例如NH4+离子。

N原子采取sp2杂化态,形成2个共价键和一个键,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HNO3分子或NO3-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。

N原子采取sp 杂化,形成一个共价三键,并保留有一对孤电子对,分子构型为直线形,例如N2分子和CN-N原子的结构。

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(NH3)4]2+

6储存方法

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氮气一般储存在氮气瓶中,需要有掌握气瓶安全知识的专人负责气瓶安全管理工作。

氮气瓶储存安全要求

1. 应置于专用仓库储存,气瓶仓库应符合《建筑设计防火规范》的有关规定;

2. 仓库内不得有地沟,暗道,严禁明火和其他热源,仓库内应通风,干燥,避免阳光直射; 

3. 控制仓库内的最高温度,规定储存期限; 

4. 空瓶与实瓶应分开放置,并有明显标志。与有毒性气体气瓶和瓶内气体能引起燃烧、爆炸、产生毒物的气瓶,应分室存放,并在附近设置防毒用具或灭火器材;

5. 气瓶放置应整齐,配戴好瓶帽.立放时,要妥善固定;横放时,头部朝同一方向;

6.对气瓶的钢印和颜色标记、盛装气体进行确认,不符合安全技术要求的气瓶严禁入库; 

7. 夏季应防止曝晒;

8. 严禁敲击,碰撞; 

9. 严禁在气瓶上进行电子电焊引弧;

10. 严禁用温度超过40℃的热源对气瓶加热; 

11. 空瓶入库检查,瓶内气体不得用尽,必须留有剩余压力;永久气体气瓶的剩余压力应不小于0.05Mpa 

12. 钢瓶瓶肩上有下次检测的具体时间,在这个时间以前可以放下使用,到期了就要送到专门的检测机构检测才可以充瓶使用,一般是两年检测一次。

7应用价值

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工业应用

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。

N2O2在高温(2273K)或放电条件下直接化合成一氧化氮,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45亿吨,而人工合成氮化合物1亿吨左右。

生理作用植物比对
植物对比植物对比

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b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。但是氮肥用量不适合过多,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着增加,但具有经济价值的块根产量却少得使人失望。

氮肥氮肥
元素固定氮肥

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,分生物、自然、人工固氮三种。

一种固氮的方式是利用植物的根瘤菌根瘤菌是1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。

对植物影响

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。

营养平衡

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,160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160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3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。

8注意事项

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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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  • 更新时间:2015-12-06
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