氮氣

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(xué)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(xué)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(xué)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)： 6 Li + N2=== 2 Li3N
　　N2與堿土金屬Mg 、Ca 、Sr 、Ba 在熾熱的溫度下作用： 3 Ca + N2=== Ca3N2
　　N2與硼和鋁要在白熱的溫度才能反應(yīng)： 2 B + N2=== 2 BN （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 + 2 H2O + N2↑
　　⑶將氨通過紅熱的氧化銅： 2 NH3+ 3 CuO === 3 Cu + 3 H2O + N2↑
　　⑷氨與溴水反應(yīng)：8 NH3 + 3 Br2 （aq） === 6 NH4Br + 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(xué)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fēng)條件。操作人員必須經(jīng)過專門培訓(xùn)，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(fēng)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(fēng)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(xué)性質(zhì)不活潑的元素。實際上相反，元素氮有很高的化學(xué)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(xué)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+ 6 Li == 2 Li3N
　　N2+ 3 Ca == Ca3N2
　　N2+ 3 Mg =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。