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氮气

 发布时间:2009-12-17 点击量:2391

物理性质

  氮在常况下是一种无色无味无嗅的气体,且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%(体积分数),在标准情况下的气体密度是1.25g·dm-3,氮气在标准大气压下,冷却至-195.8时,变成没有颜色的液体,冷却至-209.86时,液态氮变成雪状的固体。
  氮气在水里溶解度很小,在常温常压下,1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。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,氮气在极低温下会液化成白色液体,进一步降低温度时,更会形成白色晶状固体。在生产中,通常采用灰色钢瓶盛放氮气。 

化学性质

   

 

氮分子结构式


  氮气分子的分子轨道式为 ,对成键有贡献的是 三对电子,即形成两个π键和一个σ键。 对成键没有贡献,成键与反键能量近似抵消,它们相当于孤电子对。由于N2分子中存在叁键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zui稳定的,氮气的相对分子质量是27
   

 

氮气结构式


  检验方法:
  将燃着的Mg条伸入盛有氮气的集气瓶,Mg条会继续燃烧(Mg可在任何环境燃烧)
  提取出燃烧剩下的灰烬(白色粉末Mg3N2),加入少量水,产生使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体(氨气)
  反应方程式:3MgN2=点燃=Mg3N2(氮化镁Mg3N26H2O3Mg(OH)22NH3
  由氮元素的氧化态-吉布斯自由能图也可以看出,除了NH4离子外,氧化数为0N2分子在图中曲线的zui低点,这表明相对于其它氧化数的氮的化合物来讲,N2是热力学稳定状态。氧化数为0+5之间的各种氮的化合物的值都位于HNO3N2两点的连线(图中的虚线)的上方,因此,这些化合物在热力学上是不稳定的,容易发生歧化反应。在图中*的一个比N2分子值低的是NH4+离子。(详细氧化态-吉布斯自由能图请参照http://www.jky.gxnu.edu.cn/jpkc/kj/kj14.ppt
  由氮元素的氧化态-吉布斯自由能图和N2分子的结构均可以看出,单质N2不活泼,只有在高温高压并有催化剂存在的条件下,氮气可以和氢气反应生成氨:
  在放电条件下,氮气才可以和氧气化合生成一氧化氮N2+O2=放电=2NO
  一氧化氮与氧气迅速化合,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
  在水力发电很发达的国家,这个反应已用于生产硝酸。
  N2于氢气反应制氨气:N2+3H2===(可逆符号)2NH3
  N2与电离势小,而且其氮化物具有高晶格能的金属能生成离子型的氮化物。例如:
  N2 与金属锂在常温下就可直接反应: 6 Li + N2=== 2 Li3N
  N2与碱土金属Mg Ca Sr Ba 在炽热的温度下作用: 3 Ca + N2=== Ca3N2
  N2与硼和铝要在白热的温度才能反应: 2 B + N2=== 2 BN (大分子化合物)
  N2与硅和其它族元素的单质一般要在高于1473K的温度下才能反应。 

制备方法

  工业制法: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% 。 为获得纯氮,可在上述氮气中加入少量氨,并以Pt作催化剂,将氧除去,也可使不纯的氮通过赤热的铜或其他金属以除去微量的氧。
  实验室制法: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,zui常用的是如下几种方法:
  加热亚硝酸铵的溶液: (343kNH4NO2 ===== N2+ 2H2O
  *与氯化铵的饱和溶液相互作用: NH4Cl + NaNO2 === NaCl + 2 H2O + N2
  将氨通过红热的氧化铜: 2 NH3+ 3 CuO === 3 Cu + 3 H2O + N2
  氨与溴水反应:8 NH3 + 3 Br2 (aq) === 6 NH4Br + N2
  重铬酸铵加热分解: (NH4)2Cr2O7===N2+Cr2O3+4H2O 

氮的用途

  氮主要用于合成氨,反应式为N2+3H2=2NH3( 条件为高压,高温、和催化剂。反应为可逆反应)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。作为冷冻剂在医院做除斑,,豆等的手术时常常也使用即将斑,,豆等冻掉,但是容易出现疤痕,并不建议使用。
  在汽车上氮气有着非常重要的作用:
  1. 提高轮胎行驶的稳定性和舒适性。氮气几乎为惰性的双原子气体,化学性质极不活泼,气体分子比氧分子大,不易热胀冷缩,变形幅度小,其渗透轮胎胎壁的速度比空气慢约3040%, 能保持稳定胎压,提高轮胎行驶的稳定性,保证驾驶的舒适性;氮气的音频传导性低,相当于普通空气的1/5,使用氮气能有效减少轮胎的噪音,提高行驶的宁静度。
  2.防止爆胎和缺气碾行。爆胎是公路交通事故中的*杀手。据统计,在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的,其中爆胎一项就占轮胎事故总量的70%。汽车行驶时,轮胎温度会因与地面磨擦而升高,尤其在高速行驶及紧急刹车时,胎内气体温度会急速上升,胎压骤增,所以会有爆胎的可能。而高温导致轮胎橡胶老化,疲劳强度下降,胎面磨损剧烈,又是可能爆胎的重要因素。而与一般高压空气相比,高纯度氮气因为无氧且几乎不含水份不含油,其热膨胀系数低,热传导性低,升温慢,降低了轮胎聚热的速度,不可然也不助然等特性,所以可大大地减少爆胎的几率。
  3.延长轮胎使用寿命 使用氮气后,胎压稳定体积变化小,大大降低了轮胎不规则磨擦的可能性,如冠磨、胎肩磨、偏磨,提高了轮胎的使用寿命;橡胶的老化是受空气中的氧分子氧化所致,老化后其强度及弹性下降,且会有龟裂现象,这时造成轮胎使用寿命缩短的原因之一。氮气分离装置能极大限度地排除空气中的氧气、硫、油、水和其它杂质,有效降低了轮胎内衬层的氧化程度和橡胶被腐蚀的现象,不会腐蚀金属轮辋,延长了轮胎的使用寿命,也极大程度减少轮辋生锈的状况。
  4.减少油耗,保护环境。轮胎胎压的不足与受热后滚动阻力的增加,会造成汽车行驶时的油耗增加;而氮气除了可以维持稳定的胎压,延缓胎压降低之外,其干燥且不含油不含水,热传导性低,升温慢的特性,减低了轮胎行走时温度的升高,以及轮胎变形小抓地力提高等,降低了滚动阻力,从而达到减少油耗的目的。 

使用注意事项

  毒性与防护:
  1、 呼吸系统防护:一般不需特殊防护。但当作业场所空气中氧气浓度低于18%时,必须佩戴空气呼吸器、氧气呼吸器或长管面具。
  2、 眼睛防护:戴安全防护面罩。
  3、 其它防护:避免高浓度吸入密闭操作,提供良好的自然通风条件。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。防止气体泄漏到工作场所空气中。搬运时轻装轻卸,防止钢瓶及附件破损。配备泄漏应急处理设备。
  消防应急措施与防护:
  迅速撤离泄漏污染区人员至上风处,并进行隔离,严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器。不要直接接触泄漏物。尽可能切断泄漏源。防止气体在低凹处积聚,遇点火源着火爆炸。用排风机将漏出气送至空旷处。漏气容器要妥善处理,修复、检验后再用。
  本品不燃。用雾状水保持火场中容器冷却。可用雾状水喷淋加速液氮蒸发,但不可使用水枪射至液氮。
  应急措施:
  迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医。 

氮的成键特征和价键结构

  由于单质N2在常况下异常稳定,人们常误认为氮是一种化学性质不活泼的元素。实际上相反,元素氮有很高的化学活性。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。问题是目前人们还没有找到在常温常压下能使N2分子活化的*条件。但在自然界中,植物根瘤上的一些细菌却能够在常温常压的低能量条件下,把空气中的N2转化为氮化合物,作为肥料供作物生长使用。所以固氮的研究一直是一个重要的科学研究课题。因此我们有必要详细了解氮的成键特性和价键结构。
  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:
  1.形成离子键
  2.形成共价键
  3.形成配位键
  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 =点燃= 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,形成一个共价叁键,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+[Tu(NH2)5]7等。
  危险特性:若遇高热,容器内压增大,有开裂和爆炸的危险。