氮原子

氮原子

氮是一種化學元素,它的化學符號是N,它的原子序數是7。氮是空氣中最多的元素,在自然界中存在十分廣泛,在生物體內亦有極大作用,是組成胺基酸的基本元素之一。

基本介紹

  • 中文名:氮原子
  • 外文名:Nitrogen atom
  • 學科:化學
  • 發現者:卡爾·威爾海姆·舍勒
  • 原子序號:7
  • 類型:非金屬原子
簡介,性質,物理性質,化學性質,套用,工業套用,生理作用,

簡介

1772年由瑞典藥劑師舍勒發現,後由法國科學家拉瓦錫確定是一種元素。1787年由拉瓦錫和其他法國科學家提出,氮的英文名稱nitrogen,是"硝石組成者“的意思。中國清末化學家啟蒙者徐壽在第一次把氮譯成中文時曾寫成“淡氣”,意思是說,它“沖淡”了空氣中的氧氣。元素名來源於希臘文,原意是“硝石”。
氮在地殼中的含量很少,自然界中絕大部分的氮是以單質分子氮氣的形式存在於大氣中,氮氣占空氣體積的百分之七十八。氮的最重要的礦物是硝酸鹽。
氮在地殼中的重量百分比含量是0.0046%,總量約達到4×1012噸。動植物體中的蛋白質都含有氮。土壤中有硝酸鹽,例如KNO3。在南美洲智利有硝石礦(NaNO3),這是世界上唯一的這種礦藏,是少見的含氮礦藏。宇宙星際已發現含氮分子,如NH3、HCN等。
氮的豐度1.8×10占16位。自然界的氮有兩種同位素,分別為99.63%、0.365%。

性質

物理性質

在室溫下不與空氣,鹼,水反應,加熱到3273K時,只有0.1%分解,因此,N2是化學特性物質,氮的最重要的礦物是硝酸鹽。氮有兩種天然同位素:氮14和氮15,其中氮14的豐度為99.625%。
晶體結構:晶胞為六方晶胞。 
元素類型:非金屬元素
氮氣為無色、無味的氣體。氮通常的單質形態是氮氣。它無色無味無臭,是很不易有化學反應呈化學惰性的氣體,而且它不支持燃燒。
主要成分:高純氮≥99.999%; 工業級 一級≥99.5%; 二級≥98.5%。
外觀與性狀:無色無臭氣體。
溶解性:微溶於水、乙醇。
主要用途:用於合成氨,制硝酸,用作物質保護劑,冷凍劑。

化學性質

N原子的價電子層結構為2s2p3,即有3個成單電子和一對孤電子對,以此為基礎,在形成化合物時,可生成如下三種鍵型:
形成離子鍵
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 = 2 Li3N
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於乾態,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原子採取sp3雜化態,形成三個共價鍵,保留一對孤電子對,分子構型為三角錐型,例如NH3、NF3、NCl3等。
若形成四個共價單鍵,則分子構型為正四面體型,例如NH4+離子。
⑵N原子採取sp2雜化態,形成2個共價鍵和1個單鍵,並保留有一對孤電子對,分子構型為角形,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。
這種結構使硝酸中N原子的表觀氧化數為+5,由於存在大π鍵,硝酸鹽在常況下是足夠穩定的。
⑶N原子採取sp 雜化,形成一個共價叄鍵,並保留有一對孤電子對,分子構型為直線形,例如N2分子和CN-中N原子的結構。
形成配位鍵
N原子在形成單質或化合物時,常保留有孤電子對,因此這樣的單質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+。
氮共有九種氧化物:一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、一氧化氮二聚體(N2O2)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)、五氧化二氮(N2O5)、疊氮化亞硝醯(N4O),第九種氮的氧化物三氧化氮(NO3)作為不穩定的中間體存在於多種反應之中。

套用

工業套用

氮的惰性廣泛用於電子、鋼鐵、玻璃工業,還用於燈泡和膨脹橡膠的填充物,工業上用於保護油類、糧食、精密實驗中用作保護氣體。
氮在室溫時,能與許多直接化合,如、Li、Mg、Cia、Al、B等,反應生成氮化:
N2(g)+3Mg(s)→Mg3N(s)。
N2與O2在高溫(~2273K)或放電條件下直接化合N2+O2→2NO,這是固定氮的一種方法,估計地球上每年由“雷電合成”氮化合物達4~5億噸,而人工合成氮化合物1億噸左右。

生理作用

氮是植物生長的必需養分之一,它是每個活細胞的組成部分。植物需要大量氮。
氮素是葉綠素的組成成分,葉綠素a和葉綠素都是含氮化合物。綠色植物進行光合作用,使光能轉變為化學能,把無機物(二氧化碳和水)轉變為有機物(葡萄糖)是藉助於葉綠素的作用。葡萄糖是植物體內合成各種有機物的原料,而葉綠素則是植物葉子製造“糧食”的工廠。氮也是植物體內維生素和能量系統的組成部分。
氮素對植物生長發育的影響是十分明顯的。當氮素充足時,植物可合成較多的蛋白質,促進細胞的分裂和增長,因此植物葉面積增長炔,能有更多的葉面積用來進行光合作用。
此外,氮素的豐缺與葉子中葉綠素含量有密切的關係。能從葉面積的大小和葉色深淺上來判斷氮素營養的供應狀況。在苗期,一般植物缺氮往往表現為生長緩慢,植株矮小,葉片薄而小,葉色缺綠髮黃。禾本科作物則表現為分孽少。生長後期嚴重缺氮時,則表現為穗短小,籽粒不飽滿。在增施氮肥以後,對促進植物生長健壯有明顯的作用。往往施用後,葉色很快轉綠,生長量增加。但是氮肥用量不宜過多,過量施用氮素時,葉綠素數量增多,能使葉子更長久地保持綠色,以致有延長生育期、貪青晚熟的趨勢。對一些塊根、塊莖作物,如糖用甜菜,氮素過多時,有時表現為葉子的生長量顯著增加,但具有經濟價值的塊根產量卻少得使人失望。

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