[科普中國]-氮原子

簡介

1772年由瑞典藥劑師舍勒發(fā)現(xiàn)，后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。元素名來源于希臘文，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(zhì)分子氮氣的形式存在于大氣中，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1。

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(zhì)都含有氮。土壤中有硝酸鹽，例如KNO?。在南美洲智利有硝石礦（NaNO?），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(fā)現(xiàn)含氮分子，如NH?、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(zhì)物理性質(zhì)在室溫下不與空氣，堿，水反應，加熱到3273K時，只有0.1%分解，因此，N2是化學特性物質(zhì)，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(zhì)形態(tài)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(yè)級 一級≥99.5%; 二級≥98.5%。

外觀與性狀：無色無臭氣體。

溶解性：微溶于水、乙醇。

主要用途：用于合成氨，制硝酸，用作物質(zhì)保護劑，冷凍劑。

化學性質(zhì)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2：

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。

N?+ 6Li = 2 Li?N

N?+ 3Mg =點燃= Mg?N?

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，分子構型為三角錐型，例如NH?、NF?、NCl?等。

若形成四個共價單鍵，則分子構型為正四面體型，例如NH?+離子。

⑵N原子采取sp2雜化態(tài)，形成2個共價雙鍵和1個單鍵，并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HNO?分子或NO?-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(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，分子構型為直線形，例如N?分子和CN-中N原子的結構。

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(NH?)?]2+。

氮共有九種氧化物：一氧化二氮（N?O）、一氧化氮（NO）、一氧化氮二聚體（N?O?）、二氧化氮（NO?）、三氧化二氮（N?O?）、四氧化二氮（N?O?）、五氧化二氮（N?O?）、疊氮化亞硝酰（N?O），第九種氮的氧化物三氧化氮（NO?）作為不穩(wěn)定的中間體存在于多種反應之中。

應用工業(yè)應用氮的惰性廣泛用于電子、鋼鐵、玻璃工業(yè)，還用于燈泡和膨脹橡膠的填充物，工業(yè)上用于保護油類、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：

N?(g)+3Mg(s)→Mg?N(s)。

N?與O?在高溫（～2273K）或放電條件下直接化合N?+O?→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(yǎng)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?yōu)榛瘜W能，把無機物（二氧化碳和水）轉變?yōu)橛袡C物（葡萄糖）是借助于葉綠素的作用。葡萄糖是植物體內(nèi)合成各種有機物的原料，而葉綠素則是植物葉子制造“糧食”的工廠。氮也是植物體內(nèi)維生素和能量系統(tǒng)的組成部分。

氮素對植物生長發(fā)育的影響是十分明顯的。當?shù)爻渥銜r，植物可合成較多的蛋白質(zhì)，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系。能從葉面積的大小和葉色深淺上來判斷氮素營養(yǎng)的供應狀況。在苗期，一般植物缺氮往往表現(xiàn)為生長緩慢，植株矮小，葉片薄而小，葉色缺綠發(fā)黃。禾本科作物則表現(xiàn)為分孽少。生長后期嚴重缺氮時，則表現(xiàn)為穗短小，籽粒不飽滿。在增施氮肥以后，對促進植物生長健壯有明顯的作用。往往施用后，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(shù)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(xiàn)為葉子的生長量顯著增加，但具有經(jīng)濟價值的塊根產(chǎn)量卻少得使人失望。