氮

氮是一種化學元素，它的化學符號是N，原子序數(shù)7。氮元素在自然界中以單質形態(tài)存在，即氮氣（N2），是一種無色、無味、惰性的氣體，是地球大氣中含量最多的元素，約占大氣總體積的78%。氮在生物體中扮演重要角色，是蛋白質、核酸等生命大分子的組成部分。氮循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，包括固氮、氨化、硝化、反硝化等過程。工業(yè)上，氮用于生產(chǎn)化肥、硝酸、炸藥等，液態(tài)氮還廣泛應用于冷凍、醫(yī)療等領域。氮的化合物多樣，對人類生活和科學研究具有重要意義。

研究簡史

1674年，英國醫(yī)生約翰·馬約（John Mayow）證明了空氣不是由單一的元素而是由不同的物質組成的。他通過展示只有一部分空氣可燃而大部分不可燃來證明上述說法。

大約一個世紀后，蘇格蘭化學家約瑟夫·布萊克（Joseph Black）和丹尼爾·盧瑟福（Daniel Rutherford）對空氣進行了更詳細的研究。通過一系列步驟徹底去除了空氣中的氧氣和二氧化碳之后，盧瑟福發(fā)現(xiàn)殘余氣體與二氧化碳類似，不可燃，也不能讓生命體存活。但與二氧化碳不同的是，這種氣體不溶于水和堿溶液。盧瑟福在1772年報告了他發(fā)現(xiàn)的這種“有害空氣”，我們現(xiàn)在稱之為氮氣。

瑞典藥劑師卡爾·舍勒（Carl Scheele）在1772年也獨立發(fā)現(xiàn)了氮氣，他稱其為“廢氣”。舍勒通過多種方式去除氧氣后，他發(fā)現(xiàn)了一種不可燃的殘余氣體，其體積是原始空氣的三分之二到四分之三。

1790年，法國化學家讓-安托萬·克勞德·查塔爾（Jean-Antoine-ClaudeChaptal）將這種元素命名為“nitrogen（氮）”，因為當時的實驗表明它是硝酸鉀KNO3（Nitre）的一種成分。23

物理性質

氮有兩種天然同位素：氮-14和氮-15，其中氮-14的豐度為99.625%。

氮通常的單質形態(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，微溶于水、乙醇。用于合成氨，制硝酸，用作物質保護劑，冷凍劑。

一些物理性質如下：

|| || 氮氣的物性數(shù)據(jù)

化學性質

N原子的價電子層結構為2s22p3，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：

離子鍵：

N 只能與電離能小的I A族和II A族的金屬形成離子型氮化物，獲得3個電子而形成N3-離子。

金屬與氮氣作用時 的反應條件不同，鋰在常溫下就與氮氣直接反應，但反應速率很慢，有實際意義的反應溫度高于250無須空格℃有明顯反應。 II A族金屬都要在加熱的條件下才與氮氣化合，如與Ca反應溫度為410 ℃，與Sr反應溫度為380 ℃。

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。

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：

⑴ N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。

⑵ N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(shù)為+5，由于存在大π鍵，硝酸鹽在常況？下是足夠穩(wěn)定的。

⑶ N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N2分子和CN-中N原子的結構。

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）、疊氮化亞硝酰（N4O），第九種氮的氧化物三氧化氮（NO3）作為不穩(wěn)定的中間體存在于多種反應之中。56

同位素

以下是氮的同位素及其性質，

|| || 氮的同位素

分布情況

氮在自然界中絕大部分的氮是以單質分子氮氣的形式存在于大氣中，氮氣占空氣體積的78％。氮的最重要的礦物是硝酸鹽。8

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。宇宙星際已發(fā)現(xiàn)含氮分子，如NH3、HCN等。9

制備方法

氮在自然界主要以雙原子分子的形式存在于大氣中，因而工業(yè)上由液態(tài)空氣分餾來獲得氮氣。產(chǎn)品通常儲存在鋼瓶中出售。從空氣分餾得到的氮氣純度約為99%，其中含少量的氧氣、氬氣及水等雜質。610

分餾液態(tài)空氣可獲得氮氣：

工業(yè)上用分餾液態(tài)空氣，可得純度為99%的“普氮”（其余1%為O2及稀有氣體）。普氮純化得電子度為99.9%的高純氮。

實驗室制備少量氮氣的方法很多。例如，可由固體亞硝酸銨的熱分解來產(chǎn)生氮氣：

此反應劇烈，不易控制。故常采取在飽和亞硝酸鈉溶液中，滴加熱的飽和氯化銨溶液，或直接溫熱飽和亞硝酸銨溶液的辦法來得到氮氣。這樣制得的氮氣含少量氨、一氧化氮、氧氣及水等雜質。

重鉻酸銨熱分解也能產(chǎn)生氮氣：

上述反應是爆發(fā)式的，但若加入硫酸鹽則可控制：

將氨氣通入溴水也能制備氮氣。經(jīng)凈化除去少量氨、溴及水等雜質后，可得較純的氮氣：

氯氣也可氫化氨氣生成氮氣:

光譜純（99.99%）的氮氣則可由小心地加熱非常干燥的疊氮化鋇或疊氮化鈉而制得（反應劇烈，要注意控制溫度，加入緩釋劑）：