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氮原子

氮是一种化学元素,它的化学符号是N,它的原子序数是7。氮是空气中最多的元素,在自然界中存在十分广泛,在生物体内亦有极大作用,是组成氨基酸的基本元素之一。

1772年由瑞典药剂师舍勒发现,后由法国科学家拉瓦锡确定是一种元素。1787年由拉瓦锡和其他法国科学家提出,氮的英文名称nitrogen,是"硝石组成者“的意思。中国清末化学家启蒙者徐寿在第一次把氮译成中文时曾写成“淡气”,意思是说,它“冲淡”了空气中的氧气。元素名来源于希腊文,原意是“硝石”。

氮在地壳中的含量很少,自然界中绝大部分的氮是以单质分子氮气的形式存在于大气中,氮气占空气体积的百分之七十八。氮的最重要的矿物是硝酸盐  。

氮在地壳中的重量百分比含量是0.0046%,总量约达到4×1012吨。动植物体中的蛋白质都含有氮。土壤中有硝酸盐,例如KNO₃。在南美洲智利有硝石矿(NaNO₃),这是世界上唯一的这种矿藏,是少见的含氮矿藏。宇宙星际已发现含氮分子,如NH₃、HCN等。

氮的丰度1.8×10占16位。自然界的氮有两种同位素,分别为99.63%、0.365%。

在室温下不与空气,碱,水反应,加热到3273K时,只有0.1%分解,因此,N2是化学特性物质,氮的最重要的矿物是硝酸盐。氮有两种天然同位素:氮14和氮15,其中氮14的丰度为99.625%。

晶体结构:晶胞为六方晶胞。 
  元素类型:非金属元素

氮气为无色、无味的气体。氮通常的单质形态是氮气。它无色无味无臭,是很不易有化学反应呈化学惰性的气体,而且它不支持燃烧。

主要成分:高纯氮≥99.999%; 工业级 一级≥99.5%; 二级≥98.5%。

外观与性状:无色无臭气体。

溶解性:微溶于水、乙醇。

主要用途:用于合成氨,制硝酸,用作物质保护剂,冷冻剂。

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  :

形成离子键

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+ 6Li = 2 Li₃N

N₂+ 3Mg =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:

⑴N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NH₃、NF₃、NCl₃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。

⑵N原子采取sp2杂化态,形成2个共价键和1个单键,并保留有一对孤电子对,分子构型为角形,例如Cl—N=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。

⑶N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-中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+。

氮共有九种氧化物:一氧化二氮(N₂O)、一氧化氮(NO)、一氧化氮二聚体(N₂O₂)、二氧化氮(NO₂)、三氧化二氮(N₂O₃)、四氧化二氮(N₂O₄)、五氧化二氮(N₂O₅)、叠氮化亚硝酰(N₄O),第九种氮的氧化物三氧化氮(NO₃)作为不稳定的中间体存在于多种反应之中。

氮的惰性广泛用于电子、钢铁、玻璃工业,还用于灯泡和膨胀橡胶的填充物,工业上用于保护油类、粮食、精密实验中用作保护气体。

氮在室温时,能与许多直接化合,如、Li、Mg、Cia、Al、B等,反应生成氮化:

N₂(g)+3Mg(s)→Mg₃N(s)。

N₂与O₂在高温(~2273K)或放电条件下直接化合N₂+O₂→2NO,这是固定氮的一种方法,估计地球上每年由“雷电合成”氮化合物达4~5亿吨,而人工合成氮化合物1亿吨左右。

氮是植物生长的必需养分之一,它是每个活细胞的组成部分。植物需要大量氮。

氮素是叶绿素的组成成分,叶绿素a和叶绿素都是含氮化合物。绿色植物进行光合作用,使光能转变为化学能,把无机物(二氧化碳和水)转变为有机物(葡萄糖)是借助于叶绿素的作用。葡萄糖是植物体内合成各种有机物的原料,而叶绿素则是植物叶子制造“粮食”的工厂。氮也是植物体内维生素和能量系统的组成部分。

氮素对植物生长发育的影响是十分明显的。当氮素充足时,植物可合成较多的蛋白质,促进细胞的分裂和增长,因此植物叶面积增长炔,能有更多的叶面积用来进行光合作用。

此外,氮素的丰缺与叶子中叶绿素含量有密切的关系。能从叶面积的大小和叶色深浅上来判断氮素营养的供应状况。在苗期,一般植物缺氮往往表现为生长缓慢,植株矮小,叶片薄而小,叶色缺绿发黄。禾本科作物则表现为分孽少。生长后期严重缺氮时,则表现为穗短小,籽粒不饱满。在增施氮肥以后,对促进植物生长健壮有明显的作用。往往施用后,叶色很快转绿,生长量增加。但是氮肥用量不宜过多,过量施用氮素时,叶绿素数量增多,能使叶子更长久地保持绿色,以致有延长生育期、贪青晚熟的趋势。对一些块根、块茎作物,如糖用甜菜,氮素过多时,有时表现为叶子的生长量显著增加,但具有经济价值的块根产量却少得使人失望。



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