氮的制备、性质和用途

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简介

氮气由丹尼尔·卢瑟福于1772年发现。这种气体被称为氮。硝石是一种广为人知的含氮化合物，有助于氮的提取。氮的元素符号为N，原子序数为7，原子质量为14.0067。

什么是氮气？

氮气是一种非金属元素，位于元素周期表第15族。在常温下呈气态；然而，通过降低温度可以将其转化为液态或固态。

氮的电子构型为$\mathrm{1s^{2}2s^{2}2p^{3}}$。氮分子用N2表示，称为二氮。该气体无味、无臭、无色。它在大气中扮演着重要角色，占据了近四分之三的空气体积。在大气中，氮气表现出惰性，不会燃烧。氮气占空气体积的五分之四。

图1 - 氮的“原子结构”

氮气的制备

氮气可以通过多种方法制备。它可以在实验室中制备，也可以从含氮化合物和空气中提取。

实验室制备N2 - 加热亚硝酸钠$\mathrm{(NaNO_{2})}$和氯化铵$\mathrm{(NH_{4}Cl)}$的饱和溶液可以制备氮气。

$$\mathrm{NH_{4}Cl\:+\:NaNO_{2}\:\rightarrow\:NaCl\:+\:NH_{4}NO_{2}}$$

$$\mathrm{NH_{4}NO_{2}\:\rightarrow\:N_{2}\uparrow\:+\:2H_{2}O}$$

首先取一个圆底烧瓶盛放饱和溶液。将导气管和分液漏斗正确地安装到烧瓶中。轻轻加热烧瓶，产生的氮气通过向下排空气法收集。

图2 - 氮气的实验室制备

收集到的氮气中含有杂质水分。可以使用无水氯化钙或五氧化二磷除去收集到的氮气中的水分。使用汞收集氮气。

其他N2制备方法 - 还有一些其他方法用于制备氮气。

• 可以热分解重铬酸铵制备氮气。当加热重铬酸铵的红色晶体时会发生剧烈反应。在这个反应过程中，会产生氮气并伴有闪光。

• 用氯气或灼热的氧化铜氧化氨气可以产生氮气。方程式如下：

$$\mathrm{2NH_{3}\:+\:3CuO\:\rightarrow\:N_{2}\:+\:3H_{2}O\:+\:3Cu}$$

$$\mathrm{8NH_{3}\:+\:3Cl_{2}\:\rightarrow\:N_{2}\:+\:6NH_{4}Cl}$$

• 叠氮化钠也可以热分解产生氮气。加热叠氮化钠或叠氮化钡可以得到纯净的氮气。

• 工业上制备$\mathrm{N_{2}}$是通过液态空气的分馏法进行的。

氮气的物理和化学性质

以下是二氮或N2的物理和化学特性：

物理性质

• 氮气是一种无色、无味、无臭的气体。

• 氮气在水中的溶解度非常低。

• 氮气本身无毒，但由于空气中氧气含量减少，高浓度的氮气会导致动物窒息死亡。

• 氮气的熔点为63.2K，沸点为77.2K。

化学性质

• 氮气通常在常温下不参与化学反应。氮气既不燃烧也不支持燃烧。氮分子非常稳定，导致氮分子在常温下具有化学惰性。

• 氮化物是氮的共价化合物和离子化合物。它们是由于氮气与某些非金属和金属在高温下反应而形成的。

• 在773 K下，氮气与氢气反应生成氨气。

• 在2000 K下，氮分子与氧气反应生成一氧化氮。方程式为：

$$\mathrm{N_{2}\:+\:O_{2}\:=\:2NO}$$

氮气的应用

氮气是生产化工产品最常用的气体之一。氮气的不同用途如下：

• N2主要用于制备氨气。氨气用于制造化肥、炸药和其他材料。一些重要的化学品，如硝酸和氰化钙，也是由氮气制备的。

• 一些冶金操作需要惰性气氛，这可以在氮气气氛下实现。

• 低温手术需要使用氮气。生物材料的保存和食品的冷冻需要液氮作为良好的制冷剂。

• 氮气是大多数活性化学品的惰性稀释剂。

• 易腐烂的食品通过用压缩氮气取代氧气来包装。此过程有助于长时间保持食品新鲜。

• 汽车轮胎充氮气远优于充压缩空气。这有助于汽车更好地行驶。它也为车辆提供安全性和经济效益。

• 氮气用于化学气体保护。高爆炸性化工厂需要置换氧气，氮气用于此过程。它可以防止火灾和爆炸。

结论

氮气是一种气态元素，位于元素周期表第15族。它无味、无臭、无色。该气体可以在实验室中由氯化铵和亚硝酸钠的饱和溶液制备。该气体主要用于农业和工业部门制备氨气。该气体在常温下不活泼，用于创造惰性环境。食品储存单元和冷冻库使用液氮。$\mathrm{N_{2}}$用于生产硝酸。

常见问题

1. 从$\mathrm{N_{2}}$生产氨气所需的条件是什么？

从氮气制备氨气所需的条件是催化剂的存在、高压和低温。在低温（720K-770K）下可大量生产氨气。这是一个放热反应。200 atm是获得大量氨气的理想压力。催化剂可以提高反应速率。催化剂是掺杂钼的细分散铁。

2. 为什么使用液氮？

液氮用于冷却电脑元件。它在医学上用于治疗多余的皮肤、疣和癌前细胞。它也用于保存食物。

3. 氮气的分子量是多少？

氮分子由两个氮原子组成。氮气的分子量为14.0067 u。