二氧化氮

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
二氧化氮
IUPAC名
Nitrogen dioxide
别名 过氧化氮
识别
CAS号 10102-44-0
性质
化学式 NO2
摩尔质量 46.0055 g·mol⁻¹
外观 红棕色气体
密度 1.443 g/cm³(液)
3.4 g/L(气,294.25K)
熔点 -11.2 °C (261.95 K)
沸点 21.1 °C (293.25 K)
危险性
欧盟危险性符号
剧毒剧毒 T+
警示术语 R:R26-R34
安全术语 S:S1/2-S9-S26-S28-S36/37/39-S45
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
3
0
OX
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

二氧化氮化学式NO2),又称为过氧化氮,是氮氧化物之一。室温下为有刺激性气味的红棕色顺磁性气体,易溶于水。二氧化氮吸入后对组织具有强烈的刺激性和腐蚀性。作为氮氧化物之一的二氧化氮,是工业合成硝酸的中间产物,每年有大约几百万吨被排放到大气中,是一种重要的大气污染物

制备[编辑]

工业上用空气中的氧气氧化一氧化氮制取二氧化氮:[1]

\mathrm{2NO} + \mathrm{O}_2 \longrightarrow  \mathrm{2NO}_2

在实验室中,可以通过金属硝酸盐的热分解反应制备少量的二氧化氮:

\rm 2Pb(NO_3)_2=2PbO+4NO_2+O_2\uparrow\,

也可以通过五氧化二氮的热分解来制备NO2。五氧化二氮可以通过硝酸脱水得到。

\rm 2HNO_3 = N_2O_5+H_2O\,
\rm 2N_2O_5 = 4NO_2+O_2\uparrow\,

生成的气体冷凝以除去硝酸,再通过五氧化二磷干燥,便得到较纯净的二氧化氮。 铜与濃硝酸也可以生成二氧化氮:

\rm Cu+4HNO_3=Cu(NO_3)_2+ 2NO_2\uparrow+2H_2O

硝酸照光也會產生。

结构[编辑]

二氧化氮是含有大π键结构的典型分子。大π键含有三个电子,其中两个进入成键π轨道,一个进入非键π轨道。NO2是一个顺磁性弯曲型的分子,对称点群为C2v。ONO键角为134.3°(可通过Walsh图来解释),N-O键长119.7pm。

二氧化氮分子含有一个未成对电子,因此它的很多反应类似于自由基。比如,它很容易发生二聚,且在有机合成中用作硝化剂,可以从饱和中夺取氢(见下面的反应),也可以与不饱和烃或芳香烃发生加成反应。

\rm RH+NO_2\rightarrow R\cdot + HONO

反应[编辑]

主要反应[编辑]

150 °C时二氧化氮分解放出氧气。该反应是一个吸热反应(ΔH = 114 kJ/mol)。

\rm 2NO_2 = 2NO+O_2\,

二氧化氮中的N-O键键能较低,故它是一个很好的氧化剂。特定条件下可以将氯化氢一氧化碳等还原剂氧化。有时与混合后,会使烃类发生爆炸性燃烧。

与水反应歧化生成硝酸。该反应是工业上用制硝酸(奥斯特瓦尔德制硝酸法)的反应之一。[2]

\rm 3NO_2+H_2O= NO+2HNO_3\,

溶于氢氧化钠溶液歧化生成亚硝酸钠与硝酸钠,该反应是除去实验中二氧化氮尾气的常用反应。

\rm 2NO_2+2NaOH=NaNO_3+NaNO_2+H_2O\,

与一氧化氮溶于氢氧化钠溶液归中生成亚硝酸钠

\rm NO+NO_2+2NaOH = 2NaNO_2+H_2O\,

光照或加热时,硝酸可以分解出二氧化氮,这就造成了大多数硝酸样品所特有的黄色:

\rm 4HNO_3 =4NO_2\uparrow+2H_2O+O_2\uparrow\,

NO2与金属氧化物反应生成无水金属硝酸盐:[1]

\rm MO+3NO_2=2M(NO_3)_2+NO\uparrow\,

烷基和金属碘化物也可以通过类似的反应生成相应的硝酸酯硝酸盐

\rm TiI_4+8NO_2 =Ti(NO_3)_4+4NO\uparrow+2I_2
\rm 2CH_3I+4NO_2 \rightarrow 2CH_3ONO_2+2NO+I_2

聚合反应[编辑]

图中显示不同温度下相同的N2O4-NO2混合物的颜色,左瓶温度高于右瓶。

NO2(红棕色顺磁性气体)很容易聚合。通常情况下与其二聚体形式——四氧化二氮(无色抗磁性气体)混合存在,构成一种平衡态混合物

\rm 2NO_2 \rightleftharpoons N_2O_4\rm \ \Delta H = -57.23 kJ/mol

NO2到N2O4是个放热反应,因此顺磁性的NO2单体在高温时稳定。在低温下,二氧化氮(NO2)气体转化为无色的四氧化二氮(N2O4)气体;在高温下,由N2O4转变回NO2。无色抗磁性的N2O4可以通过在–11.2°C的熔点熔化它的固体而得到。[1] 固态时(凝固点以下),混合物几乎全部为四氧化二氮,二氧化氮占0.1%不到。温度高于140 °C时,则全部解离。

污染及毒性[编辑]

二氧化氮是一种影响空气质量的重要污染物。虽然吸入二氧化氮会导致中毒反应,但由于二氧化氮过于刺激反而使得中毒事故较容易避免。例如,发烟硝酸就经常被NO2污染。在吸入少量但潜在致命的剂量的二氧化氮后,中毒症状(肺水肿)会在几小时后显现。低浓度(4ppm)的二氧化氮会使鼻子麻痹,从而可能导致过量吸收。长期暴露在NO2浓度为40到100毫克/立方米的环境中会导致不利的健康影响。[3]

空气中的二氧化氮可由大多数燃烧过程生成。在高温下,氮气氧气结合而产生二氧化氮:

\rm 2O_2+N_2\rightarrow 2NO_2

最重要的NO2排放源是内燃发动机[4]火力发电厂,以及制浆厂。大气核试验也是二氧化氮的一个来源。这也是核爆时蘑菇云略带红色的缘故。[5] 这些过程都需要吸入大量的空气来帮助燃烧,从而将氮气引入到高温的燃烧反应中,最终产生了氮氧化物。因此,控制氮氧化物要求精细的控制为助燃而吸入的空气量。

二氧化氮对大气化学(比如对流层臭氧的形成)有影响。一项最近由加州大学圣地亚哥分校的研究者发表的结果显示空气中NO2的浓度与嬰兒猝死症有一定联系。 [6]

参见[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
  2. ^ Michael Thiemann, Erich Scheibler, Karl Wilhelm Wiegand “Nitric Acid, Nitrous Acid, and Nitrogen Oxides” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2005, Weinheim.
  3. ^ Health Aspects of Air Pollution with Particulate Matter,Ozone and Nitrogen Dioxide. [2008-02-25]. 
  4. ^ Son, Busoon; Wonho Yang, Patrick Breysse, Taewoong Chung and Youngshin Lee. Estimation of occupational and nonoccupational nitrogen dioxide exposure for Korean taxi drivers using a microenvironmental model. Environmental Research. 2004.March, 94 (3): 291–296 [2008-02-25]. doi:10.1016/j.envres.2003.08.004. 
  5. ^ Air emissions. Botnia. [2008-02-25]. 
  6. ^ Sids Linked to Nitrogen Dioxide Pollution. [2008-02-25]. 

外部链接[编辑]