二氧化氮

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二氧化氮
IUPAC名
Nitrogen dioxide
別名 過氧化氮
識別
CAS號 10102-44-0
性質
化學式 NO2
摩爾質量 46.0055 g·mol⁻¹
外觀 紅棕色氣體
密度 1.443 g/cm³(液)
3.4 g/L(氣,294.25K)
熔點 -11.2 °C (261.95 K)
沸點 21.1 °C (293.25 K)
危險性
歐盟危險性符號
有毒有毒 T
氧化性氧化性 O
警示術語 R:R26-R34
安全術語 S:S1/2-S9-S26-S28-S36/37/39-S45
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
3
0
OX
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

二氧化氮化學式NO2),又稱為過氧化氮,是氮氧化物之一。室溫下為有刺激性氣味的紅棕色順磁性氣體,易溶於水。二氧化氮吸入後對組織具有強烈的刺激性和腐蝕性。作為氮氧化物之一的二氧化氮,是工業合成硝酸的中間產物,每年有大約幾百萬噸被排放到大氣中,是一種重要的大氣污染物

製備[編輯]

工業上用空氣中的氮氣氧化一氧化氮製取二氧化氮:[1]

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

在實驗室中,可以通過金屬硝酸鹽的熱分解反應製備少量的二氧化氮:

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

也可以通過五氧化二氮的熱分解來製備NO2。五氧化二氮可以通過硝酸脫水得到。

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

生成的氣體冷凝以除去硝酸,再通過五氧化二磷乾燥,便得到較純淨的二氧化氮。 銅與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。

結構[編輯]

二氧化氮是含有大π鍵結構的典型分子。大π鍵含有三個電子,其中兩個進入成鍵π軌道,一個進入非鍵π軌道。NO2是一個順磁性彎曲型的分子,對稱點群為C2v。ONO鍵角為134.3°(可通過Walsh圖來解釋),N-O鍵長119.7pm。

二氧化氮分子含有一個未成對電子,因此它的很多反應類似於自由基。比如,它很容易發生二聚,且在有機合成中用作硝化劑,可以從飽和中奪取氫(見下面的反應),也可以與不飽和烴或芳香烴發生加成反應。

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

反應[編輯]

主要反應[編輯]

150 °C時二氧化氮分解放出氧氣。該反應是一個吸熱反應(ΔH = 114 kJ/mol)。

\rm 2NO_2 = 2NO+O_2\,

二氧化氮中的N-O鍵鍵能較低,故它是一個很好的氧化劑。特定條件下可以將氯化氫一氧化碳等還原劑氧化。有時與混合後,會使烴類發生爆炸性燃燒。

與水反應歧化生成硝酸。該反應是工業上用制硝酸(奧斯特瓦爾德制硝酸法)的反應之一。[2]

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

溶於氫氧化鈉溶液歧化生成亞硝酸鈉與硝酸鈉,該反應是除去實驗中二氧化氮尾氣的常用反應。

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

與一氧化氮溶於氫氧化鈉溶液歸中生成亞硝酸鈉

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

光照或加熱時,硝酸可以分解出二氧化氮,這就造成了大多數硝酸樣品所特有的黃色:

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

NO2與金屬氧化物反應生成無水金屬硝酸鹽:[1]

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

烷基和金屬碘化物也可以通過類似的反應生成相應的硝酸酯硝酸鹽

\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

聚合反應[編輯]

圖中顯示不同溫度下相同的N2O4-NO2混合物的顏色,左瓶溫度高於右瓶。

NO2(紅棕色順磁性氣體)很容易聚合。通常情況下與其二聚體形式——四氧化二氮(無色抗磁性氣體)混合存在,構成一種平衡態混合物

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

NO2到N2O4是個放熱反應,因此順磁性的NO2單體在高溫時穩定。在低溫下,二氧化氮(NO2)氣體轉化為無色的四氧化二氮(N2O4)氣體;在高溫下,由N2O4轉變回NO2。無色抗磁性的N2O4可以通過在–11.2°C的熔點熔化它的固體而得到。[1] 固態時(凝固點以下),混合物幾乎全部為四氧化二氮,二氧化氮佔0.1%不到。溫度高於140 °C時,則全部解離。

污染及毒性[編輯]

二氧化氮是一種影響空氣質量的重要污染物。雖然吸入二氧化氮會導致中毒反應,但由於二氧化氮過於刺激反而使得中毒事故較容易避免。例如,發煙硝酸就經常被NO2污染。在吸入少量但潛在致命的劑量的二氧化氮後,中毒症狀(肺水腫)會在幾小時後顯現。低濃度(4ppm)的二氧化氮會使鼻子麻痹,從而可能導致過量吸收。長期暴露在NO2濃度為40到100毫克/立方米的環境中會導致不利的健康影響。[3]

空氣中的二氧化氮可由大多數燃燒過程生成。在高溫下,氮氣氧氣結合而產生二氧化氮:

\rm 2O_2+N_2\rightarrow 2NO_2

最重要的NO2排放源是內燃發動機[4]火力發電廠,以及製漿廠。大氣核試驗也是二氧化氮的一個來源。這也是核爆時蘑菇雲略帶紅色的緣故。[5] 這些過程都需要吸入大量的空氣來幫助燃燒,從而將氮氣引入到高溫的燃燒反應中,最終產生了氮氧化物。因此,控制氮氧化物要求精細的控制為助燃而吸入的空氣量。

二氧化氮對大氣化學(比如對流層臭氧的形成)有影響。一項最近由加州大學聖地亞哥分校的研究者發表的結果顯示空氣中NO2的濃度與嬰兒猝死症有一定聯繫。 [6]

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  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]. 

外部連結[編輯]