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7N
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外觀
無色氣體,液體及固體

液態氮

氮的原子光譜
概況
名稱·符號·序數 氮(nitrogen)·N·7
元素類別 非金屬
·週期· 15·2·p
標準原子質量 14.007(1)
電子排布

[氦]2s2 2p3
2, 5

氮的電子層(2, 5)
歷史
發現 丹尼爾·盧瑟福(1772年)
命名 Jean-Antoine Chaptal(1790年)
物理性質
物態 氣態
密度 (0 °C, 101.325 kPa
1.251 g/L
沸點時液體密度 0.808 g·cm−3
熔點 63.15 K,−210.00 °C,−346.00 °F
沸點 77.36 K,−195.79 °C,−320.33 °F
三相點 63.1526 K(-210 °C),12.53 kPa
臨界點 126.19 K,3.3978 MPa
熔化熱 (N2) 0.72 kJ·mol−1
汽化熱 (N2) 5.56 kJ·mol−1
比熱容 (N2)
29.124 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫(K) 37 41 46 53 62 77
原子性質
氧化態 5, 4, 3, 2, 1, −1, −2, −3
(強酸性)
電負性 3.04(鮑林標度)
電離能

第一:1402.3 kJ·mol−1
第二:2856 kJ·mol−1
第三:4578.1 kJ·mol−1

更多
共價半徑 71±1 pm
范德華半徑 155 pm
雜項
晶體結構

hexagonal

氮具有hexagonal晶體結構
磁序 抗磁性
熱導率 25.83 × 10−3 W·m−1·K−1
聲速 (gas, 27 °C) 353 m·s−1
CAS號 7727-37-9
最穩定同位素

主條目:氮的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
13N 人造 9.965分 電子捕獲 2.220 13C
14N 99.634% 穩定,帶7個中子
15N 0.366% 穩定,帶8個中子

是一種化學元素,其化學符號N原子序數是7。在自然界中氮單質最普遍的形態是氮氣,這是一種在標準狀況下無色無味無臭的雙原子氣體分子,由於化學性質穩定而不容易發生化學反應。氮氣是地球大氣中含量最多的氣體,佔總體積的78.09%[1]。1772年在蘇格蘭愛丁堡,由丹尼爾·盧瑟福分離空氣後發現。氮屬於氮族元素中的一種。

氮是宇宙中常見的元素,在銀河系太陽系的豐度約有14%。其生成的原因推測是由於超新星產生的核融合。由於氮元素及其和氫、形成的常見化合物都極易揮發,因此在內太陽系中的類地行星中氮元素較不常見。不過和地球一樣,其他行星及其衛星的大氣層中,氣態的氮及其化合物很常見。

很多工業上很重要的化合物(比如硝酸、用作推進劑炸藥的有機硝酸鹽以及氰化物)都含有氮原子。氮原子之間具有非常牢固的化學鍵,無論是在工業中或是在生物體內,將N2轉化為有用的含氮化合物都是很不容易的。相應的,當含氮化合物燃燒,爆炸或分解時會產生氮氣,並通常可以釋放大量有用的能量。合成產生的氨和硝酸鹽是關鍵的工業化肥料,而硝酸鹽肥料是引起水系統富營養化的關鍵污染物

含氮化合物除了作為肥料和能量儲存的功用之外還有其他多種用途。氮是克維拉纖維和氰基丙烯酸酯強力膠水等多種材料的組成部分。在各種藥學藥品的大類中(包括抗生素)都含有氮元素。許多藥物都是天然含氮信號分子的類似物或前體藥物。比如,有機硝酸鹽硝酸甘油硝普鈉在體內代謝產生一氧化氮以控制血壓。植物中的生物鹼(經常是防衛性化合物)根據定義是含有氮的,許多知名的含氮藥物(比如咖啡因和嗎啡)是生物鹼或是合成的天然產物類似物,像許多植物生物鹼一樣用作於動物體內的神經傳導物質的接收器上(例如合成苯丙胺)。

氮主要存在於所有的有機體的胺基酸(以及蛋白質)和核酸(DNARNA)之中。人類身體中的3%的重量都是氮元素構成的,其含量僅次於氧元素、碳元素和氫元素。氮循環是指氮元素從空氣進入生物圈和有機化合物中然後再返回大氣的轉移過程。

名稱和歷史[編輯]

氮一般被認為是被蘇格蘭物理學家丹尼爾·盧瑟福在1772年發現的。他發現將生物放入其中都會窒息而死,因而將氮氣叫做有害氣體(noxious air)固定空氣(fixed air)[2][3]盧瑟福清楚空氣中有一種成分不支持燃燒。當時,卡爾·威廉·舍勒亨利·卡文迪什約瑟夫·普利斯特里也都在研究氮氣。他們將它稱為燃燒氣(burnt air)燃素(phlogisticated air)。氮氣很不活躍,因此被拉瓦錫稱為有毒氣體(mephitic air)azote。azote源於希臘詞ἄζωτοςazotos),意思是 "無生命的"。[4]在氮氣里,動物死亡,火焰熄滅。拉瓦錫所給的氮氣的名字被用於很多種語言(法語,義大利語,波蘭語,俄語,阿爾巴尼亞語,等等),並且還處在於英語的一些化合物的常用名字里,比如(hydrazine)和疊氮化合物

英語單詞nitrogen(1794)來自於法語單詞nitrogène,是由法國化學家讓-安托萬·沙普塔英語Jean-Antoine Chaptal將希臘語"nitron"(碳酸鈉)與法語gène(生成)相結合後製造出來的新詞。氮氣常在硝酸氣體中被發現。沙普塔的意思是,氮氣是硝酸的一個組成部分,是由硝石(nitre)(硝酸鉀)產生的。[5]

德文中便直接以sticken(導致窒息)和Stoff(物質)組合,命名為Stickstoff(導致窒息的物質),日文韓文便自此將之意譯為「窒素」。

19世紀70年代化學家徐壽將H、O、N、F、Cl譯為輕氣、養氣、淡氣、弗氣、綠氣,直至1933年,化學家鄭貞文在其主持編寫出版的《化學命名原則》一書中改成氫、氧、氮、氟、氯,一直沿用到現在。[6]中文名稱「氮」有沖淡氣體的意思。

氮化合物早在中世紀就廣為人知了。煉金師知道硝酸是aqua fortis(強水)。硝酸和鹽酸的混合物被稱做aqua regia王水), 因為它可以溶解黃金(金屬之)。最早的在軍事,工業和農業上得氮化合物的應用是硝石(硝酸鈉或硝酸鉀)的使用,尤其是在火藥中和作為肥料。1910年,瑞利男爵發現在氮氣中放電可以產生「活性氮」,一種氮得單原子同素異形體。由他的儀器中產生的「明黃色的旋轉的雲」與反應後生成爆炸性的氮化汞[7]

有相當長一段時間內,氮化合物的來源很有限。它們的自然來源要麼是生物學,要麼是大氣反應生成的硝酸鹽的沉積。對肥料的需求日益增長促進了氮化合物的工業化生產。工業化的固氮過程(如奧斯特瓦爾德法和氰氨法英語Frank-Caro process)消除了氮化合物的短缺。1910年代哈柏法的發現和工業化應用徹底改變了氮化合物的供應,對食品生產產生了很大影響,使得養活全世界日益增長的人口成為可能。[8]

屬性[編輯]

氮氣是非金屬,其電負性為3.04。[9]氮原子的外層有5個電子,因此它在絕大多數化合物中都是三價的。分子氮(N2)的叄鍵是最強的化學鍵之一,導致將N2轉化為其他氮化合物非常困難,而較容易將化合物形態的氮元素轉化為氮單質。後者的轉化通常伴有大量能量釋放,在自然和人類經濟活動中佔有重要的地位。

在1個大氣壓下,分子氮在77K(−195.79°C)時凝結液化),在63K(−210.01°C)時凝固[1]成為β相的六方密積英語Close-packing of equal spheres結構的晶體形態的同素異形體。在35.4K(−237.6°C)以下,氮被認為是立方晶體形態的同素異形體(被稱為α相)。[10]液氮是像水一樣的流體,但僅有水密度的80.8% (液氮在其沸點時的密度是0.808g/mL),是常用的製冷劑[11]

氮的不穩定的同素異形體包含有多於2個氮原子(比如N3N4),可以在實驗室中製得。[12]在利用金剛石對頂砧英語diamond anvil cell得到的極端高壓(110多萬atm)和高溫(2000K)下,氮被聚合成單鍵的立方偏轉的晶體結構。這種結構於鑽石的結構類似,都具有很強的共價鍵。因此N4的別名為「氮鑽石」。[13]

其他的被預測出得氮的同素異形體有六氮苯N6,類似於[14]八氮立方烷N8,類似於立方烷)。[15]前者被預言為高度不穩定,而後者被推測因為軌道對稱的原因會動力學穩定。 [16]

同位素[編輯]

已發現的氮的同位素共有十七種,包括10N至25N,其中只有14N和15N是最穩定的。最常見的是14N(99.634%),是在恆星的碳氮氧循環過程中產生的。[17]在其他人工合成的同位素中, 13N的半衰期是10分鐘,其他的同位素的半衰期都是以秒計或更短。 [18]

生物介導反應(例如同化硝化反應反硝化反應)牢牢地控制著土壤的氮動力學。這些反應一般會導致基質的15N富集和產物的15N消耗。[19]

地球大氣中的氮氣得一小部分(0.73%)是同位素體英語isotopologue14N15N,其餘的大部分是14N2[20]

電磁光譜[編輯]

氮放電(光譜)管

分子氮(14N2)是對紅外的可見光的輻射是十分透明的。因為它是同核分子英語homonuclear molecule,因此沒有偶極矩去在這些波長上來耦合電磁輻射。顯著地吸收發生在極端紫外的波長高於100奈米的波段。[21]這一般伴隨著電子躍遷,發生在那些內部氮原子之間電荷分布不均的氮分子之間。氮的光吸收導致了在地球高層大氣中和其它行星大氣中的顯著地紫外輻射吸收。因為同樣地原因,純分子氮雷射器英語nitrogen laser一般發出在紫外波段的光。

氮通過電子碰撞激發的電子流而對地球高層大氣里地可見的大氣光有所貢獻。這種可見的藍色大氣光(在極地的極光中以及返航的太空飛行器的返航光中可見)一般不是來自於分子氮,而是源於自由氮原子結合氧生成一氧化氮(NO)的過程。

氮氣也會展示出閃爍英語Scintillation (physics)

製備[編輯]

  • 工業法:液態空氣分餾,N2沸點低於O2先汽化,但無法得純N2。也可以通過機械方法(例如加壓反滲透膜變壓吸附法英語Pressure Swing Adsorption)處理氣態空氣得到氮氣。商品化氮氣常常是製作工業用氧氣時的副產品。工業氮氣被壓縮後都用黑色鋼瓶裝,常被稱為OFN(oxygen-free nitrogen,無氧氮氣)。[22]
  • 實驗法:

1.氯化銨混合亞硝酸鈉加熱:[23]

NH4Cl(s) + NaNO2(s) → N2(g) + NaCl(s) + 2 H2O(g)(純度高)
此反應也會產生少量NO和HNO3,將氣體產物通過混有二鉻酸鉀的液態硫酸可以去除。[23]

2.純空氣通過灼熱銅粉或銅絲網去氧:

4 N2(g) + O2(g) + 2 Cu(s) → 2 CuO(s) + 4 N2(g)(純度低)

3.氨氣通過灼熱氧化銅

2 NH3(g) + 3 CuO(s) → 3 Cu(s) + 3 H2O(g) + N2(g)

用途[編輯]

廉價的惰性保護氣,用於金屬煉製及高溫合成時的簡單保護性氛圍(其性能不及氦氣氬氣);高溫下用於合成氮化物(如氮化矽陶瓷、氮化硼等)。亦其化合物亦有用於農業,如氮肥。液態氮有時用於冷卻。此外,氮是速食麵包裝內的主要氣體,能防止食物變壞。

氧化物[編輯]

氮可以形成多種不同的氧化物。在氧化物中,氮的氧化數可以從+1到+5。其中以NONO2較為重要。

氮的氧化物的性質如下表:

名稱 化學式 狀態 顏色 化學性質 熔點 沸點 一般用途
一氧化二氮(笑氣) N2O 氣態 無色 穩定 -90.8 -88.5 火箭和賽車的氧化劑及增加發動機的輸出功率。
一氧化氮 NO 氣態 無色(固態液態時為藍色 反應能力適中 -163.6 -151.8 引起血管的擴張而引起勃起和生產硝酸
三氧化二氮 N2O3 液態 藍色 室溫下分解為NO和NO2 -102 -3.5(分解)
二氧化氮 NO2 氣態 紅棕色 強氧化性 -11.2 21.2 生產硝酸
四氧化二氮 N2O4 氣態 無色 強烈地分解為NO2 -92 21.3 火箭推進劑組分中的氧化劑
五氧化二氮 N2O5 固態 無色 不穩定 30 47(分解)

參見[編輯]

參考[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 Gray, Theodore. The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. 2009. ISBN 978-1-57912-814-2. 
  2. ^ Lavoisier, Antoine Laurent. Elements of chemistry, in a new systematic order: containing all the modern discoveries. Courier Dover Publications. 1965. 15. ISBN 0-486-64624-6. 
  3. ^ Weeks, Mary Elvira. The discovery of the elements. IV. Three important gases. Journal of Chemical Education. 1932, 9 (2): 215. Bibcode:1932JChEd...9..215W. doi:10.1021/ed009p215. 
  4. ^ Elements of Chemistry, trans. Robert Kerr (Edinburgh, 1790; New York: Dover, 1965), 52.
  5. ^ nitrogen. Etymonline.com. Retrieved on 2011-10-26.
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  7. ^ Lord Rayleigh's Active Nitrogen. Lateral Science. [2013-10-01]. 
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  9. ^ Lide, D. R. (編). CRC Handbook of Chemistry and Physics 84th. Boca Raton, FL: CRC Press. 2003. 
  10. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan., Chemistry of the Elements. 2nd, Oxford: Butterworth-Heinemann. 1997, ISBN 0080379419 
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