中文名:氮气
英文名:nitrogen
化学式:n2
相对分子质量:28.013
化学性质:不活泼
cas登录号:7727-37-9
einecs登录号:231-783-9
发现者:亨利·卡文迪许
命名者:安托万-洛朗·拉瓦锡[1]
化学性质
由氮元素的氧化态-吉布斯自由能图也可以看出,除了nh4离子外,氧化数为0的n2分子在图中曲线的Zui低点,这表明相对于其它氧化数的氮的化合物来讲,n2是热力学稳定状态。氧化数为0到+5之间的各种氮的化合物的值都位于hno3和n2两点的连线(图中的虚线)的上方,因此,这些化合物在热力学上是不稳定的,容易发生歧化反应。在图中唯一的一个比n2分子值低的是nh4+离子。[2]
由氮分子中三键键能很大,不容易被破坏,因此其化学性质十分稳定,只有在高温高压并有催化剂存在的条件下,氮气可以和氢气反应生成氨。
氮化物反应
氮化镁与水反应:mg3n2+6h2o=3mg(oh)2↓+2nh3↑
在放电条件下,氮气才可以和氧气化合生成一氧化氮:n2+o2=放电=2no
一氧化氮与氧气迅速化合,生成二氧化氮2no+o2=2no2
二氧化氮溶于水,生成硝酸,一氧化氮3no2+h2o=2hno3+no
五氧化二氮溶于水,生成硝酸,n2o5+h2o=2hno3
氮和活泼金属反应
n2 与金属锂在常温下就可直接反应: 6 li + n2=== 2 li3n
n2与碱土金属mg 、ca 、sr 、ba 在炽热的温度下作用: 3 ca + n2===
ca3n2
n2与镁条反应:3mg+n2=点燃=mg3n2(氮化镁)
氮和非金属反应
n2与氢气反应制氨气:n2+3h2===(可逆符号)2nh3
n2与硼要在白热的温度才能反应: 2 b + n2=== 2 bn (大分子化合物)
n2与硅和其它族元素的单质一般要在高于1473k的温度下才能反应。
物理性质
氮在常况下是一种无色无味的气体,且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%(体积分数),在标准情况下的气体密度是1.25g/l,氮气难溶于水,在常温常压下,1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。氮气是难液化的气体。氮气在极低温下会液化成无色液体,进一步降低温度时,更会形成白色晶状固体。在生产中,通常采用黑色钢瓶盛放氮气。其他物理性质见下表:[3]
项 目
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属 性
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化学式
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n2
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相对分子质量
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28.013
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cas登录号
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7727-37-9
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einecs登录号
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231-783-9
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英文名称
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nitrogen
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熔点
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63.15k,-210℃
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沸点,101.325kpa(1atm)时
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77.35k,-195.8℃
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临界温度
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126.1k,-147.05℃
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临界压力
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3.4mpa,33.94bar,33.5atm,492.26psia
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临界体积
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90.1cm3/mol
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临界密度
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0.3109g/cm3
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临界压缩系数
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0.292
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液体密度,-180℃时
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0.729g/cm3
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液体热膨胀系数,-180℃时
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0.00753 1/℃
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表面张力,-210℃时
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12.2×10-3 n/m,12.2dyn/cm
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气体密度,101.325 kpa(atm)和70f(21.1℃)时
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1.160kg/m3,0.0724 lb/ft3
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气体相对密度,101.325 kpa(1atm)和70f时(空气=1)
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0.967
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汽化热,沸点下
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202.76kj/kg,87.19 btu/1b
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熔化热,熔点下
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25.7kj/kg,11.05 btu/1b
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气体定压比热容cp,25℃时
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1.038kj/(kg· k),0.248 btu/(1b·r)
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气体定容比热容cv,25℃时
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0.741kj/(kg· k),0.177 btu/(1b·r)
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气体比热容比,cp/cv
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1.401
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液体比热容,-183℃时
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2.13kj/(kg·k),0.509 btu/(1b·r)
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固体比热容,-223℃时
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1.489kj/(kg·k),0.356 btu/(1b·r)
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溶解度参数
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9.082(j/cm3 )0.5
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液体摩尔体积
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34.677cm3 /mol
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在水中的溶解度,25℃时
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17.28×10-6(w)
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气体黏度,25℃时
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175.44×10-7pa·s,175.44μp
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液体黏度,-150℃时
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0.038mpa ·s,0.038 cp
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气体热导率,25℃ 时
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0.02475w/(m · k)
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液体热导率,-150℃时
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0.0646w/(m · k)
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氮主要用于合成氨,反应式为n2+3h2=2nh3(
条件为高压,高温、和催化剂。反应为可逆反应)还是合成纤维(锦纶、腈纶),合成树脂,合成橡胶等的重要原料。
氮是一种营养元素还可以用来制作化肥。例如:碳酸氢铵nh4hco3,氯化铵nh4cl,硝酸铵nh4no3等等。
汽车轮胎
1.提高轮胎行驶的稳定性和舒适性[4]
氮气几乎为惰性的双原子气体,化学性质极不活泼,气体分子比氧分子大,不易热胀冷缩,变形幅度小,其渗透轮胎胎壁的速度比空气慢约30~40%,
能保持稳定胎压,提高轮胎行驶的稳定性,保证驾驶的舒适性;氮气的音频传导性低,相当于普通空气的1/5,使用氮气能有效减少轮胎的噪音,提高行驶的宁静度。
2.防止爆胎和缺气碾行
爆胎是公路交通事故中的头号杀手。据统计,在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的,其中爆胎一项就占轮胎事故总量的70%。汽车行驶时,轮胎温度会因与地面磨擦而升高,尤其在高速行驶及紧急刹车时,胎内气体温度会急速上升,胎压骤增,所以会有爆胎的可能。而高温导致轮胎橡胶老化,疲劳强度下降,胎面磨损剧烈,又是可能爆胎的重要因素。而与一般高压空气相比,高纯度氮气因为无氧且几乎不含水份不含油,其热膨胀系数低,热传导性低,升温慢,降低了轮胎聚热的速度,不可燃也不助燃等特性,所以可大大地减少爆胎的几率。
3.延长轮胎使用寿命
使用氮气后,胎压稳定体积变化小,大大降低了轮胎不规则磨擦的可能性,如冠磨、胎肩磨、偏磨,提高了轮胎的使用寿命;橡胶的老化是受空气中的氧分子氧化所致,老化后其强度及弹性下降,且会有龟裂现象,这时造成轮胎使用寿命缩短的原因之一。氮气分离装置能极大限度地排除空气中的氧气、硫、油、水和其它杂质,有效降低了轮胎内衬层的氧化程度和橡胶被腐蚀的现象,不会腐蚀金属轮辋,延长了轮胎的使用寿命,也极大程度减少轮辋生锈的状况。
4.减少油耗,保护环境
轮胎胎压的不足与受热后滚动阻力的增加,会造成汽车行驶时的油耗增加;而氮气除了可以维持稳定的胎压,延缓胎压降低之外,其干燥且不含油不含水,热传导性低,升温慢的特性,减低了轮胎行走时温度的升高,以及轮胎变形小抓地力提高等,降低了滚动阻力,从而达到减少油耗的目的。
氮气弹簧
由于氮的化学惰性,常用作保护气体,如:瓜果,食品,灯泡填充气。以防止某些物体暴露于空气时被氧所氧化,用氮气填充粮仓,可使粮食不霉烂、不发芽,长期保存。液氮还可用作深度冷冻剂。作为冷冻剂在医院做除斑,包,豆等的手术时常常也使用,
即将斑,包,豆等冻掉,但是容易出现疤痕,并不建议使用。高纯氮气用作色谱仪等仪器的载气。用作铜管的光亮退火保护气体。跟高纯氦气、高纯二氧化碳一起用作激光切割机的激光气体。氮气也作为食品保鲜保护气体的用途。在化工行业,氮气主要用作保护气体、置换气体、洗涤气体、安全保障气体。用作铝制品、铝型材加工,铝薄轧制等保护气体。用作回流焊和波峰焊配套的保护气体,提高焊接质量。用作浮法玻璃生产过程中的保护气体,防锡槽氧化。
化学键
由于单质n2在常况下异常稳定,人们常误认为氮是一种化学性质不活泼的元素。实际上相反,元素氮有
很高的化学活性。n的电负性(3.04)仅次于f、cl、o和br,说明它能和其它元素形成较强的键。另外单质n2分子的稳定性恰好说明n原子的活泼性。问题是目前人们还没有找到在常温常压下能使n2分子活化的Zui优条件。但在自然界中,植物根瘤上的一些细菌却能够在常温常压的低能量条件下,把空气中的n2转化为氮化合物,作为肥料供作物生长使用。所以固氮的研究一直是一个重要的科学研究课题。因此我们有必要详细了解氮的成键特性和价键结构。
氮气中键特性
制氮机
氮气分子中对成键有贡献的是三对电子,即形成两个π键和一个σ键。
对成键没有贡献,成键与反键能量近似抵消,它们相当于孤电子对。由于n2分子中存在叁键n≡n,所以n2分子具有很大的稳定性,将它分解为原子需要吸收941.69kj/mol的能量。n2分子是已知的双原子分子中Zui稳定的,氮气的相对分子质量是28。
氮气通常不易燃烧且不支持燃烧。化学式为n2。
键型
氮气结构式
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:
1.形成离子键
2.形成共价键
3.形成配位键
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+ 6 li == 2 li3n
n2+ 3 ca == ca3n2
n2+ 3 mg =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。
氮气机
⑵n原子采取sp2杂化态,形成2个共价键和一个键,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+或[tu(nh2)5]7等。