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氮原子

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中文名;氮原子

外文名;Nitrogen atom

學科;化學

發現者;卡爾·威爾海姆·舍勒

原子序號;7

類型;非金屬原子

氮原子,氮是一種化學元素,它的化學符號是N,它的原子序數是7。氮是空氣中最多的元素,在自然界中存在十分廣泛,在生物體內亦有極大作用,是組成氨基酸的基本元素之一。[1]

簡介

1772年由瑞典藥劑師舍勒發現,後由法國科學家拉瓦錫確定是一種元素。1787年由拉瓦錫和其他法國科學家提出,氮的英文名稱nitrogen,是"硝石組成者"的意思。中國清末化學家啟蒙者徐壽在第一次把氮譯成中文時曾寫成"淡氣",意思是說,它"沖淡"了空氣中的氧氣。元素名來源於希臘文,原意是"硝石"。

氮在地殼中的含量很少,自然界中絕大部分的氮是以單質分子氮氣的形式存在於大氣中,氮氣占空氣體積的百分之七十八。氮的最重要的礦物是硝酸鹽 。

氮在地殼中的重量百分比含量是0.0046%,總量約達到4×1012噸。動植物體中的蛋白質都含有氮。土壤中有硝酸鹽,例如KNO₃。在南美洲智利有硝石礦(NaNO₃),這是世界上唯一的這種礦藏,是少見的含氮礦藏。宇宙星際已發現含氮分子,如NH₃、HCN等。

氮的豐度1.8×10占16位。自然界的氮有兩種同位素,分別為99.63%、0.365%。

性質

物理性質

在室溫下不與空氣,鹼,水反應,加熱到3273K時,只有0.1%分解,因此,N2是化學特性物質,氮的最重要的礦物是硝酸鹽。氮有兩種天然同位素:氮14和氮15,其中氮14的豐度為99.625%。

晶體結構:晶胞為六方晶胞。

元素類型:非金屬元素

氮氣為無色、無味的氣體。氮通常的單質形態是氮氣。它無色無味無臭,是很不易有化學反應呈化學惰性的氣體,而且它不支持燃燒。

主要成分:高純氮≥99.999%; 工業級 一級≥99.5%; 二級≥98.5%。

外觀與性狀:無色無臭氣體。

溶解性:微溶於水、乙醇。

主要用途:用於合成氨,制硝酸,用作物質保護劑,冷凍劑

化學性質

N原子的價電子層結構為2s2p3,即有3個成單電子和一對孤電子對,以此為基礎,在形成化合物時,可生成如下三種鍵型 :

形成離子鍵

N原子有較高的電負性(3.04),它同電負性較低的金屬,如Li(電負性0.98)、Ca(電負性1.00)、Mg(電負性1.31)等形成二元氮化物時,能夠獲得3個電子而形成N3-離子。

N₂+ 6Li = 2 Li₃N

N₂+ 3Mg =點燃= Mg₃N₂

N3-離子的負電荷較高,半徑較大(171pm),遇到水分子會強烈水解,因此的離子型化合物只能存在於干態,不會有N3-的水合離子。

形成共價鍵

N原子同電負性較高的非金屬形成化合物時,形成如下幾種共價鍵:

⑴N原子採取sp3雜化態,形成三個共價鍵,保留一對孤電子對,分子構型為三角錐型,例如NH₃、NF₃、NCl₃等。

若形成四個共價單鍵,則分子構型為正四面體型,例如NH₄+離子。

⑵N原子採取sp2雜化態,形成2個共價鍵和1個單鍵,並保留有一對孤電子對,分子構型為角形,例如Cl-N=O。(N原子與Cl 原子形成一個σ 鍵和一個π鍵,N原子上的一對孤電子對使分子成為角形。)

若沒有孤電子對時,則分子構型為三角形,例如HNO₃分子或NO₃-離子。硝酸分子中N原子分別與三個O原子形成三個σ鍵,它的π軌道上的一對電子和兩個O原子的成單π電子形成一個三中心四電子的不定域π鍵。在硝酸根離子中,三個O原子和中心N原子之間形成一個四中心六電子的不定域大π鍵。

這種結構使硝酸中N原子的表觀氧化數為+5,由於存在大π鍵,硝酸鹽在常況下是足夠穩定的。

⑶N原子採取sp 雜化,形成一個共價叄鍵,並保留有一對孤電子對,分子構型為直線形,例如N₂分子和CN-中N原子的結構

形成配位鍵

N原子在形成單質或化合物時,常保留有孤電子對,因此這樣的單質或化合物便可作為電子對給予體,向金屬離子配位。例如[Cu(NH₃)₄]2+。

氮共有九種氧化物:一氧化二氮(N₂O)、一氧化氮(NO)、一氧化氮二聚體(N₂O₂)、二氧化氮(NO₂)、三氧化二氮(N₂O₃)、四氧化二氮(N₂O₄)、五氧化二氮(N₂O₅)、疊氮化亞硝酰(N₄O),第九種氮的氧化物三氧化氮(NO₃)作為不穩定的中間體存在於多種反應之中。

應用

工業應用

氮的惰性廣泛用於電子、鋼鐵、玻璃工業,還用於燈泡和膨脹橡膠的填充物,工業上用於保護油類、糧食、精密實驗中用作保護氣體。

氮在室溫時,能與許多直接化合,如、Li、Mg、Cia、Al、B等,反應生成氮化:

N₂(g)+3Mg(s)→Mg₃N(s)。

N₂與O₂在高溫(~2273K)或放電條件下直接化合N₂+O₂→2NO,這是固定氮的一種方法,估計地球上每年由"雷電合成"氮化合物達4~5億噸,而人工合成氮化合物1億噸左右。

生理作用

氮是植物生長的必需養分之一,它是每個活細胞的組成部分。植物需要大量氮。

氮素是葉綠素的組成成分,葉綠素a和葉綠素都是含氮化合物。綠色植物進行光合作用,使光能轉變為化學能,把無機物(二氧化碳和水)轉變為有機物(葡萄糖)是藉助於葉綠素的作用。葡萄糖是植物體內合成各種有機物的原料,而葉綠素則是植物葉子製造"糧食"的工廠。氮也是植物體內維生素和能量系統的組成部分。

氮素對植物生長發育的影響是十分明顯的。當氮素充足時,植物可合成較多的蛋白質,促進細胞的分裂和增長,因此植物葉面積增長炔,能有更多的葉面積用來進行光合作用。

此外,氮素的豐缺與葉子中葉綠素含量有密切的關係。能從葉面積的大小和葉色深淺上來判斷氮素營養的供應狀況。在苗期,一般植物缺氮往往表現為生長緩慢,植株矮小,葉片薄而小,葉色缺綠髮黃。禾本科作物則表現為分孽少。生長後期嚴重缺氮時,則表現為穗短小,籽粒不飽滿。在增施氮肥以後,對促進植物生長健壯有明顯的作用。往往施用後,葉色很快轉綠,生長量增加。但是氮肥用量不宜過多,過量施用氮素時,葉綠素數量增多,能使葉子更長久地保持綠色,以致有延長生育期、貪青晚熟的趨勢。對一些塊根、塊莖作物,如糖用甜菜,氮素過多時,有時表現為葉子的生長量顯著增加,但具有經濟價值的塊根產量卻少得使人失望。

相關視頻

初中化學 原子的結構

參考資料

  1. 氮原子電子式 , 愛問教育培訓,2023年2月23日