氮气

氮气分子结构

• 氮原子的原子序数为7，位于元素周期表第二周期第$\ce{ⅤA}$族。原子最外层有5个电子，既不容易得到3个电子，也不容易失去5个电子。因此，氮原子一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质。

  

• 氮气的分子式为：$\ce{N_2}$，结构式：$\ce{N#N}$。$\ce{N_2}$分子中氮原子之间以三键结合，键能大（946kJ/mol）,难断裂。所以通常情况下，$\ce{N_2}$的化学性质很稳定，不易发生化学反应。

  

氮气物理性质

• 物理性质：纯净的氮气是无色无味气体，难溶于水，密度比空气略小。在常压下降低温度，氮气先变成无色液体，再变成雪花状固体。

氮气化学性质

通常情况下，$\ce{N_2}$的化学性质很不活泼，难与其他物质发生化学反应。但在一定条件下可以表现出氧化性或还原性。

氧化性

• 合成氨：

  $N_2+3H_2\ce{<=>[催化剂][高温、高压]}2NH_3$

  （注意：该反应为放热反应）

• 与活泼金属反应：

  $N_2+3Mg\xlongequal{点燃}Mg_3N_2$

还原性

• 自然界雷电固氮：

  $N_2+O_2\xlongequal{放电或高温}2NO$

氮的存在和固定

氮在自然界中的存在

• 游离态的氮以双原子分子$\ce{N2}$的形式存在于大气中，约占空气总体积的78%。
• 化合态的氮存在于动植物体内的蛋白质和核酸中，是构成生命体的重要元素，同时也存在于土壤，海洋里的硝酸盐和铵盐中。

氮的固定

• 将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程称为氮的固定。

• 分类

  • 自然固氮

    雷电固氮：$N_2+O_2\xlongequal{放电或高温}2NO$

    生物固氮：豆科植物的根瘤菌固氮。

  • 人工固氮：（工业合成氨）

    $N_2+3H_2\ce{<=>[催化剂][高温、高压]}2NH_3$

     

氮气的用途

• 合成氨，制硝酸。
• 利用氮气化学性质的稳定，在焊接金属时代替稀有气体作保护气，防止金属被氧化。
• 填充灯泡，防止钨丝被氧化，从而延长灯泡的寿命。
• 种子存放，保存粮食水果等，防止腐烂。
• 医药上用液氮作冷冻剂，便于在麻醉冷冻条件下进行手术。
• 某些超导材料在液氮制造的低温环境下获得了超导性能。