氮的循环

氮气

氮气（ $N_{2}$ ，nitrogen），无色无味气体，难溶于水。约占空气体积的 78%。通常情况下不活泼，但在雷雨天可以与氧气化合成为一氧化氮：

N_{2} + O_{2} \overset{放 电}{\to} 2 NO

一氧化氮

一氧化氮（ $NO$ ，nitrogen monoxide），无色有毒气体，难溶于水。容易造成人体缺氧（机理与 $CO$ 类似，都是与血红蛋白结合，但毒性比 $CO$ 更强）。此外， $NO$ 还可以作为一种信息递质，在人体中发挥着重要作用。

常温下暴露在空气中迅速氧化，生成二氧化氮：

2 NO + O_{2} ⟶ 2 NO_{2}

二氧化氮

二氧化氮（ $NO_{2}$ ，nitrogen dioxide），红棕色气体，有刺激性气味。有漂白性，腐蚀性。易溶于水，溶于水时产生硝酸和一氧化氮：

3 NO_{2} + H_{2} O ⟶ 2 HNO_{3} + NO

TIP

因为 $NO_{2}$ 易溶于水、能够与水发生反应，且密度大于空气^[1]，所以要使用向上排空气法来收集纯净的 $NO_{2}$ 气体。

氮的固定

人工固氮

工业上，以氮气和氢气为原料，在高温、高压和有催化剂的条件下（~~buff 叠满了属于是~~）转化为氨气（~~甚至还是可逆反应~~）：

N_{2} + 3 H_{2} \underset{催 化 剂}{\overset{高 温 、 高 压}{\overset{- ⇀}{↽ -}}} 2 NH_{3}

自然固氮

自然固氮的途径主要有两种：

自然界中的微生物（如共生在豆科植物根部的根瘤菌）将空气中的氮气转化为含氮化合物。
通过闪电将空气中的氮气转化为含氮化合物。即上述从氮气到硝酸的转换： $N_{2} \to_{放电}^{O_{2}} NO \overset{O_{2}}{\to} NO_{2} \overset{H_{2} O}{\to} HNO_{3}$

其中，前者即生物固氮是最主要的途径，约占自然固氮总量的 90%。

化学氮肥

根据氮的存在形式不同，化学氮肥可以分为以下三种：

铵态氮肥（主要成分为 $NH_{4}^{+}$ ）
硝态氮肥（主要成分为 $NO_{3}^{-}$ ）
有机态氮肥——尿素（urea， $CO (NH_{2})_{2}$ ）

氨

氨（ān，音安， $NH_{3}$ ，ammonia），无色气体，有刺激性气味（~~撒所味滴嗨嗨！~~）。密度小于空气，为 $0.771 g \cdot L^{- 1}$ ，极易溶于水，常温常压下 $1$ 体积水能溶解约 $700$ 体积氨气。

氨气溶于水后反应生成一水合氨（ $NH_{3} \cdot H_{2} O$ ），显弱碱性：

NH_{3} + H_{2} O \overset{- ⇀}{↽ -} NH_{3} \cdot H_{2} O \overset{- ⇀}{↽ -} NH_{4}^{+} + OH^{-}

氨还可以与酸反应，生成铵盐。这里以盐酸（或氯化氢）为例：

NH_{3} + HCl ⟶ NH_{4} Cl

氨中氮元素为最低价，具有还原性。工业上利用氨在有催化剂（通常是贵金属单质如铂、铑等）的条件下与氧气反应制取生产硝酸的原料 $NO$ ：

4 NH_{3} + 5 O_{2} \to_{△}^{催 化 剂} 4 NO + 6 H_{2} O

TIP

因为 $NO$ 接触空气会迅速氧化，所以要使用排水法来收集纯净的 $NO$ 气体。

铵

铵（ăn，音俺， $NH_{4}^{+}$ ，ammonium），系由氨衍生出的一种阳性复根，化学性质类似于一价金属离子。

铵盐加热时会放分解，释放出氨气：

NH_{4} HNO_{3} \overset{△}{\to} NH_{3} ↑ + CO_{2} ↑ + H_{2} O

NH_{4} Cl \overset{△}{\to} NH_{3} ↑ + HCl

铵离子在碱性条件下加热会释放出氨气，此反应常用来检验溶液中的铵离子：

NH_{4}^{+} + OH^{-} \overset{△}{\to} NH_{3} ↑ + H_{2} O

实验室中常用氯化铵与氢氧化钙反应制取氨气，用向下排空气法^[2]收集氨气，用湿润的红色石蕊试纸验满：

2 NH_{4} Cl + Ca (OH)_{2} \overset{△}{\to} 2 NH_{3} ↑ + CaCl_{2} + 2 H_{2} O

硝酸

硝酸（ $HNO_{3}$ ，nitric acid）是一种重要的化工原料和化学试剂。

纯净的硝酸是无色、易挥发、有刺激性气味的液体。密度大于水，约为 $1.5 g \cdot c m^{- 3}$ 。受热或见光易分解，可保存在棕色试剂瓶，并放置在阴凉处：

4 HNO_{3} \overset{受 热 或 光 照}{\to} 4 NO_{2} ↑ + O_{2} ↑ + 2 H_{2} O

硝酸具有强氧化性，可以与除金、铂、钛以外的绝大多数金属反应，还原产物与硝酸的浓度有关：

\begin{aligned} 4 HNO_{3} （浓） + Cu & ⟶ Cu (NO_{3})_{2} + 2 NO_{2} ↑ + 2 H_{2} O \\ 8 HNO_{3} （稀） + 3 Cu & ⟶ 3 Cu (NO_{3})_{2} + 2 NO ↑ + 4 H_{2} O \end{aligned}

不难发现：浓硝酸的还原产物主要为 $NO_{2}$ ，稀硝酸的还原产物主要为 $NO$ 。

与浓硫酸类似，常温下的浓硝酸可以使铁、铝等金属表面形成致密的氧化膜而钝化，保护内部金属，所以可以用铁质或铝制容器盛放冷的浓硝酸。

在加热条件下，浓硝酸可以与 $C$ 等非金属单质发生氧化还原反应：

4 HNO_{3} （浓） + C ⟶ CO_{2} ↑ + 4 NO_{2} ↑ + 2 H_{2} O

除此之外，硝酸还具有酸的一般性质，这里就不再赘述了。

“价—类”图

$\begin{aligned} M_{NO_{2}} & = 14 + 2 \cdot 16 = 46 \\ M_{a i r} & \approx 80 % \cdot M_{N_{2}} + 20 % \cdot M_{O_{2}} \\ = 0.8 \cdot 28 + 0.2 \cdot 32 \\ = 28.8 < M_{NO_{2}} \end{aligned}$ ↩︎
类比上文 $NO_{2}$ 的计算方法，我们有：
$M_{NH_{3}} = 14 + 3 = 17 < M_{a i r}$ ↩︎

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