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氮的循环 ​

氮气 ​

氮气(NA2,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:

NA2+OA2→放电2NO

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:

2NO+OA2⟶2NOA2

二氧化氮 ​

二氧化氮(NOA2,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:

3NOA2+HA2O⟶2HNOA3+NO

TIP

因为 NOA2 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 NOA2 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):

NA2+3HA2↽−−⇀高温、高压催化剂2NHA3

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:NA2→放电OA2NO→OA2NOA2→HA2OHNOA3

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 NHA4A+)
  • 硝态氮肥(主要成分为 NOA3A−)
  • 有机态氮肥——尿素(urea,CO(NHA2)A2)

氨 ​

氨(ān,音安,NHA3,ammonia),无色气体,有刺激性气味(撒所味滴嗨嗨!)。密度小于空气,为 0.771g⋅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(NHA3⋅HA2O),显弱碱性:

NHA3+HA2O↽−−⇀NHA3⋅HA2O↽−−⇀NHA4A++OHA−

氨还可以与酸反应,生成铵盐。这里以盐酸(或氯化氢)为例:

NHA3+HCl⟶NHA4Cl

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:

4NHA3+5OA2→△催化剂4NO+6HA2O

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,NHA4A+,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:

NHA4HNOA3→△NHA3↑+COA2↑+HA2ONHA4Cl→△NHA3↑+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:

NHA4A++OHA−→△NHA3↑+HA2O

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:

2NHA4Cl+Ca(OH)A2→△2NHA3↑+CaClA2+2HA2O

硝酸 ​

硝酸(HNOA3,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 1.5g⋅cm−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:

4HNOA3→受热或光照4NOA2↑+OA2↑+2HA2O

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:

4HNOA3(浓)+Cu⟶Cu(NOA3)A2+2NOA2↑+2HA2O8HNOA3(稀)+3Cu⟶3Cu(NOA3)A2+2NO↑+4HA2O

不难发现:浓硝酸的还原产物主要为 NOA2,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:

4HNOA3(浓)+C⟶COA2↑+4NOA2↑+2HA2O

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 ​


  1. MANOA2=14+2⋅16=46Mair≈80%⋅MNA2+20%⋅MOA2=0.8⋅28+0.2⋅32=28.8<MNOA2 ↩︎
  2. 类比上文 NOA2 的计算方法,我们有:

    MNHA3=14+3=17<Mair ↩︎

上次更新:

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