氮气系列（一）什么是氮气

瑞典化学家卡尔·舍勒和苏格兰植物学家丹尼尔·卢瑟福于1772年分别发现了氮。卡文迪什牧师和拉瓦锡也大约在同一时间独立获得了氮。氮首先被拉瓦锡确认为一种元素，并将其命名为“偶氮”，意思是“无生命的”。查普塔尔于1790年将元素氮命名为氮。该名称源自希腊语“nitre”（硝酸盐中含有氮的硝酸盐）

氮气生产制造商 - 中国氮气生产工厂和供应商 (xinfatools.com)

氮源

氮是地球上第 30 位最丰富的元素。考虑到氮气占大气体积的 4/5，即超过 78%，我们可以利用的氮气量几乎是无限的。氮还以硝酸盐的形式存在于多种矿物中，如智利硝石（硝酸钠）、硝石或硝石（硝酸钾）以及含有铵盐的矿物。氮存在于许多复杂的有机分子中，包括所有生物体中存在的蛋白质和氨基酸

物理特性

氮气N2在室温下是无色、无味、无臭的气体，通常无毒。标准状态下气体密度为1.25g/L。氮气占大气总量（体积分数）的78.12%，是空气的主要成分。大气中约有400万亿吨气体。

在标准大气压下，冷却至-195.8℃时，变成无色液体。当冷却到-209.86℃时，液氮变成雪状固体。

氮气是不可燃的，被认为是一种窒息性气体（即呼吸纯氮气会剥夺人体的氧气）。氮在水中的溶解度非常低。在283K时，一体积的水可以溶解约0.02体积的N2。

化学性质

氮气具有非常稳定的化学性质。在常温下很难与其他物质发生反应，但在高温高能条件下可以与某些物质发生化学变化，可以用来生产对人类有用的新物质。

氮分子的分子轨道式为KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2。三对电子有助于成键，即形成两个π键和一个σ键。对成键没有贡献，成键能和反键能近似抵消，相当于孤电子对。由于N2分子中存在一个三键N≡N，因此N2分子具有很大的稳定性，需要941.69 kJ/mol的能量才能将其分解成原子。 N2分子是已知双原子分子中最稳定的，氮的相对分子质量为28。而且氮不易燃烧，不助燃。

测试方法

将燃烧的镁棒放入充有氮气的集气瓶中，镁棒继续燃烧。提取剩余的灰分（微黄色粉末Mg3N2），加少量水，产生气体（氨），使湿红色石蕊试纸变蓝色。反应方程式：3Mg+N2=点火=Mg3N2（氮化镁）； Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 + 2NH3↑

氮的成键特性和价键结构

由于单一物质N2在正常条件下极其稳定，人们常常错误地认为氮是一种化学惰性元素。事实上，恰恰相反，元素氮具有很高的化学活性。 N（3.04）的电负性仅次于F和O，表明它可以与其他元素形成强键。另外，单一物质N2分子的稳定性仅仅表现出N原子的活性。问题在于，人们尚未找到在常温常压下激活N2分子的最佳条件。但在自然界中，植物根瘤上的一些细菌可以在常温常压的低能量条件下将空气中的N2转化为氮化合物，并将其用作作物生长的肥料。

因此，固氮的研究一直是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。

债券类型

N原子的价电子层结构为2s2p3，即有3个单电子和一对孤电子对。基于此，在形成化合物时，可以生成以下三种键类型：

1. 形成离子键 2. 形成共价键 3. 形成配位键

1. 形成离子键

N原子具有高电负性（3.04）。当它们与电负性较低的金属如Li（电负性0.98）、Ca（电负性1.00）和Mg（电负性1.31）形成二元氮化物时，可以获得3个电子并形成N3-离子。 N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- 离子具有较高的负电荷和较大的半径（171pm）。当它们遇到水分子时会强烈水解。因此，离子化合物只能以干燥状态存在，不会有N3-的水合离子。

2. 共价键的形成

当N原子与电负性较高的非金属形成化合物时，形成以下共价键：

⑴N原子呈sp3杂化态，形成三个共价键，保留一对孤电子对，分子构型为三棱锥体，如NH3、NF3、NCl3等。若形成四个共价单键，则分子构型为正四面体，例如 NH4+ 离子。

⑵N原子呈sp2杂化态，形成两个共价键和一个键，并保留一对孤电子对，分子构型呈角状，如Cl—N=O。 （N原子与Cl原子形成σ键和π键，N原子上有一对孤电子对使分子呈三角形。）如果没有孤电子对，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，其π轨道上的一对电子与两个O原子的单个π电子形成三中心四电子离域π键。在硝酸根离子中，三个O原子和中心N原子之间形成四中心六电子离域大π键。这种结构使硝酸中N原子的表观氧化数+5。由于存在较大的π键，硝酸盐在正常条件下足够稳定。 ⑶N原子采用sp杂化形成共价三键并保留一对孤电子对。分子构型为线性，如N2分子中的N原子结构和CN-结构。

3.协调键的形成

当氮原子形成单质或化合物时，往往保留孤电子对，因此此类单质或化合物可以作为电子对供体与金属离子配位。例如[Cu(NH3)4]2+或[Tu(NH2)5]7等。

氧化态-吉布斯自由能图

从氮的氧化态-吉布斯自由能图还可以看出，除NH4离子外，氧化数为0的N2分子处于图中曲线的最低点，这表明N2在热力学上处于相对于具有其他氧化数的氮化合物稳定。

氧化数在0到+5之间的各种氮化合物的值都在连接HNO3和N2两点的线（图中的虚线）之上，因此这些化合物热力学不稳定，容易发生歧化反应。图中唯一比 N2 分子值低的离子是 NH4+ 离子。 [1] 从氮的氧化态-吉布斯自由能图和N2分子的结构可以看出，单质N2不活泼。只有在高温、高压和催化剂存在下，氮气才能与氢气反应生成氨： 在放电条件下，氮气可以与氧气结合生成一氧化氮： N2+O2=放电=2NO 一氧化氮迅速与氧气结合，生成一氧化氮。形成二氧化氮2NO+O2=2NO2 二氧化氮溶于水形成硝酸，一氧化氮3NO2+H2O=2HNO3+NO 在水电发达的国家，已用此反应生产硝酸。 N2与氢反应生成氨：N2+3H2===（可逆符号）2NH3 N2与电离势低、氮化物晶格能高的金属反应，形成离子氮化物。例如：N2在室温下可以直接与金属锂反应： 6 Li + N2=== 2 Li3N N2在白炽温度下与碱土金属Mg、Ca、Sr、Ba反应： 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2可以只在白炽温度下与硼、铝反应： 2 B + N2=== 2 BN（高分子化合物） N2一般在高于1473K的温度下与硅等族元素反应。

氮分子贡献三对电子进行成键，即形成两个π键和一个σ键。对成键没有贡献，成键能和反键能近似抵消，相当于孤电子对。由于N2分子中存在一个三键N≡N，因此N2分子具有很大的稳定性，需要941.69kJ/mol的能量才能将其分解成原子。 N2分子是已知双原子分子中最稳定的，氮的相对分子质量为28。而且氮不易燃烧，不助燃。