氮

氮(N)、非金属元素组15 (Va)的元素周期表。它是一种无色、无臭、无味的气体中最丰富的元素地球的气氛,是所有生物体的组成部分。

4/5的地球大气层是氮,这是孤立和公认为一个特定的物质在早期调查的空气。卡尔·威廉舍勒瑞典化学家,显示,1772年,空气是两种气体的混合物,其中一个他称为“火的空气,”,因为它支持燃烧,和其他“污浊空气,”因为它是左后空气“火”已经用完了。当然,“火”是氧气和氮气“空气污染”。大约在同一时间,氮也被苏格兰植物学家丹尼尔·卢瑟福(谁是第一个公布他的发现),由英国化学家亨利·卡文迪什和由英国牧师和科学家约瑟夫·普里斯特利,舍勒,鉴于信贷发现的氧气。以后的工作显示,新的天然气组成的硝石,硝酸钾(KNO常见的名字₃),因此,它被命名为氮的法国化学家Jean-Antoine-Claude Chaptal在1790年。氮首先被认为是一种化学元素Antoine-Laurent拉瓦锡氧气在燃烧,其解释的角色最终推翻了燃素说,燃烧一个错误的观点,在18世纪早期成为流行。氮无力支持生命(希腊语:佐伊)导致拉瓦锡的名字氮,仍然相当于法国氮。

在元素中,氮在宇宙丰度排名第六。地球的大气层由重量的75.51%(或78.09%)氮;这是商业和工业氮的主要来源。大气中还含有少量的氨和铵盐不同,以及氮氧化物和硝酸(后者物质形成雷暴和内燃机)。免费氮存在于许多陨石;在火山气体、矿山、和一些矿产泉;在阳光下;在某些恒星和星云。

氮也发生在矿床的硝石或硝酸钠(KNO,硝酸钾₃)和硝酸钠(硝酸钠,NaNO₃),但这些存款存在人类需求数量是完全不够的。另一个物质丰富的氮是鸟粪,发现蝙蝠洞穴和干燥的地方经常光顾的鸟类。结合,在雨中发现氮和土壤中氨和铵盐和海水(NH铵₄⁺),亚硝酸盐(NO₂⁻),硝酸盐(NO₃⁻)离子。氮构成平均重量约16%的复杂有机化合物被称为蛋白质,存在于所有的生物。自然在地壳中含量丰富的氮是每1000人0.3部分。宇宙丰估计总丰度观测三到七/硅的原子,原子作为标准。

印度、俄罗斯、美国、特立尼达和多巴哥、和乌克兰的五大生产商氮(氨)的形式在21世纪初。

商业生产的氮在很大程度上是由液化空气分馏。氮的沸腾温度−195.8°C (−320.4°F),约13°C (−23°F)低于氧气,因此留下。大规模氮也可以通过燃烧碳和碳氢化合物在空气和分离产生的二氧化碳和水的残留氮。在小范围内,纯氮是由加热叠氮化钡、Ba (N₃)₂。各种实验室反应生成氮包括亚硝酸盐(NH铵加热₄没有₂)解决方案,由溴水氧化氨,氨的氧化热氧化铜。

元素氮可以作为反应的惰性气氛要求排除氧气和水分。在液态氮有价值的低温应用;除了气体氢、甲烷、一氧化碳、氟,和氧气,几乎所有化学物质有微不足道的氮的沸点和蒸汽压力存在,因此,作为结晶固体温度。

在化学工业中,氮作为预防氧化或其他恶化的一个产品,作为惰性稀释剂活性气体,作为运营商删除热或化学物质和抑制剂的火灾或爆炸。在食品工业中氮气是用来防止通过氧化变质,模具,或昆虫,液氮冷冻干燥和用于制冷系统。电气行业的氮是用来防止氧化等化学反应,增压电缆外套,保护电机。氮金属行业的发现应用程序在焊接、钎焊,钎焊,它有助于防止氧化、渗碳和脱碳。不反应的气体,氮是用来使foamed-or泡沫橡胶、塑料、弹性体,对气溶胶罐作为推进剂,飞机和加压液体推进剂反应。在医学与液氮快速冻结可用于保存血液、骨髓组织,细菌,和精液。液氮低温研究也证明有用。

虽然其他应用程序很重要,到目前为止最大的大部分元素氮在氮的化合物的生产消耗。在氮原子分子之间的三键是如此强大(226千卡每摩尔,氢分子的两倍以上),很难引起分子氮进入其他组合。

固定氮的首席商务方法(将氮元素纳入化合物)是合成哈勃-博施方法氨。这个过程是在第一次世界大战期间减少开发的依赖德国智利硝酸。它包括氨的直接合成的元素。

大量的氮氢生产一起使用氨,在北半球₃一种无色气体,辛辣,刺激性气味。氨合成的首席商务方法是Haber-Bosch过程。氨是一种商业的两个主要含氮化合物;大量用于制造其他重要的含氮化合物。大部分商业氨转化为合成硝酸(HNO₃)和硝酸盐,盐和硝酸酯。氨中使用ammonia-soda过程(索尔维流程)生产纯碱,Na₂有限公司₃。氨还用于肼的制备,N₂H₄无色液体,用作火箭燃料和在许多工业过程。

硝酸是另一个流行的商业氮的化合物。无色、高腐蚀性液体,用于生产化肥、染料、药品、炸药。尿素(CH₄N₂O)是最常见的肥料氮的来源。硝酸铵(NH₄没有₃),氨盐和硝酸,也用作人工化肥和含氮的组成部分,结合燃油,爆炸(铵油)。

与氧气一氧化二氮,氮氧化数,包括,N₂O,氮的氧化态+ 1;一氧化氮,不,它是在+ 2状态;和二氧化氮,不₂,+ 4的状态。许多氮氧化物的剧烈波动;它们是大气污染的主要来源。一氧化二氮也称为笑气,有时用作麻醉剂;当吸入它产生轻微的歇斯底里。一氧化氮迅速与氧气反应生成褐色二氧化氮,中间的生产硝酸和强大的氧化剂用于化学过程和火箭燃料。

还有些重要的确定氮化物,直接结合形成的固体金属氮,通常在升高的温度下。它们包括固化剂生产合金钢时激烈的氛围中氨,这一过程被称为氮化。硼、钛,锆,钽具有特殊的应用程序。一个晶体形式的氮化硼(BN),例如,几乎是和钻石一样硬,不容易氧化,所以作为高温磨料是有用的。

无机氰化物含有CN⁻。氰化氢或formonitrile HCN,是一个高度动荡和极其有毒气体,用于熏蒸、矿浓度,与其他各种工业过程。氰或oxalonitrile (CN)₂也用作化学中间体和熏蒸消毒剂。

叠氮化,这可能是无机或有机化合物,包含三个氮原子作为一个团体,表示为(- n₃)。叠氮化不稳定和高度敏感的冲击。他们中的一些人,比如叠氮化铅、铅(N₃)₂用于雷管和打击乐帽。叠氮化,如卤素化合物,很容易与其他物质反应,所谓的叠氮化组和位移产生多种化合物。

氮成千上万的有机化合物。大多数的已知品种可能被视为来自氨、氰化氢、氰、氧化或硝酸。胺、氨基酸和酰胺,例如,来自或与氨密切相关。硝化甘油和硝化纤维素硝酸酯。硝基化合物的反应(称为硝化)硝酸和有机化合物之间的关系。亚硝酸盐来自亚硝酸(HNO₂)。亚硝基的亚硝酸的行动获得的化合物是一种有机化合物。嘌呤和生物碱氮杂环化合物中,替换一个或多个碳原子。

氮是一种无色、无臭的气体凝结在−195.8°C到无色,移动液体。当N元素存在₂分子,表示为:N:::护士:债券的能量226千卡每摩尔的只有一氧化碳,超过256千卡每摩尔。由于这种反应的活化能分子键能高氮通常很高,导致氮相对惰性在普通条件下大多数试剂。此外,高氮分子的稳定性很大程度上有助于许多含氮化合物的热力学不稳定性,债券,尽管相当强劲,所以要少得多比分子氮。由于这些原因,氮元素似乎有效地掩盖真正的反应其单个原子的性质。

相对近期的和意想不到的发现是,氮分子可以作为配体配合物在复杂。观察特定解决方案的钌配合物可以吸收大气氮导致了希望有一天一个简单和固氮作用可能会发现更好的方法。

氮的活性形式,可能包含免费的氮原子,可以由通过在低压氮气通过高压放电。产品发出黄色光和更比普通氮分子活性,结合原子氢和硫,磷,和各种金属,能够分解一氧化氮,不,N₂和O₂。

氮原子的电子结构由1年代²2年代²2p³。五个外层电子屏幕的核电荷很糟糕,结果的有效核电荷觉得共价半径距离是相对较高的。因此氮原子相对较小的规模和高电负性,在这两个碳和氧之间的中间性质。电子配置包括三个装外轨道,给原子的能力形成三个共价键。氮原子的应该是一种活性非常强的物种,与大多数其他元素结合形成稳定的二元化合物,特别是当其他元素是完全不同的电负性传授大量极性的债券。当其他元素在电负性低于氮,氮原子的极性使部分负电荷,使其可用于协调孤对电子。当其他元素的电负性更强,然而,结果部分正电荷氮大大限制了供体分子的性质。当债券极性低(由于其他元素的电负性与氮相似),多个键大大青睐在单一的键。如果原子大小的差距阻止这样的多个键,然后单键形式可能是相对较弱,和化合物可能是不稳定的对自由的元素。所有这些结合氮的特点是可观察到的普通化学。

通常氮气体混合物的比例可以由测量的体积毕竟其他组件已经被化学试剂吸收。的硝酸盐分解硫酸汞释放一氧化氮的存在,可以测量的气体。氮释放有机化合物在铜氧化物在它们燃烧时,氮和自由可以测量其他燃烧后气体产品吸收。著名的凯氏法确定有机化合物的含氮量包括与浓硫酸消化的化合物(可选包含水银,或其氧化物,和各种盐类,取决于氮的化合物的性质)。通过这种方式,目前氮转化为硫酸铵。添加过量的氢氧化钠释放游离氨,收集在标准酸;残酸的量,没有与氨反应,然后由滴定。

可能会在视图中氮的存在生活的重要性,大多数(如果不是所有的有机氮的化合物生理活性。大部分生物无法直接利用氮及其化合物必须能够访问。因此氮的固定是至关重要的。在自然界中,两个主要的过程固氮作用是已知的。一个是电能的作用在大气中,而水解氮和氧的分子,允许自由原子生成一氧化氮,二氧化氮,没有₂。二氧化氮与水反应如下:

硝酸,HNO₃与雨,溶解和地球非常稀溶液。时间就土壤总氮的一部分,在中和,成为亚硝酸盐和硝酸盐。耕种土壤的含氮量通常是丰富和更新人工肥料含有硝酸盐和铵盐。排泄和腐烂的动植物氮化合物返回到土壤和空气,和一些细菌在土壤中分解氮的化合物,并返回该元素。

另一主要自然固氮的过程是某些植物和蔬菜豆类。通过与细菌的合作行动,豆类可以直接大气氮转化为氮的化合物。某些细菌,如固氮菌chroococcum和pasteurianum梭状芽胞杆菌,也固定氮的能力。

氮本身是惰性的,无害的,除了呼吸压力时,在这种情况下,它溶解在血液和其他体液浓度高于正常标准。这本身会产生麻醉效果,但如果压力下降过快,多余的氮演变为泡沫的气体在不同地点。这些会造成肌肉和关节疼痛、昏厥、部分瘫痪,甚至死亡。这些症状被称为“弯曲”,或减压病。潜水员飞行员,那些在深工作沉箱的气压下降太快,和其他人被迫呼吸空气压力必须极其小心,压力降低到正常曝光后非常缓慢。这使多余的氮释放无害通过肺部没有形成泡沫。更好的替代方法是替代混合物和氦氧空气。氦溶于体液要少得多,因此减少的危险。

氮存在两个稳定同位素,¹⁴N(丰度99.63%)和¹⁵N(丰度0.37%)。这些可以通过化学分离交换或通过热扩散。人工放射性同位素质量10 - 13和16。最稳定的半衰期只有大约10分钟。第一个人为诱导核转化(1919)报道了英国物理学家欧内斯特·卢瑟福,用α粒子轰击氮14 oxygen-17核和质子。

r·托马斯·桑德森