氮的製備、性質和用途

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簡介

氮氣由丹尼爾·盧瑟福於1772年發現。這種氣體被稱為氮。硝石是一種廣為人知的含氮化合物，有助於氮的提取。氮的元素符號為N，原子序數為7，原子質量為14.0067。

什麼是氮氣？

氮氣是一種非金屬元素，位於元素週期表第15族。在常溫下呈氣態；然而，透過降低溫度可以將其轉化為液態或固態。

氮的電子構型為$\mathrm{1s^{2}2s^{2}2p^{3}}$。氮分子用N2表示，稱為二氮。該氣體無味、無臭、無色。它在大氣中扮演著重要角色，佔據了近四分之三的空氣體積。在大氣中，氮氣表現出惰性，不會燃燒。氮氣佔空氣體積的五分之四。

圖1 - 氮的“原子結構”

氮氣的製備

氮氣可以透過多種方法制備。它可以在實驗室中製備，也可以從含氮化合物和空氣中提取。

實驗室製備N2 - 加熱亞硝酸鈉$\mathrm{(NaNO_{2})}$和氯化銨$\mathrm{(NH_{4}Cl)}$的飽和溶液可以製備氮氣。

$$\mathrm{NH_{4}Cl\:+\:NaNO_{2}\:\rightarrow\:NaCl\:+\:NH_{4}NO_{2}}$$

$$\mathrm{NH_{4}NO_{2}\:\rightarrow\:N_{2}\uparrow\:+\:2H_{2}O}$$

首先取一個圓底燒瓶盛放飽和溶液。將導氣管和分液漏斗正確地安裝到燒瓶中。輕輕加熱燒瓶，產生的氮氣透過向下排空氣法收集。

圖2 - 氮氣的實驗室製備

收集到的氮氣中含有雜質水分。可以使用無水氯化鈣或五氧化二磷除去收集到的氮氣中的水分。使用汞收集氮氣。

其他N2製備方法 - 還有一些其他方法用於製備氮氣。

• 可以熱分解重鉻酸銨製備氮氣。當加熱重鉻酸銨的紅色晶體時會發生劇烈反應。在這個反應過程中，會產生氮氣並伴有閃光。

• 用氯氣或灼熱的氧化銅氧化氨氣可以產生氮氣。方程式如下：

$$\mathrm{2NH_{3}\:+\:3CuO\:\rightarrow\:N_{2}\:+\:3H_{2}O\:+\:3Cu}$$

$$\mathrm{8NH_{3}\:+\:3Cl_{2}\:\rightarrow\:N_{2}\:+\:6NH_{4}Cl}$$

• 疊氮化鈉也可以熱分解產生氮氣。加熱疊氮化鈉或疊氮化鋇可以得到純淨的氮氣。

• 工業上製備$\mathrm{N_{2}}$是透過液態空氣的分餾法進行的。

氮氣的物理和化學性質

以下是二氮或N2的物理和化學特性：

物理性質

• 氮氣是一種無色、無味、無臭的氣體。

• 氮氣在水中的溶解度非常低。

• 氮氣本身無毒，但由於空氣中氧氣含量減少，高濃度的氮氣會導致動物窒息死亡。

• 氮氣的熔點為63.2K，沸點為77.2K。

化學性質

• 氮氣通常在常溫下不參與化學反應。氮氣既不燃燒也不支援燃燒。氮分子非常穩定，導致氮分子在常溫下具有化學惰性。

• 氮化物是氮的共價化合物和離子化合物。它們是由於氮氣與某些非金屬和金屬在高溫下反應而形成的。

• 在773 K下，氮氣與氫氣反應生成氨氣。

• 在2000 K下，氮分子與氧氣反應生成一氧化氮。方程式為：

$$\mathrm{N_{2}\:+\:O_{2}\:=\:2NO}$$

氮氣的應用

氮氣是生產化工產品最常用的氣體之一。氮氣的不同用途如下：

• N2主要用於製備氨氣。氨氣用於製造化肥、炸藥和其他材料。一些重要的化學品，如硝酸和氰化鈣，也是由氮氣製備的。

• 一些冶金操作需要惰性氣氛，這可以在氮氣氣氛下實現。

• 低溫手術需要使用氮氣。生物材料的儲存和食品的冷凍需要液氮作為良好的製冷劑。

• 氮氣是大多數活性化學品的惰性稀釋劑。

• 易腐爛的食品透過用壓縮氮氣取代氧氣來包裝。此過程有助於長時間保持食品新鮮。

• 汽車輪胎充氮氣遠優於充壓縮空氣。這有助於汽車更好地行駛。它也為車輛提供安全性和經濟效益。

• 氮氣用於化學氣體保護。高爆炸性化工廠需要置換氧氣，氮氣用於此過程。它可以防止火災和爆炸。

結論

氮氣是一種氣態元素，位於元素週期表第15族。它無味、無臭、無色。該氣體可以在實驗室中由氯化銨和亞硝酸鈉的飽和溶液製備。該氣體主要用於農業和工業部門製備氨氣。該氣體在常溫下不活潑，用於創造惰性環境。食品儲存單元和冷凍庫使用液氮。$\mathrm{N_{2}}$用於生產硝酸。

常見問題

1. 從$\mathrm{N_{2}}$生產氨氣所需的條件是什麼？

從氮氣製備氨氣所需的條件是催化劑的存在、高壓和低溫。在低溫（720K-770K）下可大量生產氨氣。這是一個放熱反應。200 atm是獲得大量氨氣的理想壓力。催化劑可以提高反應速率。催化劑是摻雜鉬的細分散鐵。

2. 為什麼使用液氮？

液氮用於冷卻電腦元件。它在醫學上用於治療多餘的皮膚、疣和癌前細胞。它也用於儲存食物。

3. 氮氣的分子量是多少？

氮分子由兩個氮原子組成。氮氣的分子量為14.0067 u。