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氮（1772年發(fā)現的化學(xué)元素）

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氮

本詞條是多義詞，共3個(gè)義項

1772年發(fā)現的化學(xué)元素

氮是一種化學(xué)元素，它的化學(xué)符號是N，它的原子序數是7。氮是空氣中最多的元素，在自然界中存在十分廣泛，在生物體內亦有極大作用，是組成氨基酸的基本元素之一。

氮及其化合物在生產(chǎn)生活中應用廣泛。

基本信息

中文名	氮
應用	用于合成氨，制硝酸，用作物質(zhì)保護劑，冷凍劑
原子質(zhì)量	14 .0067 原子量單位
符號	N
熔點(diǎn)	-210.01

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發(fā)現簡(jiǎn)史

氮氣

1772年由瑞典藥劑師舍勒發(fā)現，后由法國科學(xué)家拉瓦錫確定是一種元素。

1787年由拉瓦錫和其他法國科學(xué)家提出，氮的英文名稱(chēng)nitrogen，是"硝石組成者“的意思。中國清末化學(xué)家啟蒙者徐壽在第一次把氮譯成中文時(shí)曾寫(xiě)成“淡氣”，意思是說(shuō)，它“沖淡”了空氣中的氧氣。

元素名來(lái)源于希臘文，原意是“硝石”。

含量分布

元素性質(zhì)數據

氮在地殼中的含量很少，自然界中絕大部分的氮是以單質(zhì)分子氮氣的形式存在于大氣中，氮氣占空氣體積的百分之七十八。氮的最重要的礦物是硝酸鹽。

氮在地殼中的重量百分比含量是0.0046%，總量約達到4×10 噸。動(dòng)植物體中的蛋白質(zhì)都含有氮。土壤中有硝酸鹽，例如KNO?。在南美洲智利有硝石礦（NaNO?），這是世界上唯一的這種礦藏，是少見(jiàn)的含氮礦藏。宇宙星際已發(fā)現含氮分子，如

、HCN等。

氮的豐度1.8×10占16位。自然界的氮有兩種同位素，分別為99.63%、0.365%。

同位素

Z(p)	N(n)	質(zhì)量(u)	半衰期	原子核自旋	相對豐度	相對豐度的變化量
7	3	10.04165(43)	200(140)×10s [2.3(16) MeV]	(2-)
7	4	11.02609(5)	590(210)×10s [1.58(+75-52) MeV]	1/2+
740(60) keV			6.90(80)×10s	1/2-
7	5	12.0186132(11)	11.000(16) ms	1+
7	6	13.00573861(29)	9.965(4) min	1/2-

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理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

在室溫下不與空氣，堿，水反應，加熱到3273K時(shí)，只有0.1%分解，因此，N是化學(xué)特性物質(zhì)，

用途

氮的最重要的礦物是硝酸鹽。氮有兩種天然同位素：氮14和氮15，其中氮14的豐度為99.625%。

晶體結構：晶胞為六方晶胞。

元素類(lèi)型：非金屬元素

氮氣為無(wú)色、無(wú)味的氣體。氮通常的單質(zhì)形態(tài)是氮氣。它無(wú)色無(wú)味無(wú)臭，是很不易有化學(xué)反應呈化學(xué)惰性的氣體，而且它不支持燃燒。

主要成分：高純氮≥99.999%; 工業(yè)級一級≥99.5%; 二級≥98.5%。

外觀(guān)與性狀：無(wú)色無(wú)臭氣體。

溶解性：微溶于水、乙醇。

主要用途：用于合成氨，制硝酸，用作物質(zhì)保護劑，冷凍劑。

CAS號	7727-37-9。
熔點(diǎn)(℃)	-209.8
沸點(diǎn)(℃)	-195.6
相對密度(水=1)	0.81(-196℃)
相對蒸氣密度(空氣=1)	0.97
飽和蒸氣壓(kPa)	1026.42(-173℃)

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化學(xué)性質(zhì)

N原子的價(jià)電子層結構為2s p ，即有3個(gè)成單電子和一對孤電子對，以此為基礎，在形成化合物時(shí)，可生成如下三種鍵型：

形成離子鍵

N原子有較高的電負性（3.04），它同電負性較低的金屬，如Li（電負性0.98）、Ca（電負性1.00）、Mg（電負性1.31）等形成二元氮化物時(shí)，能夠獲得3個(gè)電子而形成N 離子。

N 離子的負電荷較高，半徑較大（171pm），遇到水分子會(huì )強烈水解，因此的離子型化合物只能存在于干態(tài)，不會(huì )有N 的水合離子。

形成共價(jià)鍵

N原子同電負性較高的非金屬形成化合物時(shí)，形成如下幾種共價(jià)鍵：

⑴N原子采取sp 雜化態(tài)，形成三個(gè)共價(jià)鍵，保留一對孤電子對，分子構型為三角錐型，例如

、

等。

若形成四個(gè)共價(jià)單鍵，則分子構型為正四面體型，例如NH? 離子。

⑵N原子采取sp 雜化態(tài)，形成2個(gè)共價(jià)雙鍵和1個(gè)單鍵，并保留有一對孤電子對，分子構型為角形，例如Cl—N=O。（N原子與Cl 原子形成一個(gè)

鍵和一個(gè)

鍵，N原子上的一對孤電子對使分子成為角形。）

若沒(méi)有孤電子對時(shí)，則分子構型為三角形，例如

分子或

離子。硝酸分子中N原子分別與三個(gè)O原子形成三個(gè)

鍵，它的

軌道上的一對電子和兩個(gè)O原子的成單π電子形成一個(gè)三中心四電子的不定域π鍵。在硝酸根離子中，三個(gè)O原子和中心N原子之間形成一個(gè)四中心六電子的不定域大

鍵。

這種結構使硝酸中N原子的表觀(guān)氧化數為+5，由于存在大

鍵，硝酸鹽在正常情況下是足夠穩定的。

⑶N原子采取sp 雜化，形成一個(gè)共價(jià)叁鍵，并保留有一對孤電子對，分子構型為直線(xiàn)形，例如

分子和CN-中N原子的結構。

形成配位鍵

N原子在形成單質(zhì)或化合物時(shí)，常保留有孤電子對，因此這樣的單質(zhì)或化合物便可作為電子對給予體，向金屬離子配位。例如[

] 。

氮共有九種氧化物：一氧化二氮（

）、一氧化氮（NO）、一氧化氮二聚體（

）、二氧化氮（

）、三氧化二氮（

）、四氧化二氮（

）、五氧化二氮（

）、疊氮化亞硝酰（

），第九種氮的氧化物三氧化氮（

）作為不穩定的中間體存在于多種反應之中。

制備方法

氮素生物循環(huán)圖

氮在自然界主要以雙原子分子的形式存在于大氣中，因而工業(yè)上由液態(tài)空氣分餾來(lái)獲得氮氣。產(chǎn)品通常儲存在鋼瓶中出售。從空氣分餾得到的氮氣純度約為99% ，其中含少量的氧氣、氬氣及水等雜質(zhì)。

藉由分餾液態(tài)空氣可獲得氮氣。

工業(yè)上用分餾液態(tài)空氣（沸點(diǎn)

=62.93K，O?=90K，Ar=83K），可得純度為99%的“普氮”（其余1%為

及稀有氣體）。普氮純化的電子度為99.9%的高純氮。

實(shí)驗室制備少量氮氣的方法很多。例如，可由固體亞硝酸銨的熱分解來(lái)產(chǎn)生氮氣。

此反應劇烈，不易控制。故常采取在飽和亞硝酸鈉溶液中，滴加熱的飽和氯化鈉溶液，或直接溫熱飽和亞硝酸銨溶液的辦法來(lái)得到氮氣。這樣制得的氮氣含少量氨、一氧化氮、氧氣及水等雜質(zhì)。

重鉻酸銨熱分解也能產(chǎn)生氮氣：

上述反應是爆發(fā)式的，但若加入硫酸鹽則可控制。

將氨氣通入溴水也能制備氮氣。經(jīng)凈化除去少量氨、溴及水等雜質(zhì)后，可得較純的氮氣。

氯氣也可氧化氨氣生成氮氣。

(氨氣少量)

(過(guò)量氨氣繼續與氯化氫反應)

光譜純的氮氣則可由小心地加熱非常干燥的疊氮化鋇或疊氮化鈉而制得。（反應劇烈，要注意控制溫度，加入緩釋劑）

應用領(lǐng)域

工業(yè)應用

氮的惰性廣泛用于電子、鋼鐵、玻璃工業(yè)，該介質(zhì)，還用于燈泡和膨脹橡膠的填充物，工業(yè)上用于保護油類(lèi)、糧食、精密實(shí)驗中用作保護氣體。

氮在室溫時(shí)，能與許多直接化合，如、Li、Mg、Cia、Al、B等，反應生成氮化：

。

N?與O?在高溫（～2273K）或放電條件下直接化合

，這是固定氮的一種方法，估計地球上每年由“雷電合成”氮化合物達4～5億噸，而人工合成氮化合物1億噸左右。

生理作用

植物缺氮狀態(tài)

氮是植物生長(cháng)的必需養分之一，它是每個(gè)活細胞的組成部分。植物需要大量氮。

氮素是葉綠素的組成成分，葉綠素a和葉綠素?都是含氮化合物。綠色植物進(jìn)行光合作用，使光能轉變?yōu)榛瘜W(xué)能，把無(wú)機物（二氧化碳和水）轉變?yōu)橛袡C物（葡萄糖）是借助于葉綠素的作用。葡萄糖是植物體內合成各種有機物的原料，而葉綠素則是植物葉子制造“糧食”的工廠(chǎng)。氮也是植物體內維生素和能量系統的組成部分。

氮素對植物生長(cháng)發(fā)育的影響是十分明顯的。當氮素充足時(shí)，植物可合成較多的蛋白質(zhì)，促進(jìn)細胞的分裂和增長(cháng)，因此植物葉面積增長(cháng)快，能有更多的葉面積用來(lái)進(jìn)行光合作用。

此外，氮素的豐缺與葉子中葉綠素含量有密切的關(guān)系。能從葉面積的大小和葉色深淺上來(lái)判斷氮素營(yíng)養的供應狀況。在苗期，一般植物缺氮往往表現為生長(cháng)緩慢，植株矮小，葉片薄而小，葉色缺綠發(fā)黃。禾本科作物則表現為分孽少。生長(cháng)后期嚴重缺氮時(shí)，則表現為穗短小，籽粒不飽滿(mǎn)。在增施氮肥以后，對促進(jìn)植物生長(cháng)健壯有明顯的作用。往往施用后，葉色很快轉綠，生長(cháng)量增加。但是氮肥用量不宜過(guò)多，過(guò)量施用氮素時(shí)，葉綠素數量增多，能使葉子更長(cháng)久地保持綠色，以致有延長(cháng)生育期、貪青晚熟的趨勢。對一些塊根、塊莖作物，如糖用甜菜，氮素過(guò)多時(shí)，有時(shí)表現為葉子的生長(cháng)量顯著(zhù)增加，但具有經(jīng)濟價(jià)值的塊根產(chǎn)量卻少得使人失望。

元素固定

由于氮是一種重要肥料，所以把氮氣轉化為氮的化合物的方法叫做氮的固定。主要用于農業(yè)上。又分生物、自然、人工固氮3種。

一種固氮的方式是利用植物的根瘤菌根瘤菌是一種細菌，能使豆科植物的根部形成根瘤在自然條件下，它能把空氣中的氮氣轉化為含氮的化合物供植物利用。“種豆子不上肥，連種幾年地更肥”就是講的這個(gè)道理。

對植物影響

氮肥

氮是構成蛋白質(zhì)的主要成分，對莖葉的生長(cháng)和果實(shí)的發(fā)育有重要作用，是與產(chǎn)量最密切的營(yíng)養元素。在第一穗果迅速膨大前，植株對氮素的吸收量逐漸增加。

以后在整個(gè)生育期中，特別是結果盛期，吸收量達到最高峰。土壤缺氮時(shí)，植株矮小，葉片黃化，花芽分化延遲，花芽數減少，果實(shí)小，坐果少或不結果，產(chǎn)量低，品質(zhì)差。氮素過(guò)多時(shí)，植株徒長(cháng)，枝繁葉茂，容易造成大量落花，果實(shí)發(fā)育停滯，含糖量降低，植株抗病力減弱。番茄對氮肥的需要，苗期不可缺少，適當控制，防止徒長(cháng)；結果期應勤施多施，確保果實(shí)發(fā)育的需要。

氮素是合成綠葉素的組成部分，葉綠素a和葉綠素b中都有含氮化合物。葉綠素是植物制造碳水化合物的工廠(chǎng)。氮素能合成蛋白質(zhì)，促進(jìn)細胞分裂和增長(cháng)。

營(yíng)養平衡

蛋白質(zhì)在消化道內被分解為氨基酸和小分子短肽，并被吸收，大部分用于合成組織蛋白，以供運動(dòng)后被損肌肉組織的修復和生長(cháng)，部分用于合成各種功能蛋白和蛋白質(zhì)以外的含氮化合物，如嘌呤，肌酸。部分氨基酸吸收后，在體內分解供能。

機體在完全不攝入蛋白質(zhì)的情況下，體內的蛋白質(zhì)仍然在分解與合成，一個(gè)60公斤體重的成年男子每日仍然會(huì )從尿，糞，皮膚及分泌物等途徑排出3.2克氮，相當于20克蛋白質(zhì)。這種完全不攝入蛋白質(zhì)時(shí)，機體不可避免地消耗氮量稱(chēng)為“必要的氮損失”。這就是說(shuō)一個(gè)60公斤體重的成年男子，每日至少要攝入20克優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)。才可以維持肌體內正常的蛋白質(zhì)代謝。

在一定的時(shí)間內，攝入的氮量和排出的氮量之間的關(guān)系，就稱(chēng)之為“氮平衡”用以衡量人體蛋白質(zhì)的需要量和評價(jià)人體肌肉蛋白質(zhì)的狀況。

氮平衡有三種情況：

1．氮平衡：在一定的時(shí)間內，攝入的氮量與排出的氮量相等。則表示人體內蛋白質(zhì)的合成與分解處在平衡狀態(tài)，人體的肌肉圍度處于原來(lái)的圍度與水平。

2．正氮平衡：攝入氮量大于排出氮量，蛋白質(zhì)的合成大于分解量，運動(dòng)后被破壞的肌肉纖維就會(huì )迅速修復、增長(cháng)。

3．負氮平衡：攝入的氮量小于排除的氮量，蛋白質(zhì)的合成小于分解，此時(shí)人體的肌肉蛋白為保證機體活動(dòng)進(jìn)行分解供能，肌肉處于消減狀態(tài)。

注意事項

安全防護：氮元素以單質(zhì)（氮氣）形式存在時(shí)無(wú)毒，以化合物形式存在時(shí)常常有毒，典型的比如說(shuō)氨、亞硝酸根等。

接觸氮氣時(shí)無(wú)需特別防護，接觸液氮時(shí)需注意防止凍傷。

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