氮族元素概述
预计阅读时间: 9 分钟氮气及固氮
固氮概述
固氮的定义：从氮气 $ce{N2}$ 到各种含氮化合物。
酸雨的形成过程
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自然固氮：
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高能固氮：闪电。
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生物固氮：豆科植物的根瘤菌。
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人工固氮：$ce{N2 + 3H2 <=>[高温高压][催化剂] 2NH3}$（工业合成氨）。
工业合成氨
反应原理：
$$ \ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}\quad\Delta H = \pu{-91.5kJ/mol} $$
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压强效应：增大压强，反应向右移动。
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温度效应：降低温度，反应向右移动。
哈伯法制氨的过程，即使高温会降低产率，温度仍被设定为较高值以保证反应的速率快速。对于这类放热并且反应速率随温度升高而升高的反应，一般都会取一个折中的反应温度。
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催化剂：铁触媒。
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温度：一般取催化剂的适宜温度，即约 $pu{700K}$ 或约 $pu{500^oC}$。
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压强：$pu{40\sim60 MPa}$ 左右，实际生产中又分为高压、中压、低压等，但整体压强都较高。
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因为催化机理的问题，为了保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心，并提高吸附速率，应当适当提高氮气浓度，一般取 $n(\ce{N2}):n(\ce{H2})=1:2.8$。
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实际生产中，一定要注意气体净化，避免杂质使得催化剂中度，活性降低；过程中应当液化分离氨气，增加整体的产率。
注意：加入催化剂平衡不移动，催化剂只改变反应速率，但不影响平衡。
氮氧化物
氮氧化物的物理性质
一氧化氮相关
$$ \left{ \begin{aligned} \ce{2NO + O2 &-> 2NO2}\ \ce{3NO2 + H2O &-> 2HNO3 + NO} \end{aligned} \right. $$
计算得到：
$$ \ce{4NO + 3O2 + 2H2O -> 4HNO3} $$
二氧化氮相关
$$ \left{ \begin{aligned} \ce{3NO2 + H2O &-> 2HNO3 + NO}\ \ce{2NO + O2 &-> 2NO2} \end{aligned} \right. $$
计算得到：
$$ \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3} $$
氮氧化物综合
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$ce{NO2}$ 可以支持燃烧，证明如下：
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$ce{4N2,O2}$ 木条不复燃。
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$ce{4NO2,O2}$ 木条复燃。
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$ce{NO}$ 可以作为传递神经信息的信使分子。
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二氧化氮若直接溶于碱溶液，发生反应：
$$ \ce{NO2 + 6OH- -> NO3- + NO2- + 3H2O} $$
生成硝酸根和亚硝酸根。而若二氧化氮和一氧化氮 $1:1$ 通入碱溶液，则只生成亚硝酸根（亚硝酸钠的制备）。
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一氧化氮的制备：密封环境中，铜丝和稀硝酸反应。
氨气及其性质
氨气的物理性质
有刺激性气味气体，密度小于空气，极易溶于水（$1:700$）。
氨气极易溶于水的原因：与水形成氢键，增加了溶解度。
喷泉实验：
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气体极易溶于水，或与液体反应。
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短时间内形成压强差。
沸点 $pu{-33.5^oC}$ 较高，易液化放热、汽化吸热，可作为制冷剂。
氨气的制取与检验
工业制取：人工固氮。
实验室制取，常用五种方法：
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$ce{NH4HCO3(s)}$ 受热分解：
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$ce{NH4HCO3 ->[\triangle] NH3 ^ + CO2 ^ + H2O}$。
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用碱石灰除杂即可。
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$ce{NH4Cl(s),Ca(OH)2(s)}$ 共热：
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$ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 ->[\triangle] CaCl2 + 2H2O + 2NH3 ^}$。
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用碱石灰干燥即可。
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$ce{NH4+(aq),OH-(aq)}$ 共热：
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$ce{NH4+ + OH- -> NH3 ^ + H2O}$。
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用碱石灰干燥即可。
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$ce{NH3(aq)}$ 加热：
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$ce{NH3*H2O ->[\triangle] NH3 ^ + H2O}$。
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用碱石灰干燥即可。
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浓氨水滴到碱石灰上。
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生石灰与水反应放热。
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氢氧化钠与氨水反应。
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注意：
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稀溶液必须加热，浓溶液无需加热。
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不可使用 $ce{NH4Cl}$ 加热，因为产物 $ce{NH3,HCl}$ 会迅速反应生成固体。
氨气的检验：
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酸碱指示剂，湿润的红色石蕊试纸。
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用玻璃棒蘸取浓硝酸或浓盐酸等挥发性酸，产生白烟。
氨气的化学性质
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弱碱性：
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$ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}$，有白烟生成。
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$ce{NH3 + H2O <=> NH3*H2O <=> NH4+ + OH-}$。
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三分三离：$ce{NH3*H2O,H2O,NH3}$；$ce{NH4+,H+,OH-}$。
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还原性：
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氨气与氯气的反应较为复杂，可能会生成各种氮的价态产物。
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$ce{4NH3 + 5O2 ->[催化剂][\triangle] 4NO + 6H2O}$。
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氨的催化氧化，常用铂、铑作为催化剂。
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不稳定性：受热分解。
硝酸
硝酸的物理性质
硝酸，无色透明，有刺激性气味，易挥发。
浓硝酸的质量分数为 $70%$ 以上，发烟硝酸质量分数 $ge95%$。
因为浓硝酸中的硝酸分子分解产生 $ce{NO2}$ 而呈浅黄色，通入氧气后可以消除。
注意：硝酸铵不稳定，受热和剧烈撞击会发生爆炸。
稀硝酸的化学性质
氧化性和酸性：
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非氧化性酸由氢离子 $ce{H+}$ 体现氧化性。
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通常情况下，稀硝酸为 $ce N$ 体现氧化性，故其为氧化性酸。
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在与金属的反应中，还原产物通常为 $ce{NO}$，浓度不同也可能被还原为氮气、氨气或亚硝酸。
与铜的反应：
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$ce{3Cu + 8HNO3(稀) -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O}$。
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现象：铜丝溶解，溶液变蓝，有无色气体产生，接触空气后变为红棕色。
与铁的反应：
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少量稀硝酸：$ce{3Fe + 8HNO3 -> 3Fe(NO3)2 + 2NO + 4H2O}$。
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稀硝酸也可以氧化二价铁离子。
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过量稀硝酸：$ce{Fe + 4HNO3 -> Fe(NO3)3 + NO + 2H2O}$。
浓硝酸的化学性质
氧化性和酸性：
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强氧化性漂白，使酸碱指示剂褪色。
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在与金属、非金属的反应中，通常被还原为 $ce{NO2}$。
与铜的反应：
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$ce{Cu + 4HNO3(浓) -> Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O}$。
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产生红棕色气体，溶液变绿。
与红热的碳的反应：
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$ce{C + 4HNO3(浓) ->[\triangle] CO2 ^ + 4NO2 ^ + 2H2O}$。
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同时发生浓硝酸的受热分解，硝酸只体现氧化性。
与铁和铝钝化，加热进行。
王水
浓硝酸和浓盐酸按照体积比 $1:3$ 混合，得到的强氧化性物质。
王水通常会缓慢分解出氯气和二氧化氮，这是浓硝酸氧化氯离子的结果。
王水甚至可以溶解金这种非常稳定的金属。
硝酸的工业制取
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氨的催化氧化：$ce{4NH3 + 5O2 ->[催化剂][\triangle] 4NO + 6H2O}$。
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降温冷却后溶于水：$ce{4NO + O2 +2H2O -> 4HNO3}$。
氮的其他化合物
联氨 $ce{N2H4}$
$$ \ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-} $$
$$ \ce{N2H5+ + H2O <=> N2H6^2+ + OH-} $$