01 氮与氮的氧化物

氮气

氮分子内两个氮原子间以共价三键（$\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$）结合，断开该化学键需要较多的能量，所以氮气的化学性质很稳定，通常情况下难以与其他物质发生化学反应，无法被大多数生物体直接吸收。

TIP

原子的最外层少几个电子形成 8 或 2 电子稳定结构，原子就会形成几组共用电子对。

但在高温、放电条件下，氮分子获得了足够的能量，使 $\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$ 断裂，氮气能够与镁 $Mg$、氧气 $O_2$、氢气 $H_2$ 等物质发生化合反应。

(1) 与 $O_2$ 反应：（平常不会反应）

$\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{放}\mathrm{电}\mathrm{或}\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}2\mathrm{NO}$（比如机动车的内燃机内就有这样的条件，可以生成 $NO$）

(2) 与 $Mg$ 反应：

$\mathrm{Mg}+\mathrm{N}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{=}\mathrm{Mg}{\phantom{A}}_3\mathrm{N}{\phantom{A}}_2$

（$Mg$ 在空气中燃烧，不仅会生成 $MgO$，还生成 $M{g}_3{N}_2$）

工业合成氨与氮肥

工业合成氨的反应原理：

1. 合成氨工业化，对人类社会的影响极为深远。以合成氨为基础的化肥工业对粮食增产的贡献率占 50% 左右，使人类免受饥荒之苦。

工业合成氨

$\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\underset{\mathrm{催}\mathrm{化}\mathrm{剂}}{\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}\mathrm{高}\mathrm{压}}{\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}}}2\mathrm{NH}{\phantom{A}}_3$

就这个化学方程式，研究此的人因此得了诺贝尔奖。

2. 化学氮肥主要包括铵态氮肥 (主要成分 $N{H}_4^{+}$)、硝态氮肥 (主要成分 $N{O}_3^{－}$) 和有机氮肥 (尿素)。

工业上用氨气 $N{H}_3$ 和二氧化碳 $C{O}_2$ 在一定条件下合成尿素，肥效高、易保存、使用方便，是目前使用量很大的一种氮肥。

氮的固定

氮的固定：将大气中游离态的氮转化为氮的化合物的过程，包括自然固氮和人工固氮。

雷雨发庄稼

$\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{放}\mathrm{电}}{=}2\mathrm{NO}$

$\mathrm{NO}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{}{=}2\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2$

$3\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{=}2\mathrm{HNO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{NO}$（$HN{O}_3$ 浓度很低）

雷雨过后，庄稼长得嘎嘎快。

氮的循环

一氧化氮和二氧化氮

记住红棕色的三个物质

红棕色气体：$N{O}_2$

红棕色液体：$B{r}_2$ 单质

红棕色固体：$F{e}_2{O}_3$

$NO$

与氧气反应：$2\mathrm{NO}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{}{=}2\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2$

铜与稀硝酸反应：$3\mathrm{Cu}+8\mathrm{HNO}{\phantom{A}}_3(\mathrm{稀})\stackrel{}{=}3\mathrm{Cu}(\mathrm{NO}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2+2\mathrm{NO}\uparrow +4\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

$NO$ 只能用排水法收集，因为 $NO$ 的相对分子质量为 30，与空气的平均相对分子质量差不多；且 $NO$ 与 $O_2$ 接触会生成 $N{O}_2$

尾气吸收：$NO\mathrm{和}{O}_2$ 混合，通入 $NaOH$ 溶液。

$N{O}_2$

与水反应：$3\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{=}2\mathrm{HNO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{NO}$

铜与浓硝酸反应：$\mathrm{Cu}+4\mathrm{HNO}{\phantom{A}}_3(\mathrm{浓})\stackrel{}{=}1\mathrm{Cu}(\mathrm{NO}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2+2\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2\uparrow +2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

$N{O}_2$ 只能用排空气法（向上），因为 $N{O}_2$ 与水反应。

尾气吸收：$2\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{NaOH}\stackrel{}{=}\mathrm{NaNO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{NaNO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$（生成硝酸钠、亚硝酸钠）

TIP

• 注意实验室制取 $NO,N{O}_2$ 都不需要加热，不像 $Fe,Al$ 与浓 $H_{2}SO4,HNO3$ 会发生钝化反应。
• $NO$ 与 $N{O}_2$ 的转化

$\mathrm{NO}\underset{\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}}{\stackrel{\mathrm{O}{\phantom{A}}_2}{\stackrel{⟶}{⟵}}}\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2$

除杂 $NO(NO2)->\mathrm{水}$

• $N{O}_2$ 会发生双聚，一部分变为 $N_2{O}_4$：$2\mathrm{NO}{\phantom{A}}_2\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{N}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$。

所以我们收集到的 $N{O}_2$ 不是纯的，里面还会有一部分的 $N_2{O}_4$

酸雨

1. 正常雨水由于溶解了二氧化碳，其 pH 约为 5.6，而酸雨的 pH 小于 5.6

2. 成因：主要是大气中的 $S{O}_2$ 和 $N{O}_x$ 氮氧化物以及它们在大气中发生反应后的生成物溶于水形成的。

3. 危害：
   • ①直接损伤农作物，破坏森林和草原，使土壤、湖泊酸化。
   • ②加速建筑物、桥梁、工业设备、运输工具及电缆的腐蚀。

处理化石燃料燃烧时产生的 $S{O}_2$

法一：往燃料中加入生石灰 $CaO$，发生反应 $2\mathrm{CaO}+2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}2\mathrm{CaSO}{\phantom{A}}_4$。

生成较稳定的 $CaS{O}_4$ 固体。

法二：使用氨水来吸收 $S{O}_2$ 尾气，

$S{O}_2$ 少量时生成 $(N{H}_4)SO3$

$S{O}_2$ 过量时生成 $N{H}_{4}HS{O}_3$

人类活动对氮循环和环境的影响

以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟雾、雾霾及酸雨的一个重要原因。

汽车尾气中的氮氧化物与碳氢化合物经紫外线照射发生反应形成的有毒烟雾，成为光化学烟雾。

为了预防和控制氮氧化物的污染，具体措施为安装汽车尾气净化装置。

净化装置含有钯 (Pd) 等金属元素催化剂，尾气通过净化装置后，其中的有害气体 NO、CO 转化为无害气体 N2 与 CO2。

$\mathrm{NO}+\mathrm{CO}\stackrel{\mathrm{催}\mathrm{化}\mathrm{剂}}{=}\mathrm{N}{\phantom{A}}_2+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$ （发生反应生成无毒无害的气体）

水体富营养化也是环境影响之一。