张伟随笔383∣高三化学一轮复习“氮”
- 2026-10-03 04:20:26
氮
1氮的存在和用途
氮元素的价态很丰富，从-3到+5都有。
首先，画价类二维图，我们按照类别来归类，氢化物，常见的有-3价所在的氨气NH3，-2价所在的是联氨，也就是肼N2H4；单质是氮气；氧化物，+1价为一氧化二氮N2O、+2价的为一氧化氮NO、+3价的为三氧化二氮N2O3，+4价的是二氧化氮和四氧化二氮，+5价的是五氧化二氮，不代表没有其他氧化物了，只是这几种常见一点。
含氧酸常见的有亚硝酸HNO2和硝酸HNO3，碱为一水合氨，盐有铵盐如氯化铵，亚硝酸盐如亚硝酸钠，硝酸盐如硝酸钠等。
接着，我们看看氮元素的分布。空气中氮气的体积分数是78%，非常多。天然矿藏有印度硝石（主要成分是硝酸钾）和智利硝石（硝酸钠）。在生物体中，蛋白质里面的酰胺基、一些酶结构中的吡啶环和吡咯环等、维生素中的氨基和吡啶环等等，都含有氮元素。
自然界的氮循环。首先来了解固氮，第一种是高能固氮，在闪电或高温时，空气中的氮气和氧气反应，生成一氧化氮；第二种是生物固氮，如豆科植物的根瘤菌或一些藻类的菌类均可以将氮气转化为氨气或铵盐；第三种，人工固氮，氮气和氢气在催化剂作用下，于高温、高压下合成氨气。固氮后溶解在水中的氨、铵盐、亚硝酸盐转变成硝酸盐，进入植物，产生蛋白质，被动物摄食，动物生前死后都会重新转变成氨或铵盐，或者直接被细菌分解产生氮气回到大气中。
氮气的常见用途，第一，合成氨气，由此制造化肥、硝酸和炸药，第二，做保护气，防止某些物质暴露于空气时被氧化，第三，充填粮仓，达到安全地长期保管粮食的目的，第四，液态氮可用于低温体系做深度冷冻剂。
氨气的常见用途，第一，氨水可以直接做氮肥，但易挥发、难运输和保存，第二，加工成硫酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵或尿素等固态氮肥，第三，加工成磺胺或胺，进而制备合成纤维、制药，第四，液态氨是食品冷冻工业的制冷剂。
尿素的常见用途，第一，做高效氮肥，第二，制造塑料（脲醛树脂）、合成纤维及医药的原料。
硝酸铵，可以做氮肥，也可以用作炸药，开发矿山和隧道。
硝酸，用途很多，例如，通过硝化作用，制造许多含氮染料、塑料、药物等，也可以制造硝化甘油、三硝基甲苯、三硝基苯酚等，均为烈性炸药。
2氮气的性质
氮元素处于周期表的p区，第二周期第VA族，氮原子的价层电子排布式为2s22p3。
氮气的熔点很低，为-210.01℃，沸点为-195.79℃，密度为1.25克每立方厘米。
氮分子由于含有氮氮三键，且键能高达942kJ/mol，所以通常温度下比较稳定，其化学反应活化能很高，需要高温或者放电的条件。
例如，在500摄氏度、320个大气压，催化剂作用下，氮气和氢气反应生成氨气；放电或高温条件下，氮气和氧气化合成一氧化氮，在闪电以及汽车发动机的周围就容易发生这个反应；镁条在空气中点燃的时候，也可以和氮气反应，生成氮化镁。
3氨气的性质
关于氨分子中氮的杂化方式，价层电子对互斥模型，甲烷、氨气、水和氟化氢的各类性质比较，在复习结构时都有涉及。
简单提一下。氨气分子，中心原子为氮原子，成键电子对数为3，孤电子对为1，价层电子对为4对，所以，VSEPR模型为四面体形，去掉一个孤电子对后，分子的实际形状是三角锥形，氮原子的杂化方式是sp3杂化。甲烷、水和氨分子一样，中心原子都是sp3杂化的，甲烷是正四面体形，水去掉两对孤电子对后是V形，如果问键角大小，可以这样分析：按C-N-O的顺序，孤电子对越来越多，孤电子对对成键电子对的斥力也越来越大，所以，水分子的键角最小，甲烷分子的键角最大。
如果问的是沸点，那就要考虑分子间作用力了。最好是比较同一主族的氢化物，对于C-Si-Ge-Sn来说，最简单氢化物，结构相似，都是类似CH4这样的分子组成的沸点，与分子间作用力有关，而分子间作用力又与相对分子质量有关，相对分子质量越大，沸点越高。
然而，由于第VA族的N，第VIA族的O，第VIIA族的F，这三种元素的氢化物，由于这三种元素的电负性很强，导致键的极性很大，这三种中心原子接近形成阴离子了，那么和他们相连的氢原子就接近形成阳离子了，那么周围分子中电负性强的N、O、F原子就可能对这些氢原子形成强烈的作用力，这就是氢键。分子之间存在氢键，就会提升沸点，分子内的氢键却降低沸点。
那么氨气、水和氟化氢的沸点，在自己所在的同一主族氢化物中，绝对不是最低的，像水分子，因为可以形成4条氢键，在同一主族中沸点最高，氨气和氟化氢也比较高。除了这三种物质，同族其余物质氢化物沸点与相对分子质量的大小呈正相关。
氨气容易液化，可以做制冷剂，也是因为其分子间存在氢键，容易聚集。
氨气的化学性质。第一，氨气和氧气在加热、催化剂作用下，生成一氧化氮和水，这是一个放热反应，反应启动后，停止加热也可以继续反应。第二，氨气和氯气可以反应，生成白烟氯化铵以及氮气，可以互相检验输送管道的泄露。第三，将蘸有浓氨水和浓盐酸的两根玻璃棒靠近，因为氨气和氯化氢挥发到空中，反应生成氯化铵，出现梦幻仙境的效果，如果将浓盐酸换成浓硝酸也可以，换成浓硫酸就不行了，浓硫酸不挥发。
第四，将氨气溶于水中，生成一水合氨，部分电离使溶液呈碱性。氨气的溶解度很大，常温下达到1：700，所以要防止倒吸，此外，利用其在水中巨大的溶解性可以做喷泉实验。
第五，硝酸银溶液中滴加少量氨水，银离子和氢氧根离子结合形成白色的氢氧化银沉淀，可能分解为褐色的氧化银，如果继续滴加氨水至过量，则沉淀将消失，生成配位化合物氢氧二氨合银，也就是银氨溶液。
对于一水合氨，室温下，其电离平衡常数等于1.8乘以10的-5次方。问，有氯化铵和氨水组成的缓冲溶液，当铵根离子浓度和一水合氨浓度相同时，pH=？这是现在比较流行的问法。我们可以从电离平衡常数找答案，将电离平衡常数变形，铵根浓度比上一水合氨浓度，等于电离平衡常数除以氢氧根离子浓度，常数不变，只剩下氢氧根离子浓度，将两个变量转变为一个变量，就比较好求了。因为共轭酸碱对浓度相同，也就是说，氢氧根离子浓度就等于电离平衡常数，所以，氢氧根离子浓度等于1.8乘以10的-5次方，取负对数=4.7，那么pH=14-pOH=14-4.7=9.3。第二种问法，当这个缓冲溶液的pH=9时，铵根离子浓度和一水合氨离子浓度的大小如何？比较两种粒子浓度大小，可以做减法，也可以做除法，我们还是利用电离平衡常数，铵根比上一水合氨浓度等于电离平衡常数除以氢氧根离子浓度，等于1.8乘以10的-5次方除以10的-5次方，等于1.8>1，所以分子较大，也就是铵根离子浓度大于一水合氨浓度。
4氨气的制备
4.1氨气的工业制法
氮气和氢气在高温、高压、催化剂作用下化合成氨气，这是主要的反应。1918年的哈伯，1931年的博施和伯裘斯，2007年的埃特尔因为对该反应的改进，三次获得诺贝尔化学奖。氨气合成后，转化成各种氮肥，大大提高了全球粮食产量。
4.2氨气的实验室制法
考查最多的是在开口向下的硬质试管中加热氯化铵和氢氧化钙的固体混合物的方法，产生的氨气用向下排空气法收集，管口的棉花可以防止氨气和空气产生对流，检验氨气是否收集满了，可以用湿润的红色石蕊试纸，变蓝即收集满了。
还可以直接加热浓氨水，将浓氨水加入生石灰中，或者将浓氨水加入氢氧化钠固体中，都会快速产生氨气。
5氮的氧化物
氮的氧化物，在价类二维图中，我们给出了6种，最常见的是一氧化氮和二氧化氮。
一氧化氮常温下即可直接和氧气化合，生成二氧化氮。这个反应可以检验一氧化氮，现象是无色气体变成红棕色。
二氧化氮肯定可以和氧气反应，我们暂不讨论。
一氧化氮不和水反应，二氧化氮和水反应，生成硝酸和一氧化氮。
二氧化氮可以溶于氢氧化钠溶液中，发生歧化反应，生成硝酸钠和亚硝酸钠及水。
一氧化氮和二氧化氮一起通入氢氧化钠溶液中，发生价态归中的氧化还原反应，生成亚硝酸钠和水。
在有氧气的情况下，一氧化氮、氧气、水按照4：3：2反应，可以生成硝酸，二氧化氮、氧气、水按照4：1：2反应，也可以生成硝酸。
二氧化氮和溴蒸气都是红棕色的，都可以使淀粉碘化钾溶液变蓝，原因使二氧化氮也可以将碘离子氧化为碘单质。
有一个不能忽视的反应，二氧化氮二聚为四氧化二氮，该反应是放热反应。在-196℃时，混合无接近无色，随着温度的升高，平衡逆向移动，混合物颜色逐渐变深，到50℃时，呈现很深的红棕色。用二氧化氮球，一侧泡在温水中，一侧泡在热水中，可以研究温度对平衡的影响。
6硝酸的性质
硝酸是无色或黄色液体，有刺激性气味，密度1.41g/mL，质量分数为68%，熔点-42℃，沸点83℃，与水混溶。
硝酸的化学性质，我们将浓硝酸和稀硝酸进行对比。
铁常温下放进浓硝酸中，发生钝化，生成致密的氧化膜阻止反应进一步进行，加热可以明显反应，产生二氧化氮气体。铁和稀硝酸反应，生成硝酸铁、一氧化氮和水。
铝常温下遇浓硝酸也会发生钝化。铝溶于稀硝酸中，生成硝酸铝、一氧化氮和水。注意，不同金属和不同浓度的硝酸反应，氮元素的还原产物并不一定相同，这里所列举的是常见的还原产物。
铜和浓硝酸反应，现象比和稀硝酸反应更明显。浓硝酸和铜反应，生成硝酸铜、二氧化氮和水，稀硝酸和铜反应，生成硝酸铜、一氧化氮和水。
以上硝酸和金属的反应中，硝酸既体现强氧化性，又体现酸性。
浓硝酸和碳单质加热时反应，生成二氧化氮、二氧化碳和水，体现的是浓硝酸的强氧化性。
浓硝酸光照或受热会分解，产生二氧化氮、氧气和水，二氧化氮溶于其中，会使硝酸呈黄色。
硝酸作为酸，可以和碱、碱性氧化物反应。
苯、甲苯和浓硝酸发生硝化反应，用浓硫酸做催化剂，苯的取代产物是硝基苯，而甲苯的取代产物是2，4，6-三硝基甲苯，这是甲基将苯环活化导致。
含有苯环的蛋白质遇到浓硝酸会发生颜色反应，生成黄色的物质。
最后，我们提一下王水。王水，是将浓硝酸和浓盐酸按照体积比1：3混合而成，硝酸的氧化性加上氯离子的配位能力，可以溶解金和铂。
7硝酸的工业制法
从氮气出发，合成硝酸的方法。首先，固氮，一般选择氮气和氢气合成氨气，随后，氨气催化氧化得到一氧化氮，一氧化氮再和氧气反应，生成二氧化氮，二氧化氮和氧气一起溶于水中反应，就可以得到硝酸。这一条流程是比较合适的。
8题型训练
8.1氧化还原反应
因为氮元素的价态很多，所以很容易发生氧化还原反应，用氧化还原反应的规律去分析即可。
8.2热化学
合成氨的反应，热化学方程式无论是否写可逆符号都没有问题，当氮气、氢气、氨气的计量系数分别为1：3：2时，如果焓变是-38.6kJ/mol，表示1mol氮气和3mol氢气完全反应，转化为2mol氨气，放出38.6kJ的热量。如果按照1mol、3mol投料，肯定不能反应完，放出的热量也就少于38.6kJ。
现在的反应机理图的分析比较常见，要看一个反应分为几个部分，无论使不使用催化剂，都不能影响焓变。看反应物和生成物的相对能量高低，就知道该反应是吸热反应还是放热反应，能垒最高的正反应活化能，那一步就是决速步骤。
8.3方程式正误
高考题中考过的，二氧化氮的相关反应很多。二氧化氮和四氧化二氮的互相转化，二氧化氮通入水中，二氧化氮通入氢氧化钠溶液中等；氨水和盐酸的反应，硫酸氢铵和不同量的氢氧化钠溶液的反应；氨水和氯化铝溶液反应，只生成氢氧化铝，不再溶解，氨水和硝酸银溶液、硫酸铜溶液、硫酸锌溶液这些过渡金属的盐溶液反应，存在氢氧化物沉淀，后来再络合的反应，所以，一旦氨水过量，就会出现沉淀溶解，得到配合物溶液的现象。
铵盐和碱的反应，通常需要加热，才能放出氨气，这也是检验铵根离子的方法。
8.4NA
二氧化氮的考查频率第一。问到二氧化氮的分子数，是无法确定的，因为二氧化氮转化为四氧化二氮的反应一直都存在。如果问二氧化氮的原子数，那就用最简式法，二氧化氮、四氧化二氮的最简式都是NO2。
所有关于NA的13种情况，我们在第二轮复习中会专门研究。
8.5速率与平衡
氨气的催化氧化，可以用来研究条件对速率和平衡的影响。汽车尾气排放时的催化转化反应，注意是生成氮气和二氧化碳，也是用来研究速率与平衡的例子。合成氨的反应当然是考查最多的反应，这个反应是百年来的明星反应，研究速率、平衡、转化率、产率、控制变量、化学反应的调控都很常见。
高考题中关于氮元素的考查，在速率平衡题中比其他非金属元素要多得多，要引起重视。
8.6电化学
用电化学方法制氨、液氨的自耦电离、含氰离子及硝酸根离子等的污水处理，使用电化学原理也很普遍。
8.7元素化合物
考的最多的是氨分子。氨气通入铝盐溶液中，氨气通入水中，氨气的干燥、氨气检验氯气管道泄漏、液氨做制冷剂、工业制氨的反应，氨气、一氧化氮、二氧化氮、硝酸等的相互转化等。
氨气的制备、氨气的配位能力等。
自然界的氮循环，有氧化反应，有还原反应。硝酸的性质很多，硝酸和硝酸银的易分解性质都要注意。
8.8水溶液中的离子平衡
因为氨水是最特别的弱碱，氨水和铵盐的混合，好好用一下电离平衡常数，电荷守恒、物料守恒、质子守恒等。
有很多素材，注意用好图、表和各种常数，找一些共轭酸碱对浓度相等的特殊点，可以解决很多问题。用的最多的是电荷守恒。
现在还有一种含有氨基的物质，看作氨气处理。
8.9化学用语、STSE
氨气、铵根、铵盐的电子式，氮气的电子式、结构式，一水合氨的电离方程式，铵盐的水解平衡。
8.10实验题
铵根离子的检验出现的次数比较多，氨气的制备、收集、尾气处理等都是高频考点。
往期回顾
383高三化学一轮复习“氮”
