Hiwalay na natuklasan nina Carl Scheele, isang Swedish chemist, at Daniel Rutherford, isang Scottish botanist, ang nitrogen noong 1772. Independiyenteng nakakuha ng nitrogen sina Reverend Cavendish at Lavoisier sa halos parehong oras. Ang nitrogen ay unang kinilala bilang isang elemento ni Lavoisier, na pinangalanan itong "azo", ibig sabihin ay "walang buhay". Pinangalanan ni Chaptal ang elementong nitrogen noong 1790. Ang pangalan ay nagmula sa salitang Griyego na "nitre" (nitrate na naglalaman ng nitrogen sa nitrate)
Pinagmumulan ng Nitrogen
Ang nitrogen ay ang ika-30 pinaka-masaganang elemento sa Earth. Isinasaalang-alang na ang nitrogen ay bumubuo sa 4/5 ng atmospheric volume, o higit sa 78%, mayroon kaming halos walang limitasyong dami ng nitrogen na magagamit sa amin. Umiiral din ang nitrogen sa anyo ng mga nitrate sa iba't ibang mineral, tulad ng Chilean saltpeter (sodium nitrate), saltpeter o nitre (potassium nitrate), at mga mineral na naglalaman ng mga ammonium salts. Ang nitrogen ay naroroon sa maraming kumplikadong mga organikong molekula, kabilang ang mga protina at amino acid na nasa lahat ng nabubuhay na organismo.
Mga katangiang pisikal
Ang Nitrogen N2 ay isang walang kulay, walang lasa, at walang amoy na gas sa temperatura ng silid, at kadalasan ay hindi nakakalason. Ang density ng gas sa ilalim ng karaniwang mga kondisyon ay 1.25g/L. Ang nitrogen ay bumubuo ng 78.12% ng kabuuang atmospera (volume fraction) at ito ang pangunahing bahagi ng hangin. Mayroong humigit-kumulang 400 trilyong tonelada ng gas sa atmospera.
Sa ilalim ng karaniwang presyon ng atmospera, kapag pinalamig sa -195.8 ℃, ito ay nagiging walang kulay na likido. Kapag pinalamig sa -209.86 ℃, ang likidong nitrogen ay nagiging mala-snow na solid.
Ang nitrogen ay hindi nasusunog at itinuturing na isang asphyxiating gas (ibig sabihin, ang paghinga ng purong nitrogen ay nag-aalis ng oxygen sa katawan ng tao). Ang nitrogen ay may napakababang solubility sa tubig. Sa 283K, ang isang volume ng tubig ay maaaring matunaw ng humigit-kumulang 0.02 volume ng N2.
Mga katangian ng kemikal
Ang nitrogen ay may napakatatag na mga katangian ng kemikal. Mahirap tumugon sa iba pang mga sangkap sa temperatura ng silid, ngunit maaari itong sumailalim sa mga pagbabago sa kemikal sa ilang mga sangkap sa ilalim ng mataas na temperatura at mataas na mga kondisyon ng enerhiya, at maaaring magamit upang makagawa ng mga bagong sangkap na kapaki-pakinabang sa mga tao.
Ang molecular orbital formula ng nitrogen molecules ay KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Tatlong pares ng mga electron ang nag-aambag sa pagbubuklod, ibig sabihin, dalawang π bond at isang σ bond ang nabuo. Walang kontribusyon sa bonding, at ang bonding at anti-bonding energies ay humigit-kumulang na offset, at ang mga ito ay katumbas ng nag-iisang pares ng elektron. Dahil mayroong triple bond na N≡N sa molekula ng N2, ang molekula ng N2 ay may mahusay na katatagan, at nangangailangan ng 941.69 kJ/mol ng enerhiya upang mabulok ito sa mga atomo. Ang N2 molecule ay ang pinaka-stable sa mga kilalang diatomic molecules, at ang relative molecular mass ng nitrogen ay 28. Bukod dito, ang nitrogen ay hindi madaling masunog at hindi sumusuporta sa combustion.
Paraan ng pagsubok
Ilagay ang nasusunog na Mg bar sa bote ng pagkolekta ng gas na puno ng nitrogen, at ang Mg bar ay patuloy na masusunog. I-extract ang natitirang abo (medyo dilaw na pulbos Mg3N2), magdagdag ng kaunting tubig, at gumawa ng gas (ammonia) na magpapa-asul ng basang pulang litmus na papel. Equation ng reaksyon: 3Mg + N2 = ignition = Mg3N2 (magnesium nitride); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
Mga katangian ng pagbubuklod at istraktura ng bono ng valence ng nitrogen
Dahil ang nag-iisang substance na N2 ay napaka-stable sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang mga tao ay madalas na nagkakamali sa paniniwala na ang nitrogen ay isang chemically inactive na elemento. Sa katunayan, sa kabaligtaran, ang elemental na nitrogen ay may mataas na aktibidad ng kemikal. Ang electronegativity ng N (3.04) ay pangalawa lamang sa F at O, na nagpapahiwatig na maaari itong bumuo ng malakas na mga bono sa iba pang mga elemento. Bilang karagdagan, ang katatagan ng solong sangkap na molekula ng N2 ay nagpapakita lamang ng aktibidad ng N atom. Ang problema ay hindi pa natagpuan ng mga tao ang pinakamainam na kondisyon para sa pag-activate ng mga molekula ng N2 sa temperatura at presyon ng silid. Ngunit sa kalikasan, ang ilang bakterya sa mga nodule ng halaman ay maaaring mag-convert ng N2 sa hangin sa mga nitrogen compound sa ilalim ng mababang-enerhiya na mga kondisyon sa normal na temperatura at presyon, at gamitin ang mga ito bilang pataba para sa paglago ng pananim.
Samakatuwid, ang pag-aaral ng nitrogen fixation ay palaging isang mahalagang paksa ng siyentipikong pananaliksik. Samakatuwid, kinakailangan para sa amin na maunawaan ang mga katangian ng pagbubuklod at istruktura ng valence bond ng nitrogen nang detalyado.
Uri ng bono
Ang istraktura ng valence electron layer ng N atom ay 2s2p3, iyon ay, mayroong 3 solong electron at isang pares ng nag-iisang pares ng elektron. Batay dito, kapag bumubuo ng mga compound, ang sumusunod na tatlong uri ng bono ay maaaring mabuo:
1. Pagbubuo ng ionic bonds 2. Pagbubuo ng covalent bonds 3. Pagbubuo ng coordination bonds
1. Pagbubuo ng mga ionic bond
Ang N atoms ay may mataas na electronegativity (3.04). Kapag bumubuo sila ng binary nitride na may mga metal na may mas mababang electronegativity, tulad ng Li (electronegativity 0.98), Ca (electronegativity 1.00), at Mg (electronegativity 1.31), maaari silang makakuha ng 3 electron at bumuo ng N3- ions. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- ang mga ion ay may mas mataas na negatibong singil at mas malaking radius (171pm). Malakas silang ma-hydrolyzed kapag nakatagpo sila ng mga molekula ng tubig. Samakatuwid, ang mga ionic compound ay maaari lamang umiral sa isang tuyong estado, at walang magiging hydrated ions ng N3-.
2. Pagbubuo ng mga covalent bond
Kapag ang N atoms ay bumubuo ng mga compound na may mga non-metal na may mas mataas na electronegativity, ang mga sumusunod na covalent bond ay nabuo:
Ang ⑴N atoms ay kumukuha ng sp3 hybridization state, bumubuo ng tatlong covalent bond, nagpapanatili ng isang pares ng nag-iisang pares ng electron, at ang molecular configuration ay trigonal pyramidal, tulad ng NH3, NF3, NCl3, atbp. Kung apat na covalent single bond ang nabuo, ang molecular configuration ay isang regular na tetrahedron, tulad ng mga NH4+ ions.
Ang ⑵N atoms ay kumukuha ng sp2 hybridization state, bumubuo ng dalawang covalent bond at isang bond, at nagpapanatili ng isang pares ng nag-iisang pares ng electron, at ang molecular configuration ay angular, gaya ng Cl—N=O. (N atom ay bumubuo ng σ bond at π bond na may Cl atom, at ang isang pares ng nag-iisang pares ng electron sa N atom ay ginagawang tatsulok ang molekula.) Kung walang nag-iisang pares ng elektron, ang molekular na configuration ay tatsulok, tulad ng HNO3 molecule o NO3- ion. Sa molekula ng nitric acid, ang N atom ay bumubuo ng tatlong σ bond na may tatlong O atoms ayon sa pagkakabanggit, at isang pares ng mga electron sa π orbital nito at ang solong π electron ng dalawang O atoms ay bumubuo ng three-center four-electron delocalized π bond. Sa nitrate ion, isang four-center six-electron delocalized malaking π bond ay nabuo sa pagitan ng tatlong O atoms at ang central N atom. Ginagawa ng istrukturang ito ang maliwanag na bilang ng oksihenasyon ng N atom sa nitric acid +5. Dahil sa pagkakaroon ng malalaking π bond, ang nitrate ay sapat na matatag sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Ang ⑶N atom ay gumagamit ng sp hybridization upang bumuo ng isang covalent triple bond at nagpapanatili ng isang pares ng nag-iisang pares ng elektron. Ang molecular configuration ay linear, tulad ng istraktura ng N atom sa N2 molecule at CN-.
3. Pagbubuo ng mga bono ng koordinasyon
Kapag ang nitrogen atoms ay bumubuo ng mga simpleng substance o compounds, kadalasang pinapanatili nila ang nag-iisang mga pares ng electron, kaya ang mga simpleng substance o compound ay maaaring kumilos bilang mga electron pair donor upang mag-coordinate sa mga metal ions. Halimbawa, [Cu(NH3)4]2+ o [Tu(NH2)5]7, atbp.
Oxidation state-Gibbs free energy diagram
Makikita rin ito mula sa oxidation state-Gibbs free energy diagram ng nitrogen na, maliban sa NH4 ions, ang N2 molecule na may oxidation number na 0 ay nasa pinakamababang punto ng curve sa diagram, na nagpapahiwatig na ang N2 ay thermodynamically. matatag na may kaugnayan sa mga compound ng nitrogen na may iba pang mga numero ng oksihenasyon.
Ang mga halaga ng iba't ibang mga compound ng nitrogen na may mga numero ng oksihenasyon sa pagitan ng 0 at +5 ay nasa itaas ng linya na nagkokonekta sa dalawang puntos na HNO3 at N2 (ang may tuldok na linya sa diagram), kaya ang mga compound na ito ay thermodynamically unstable at madaling kapitan ng disproportionation reactions. Ang isa lamang sa diagram na may mas mababang halaga kaysa sa N2 molecule ay ang NH4+ ion. [1] Mula sa oxidation state-Gibbs free energy diagram ng nitrogen at ang istraktura ng N2 molecule, makikita na ang elemental na N2 ay hindi aktibo. Sa ilalim lamang ng mataas na temperatura, mataas na presyon at pagkakaroon ng isang katalista maaaring tumugon ang nitrogen sa hydrogen upang makabuo ng ammonia: Sa ilalim ng mga kondisyon ng paglabas, ang nitrogen ay maaaring pagsamahin sa oxygen upang bumuo ng nitric oxide: N2+O2=discharge=2NO Ang Nitric oxide ay mabilis na sumasama sa oxygen upang form nitrogen dioxide 2NO+O2=2NO2 Nitrogen dioxide dissolves sa tubig upang bumuo ng nitric acid, nitric oxide 3NO2+H2O=2HNO3+NO Sa mga bansang may nabuong hydropower, ang reaksyong ito ay ginamit upang makagawa ng nitric acid. N2 reacts with hydrogen to produce ammonia: N2+3H2=== (reversible sign) Ang 2NH3 N2 ay tumutugon sa mga metal na may mababang ionization potential at ang nitride ay may mataas na lattice energy upang bumuo ng ionic nitride. Halimbawa: Ang N2 ay maaaring direktang tumugon sa metal na lithium sa temperatura ng silid: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 ay tumutugon sa alkaline earth na mga metal na Mg, Ca, Sr, Ba sa maliwanag na maliwanag na temperatura: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 maaari tumutugon lamang sa boron at aluminyo sa mga temperaturang maliwanag na maliwanag: 2 B + N2=== 2 BN (macromolecule compound) Ang N2 ay karaniwang tumutugon sa silikon at iba pang elemento ng grupo sa temperaturang mas mataas sa 1473K.
Ang molekula ng nitrogen ay nag-aambag ng tatlong pares ng mga electron sa pagbubuklod, iyon ay, na bumubuo ng dalawang π bond at isang σ bond. Hindi ito nag-aambag sa pagbubuklod, at ang bonding at anti-bonding energies ay humigit-kumulang na na-offset, at ang mga ito ay katumbas ng nag-iisang mga pares ng elektron. Dahil mayroong triple bond na N≡N sa molekula ng N2, ang molekula ng N2 ay may mahusay na katatagan, at nangangailangan ng 941.69kJ/mol ng enerhiya upang mabulok ito sa mga atomo. Ang N2 molecule ay ang pinaka-stable sa mga kilalang diatomic molecules, at ang relative molecular mass ng nitrogen ay 28. Bukod dito, ang nitrogen ay hindi madaling masunog at hindi sumusuporta sa combustion.
Oras ng post: Hul-23-2024
