Carl Scheele, een Zweedse scheikundige, en Daniel Rutherford, een Schotse botanicus, ontdekten stikstof afzonderlijk in 1772. Dominee Cavendish en Lavoisier verkregen ongeveer tegelijkertijd ook onafhankelijk stikstof. Stikstof werd voor het eerst erkend als een element door Lavoisier, die het "azo" noemde, wat "levenloos" betekent. Chaptal noemde het element stikstof in 1790. De naam is afgeleid van het Griekse woord "nitre" (nitraat dat stikstof in nitraat bevat)
Stikstofproductiefabrikanten - China Stikstofproductiefabriek en leveranciers (xinfatools.com)
Bronnen van stikstof
Stikstof is het 30e meest voorkomende element op aarde. Gezien het feit dat stikstof 4/5 van het atmosferische volume uitmaakt, of meer dan 78%, hebben we vrijwel onbeperkte hoeveelheden stikstof tot onze beschikking. Stikstof bestaat ook in de vorm van nitraten in een verscheidenheid aan mineralen, zoals Chileense salpeter (natriumnitraat), salpeter of nitre (kaliumnitraat) en mineralen die ammoniumzouten bevatten. Stikstof is aanwezig in veel complexe organische moleculen, waaronder eiwitten en aminozuren die in alle levende organismen voorkomen
Fysieke eigenschappen
Stikstof N2 is bij kamertemperatuur een kleurloos, smaakloos en geurloos gas en is doorgaans niet giftig. De gasdichtheid onder standaardomstandigheden is 1,25 g/l. Stikstof is goed voor 78,12% van de totale atmosfeer (volumefractie) en is het hoofdbestanddeel van lucht. Er zit ongeveer 400 biljoen ton gas in de atmosfeer.
Onder standaard atmosferische druk wordt het, wanneer het wordt afgekoeld tot -195,8 ℃, een kleurloze vloeistof. Bij afkoeling tot -209,86℃ wordt vloeibare stikstof een sneeuwachtige vaste stof.
Stikstof is niet brandbaar en wordt beschouwd als een verstikkend gas (dwz het inademen van zuivere stikstof ontneemt het menselijk lichaam zuurstof). Stikstof heeft een zeer lage oplosbaarheid in water. Bij 283 K kan één volume water ongeveer 0,02 volumes N2 oplossen.
Chemische eigenschappen
Stikstof heeft zeer stabiele chemische eigenschappen. Het is moeilijk om bij kamertemperatuur met andere stoffen te reageren, maar het kan chemische veranderingen ondergaan met bepaalde stoffen onder omstandigheden van hoge temperatuur en hoge energie, en kan worden gebruikt om nieuwe stoffen te produceren die nuttig zijn voor de mens.
De moleculaire orbitale formule van stikstofmoleculen is KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Drie elektronenparen dragen bij aan de binding, dat wil zeggen dat er twee π-bindingen en één σ-binding worden gevormd. Er is geen bijdrage aan binding, en de bindings- en anti-bindingsenergieën zijn ongeveer gecompenseerd, en ze zijn equivalent aan alleenstaande elektronenparen. Omdat er een drievoudige binding N≡N in het N2-molecuul zit, heeft het N2-molecuul een grote stabiliteit en kost het 941,69 kJ/mol energie om het in atomen te ontbinden. Het N2-molecuul is het meest stabiele van de bekende tweeatomige moleculen, en de relatieve molecuulmassa van stikstof is 28. Bovendien is stikstof niet gemakkelijk te verbranden en ondersteunt het de verbranding niet.
Testmethode
Plaats de brandende Mg-staaf in de gasopvangfles gevuld met stikstof, en de Mg-staaf zal blijven branden. Extraheer de resterende as (lichtgeel poeder Mg3N2), voeg een kleine hoeveelheid water toe en produceer een gas (ammoniak) dat het natte rode lakmoespapier blauw kleurt. Reactievergelijking: 3Mg + N2 = ontsteking = Mg3N2 (magnesiumnitride); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH)2 + 2NH3↑
Bindingseigenschappen en valentiebindingsstructuur van stikstof
Omdat de enkele stof N2 onder normale omstandigheden extreem stabiel is, denken mensen vaak ten onrechte dat stikstof een chemisch inactief element is. Integendeel, elementaire stikstof heeft een hoge chemische activiteit. De elektronegativiteit van N (3,04) komt op de tweede plaats na F en O, wat aangeeft dat het sterke bindingen met andere elementen kan vormen. Bovendien toont de stabiliteit van het N2-molecuul van de enkele stof slechts de activiteit van het N-atoom aan. Het probleem is dat mensen nog niet de optimale omstandigheden hebben gevonden voor het activeren van N2-moleculen bij kamertemperatuur en druk. Maar in de natuur kunnen sommige bacteriën op plantknobbeltjes N2 in de lucht onder energiezuinige omstandigheden bij normale temperatuur en druk omzetten in stikstofverbindingen, en deze gebruiken als meststof voor de groei van gewassen.
Daarom is de studie van stikstoffixatie altijd een belangrijk wetenschappelijk onderzoeksonderwerp geweest. Daarom is het noodzakelijk dat we de bindingseigenschappen en de valentiebindingsstructuur van stikstof in detail begrijpen.
Type obligatie
De valentie-elektronenlaagstructuur van het N-atoom is 2s2p3, dat wil zeggen dat er 3 afzonderlijke elektronen en een paar alleenstaande elektronenparen zijn. Op basis hiervan kunnen bij het vormen van verbindingen de volgende drie bindingstypen worden gegenereerd:
1. Het vormen van ionische bindingen 2. Het vormen van covalente bindingen 3. Het vormen van coördinatiebindingen
1. Het vormen van ionische bindingen
N-atomen hebben een hoge elektronegativiteit (3,04). Wanneer ze binaire nitriden vormen met metalen met een lagere elektronegativiteit, zoals Li (elektronegativiteit 0,98), Ca (elektronegativiteit 1,00) en Mg (elektronegativiteit 1,31), kunnen ze 3 elektronen verkrijgen en N3-ionen vormen. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- ionen hebben een hogere negatieve lading en een grotere straal (171pm). Ze zullen sterk worden gehydrolyseerd als ze watermoleculen tegenkomen. Daarom kunnen ionische verbindingen alleen in droge toestand voorkomen en zullen er geen gehydrateerde ionen van N3- zijn.
2. Vorming van covalente bindingen
Wanneer N-atomen verbindingen vormen met niet-metalen met een hogere elektronegativiteit, worden de volgende covalente bindingen gevormd:
⑴N-atomen nemen de sp3-hybridisatietoestand aan, vormen drie covalente bindingen, behouden een paar eenzame elektronenparen en de moleculaire configuratie is trigonaal piramidaal, zoals NH3, NF3, NCl3, enz. Als er vier covalente enkele bindingen worden gevormd, is de moleculaire configuratie een regelmatige tetraëder, zoals NH4+-ionen.
⑵N-atomen nemen de sp2-hybridisatietoestand aan, vormen twee covalente bindingen en één binding, en behouden een paar alleenstaande elektronenparen, en de moleculaire configuratie is hoekig, zoals Cl-N=O. (Het N-atoom vormt een σ-binding en een π-binding met het Cl-atoom, en een paar eenzame elektronenparen op het N-atoom maakt het molecuul driehoekig.) Als er geen eenzaam elektronenpaar is, is de moleculaire configuratie driehoekig, zoals het HNO3-molecuul of NO3-ion. In het salpeterzuurmolecuul vormt het N-atoom drie σ-bindingen met respectievelijk drie O-atomen, en een paar elektronen op zijn π-orbitaal en de enkele π-elektronen van twee O-atomen vormen een gedelokaliseerde π-binding met drie centra en vier elektronen. In nitraationen wordt een gedelokaliseerde grote π-binding met zes elektronen in vier centra gevormd tussen drie O-atomen en het centrale N-atoom. Deze structuur maakt het schijnbare oxidatiegetal van het N-atoom in salpeterzuur +5. Door de aanwezigheid van grote π-bindingen is nitraat onder normale omstandigheden stabiel genoeg. ⑶N-atoom gebruikt sp-hybridisatie om een covalente drievoudige binding te vormen en behoudt een paar alleenstaande elektronenparen. De moleculaire configuratie is lineair, zoals de structuur van het N-atoom in het N2-molecuul en CN-.
3. Vorming van coördinatiebanden
Wanneer stikstofatomen eenvoudige stoffen of verbindingen vormen, houden ze vaak alleenstaande elektronenparen vast, zodat dergelijke eenvoudige stoffen of verbindingen kunnen fungeren als elektronenpaardonoren om te coördineren met metaalionen. Bijvoorbeeld [Cu(NH3)4]2+ of [Tu(NH2)5]7, enz.
Oxidatietoestand-Gibbs vrije energiediagram
Uit het oxidatietoestand-Gibbs-vrije-energiediagram van stikstof blijkt ook dat, met uitzondering van NH4-ionen, het N2-molecuul met een oxidatiegetal van 0 zich op het laagste punt van de curve in het diagram bevindt, wat aangeeft dat N2 thermodynamisch is. stabiel ten opzichte van stikstofverbindingen met andere oxidatiegetallen.
De waarden van verschillende stikstofverbindingen met oxidatiegetallen tussen 0 en +5 liggen allemaal boven de lijn die de twee punten HNO3 en N2 verbindt (de stippellijn in het diagram), dus deze verbindingen zijn thermodynamisch instabiel en gevoelig voor disproportioneringsreacties. De enige in het diagram met een lagere waarde dan het N2-molecuul is het NH4+-ion. [1] Uit het oxidatietoestand-Gibbs-vrije-energiediagram van stikstof en de structuur van het N2-molecuul blijkt dat elementair N2 inactief is. Alleen onder hoge temperatuur, hoge druk en de aanwezigheid van een katalysator kan stikstof reageren met waterstof om ammoniak te vormen: Onder ontladingsomstandigheden kan stikstof zich combineren met zuurstof om stikstofmonoxide te vormen: N2+O2=ontlading=2NO Stikstofmonoxide combineert snel met zuurstof om vormen stikstofdioxide 2NO+O2=2NO2 Stikstofdioxide lost op in water en vormt salpeterzuur, stikstofmonoxide 3NO2+H2O=2HNO3+NO In landen met ontwikkelde waterkracht wordt deze reactie gebruikt om salpeterzuur te produceren. N2 reageert met waterstof om ammoniak te produceren: N2+3H2=== (omkeerbaar teken) 2NH3 N2 reageert met metalen met een laag ionisatiepotentieel en waarvan de nitriden een hoge roosterenergie hebben om ionische nitriden te vormen. Bijvoorbeeld: N2 kan direct reageren met metallisch lithium bij kamertemperatuur: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 reageert met aardalkalimetalen Mg, Ca, Sr, Ba bij gloeitemperaturen: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 kan reageert alleen met boor en aluminium bij gloeitemperaturen: 2 B + N2=== 2 BN (macromolecuulverbinding) N2 reageert doorgaans met silicium en andere groepselementen bij een temperatuur hoger dan 1473K.
Het stikstofmolecuul draagt drie elektronenparen bij aan de binding, dat wil zeggen het vormen van twee π-bindingen en één σ-binding. Het draagt niet bij aan binding, en de bindings- en anti-bindingsenergieën zijn ongeveer gecompenseerd, en ze zijn gelijkwaardig aan alleenstaande elektronenparen. Omdat er een drievoudige binding N≡N in het N2-molecuul zit, heeft het N2-molecuul een grote stabiliteit en kost het 941,69 kJ/mol energie om het in atomen te ontbinden. Het N2-molecuul is het meest stabiele van de bekende tweeatomige moleculen, en de relatieve molecuulmassa van stikstof is 28. Bovendien is stikstof niet gemakkelijk te verbranden en ondersteunt het de verbranding niet.
Posttijd: 23 juli 2024
