高中化学必修参考资料氮及其化合物.docx
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高中化学必修参考资料氮及其化合物
氮及其化合物
一、氮气的获取
工业上制取氮几乎完全采用液态空气分步蒸馏法。
氮气的沸点比氧气低,困此首先蒸发变为气态。
在常温下,氮气异常稳定,人们常误认为氮是一种化学性质不活泼的元素。
实际上恰恰相反,元素氮有很高的化学活性。
它的电负性仅次于F和O。
两个N原子通过它们各自的3个成单电子互相结合形成很强的叁键。
另一方面,氮气分子的高度稳定性也是相对的,因为在目前人们还没有找到常温下能使氮气分子活化的最优条件,因此用大气氮合成氮化合物时还需在高能量的条件下进行,例如合成氨需要在高温和高压条件下,并要在催化剂的帮助下进行。
但在自然界中,例如植物根瘤上生活的一些细菌,能够在常温常压的低能量条件下把空气中的氮气转化成氨化合物,作为肥料供作物生长使用。
现在化学家们正在进行这样的模拟工作,并已取得了一定的进展。
氮气由于其在常温下很稳定,焊接金属时用氮气作保护气保护金属不被氧化;很多电灯泡都灌有氮气以减慢钨丝的挥发速度;粮食、罐子、水果等食用氮气做保护气,以防止食品腐烂。
另外,在医学上,常用液氮做冷冻剂,在冷冻麻醉条件下做手术等。
在高科技领域中常用液氮制造低温条件,如有些超导材料就在是在液氮处理后的低温下才获得超导性能。
参考文献:
[1]武汉大学,吉林大学等校编.无机化学[M].北京:
高等教育出版社.2002:
641.
二、氨中毒的症状及治疗方法
【症状】氨中毒:
室内低浓度长期接触,可引起喉炎,声音嘶哑,高浓度大量吸入可引起急性支气管炎和肺炎,极高浓度氨吸入肺,还可发生喉头水肿,喉痉挛而引起窒息,也可出现呼吸抑制,肺水肿。
昏迷和休克。
浓氨水溅入眼内,可使角膜表层脱落形成溃疡和穿孔,同时引起晶体浑浊,虹膜炎及前房有渗出物。
严重是导致失明。
【治疗方法】当喉头发生梗阻时,应及早考虑气管切开,有坏死组织阻塞气管时,要及时吸出,以保持呼吸道畅通,密切注意肺水肿的发生与处理。
氨水溅入眼内,须立即用清水冲洗,并用3%硼酸水洗,然后,滴可的松和氯霉素眼药水,再涂金酶素眼药膏,每日3-4次。
三、氨泄漏事故
2005年7月中午12时10分左右,一辆卡车停靠在惠东路的一餐厅前,车上立着8只钢瓶,瓶体上没有覆盖任何东西。
过了不到5分钟,突然车上发出一声巨响,一只钢瓶突然蹿至3层楼高,落下后就泛出一股浓浓的白雾,空气中顿时弥漫着一股类似于化肥的氨气味。
当时正刮着西风,这股浓烈的氨气味很快向东蔓延了近500米。
距离事发点5米的一棵绿树在短短半个小时内变成了黄色,路边一餐厅的玻璃幕墙被砸出了一个大大的洞。
据餐厅老板回忆,钢瓶爆炸时的能量瞬间将卡车边的护栏炸飞,被炸飞的护栏笔直冲向店外的一张桌子,被炸碎的桌子碎片将餐厅的玻璃幕墙砸出了一个大洞,用来固定玻璃的钢筋也被砸弯了。
家住惠东新村的孙现敏事发当时正在卧室里睡觉,突然就闻到一股非常浓烈的化肥气味,一会儿就感觉自己呼吸困难,几乎喘不过气来,而且眼睛也觉得刺痛,根本无法睁开,脑袋胀胀的,头晕目眩。
他摸到墙壁跑到屋内的洗手间,用自来水冲了头,但没想到一点效果也没有,依然感觉无法透气。
他抱着最后一丝希望,翻窗跳入了自己屋后的一条河内,在水中呆了好久才上来透气。
可能是由于水面附近的空气相对清新,在水中呆了一段时间以后,孙现敏发现自己的症状有些好转。
事故发生以后,上海安全生产监察局等有关部门成立了专门调查小组,现已查明,一辆货车装载着十个液氨钢瓶途经惠南镇,司机下车吃饭时其中一个钢瓶突然发生爆裂,残余液氨泄漏。
调查人士表示,按照上海危险品运输有关规定,每年六月中旬到九月中旬,早上八点到下午四点之间,危险化学品禁止上路运输。
这辆货车不仅违章上路,而且在运输过程中无遮无挡地暴晒在阳光下达三个多小时,最终造成钢瓶爆裂、液氨泄漏。
四、氨气的发现与合成
1727年英国的牧师、化学家哈尔斯(Hales,S.1677-1761),用氯化铵与石灰的混合物在以水封闭的曲颈瓶中加热,只见水被吸入瓶中而不见气体放出。
1774年化学家普利斯德里重作这个实验,采用汞代替水来密闭曲颈瓶,制得了碱空气(氨)。
他还研究了氨的性质,发现它易溶于水、可以燃烧,还发现在氨气中通以电火花时,其容积增加很多,而且分解为两种气体;一种是可燃的氢气;另一种是不能助燃的氮气。
从而证实了氨是氮和氢的化合物。
其后戴维等化学家继续研究,进一步证实了2容积的氨通过火花放电之后,分解为1容积的氮气和3容积的氢气。
19世纪以前,农业生产所需氮肥的来源,主要是有机物的副产物和动植物的废物,如粪便、种子饼、腐鱼、屠宰废料、腐烂动植物等。
那时硝石的产量很有限,而且主要用于军工业生产。
1809年,在智利的沙漠地区发现了一个巨大的硝酸钠矿床,很快就开发利用。
到1850年世界上硝盐的供应,主要是智利。
随着农业的发展和军工生产的需要,迫切要求建立规模巨大的探索性的研究。
他们设想,能不能把空气中大量的氮气固定下来。
于是开始设计以氮和氢为原料的合成生产氨的流程。
尤其是在1847年,德国发生了农业危机,首都柏林爆发了抢夺粮食的“土豆革命”,引起了政府重视生产粮食,因而开展了对土壤的研究。
在土壤的肥料问题上,曾经流行一种腐殖质理论,认为作物是依赖土壤中的腐殖质为养料的。
而腐殖质这种东西只能来源于腐败的动植物体,因此肥料的来源是有限的。
当时德国的著名化学家李比希致力于研究植物所需要的碳和氢的来源问题。
为此,他对稻草和其它许多干草的分析中发现,植物中含碳的量不是因土壤的条件不同而有所不同,因此他支持植物中的碳来自大气的观点。
他在分析各种植物的汁液时,发现其中都含有氨,同时发现雨水中也有氨。
大气中的氮很不活泼,也不能直接被植物所吸收,而氨却容易被植物吸收,因此他判断植物是通过吸收氨来获得含氮养料的。
李比希的实验结论,第一,指出腐殖质理论的局限性,把植物氮的来源限制于腐殖质;第二,指出了腐殖质理论的表面性,只知道植物氮来源于腐殖质,而不知道氮是怎样被植物吸收的;第三,指明了开辟新的氮肥源的重要性。
1900年法国化学家勒夏特列最先研究氢气和氮气在高压下直接合成氨的反应。
很可惜,由于他所用的氢气和氮气的混合物中混进了空气,在实验过程中发生了爆炸。
在没有查明发生事故的原因的情况下,就放弃了这项实验。
德国化学家能斯特(Nernst,W.1864-1941),对于研究具有重大工艺价值的气体反应有兴趣,他研究了氮、氢、氨的气体反应体系,但是由于他在计算时,用了一个错误的热力学据,以致得出不正确的理论,因而认为研究这一反应没有什么前途,把研究停止了。
虽然在合成氨的研究中化学家遇到的困难不少,但是,德国的物理学家、化工专家哈伯(Haber,F.1868-1934)和他的学生勒·罗塞格诺尔(LeRossignol,R.)仍然坚持系统的研究。
起初他们想在常温下使氨和氢反应,但没有氨气产生。
又在氮、氢混合气中通以电火花,只生成了极少量的氨气,而且耗电量很大。
后来才把注意力集中在高压这个问题上,他们认为高压是最有可能实现合成反应的。
根据理论计算,表明让氢气和氮气在600℃和200个大气压下进行反应,大约可能生成8%的氨气。
如果在高压下将反应进行循环加工,同时还要不断地分离出生成的氨气,势必需要很有效的催化剂。
为了探索有效的催化剂,他们进行了大量的实验,发现锇和铀具有良好的催化性能。
如果在175-200个大气压和500-600℃的条件下使用催化剂,氮、氢反应能产生高于6%的氨。
哈伯把他们取得的成果介绍给他的同行和巴登苯胺纯碱公司,并在他的实验室做了示范表演。
尽管反应设备事先做了细致的准备工作,可以实验开始不久,有一个密封处就受不住内部的压力,于是混合气体立即冲了出来,发出惊人的呼啸声。
他们立即把损坏的地方修好,又进行几小时的反应后,公司的经理和化工专家们亲眼看见清澈透明的液氨从分离器的旋塞里一滴滴地流出来。
但是,实验开始时发生的现象确实是一个严重的警告,说明在设计这套装置,必须采取各种措施,以避免不幸事故发生。
哈伯的那套装置,在示范表演后的第二天发生了爆炸。
整个设备倾刻之间变成一堆七歪八扭的烂铁。
随后,刚刚安装好的盛着催化剂锇的圆柱装置也爆炸了。
这时金属锇粉遇到空气又燃烧起来,结果,把积存备用的价值极贵的金属锇几乎全部变成了没有多少用处的氧化锇。
尽管连续出了一些爆炸事故,但巴登公司的经理布隆克和专家们还是一致认为这种合成氨方法具有很高的经济价值。
于是该公司不惜耗巨资,还投入强大的技术力量、并委任德国化学工程专家波施(Bosch,C.1874-1940)将哈伯研究的成果设计付诸生产。
波施整整花了5年的时间主要作了两项工作。
第一,从大量的金属和它们的化合物中筛选出合成氨反应的最适合的催化剂。
在这项研究中波施和他的同事做了两万多次实验,才肯定由铁和碱金属的化合物组成的体系是合成氨生产最有效、最实用的催化剂,可以代替哈伯所用的锇和铀。
第二,建造了能够高温和高压的合成氨装置。
最初,他采用外部加热的合成塔,但是反应连续几小时后,钢中的碳与氨发生反应而变脆,合成塔很快地报废了。
后来,他就将合成塔衬以低碳钢,使合成塔能够耐氢气的腐蚀。
第三,解决了原料气氮和氢的提纯以及从未转化完全的气体中分离出氨等技术问题。
经波施等化工专家的努力,终于设计成了能长期使用的操作的合成氨装置。
1910年巴登苯胺纯碱公司建立了世界上第一座合成氨试验工厂,1913年建立了大工业规模的合成氨工厂。
这个工厂是第一次世界大战期间开始为德国提供当时其缺少的氮化合物,以生产炸药和肥料。
五、尿素CO(NH2)2
1928年,德国化学家维勒通过蒸发氰酸铵水溶液得到了尿素。
尿素的合成揭开了人工合成有机物的序幕。
尿素广泛存在于自然界中,如新鲜人粪中含尿素0.4%,别名为碳酰二胺、碳酰胺、脲。
尿素是一种白色晶体,它的含氮量高达46.65%,是目前含氮量最高的氮肥。
尿素施进土壤后,受微生物的作用,与水缓慢反应产生NH4+,因此尿素的肥效比较持久。
作为一种中性肥料,尿素适用于各种土壤和植物。
它易保存,使用方便,对土壤的破坏作用小,是目前使用量较大的一种化学肥料。
生产方法:
工业上用液氨和二氧化碳为原料,在高温高压条件下直接合成尿素,化学反应如下:
2NH3+CO2→NH2COONH4→CO(NH2)2+N2O
六、过量施用化肥的危害
虽然适当施用化肥有利于植物的生长,但若过量使用化肥,反而有可能对植物的生长产生危害。
危害之一:
削弱庄稼生产能力。
庄稼就和人一样,吃得太饱不仅不利于成长,反而会不利于健康。
施肥过量对庄稼造成危害的结果主要有两个:
一个是容易倒伏,倒伏一旦出现,就必然导致粮食减产;另一个是容易发生病虫害,氮肥施用过多,会使庄稼抗病虫能力减弱,继而增加消灭病虫害的农药用量,直接威胁了食品的安全性。
危害之二:
加剧环境污染。
当施用的肥料量超过土壤的保持能力时,就会流入周围的水中,形成农业面源污染、造成水体富营养化,导致藻类滋生,继而破坏水环境。
据统计,中国每年因不合理施肥造成1000多万吨的氮素流失到农田之外,直接经济损失约300亿元。
过量的肥料还会渗入20米以内的浅层地下水中,使得地下水硝酸盐含量增加。
危害之三:
浪费大量紧缺资源。
如果能够把浪费掉的化肥节省下来,就会缓解我国的能源紧缺状况。
仅在2004年,我国化肥生产消耗了大约1亿吨标准煤,超过国家能源消耗比重的5%。
此外,我国化肥生产每年消耗的高品位磷矿石超过了1亿吨,而磷矿石已经列入国土资源部2010年后紧缺资源之列;化肥生产还消耗了我国72%的硫资源。
洛杉矶光化学烟雾事件
洛杉矶光化学烟雾是怎么回事呢?
洛杉矶是美国第三大城市,是美国的电影中心,著名的好莱坞就在那里,因此,吸引着世界上各种各样的人们。
由于洛杉矶特殊的地位,很早以前,当一些国家的人们还不知道汽车是什么东西的时候,洛杉矶就已经拥有各式各样的汽车近250万辆。
进入20世纪80年代,洛杉矶拥有汽车400万辆,城市中的高速公路占全市面积的三分之一,交通之发达可见一斑。
汽车给人们带来了方便,同时也给人们带来了麻烦。
有人统计过,洛杉矶每天通过汽车尾气排出的碳氢化物有1000多吨,氮氧化物500多吨,一氧化碳4000多吨,这些有毒气体像食人的魔鬼一样弥漫在洛杉矶市的上空。
洛杉矶地处北太平洋沿岸,西面临海、东、南、北三面环山,形成了一个直径约50千米的盆地,空气在这里流动很慢。
正是这种特殊的地理环境、特殊的汽车污染,使得灾难悄悄地降临了。
1955年9月的一天,洛杉矶的气温很高,空气污染严重,城市上空烟雾浓浓,大气能见度极低,但阳光充足,一点风也没有。
在强烈的阳光照射下,一种淡蓝色的奇异的烟雾在人们周围飘移,许多人感到眼睛疼痛、头痛头晕、呼吸困难,短短两就有400多位老人死亡,这个死亡数字比平时高3倍多。
这就是世界上有名的洛杉矶光化学烟雾事件。
那么,这次事件是什么原因造成的呢?
原来,大量的汽车尾气被排放到大气中,尾气中的碳氢化物和氮氧化物久久弥漫在洛杉矶上空,经阳光照射发生光化学分解,产生活性很高的游离性离子氧。
这种游离性离子氧可以与空气中的氧分子结合,生成臭氧分子。
臭氧分子具有一定的氧化性,可以将汽车尾气中的炭氢化物氧化成甲醛、丙烯醛、酮类、过氧酰基硝酸酯等化学物质,这些物质在光的照射下呈现淡蓝色,并具有强烈刺激性,可以引起人类中毒,甚至死亡。
洛杉矶市的人们就是吸入了这些有害物质,才出现前面提到的症状。
由于这种淡蓝色的烟雾是通过光化学反应而产生的,所以称为光化学烟雾。
又由于这次事件是发生在洛杉矶市,所以称为洛杉矶光化学烟雾事件。
七、光化学烟雾事件
(1)英国伦敦烟雾事件
1952年冬,伦敦浓雾笼罩,经久不散,就像一个巨大的盖子罩的城市上空,家庭和工厂的许多烟囱排出的浓烟积聚在下面,使污染物浓度不断增加,最高时烟尘浓度达4.5mg/m3,比平时高出10倍,二氧化硫的含量也高达1.3%。
粥一样的浓雾沾滞在伦敦市区,飞机停飞,汽车开灯缓行。
过路行人感到一股股强烈刺鼻的气味扑面而来,市民们感到胸闷、喉痛,其他疾病也随之不断发生。
灰色的烟雾笼罩着伦敦的一切。
从12月5日至8日,伦敦的这场浓雾事件中,有4000死亡,其中多数是婴儿和老人。
以后两个月内,又有8000多人死于非命。
事件发生后,舆论大哗。
英国政府被迫组织专家组织对致害原因进行调查。
由于这样大范围的调查是破天荒第一次,工作难度大,组织上又不得力,当时科学技术和思想还没有达到一定的水平,因此,始终没有弄清原因,也就不了了之,更无法采取措施,吸取教训。
随着科学技术的发展,直到1963年,科学家针对伦敦的地形、气候、工业布局、生活环境等多方面的调查、研究,才找出原因。
造成伦敦多次发生烟雾事件的根源是烟尘和二氧化硫的共同作用。
(2)比利时马斯河谷烟雾事件
在比利进境内沿马斯河24km长的一段河谷地带,两侧山高约90m,有包括炼焦、炼钢、电力、玻璃、炼锌、硫酸、化肥等行业,近1000个重型工厂分布在河谷上。
1930年12月初,比利时由于气候反常,被雾层覆盖出现逆温层,由于工业上的有害废气和粉尘对人体造成综合影响。
马斯河谷的居民有几千人得了呼吸道疾病,一周约有60人死亡。
死者大多是年老、有心脏病的和有肺病的患者。
尸体解剖结果证实,刺激性化学物质损害呼吸道内壁是致死的原因之一。
(3)美国多诺拉烟雾事件
多诺拉是美国宾夕法尼亚州匹兹堡南边的一个小城镇,约有14000多居民。
建有钢铁厂、硫酸厂和炼锌厂。
1948年10月,多诺拉镇发生一起轰动世界空气污染造成的公害事件。
10月27日早晨,由于工厂排放的二氧化硫和粉尘的污染,烟雾覆盖多诺拉,气候潮湿寒冷,阴云密布,地面处于死风状态。
第一天和第二天就这样被笼罩在烟雾之中,而且烟雾越来越稠厚,几乎凝结成一团,在午后视线也仅仅能看到街的对面。
空气开始使人恶心呕吐,嗅到一种怪味,这是二氧化硫的刺激性气味。
这种烟雾持续4天,造成多诺拉镇5911人发病。
参考文献:
中国科普城:
八、一氧化氮的生理功能
一直以来,一氧化氮留给人们的印象仅与硝酸类炸药相关,谁能想到它可以在体内产生化学作用,为人类健康带来福祉呢?
然而,当1998年三位美国科学家由于发现一氧化氮作为人体中一种重要信号分子而获得诺贝尔生理、医学奖之后,人们才逐渐相信,一氧化氮是身体中对健康最重要的化学分子之一。
美国科学家研究发现,一氧化氮在各种生化过程中,起着关键的作用,具有神奇的生理调节功能。
在心血管系统方面,一氧化氮具有强大的松弛血管平滑肌的作用,它可以增加血流量,防止脂肪等沉积物黏附于血管壁,从而抑制血管壁增厚,减少血管壁堵塞的机会,同时,它还帮助维持健康血压,有效减轻心脏负担,从而达到预防心脏病的效果。
在免疫系统方面,一氧化氮是对付细菌、病毒、肿瘤细胞等病原体的有效武器,它能够杀死多种病原体而保护机体,能提供一个强有力的体内防御系统。
在神经系统方面,一氧化氮是一种神经信使分子,参与包括学习、记忆在内的多种生理过程,并且具有调节脑血流的作用。
一氧化氮作为一种神经信号的传递物质,可以促进脑部的血流量,并可能与脑细胞的发育、脑细胞的学习和记忆过程、后脑垂体激素如血管加压素和催产素的分泌、保护脑细胞避免毒物的攻击及脑缺血时调整脑血供应等有关。
除了以上生理功能外,一氧化氮还在呼吸系统、内分泌系统中起重要作用。
九、玻尔巧藏诺贝尔奖章
玻尔是丹麦物理学家、诺贝尔奖章获得者。
第二次世界大战期间,由于德军即将占领丹麦,玻尔被迫要离开自己的祖国。
他坚信以后一定能返回祖国,决定把心爱的诺贝尔奖章留下。
为了不使奖章落入德军手中,他把奖章溶解在一种溶液中,并存放在瓶子里。
丹麦被德军占领后,纳粹分子闯进玻尔家中,连奖章的影子也没发现。
战后,玻尔从溶液中提取出金,又重新铸成了奖章。
玻尔是用什么溶液使金质奖章溶解的呢?
这种溶液就是王水。
王水的氧化性比硝酸强,可以使金溶解。
这位伟大的科学家不仅用他的知识和智慧保住了奖章,还用他那蔑视敌人、热爱祖国的精神鼓舞着后人。
十、硝酸的工业制法
1.硝酸工业制法的发展——硝酸的工业制法有三种
第一种是早在17世纪就使用的硝石法。
它是利用钠硝石跟浓硫酸共热而得。
NaNO3+H2SO4(浓)
NaHSO4+HNO3↑
由于硝酸较易挥发,所以,反应产生的是硝酸蒸气,经冷凝后即为液体。
反应生成的酸式硫酸盐,在高温条件下可进一步与钠硝石反应,生成硫酸正盐和硝酸。
但硝酸在高温时会分解,所以硝石法一般控制在第一步反应。
此法产量低,消耗硫酸多,又受到硝石产量的限制,已逐步被淘汰。
第二种是电弧法。
它是利用电弧使空气中的氮气和氧气直接化合而成NO。
这是可逆反应,而且这两种单质互相化合时是吸热的,因此高温对于NO的生成有利。
不过,即使在3000℃,平衡混合物中也仅含有5%的一氧化氮。
工业上用强大的电源产生的电弧做加热器,温度可达4000℃左右。
当空气流迅速通过电弧时,空气受到强热,于是就生成少量的一氧化氮。
立刻将混合气体冷却到1200℃以下,以后再进一步冷却,混合气体中的NO与O2化合而成NO2,最后用水吸收而成硝酸。
因为电弧法耗费大量的电能,同时一氧化氮的产率低,当氨氧化法问世后,它也逐渐被淘汰了。
第三种是氨的催化氧化法。
按生产流程和操作条件不同,可分为常压法、加压法和综合法。
这种方法成本低,产率高,消耗电能少。
常压法是在常压下进行的,加压法是在加压(6×105Pa~9×105Pa)下进行的。
综合法是既有常压过程,又有加压过程,氨的氧化在常压下进行,一氧化氮的氧化和二氧化氮的吸收在加压(6×105Pa~9×155Pa)下进行。
常压法生产的硝酸中HNO3的质量分数较低,一般为47%~50%。
它的生产设备所需的不锈钢数量较多,但操作方便,铂催化剂损失小,消耗电能较小。
加压法生产的硝酸中HNO3的质量分数较高,一般为58%~60%,可以节省吸收塔数目,因而所需不锈钢数量较少,但操作复杂,消耗电能较大,铂催化剂损失也较大。
综合法则兼有二者的优点。
十一、硝酸盐和亚硝酸盐
硝酸盐与亚硝酸盐,属食品加工业中常用的发色剂,硝酸盐可在亚硝酸菌的作用下还原为亚硝酸盐,亚硝酸盐在酸性条件下(如肌肉中的乳酸)产生游离的亚硝酸,与肉中肌红蛋白结合,生成亚硝基肌红蛋白,呈现稳定的红色化合物,致使肉品呈鲜艳的亮红色。
用它作为肉食制品的添加剂,还可以使食品具有独特风味,又具有较强的抑菌作用。
同时,在不新鲜的蔬菜、变质的酱腌菜、腌制初期的腌菜、保存不好的熟菜中都可检出亚硝酸盐。
在饮食过程中,如果食用过量的亚硝酸盐可在十几分钟内发病,轻者出现头痛、头晕、乏力、心慌、恶心、呕吐、胸闷、心悸、运动失调;重者可出现虚脱、昏迷、肺水肿等症状;长期摄入,可诱发消化道系统癌变,如胃癌、肠癌。
食物中的硝酸盐是无毒的,但是在一些细菌的作用下还原成有毒的亚硝酸盐,导致食物中毒;生活中注意不要吃腐烂的食物,因为这种食物含较多量的亚硝酸盐。
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