导图社区 氮族元素思维导图
这是一篇关于氮族元素的思维导图,主要涵盖了常见形式、氮单质、氮的氢化物等方面的内容,进行了概述和延展
编辑于2021-06-15 22:06:04氮族元素
1、常见形式
氮:以单质存在大气中,动植物体中的蛋白质,土壤中的硝酸【(自然界最大的硝酸盐矿是南美洲智利北部的硝石(NaNO3)矿】
磷:磷酸钙矿[Ca3(PO4)2·H2O]、磷灰石矿[Ca5(PO4)3(F,Cl)OH、雌黄(As₂S₃)、雄黄(As₄S₄)、砷化铁矿(FeAs₂)、辉锑矿(Sb₂S₃)、锑硫镍矿(NiSbS)、辉铋矿(Bi₂S₃)、砷华(As₂0₃)、锑华(Sb₂0₃)和铋华(Bi₂0₃)
我国锑的蕴藏量占世界第一位,是锑的主要供应国
本族元素从上到下金属性增强,N 和 P 是典型的非金属,As 为半金属,Sb和 Bi 为金属。所以氮族元素单质的熔点,从N,P到 As 升高,而且As 的熔点升高显著,说明晶型从分子晶体向原子晶体过渡;金属键随原子半径增大而减弱,故从As, Sb到Bi 熔点降低
2、氮单质
N2分子的结构
N₂分子中,两个 N 原子之间成三键, 1个σ键,2个π键。
N₂是已知的双原子分子中最稳定的。
N2的化学性质
N原子可以获得3个电子达到稀有气体的电子结构,但获得3个电子需要吸收较多的能量。因此,N只能与电离能小的IA族和ⅡA族的金属形成离子型氮化物。
N2的制备
工业上一般由分馏液态空气制取大量的氮气。常以15 MPa左右的压强把氮气盛装在钢瓶中运输和使用
实验室中常采用将氨或铵盐氧化的方法制备少量氮气,最常用的是加热亚硝酸钠和氯化铵的饱和溶液:NH₄Cl(aq) +NaNO₂(aq)=NaCl+2H₂O+N₂↑
3、氮的氢化物
氨
氨的制备
工业上利用氢气和氮气反应生产氨:N₂+ 3H₂=2NH₃,反应条件控制在30-70 MPa,400~450℃,且以活性的金属铁(α-Fe)为催化剂
在实验室中通常利用非氧化性酸的铵盐与强碱的反应来制备少量氨气:2NH₄Cl+Ca(OH)₂=CaCl₂+2NH3↑+2HO
氨的性质
在氨分子中,氮原子的轨道为sp³不等性杂化,有一对孤电子对,分子呈三角锥形结构
氨在常温常压下是具有刺激性气味的无色气体。NH₃分
子有较强的极性且分子间能形成氢键,所以其熔、沸点高于同族的PH₃。
氨极易溶于水,是在水中溶解度最大的气体之一。氨溶于水则形成氨水,1 cm³氨水的质量小于1 g,氨含量越高,氨水的密度越小
液氨是一种很好的极性溶剂,能溶解许多无机盐。纯的液氨不导电,但却有微弱的自耦解离
活泼的碱金属可以溶解在液氨中得到一种蓝色溶液,其导电能力极强,类似于金属。这种金属液氨溶液是一种强还原剂,其颜色与碱金属种类无关,一般认为是由于形成了合电子
氨在通常情况下很稳定。它能参加的化学反应可归纳成4类:配位反应(有时称为加合反应)、取代反应、氨解反应和氧化反应
配位反应
氨分子中的孤电子对可以与其他分子或离子成配位键,得到氨的配位化合物
氨分子是路易斯碱,它与分子中有空轨道的化合物—路易斯酸可以形成酸碱配位化合物
氨在水中形成水合分子NH₃·H₂O和2NH₃·H₂0等,NH₃分子通过氢键同H₂0分子结合,不存在所谓的NH₄OH分子
取代反应
氨中的氢原子可以依次地被取代,生成相应的衍生物——氨基化物、亚胺化物和氮化物
在加热条件下,氨与金属发生取代反应生成氮化物,例如:3Mg+ 2NH₃= Mg₃N₂+3H₂,重金属的氮化物、亚胺化物和氨基化物不稳定,易爆炸,实验时应特别小心
氨解反应
氨解反应类似于水解反应,属于取代反应范畴。H₂0的自耦解离产生OH⁻和H₃O⁺,而NH₃的自耦解离产生NH₂⁻和NH₄⁺。某化合物在氨中发生解离,解离出的带正电荷的部分与NH₂⁻结合,解离出的带负电荷的部分与NH₄⁺结合,这是氨解反应的实质
氧化反应
NH₃和NH₄⁺中N的氧化数为-3,在一定条件下能被氧化
氯或溴也能在气态或溶液中将氨氧化:2NH₃+3Br₂=6HBr+N₂
NH₄⁺也有还原性,氧化性含氧酸的铵盐受热分解时,NH₄⁺往往被氧化:(NH₄)₂Cr₂O₇=N₂↑+Cr₂O₃+4H₂O
铵盐
铵盐是氨与酸作用的产物。铵离子没有颜色,若酸根离子也没有颜色,则铵盐是无色或白色的化合物。大多数铵盐易溶于水,而且是强电解质。K⁺和Rb⁺的沉淀剂一般也是NH₄⁺的沉淀剂
氨为弱碱,铵盐溶于水有一定程度的水解,与强酸根构成的铵盐的水溶液显酸性,如NH₄NO₃,NH₄Cl等;而醋酸铵(NH₄Ac)水溶液近于中性
铵盐的另一个重要性质就是它的热稳定性差。固态铵盐加热时极易分解,一般分解为氨和相应的酸
非挥发性酸的铵盐,受热分解后氨从生成的酸中挥发逸出
氧化性酸的盐受热分解过程中铵被氧化,产物中有大量气体,因此受热往往会发生爆炸
氨的主要用途
氨是其他含氮化合物的生产原料,如制造硝酸及其盐、铵盐等均以氨为原料,所以氨在化学工业中的需求量很大。铵盐可以作为化肥,常见的有硝酸铵(NH₄NO₃)、硫酸铵[(NH₄)₂SO₄]、氯化胺(NH₄Cl)和碳酸氢铵(NH₄HCO₃)等。也是有机合成工业的重要原料,如可用于尿素、染料、医药用品和塑料的生产。氨很容易加压液化,所以常作为制冷剂
联氨
联氨(N₂H₄)又称为“胫”,可以看成NH₃的一个H原子被-NH₂取代后的产物
NH₃被NaClO溶液氧化可以得到N₂H₄:2NH₃+ ClO⁻=N₂H₄+Cl⁻+ H₂0,联氨也可以由尿素和次氯酸钠在一定条件下反应制得:CO(NH₂)₂+ NaClO+2NaOH=N₂H₄+ NaCl+ Na₂CO₃+H₂0
在N₂H₄中N原子发生sp³杂化,形成3个σ键,N的氧化数为-2。每个N原子上有一对孤电子对,具有配位能力
联氨是良好的极性溶剂,许多盐能溶解在联氨中,所得溶液导电能力较强。
纯的联氨和它的水溶液在动力学上是稳定的,但在热力学上是不稳定的,所以在有催化剂存在时会发生分解:N₂H₄=N₂↑+ 2H₂↑ 3N₂H₄=N₂↑+ 4NH₃↑
联氨的盐较稳定,常以盐的形式保存联氨。
N₂H₄是一种二元弱碱,在水溶液中其碱性不如NH₃强
由于N原子上的孤电子对有配位能力,联氨能与过渡金属生成配位化合物,如[Pt(NH₃)₂(N₂H₄)₂]Cl₂,[(NO₂)₂Pt(N₂H₄)₂Pt(NO₂)₂]等。联氨既可以用一个氮原子向一个金属配位形成单核配位化合物,也可以用两个氮原子分别向两个金属配位形成双核配位化合物,就是说联氨可以作为桥联配体
联氨中N的氧化数为-2,因而既有氧化性又有还原性。从热力学角度,联氨既有较强的氧化性,又有较强的还原性。但是联氨作为氧化剂的反应速率都很慢,没有实际意义。因此,联只是一种强还原剂。它能被卤素单质氧化:N₂H₄(aq)+2X₂=4HX+N₂
羟胺
羟胺(NH₂0H)又叫作“胲”,为白色固体,不稳定。胺可以看成是NH₃中的一个H原子被-OH取代的衍生物
羟胺分子的N原子上有一对孤电子对。分子中N的氧化数为-1。羟胺中的一OH吸电子能力比—NH₂强,因此羟胺的配位能力比联氨弱,其碱性也比联氨弱。
羟胺不稳定,易发生分解反应,但羟胺的水溶液或它的盐却比较稳定。
羟胺作为氧化剂的反应速率很慢,无实际意义,但是羟胺是很好的还原剂
联氨和羟胺作还原剂不仅还原性强,而且不给反应体系带来杂质。但联氨和羟胺的价格较昂贵,用作还原剂时成本较高。
叠氮化氢
纯的叠氮化氢(NH₃)是无色液体,NH₃毒性大易爆炸。NH₃的水溶液为叠氮酸,叠氮酸的酸性与醋酸相近。
氮(N)磷(P)砷(As)锑(Sb)铋(Bi)