關于氮的固定及氮氧化物的問題

◇　北京　王篤年

(作者單位：北京十一學校)

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關于氮的固定及氮氧化物的問題

◇北京王篤年

1) 氮的固定有哪些類型?各占多大比例?

圖1

盡管現(xiàn)代合成氨工業(yè)不斷發(fā)展,但據(jù)科學家估算,人工固氮在自然界全部固氮總量中只占很小的比例,不到1/4．

2) “雷雨發(fā)莊稼”的過程中,最終產(chǎn)生了酸雨,對農(nóng)作物損害是更大了嗎?

土壤的成分非常復雜,里面含有碳酸鹽、硅酸鹽、鋁酸鹽等多種具有中和酸的能力的物質(zhì),對酸具有一定的“抵抗”作用,可及時將硝酸轉(zhuǎn)化為硝酸鹽．當然,最主要的是,雷雨過程一般較短,一次雷雨不會產(chǎn)生濃度非常大的酸．

3) 自然界和人類都在不停地進行固氮操作,那么地球大氣中的N2豈不越來越少了?

自然界中的很多元素都在不斷地循環(huán),氮也是一樣．不管自然固氮還是人工固氮,固氮操作所得的化合物,最終主要變?yōu)橛袡C物,而有機物在自然界的“壽命”都不是很長,動植物體內(nèi)的氮元素主要以蛋白質(zhì)形式存在,蛋白質(zhì)最終的代謝產(chǎn)物為尿素,尿素水解變?yōu)镹H3,而NH3在大氣循環(huán)過程中則很快被氧化為N2．另外,動植物死亡后的遺體也會在細菌作用下腐敗,其中的含氮化合物最終也是變?yōu)榈氐姆€(wěn)定形態(tài)N2．

因此,對于大氣這個巨大的“N2倉庫”來說,N2的量不會因為固氮作用而減少．

4) 大氣中含有豐富的N2、O2,為什么不考慮直接用N2、O2合成NO,進而制取硝酸或進行人工固氮?

首先從反應的自發(fā)性看,N2+O2=2NO的ΔG=+87.6kJ·mol-1;ΔH=+91.3kJ·mol-1．ΔG為正值,說明該反應屬于非自發(fā)反應,進一步計算該反應的平衡常數(shù)可知,25℃下平衡常數(shù)K在10-31量級,雖然對于吸熱反應來說溫度升高K值會增大,但即使溫度升高到2000℃,其K值仍非常小,僅在0.1左右,這就意味著即便提供條件使該反應達到平衡狀態(tài),從平衡混合物中分離出NO也是一個不小的難題．其次,從反應動力學的角度看,該反應需要拆開鍵能都很大的N2、O2分子,這需要極高的活化能,一般的加熱手段很難達到要求,只有電火花才能引發(fā)該反應．所以,很難利用該反應進行氮的固定或者制取硝酸．

5) 氮的哪些氧化物屬于酸酐?

氮的主要氧化物有6種:N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5,其中N2O3是亞硝酸(HNO2)的酸酐,N2O5則是硝酸(HNO3)的酸酐．

一般認為酸酐與含氧酸中氮元素的化合價必須一致．NO2雖然與水作用可以形成HNO3:3NO2+H2O=2HNO3+NO,而且生產(chǎn)中也是通過該反應獲得硝酸的,但NO2并不是HNO3的酸酐．不過,依據(jù)低溫下2NO2+H2O=HNO2+HNO3的反應,也有“NO2是HNO3、HNO2的‘混酐’”的說法．

6) 如何鑒別NO2與溴蒸汽?

中學階段的物質(zhì)鑒別題都是為了考查考生對物質(zhì)基本性質(zhì)的掌握情況,并不一定有此真實的課題．NO2、Br2(g)都是紅棕色、有強烈刺激性氣味的氣體,外觀上很難區(qū)分,它們都具有氧化性,比如都可以使?jié)駶櫟腒I-淀粉試紙變藍．但是它們具有很多不同的物理、化學性質(zhì),可為鑒別提供依據(jù)．

方法1向2種氣體中加少量水、振蕩,觀察形成溶液的顏色．一般情況下溶液呈無色的為NO2,而明顯呈橙色的為溴蒸汽．

方法2向2種氣體中加AgNO3溶液，振蕩,有淡黃色沉淀AgBr產(chǎn)生的為溴蒸汽,無明顯變化的為NO2．

方法3加熱或適度冷卻法．

常溫下紅棕色的氣體“NO2”并非單一成分,而是2NO2N2O4平衡混合物,而且其中無色成分N2O4的比例很大,該體系受熱時會因平衡移動使NO2比例顯著增大,顏色變深;而恒容容器內(nèi)Br2的濃度不會因受熱而增大,顏色不變．理論上講,對2種氣體冷卻時,NO2體系的顏色也應該明顯變淺,而Br2蒸汽顏色變化不大(當然,冷卻過度也會導致溴蒸汽凝結(jié),氣體顏色變淺,但可以看到深紅棕色液體出現(xiàn),因此也可以借此把二者區(qū)分開來)．

方法4加壓或減壓法．

將2種氣體分別充入帶活塞的密閉容器進行加壓或減壓處理,根據(jù)平衡移動原理,2NO2N2O4體系在壓強變化時,會發(fā)生明顯的“先變深、再變淺”(加壓時)或“先變淺、再變深”(減壓時)的顏色變化過程,而Br2蒸汽的顏色變化則是單調(diào)地變深(加壓時)或變淺(減壓時)．

7) 既然NO遇O2就會被氧化為NO2,那么NH3催化氧化反應方程式里產(chǎn)物為什么不是NO2而是NO?

順便提及,NO2雖說是一種客觀存在的化學物質(zhì),但事實上我們并不能制得純凈的NO2，因為常溫下,NO2與N2O4平衡共存,0℃以下則完全轉(zhuǎn)化為無色液體N2O4;溫度稍高它又會分解為NO和O2．

(作者單位：北京十一學校)