Zviedru ķīmiķis Karls Šēls un skotu botāniķis Daniels Raterfords 1772. gadā atsevišķi atklāja slāpekli. Aptuveni tajā pašā laikā arī godātais Kavendišs un Lavuazjē neatkarīgi ieguva slāpekli. Slāpekli kā elementu pirmo reizi atzina Lavuazjē, kurš to nosauca par "azo", kas nozīmē "nedzīvs". Čaptals elementu nosauca par slāpekli 1790. gadā. Nosaukums ir atvasināts no grieķu vārda "nitre" (nitrāts, kas satur slāpekli nitrātā).
Slāpekļa ražošanas ražotāji — Ķīnas slāpekļa ražošanas rūpnīca un piegādātāji (xinfatools.com)
Slāpekļa avoti
Slāpeklis ir 30. visbiežāk sastopamais elements uz Zemes. Ņemot vērā, ka slāpeklis veido 4/5 no atmosfēras tilpuma jeb vairāk nekā 78%, mums ir pieejams gandrīz neierobežots slāpekļa daudzums. Slāpeklis ir arī nitrātu veidā dažādos minerālos, piemēram, Čīles salpetrī (nātrija nitrātā), salpetrī vai nitrātā (kālija nitrātā) un minerālos, kas satur amonija sāļus. Slāpeklis atrodas daudzās sarežģītās organiskās molekulās, tostarp olbaltumvielās un aminoskābēs, kas atrodas visos dzīvajos organismos
Fizikālās īpašības
Slāpeklis N2 ir bezkrāsaina, bez garšas un smaržas gāze istabas temperatūrā un parasti nav toksiska. Gāzes blīvums standarta apstākļos ir 1,25 g/l. Slāpeklis veido 78,12% no kopējās atmosfēras (tilpuma daļas) un ir galvenā gaisa sastāvdaļa. Atmosfērā ir aptuveni 400 triljoni tonnu gāzes.
Standarta atmosfēras spiedienā, atdzesējot līdz -195,8 ℃, tas kļūst par bezkrāsainu šķidrumu. Atdzesējot līdz -209,86 ℃, šķidrais slāpeklis kļūst par sniegam līdzīgu cietu vielu.
Slāpeklis ir neuzliesmojošs un tiek uzskatīts par smacējošu gāzi (ti, tīra slāpekļa elpošana cilvēka ķermenim atņem skābekli). Slāpeklim ir ļoti zema šķīdība ūdenī. Pie 283K viens tilpums ūdens var izšķīdināt aptuveni 0,02 tilpumus N2.
Ķīmiskās īpašības
Slāpeklim ir ļoti stabilas ķīmiskās īpašības. Istabas temperatūrā ir grūti reaģēt ar citām vielām, taču tas var ķīmiski mainīties ar noteiktām vielām augstā temperatūrā un augstas enerģijas apstākļos, un to var izmantot jaunu, cilvēkiem noderīgu vielu ražošanai.
Slāpekļa molekulu molekulārā orbitālā formula ir KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Trīs elektronu pāri veicina saiti, tas ir, veidojas divas π saites un viena σ saite. Saistībā nav nekāda ieguldījuma, un saistīšanas un pretsavienojuma enerģijas ir aptuveni nobīdītas, un tās ir līdzvērtīgas vientuļiem elektronu pāriem. Tā kā N2 molekulā ir trīskāršā saite N≡N, N2 molekulai ir liela stabilitāte, un, lai to sadalītu atomos, ir nepieciešama 941,69 kJ/mol enerģijas. N2 molekula ir visstabilākā no zināmajām divatomu molekulām, un slāpekļa relatīvā molekulmasa ir 28. Turklāt slāpekli nav viegli sadedzināt un tas neatbalsta degšanu.
Pārbaudes metode
Ievietojiet degošo Mg stieni gāzes savākšanas pudelē, kas piepildīta ar slāpekli, un Mg stienis turpinās degt. Ekstrahējiet atlikušos pelnus (nedaudz dzeltenu pulveri Mg3N2), pievienojiet nelielu daudzumu ūdens un izveidojiet gāzi (amonjaku), kas slapjo sarkano lakmusa papīru padara zilu. Reakcijas vienādojums: 3Mg + N2 = aizdedze = Mg3N2 (magnija nitrīds); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
Slāpekļa saišu īpašības un valences saišu struktūra
Tā kā viena viela N2 normālos apstākļos ir ārkārtīgi stabila, cilvēki bieži maldās uzskata, ka slāpeklis ir ķīmiski neaktīvs elements. Faktiski, gluži pretēji, elementārajam slāpeklim ir augsta ķīmiskā aktivitāte. N (3.04) elektronegativitāte ir otrā aiz F un O, norādot, ka tā var veidot spēcīgas saites ar citiem elementiem. Turklāt atsevišķas vielas N2 molekulas stabilitāte tikai parāda N atoma aktivitāti. Problēma ir tā, ka cilvēki vēl nav atraduši optimālos apstākļus N2 molekulu aktivizēšanai istabas temperatūrā un spiedienā. Taču dabā dažas baktērijas uz augu mezgliņiem var pārvērst gaisā esošo N2 slāpekļa savienojumos zemas enerģijas apstākļos normālā temperatūrā un spiedienā un izmantot tās kā mēslojumu ražas augšanai.
Tāpēc slāpekļa fiksācijas izpēte vienmēr ir bijusi svarīga zinātniskās pētniecības tēma. Tāpēc mums ir nepieciešams detalizēti izprast slāpekļa saistīšanas īpašības un valences saišu struktūru.
Obligācijas veids
N atoma valences elektronu slāņa struktūra ir 2s2p3, tas ir, ir 3 atsevišķi elektroni un vientuļo elektronu pāru pāris. Pamatojoties uz to, veidojot savienojumus, var izveidot šādus trīs saišu veidus:
1. Jonu saišu veidošana 2. Kovalento saišu veidošana 3. Koordinācijas saišu veidošana
1. Jonu saišu veidošana
N atomiem ir augsta elektronegativitāte (3,04). Kad tie veido bināros nitrīdus ar metāliem ar zemāku elektronegativitāti, piemēram, Li (elektronegativitāte 0,98), Ca (elektronegativitāte 1,00) un Mg (elektronegativitāte 1,31), tie var iegūt 3 elektronus un veidot N3-jonus. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =aizdegties= Mg3N2 N3- joniem ir lielāks negatīvs lādiņš un lielāks rādiuss (171pm). Saskaroties ar ūdens molekulām, tie tiks stipri hidrolizēti. Tāpēc jonu savienojumi var pastāvēt tikai sausā stāvoklī, un tajā nebūs hidratētu N3-jonu.
2. Kovalento saišu veidošanās
Kad N atomi veido savienojumus ar nemetāliem ar lielāku elektronegativitāti, veidojas šādas kovalentās saites:
⑴N atomi iegūst sp3 hibridizācijas stāvokli, veido trīs kovalentās saites, saglabā vienu vientuļo elektronu pāru pāri, un molekulārā konfigurācija ir trigonāla piramīda, piemēram, NH3, NF3, NCl3 utt. Ja veidojas četras kovalentās vienotās saites, molekulārā konfigurācija ir regulārs tetraedrs, piemēram, NH4+ joni.
⑵N atomi ieņem sp2 hibridizācijas stāvokli, veido divas kovalentās saites un vienu saiti un saglabā vientuļo elektronu pāru pāri, un molekulārā konfigurācija ir leņķiska, piemēram, Cl-N=O. (N atoms veido σ saiti un π saiti ar Cl atomu, un vientuļo elektronu pāru pāris uz N atoma padara molekulu trīsstūrveida.) Ja nav vientuļo elektronu pāra, molekulārā konfigurācija ir trīsstūrveida, piemēram, HNO3 molekula vai NO3- jons. Slāpekļskābes molekulā N atoms veido trīs σ saites ar attiecīgi trim O atomiem, un elektronu pāris uz tā π orbitāles un divi O atomu atsevišķie π elektroni veido trīscentru četru elektronu delokalizētu π saiti. Nitrātu jonā starp trim O atomiem un centrālo N atomu veidojas četru centru sešu elektronu delokalizēta liela π saite. Šī struktūra padara slāpekļskābes N atoma šķietamo oksidācijas skaitli +5. Lielo π saišu klātbūtnes dēļ normālos apstākļos nitrāts ir pietiekami stabils. ⑶ N atoms pieņem sp hibridizāciju, veidojot kovalento trīskāršo saiti un saglabā vientuļu elektronu pāru pāri. Molekulārā konfigurācija ir lineāra, piemēram, N atoma struktūra N2 molekulā un CN-.
3. Koordinācijas saišu veidošana
Kad slāpekļa atomi veido vienkāršas vielas vai savienojumus, tie bieži saglabā vientuļus elektronu pārus, tāpēc šādas vienkāršas vielas vai savienojumi var darboties kā elektronu pāru donori, lai saskaņotos ar metālu joniem. Piemēram, [Cu(NH3)4]2+ vai [Tu(NH2)5]7 utt.
Oksidācijas stāvoklis - Gibsa brīvās enerģijas diagramma
No slāpekļa oksidācijas stāvokļa-Gibsa brīvās enerģijas diagrammas var arī redzēt, ka, izņemot NH4 jonus, N2 molekula ar oksidācijas skaitli 0 atrodas diagrammas līknes zemākajā punktā, kas norāda, ka N2 ir termodinamiski. stabils attiecībā pret slāpekļa savienojumiem ar citiem oksidācijas rādītājiem.
Dažādu slāpekļa savienojumu vērtības ar oksidācijas skaitļiem no 0 līdz +5 ir virs līnijas, kas savieno divus punktus HNO3 un N2 (diagrammas punktētā līnija), tāpēc šie savienojumi ir termodinamiski nestabili un pakļauti disproporcijas reakcijām. Vienīgais diagrammā ar zemāku vērtību nekā N2 molekulai ir NH4+ jons. [1] No slāpekļa oksidācijas pakāpes-Gibsa brīvās enerģijas diagrammas un N2 molekulas struktūras var redzēt, ka elementārais N2 ir neaktīvs. Tikai augstā temperatūrā, augstā spiedienā un katalizatora klātbūtnē slāpeklis var reaģēt ar ūdeņradi, veidojot amonjaku: Izplūdes apstākļos slāpeklis var apvienoties ar skābekli, veidojot slāpekļa oksīdu: N2+O2=izlāde=2NO Slāpekļa oksīds ātri savienojas ar skābekli, veidojas slāpekļa dioksīds 2NO+O2=2NO2 Slāpekļa dioksīds izšķīst ūdenī, veidojot slāpekļskābi, slāpekļa oksīds 3NO2+H2O=2HNO3+NO Valstīs ar attīstītu hidroenerģiju šī reakcija ir izmantota slāpekļskābes iegūšanai. N2 reaģē ar ūdeņradi, veidojot amonjaku: N2+3H2=== (atgriezeniska zīme) 2NH3 N2 reaģē ar metāliem ar zemu jonizācijas potenciālu un kuru nitrīdiem ir augsta režģa enerģija, veidojot jonu nitrīdus. Piemēram: N2 var tieši reaģēt ar metālisko litiju istabas temperatūrā: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 reaģē ar sārmzemju metāliem Mg, Ca, Sr, Ba kvēlspuldžu temperatūrā: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 var reaģē tikai ar boru un alumīniju kvēlspuldžu temperatūrā: 2 B + N2=== 2 BN (makromolekulas savienojums) N2 parasti reaģē ar silīciju un citiem grupas elementiem temperatūrā, kas augstāka par 1473K.
Slāpekļa molekula piesaista trīs elektronu pārus, tas ir, veido divas π saites un vienu σ saiti. Tas neveicina saistīšanu, un saistīšanas un pretsavienojuma enerģijas ir aptuveni nobīdītas, un tās ir līdzvērtīgas vientuļiem elektronu pāriem. Tā kā N2 molekulā ir trīskāršā saite N≡N, N2 molekulai ir liela stabilitāte, un, lai to sadalītu atomos, ir nepieciešama 941,69 kJ/mol enerģijas. N2 molekula ir visstabilākā no zināmajām divatomu molekulām, un slāpekļa relatīvā molekulmasa ir 28. Turklāt slāpekli nav viegli sadedzināt un tas neatbalsta degšanu.
Izsūtīšanas laiks: 23. jūlijs 2024
