氮及其化合物

夏天的一场雷雨过后，空气格外清新，土地也显得更加肥沃——这并不是错觉。每一次闪电放电，都会将空气中的氮气和氧气“逼”着发生反应，生成氮的氧化物，经雨水溶解后落入土壤，成为植物可以直接利用的氮源。这个自然过程叫做“雷电固氮”，是大自然为地球施肥的方式之一。

氮（N）是空气中含量最多的元素，约占大气体积的 $78\%$。氮元素不仅构成了空气的主体，还是蛋白质、DNA 的重要组成成分，与一切生命活动密切相关。氮的化合物种类繁多，从氨气到硝酸，从铵盐到氮的氧化物，这些物质在农业、工业和环境保护中都扮演着不可替代的角色。

氮气的性质

氮气（$\text{N}_2$）是空气的主要成分，通常情况下表现出惰性，不易与其他物质反应。

氮气的物理性质

液氮（液态氮气）沸点极低，蒸发时能迅速吸热，常用于冷冻保存生物样品和食品快速冷冻。

氮气的化学性质

氮气分子由两个氮原子以三键（$\text{N≡N}$）相连，键能高达 $945\ \text{kJ/mol}$，结构十分稳定，因此常温下氮气化学性质极不活泼。

氮气与氧气的反应（雷电固氮）：

在放电或极高温度下（如闪电、汽车发动机内），氮气与氧气发生反应，生成无色的一氧化氮（$\text{NO}$）：

$\text{N}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{放电或高温}} 2\text{NO}$

这是一个可逆反应，在通常条件下不能自发进行。

氮气与氢气的反应（工业合成氨）：

在高温（$450\text{–}500\ °\text{C}$）、高压（$1\times10^7\text{–}3\times10^7\ \text{Pa}$）和铁催化剂作用下，氮气与氢气反应，生成氨气（$\text{NH}_3$）：

$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \underset{\text{催化剂}}{\overset{\text{高温高压}}{\rightleftharpoons}} 2\text{NH}_3$

这个反应是工业合成氨的核心，也是人类解决粮食问题的关键技术基础。

例题 1

空气中存在大量氮气，却不能被大多数植物直接吸收利用。请解释原因，并说明工业上如何将氮气转化为植物可利用的形式。

$\text{N}_2$ 分子中存在 $\text{N≡N}$ 三键，结构极稳定，化学性质不活泼，植物根系无法直接分解或吸收 $\text{N}_2$。

工业上通过“合成氨”工艺，在高温高压和铁催化剂条件下使 $\text{N}_2$ 与 反应生成 ，再将 进一步氧化制成硝酸，或直接与其他物质反应制成铵盐（如 、）等氮肥，供植物直接吸收。

氮的氧化物

氮有多种氧化物，其中一氧化氮（$\text{NO}$）和二氧化氮（$\text{NO}_2$）是高中化学中最重要的两种，也是大气污染的主要成因之一。

一氧化氮与二氧化氮的基本性质

一氧化氮转化为二氧化氮

$\text{NO}$ 在常温下极易被空气中的 $\text{O}_2$ 氧化，迅速转变为红棕色的 $\text{NO}_2$：

$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$

这就是为什么，实验室里收集到的无色 $\text{NO}$ 气体，一旦接触空气就会立即变为红棕色。

二氧化氮与水的反应

$\text{NO}_2$ 能与水反应，生成硝酸（$\text{HNO}_3$）和一氧化氮（$\text{NO}$）：

$3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO}$

这一反应是工业制硝酸的最后一步，也是理解“酸雨”成因的关键——大气中的 $\text{NO}_2$ 溶于雨水，形成稀硝酸，使雨水酸性增强。

例题 2

将一试管 $\text{NO}_2$ 气体倒置于盛有水的水槽中，水面最终上升到试管的什么位置？剩余气体是什么？

$\text{NO}_2$ 与水反应：$3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO}$

尾气处理

工业和实验室产生的含氮氧化物废气，不能直接排放到大气中，通常用 $\text{NaOH}$ 溶液吸收处理：

$\text{NO}_2 + \text{NO} + 2\text{NaOH} \rightarrow 2\text{NaNO}_2 + \text{H}_2\text{O}$

$2\text{NO}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaNO}_3 + \text{NaNO}_2 + \text{H}_2\text{O}$

氨气的性质与制备

氨气（$\text{NH}_3$）是氮的重要化合物，也是工业合成氮肥的核心原料。家用厕所清洗剂、冰箱制冷剂，以及化肥工厂飘出的刺鼻气味，来源都是 $\text{NH}_3$。

氨气的物理性质

氨气极易溶于水，利用这一特点可以做“喷泉实验”：将充满 $\text{NH}_3$ 的圆底烧瓶倒置，导管通入水（加石蕊或酚酞），打开活塞，水迅速涌入烧瓶，形成喷泉，溶液变为蓝色（石蕊变蓝）或红色（酚酞遇碱变红），说明 $\text{NH}_3$ 溶于水后溶液显碱性。

氨气的化学性质

氨气与水的反应：

$\text{NH}_3$ 溶于水生成一水合氨（$\text{NH}_3\cdot\text{H}_2\text{O}$），一水合氨是弱碱，部分电离出 $\text{OH}^-$：

$\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_3\cdot\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$

氨水显碱性，是常见的弱碱性溶液。

氨气与酸的反应：

$\text{NH}_3$ 遇到挥发性强酸（如 $\text{HCl}$、$\text{HNO}_3$）时，在空气中直接反应，产生白色烟雾（铵盐细颗粒）：

$\text{NH}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}$

$\text{NH}_3 + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3$

将蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近氨气出口，立即出现白色烟雾，这是检验 $\text{NH}_3$ 存在的直观方法。

氨气的催化氧化（工业制硝酸的基础）：

在铂（$\text{Pt}$）催化剂作用下，$\text{NH}_3$ 与 $\text{O}_2$ 反应，生成 $\text{NO}$ 和水：

$4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Pt}, \Delta} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$

这是工业制硝酸的第一步——先将 $\text{NH}_3$ 催化氧化为 $\text{NO}$，再将 $\text{NO}$ 氧化为 $\text{NO}_2$，最终 $\text{NO}_2$ 与水反应生成 。

例题 3

将一支蘸有浓氨水的棉球和一支蘸有浓盐酸的棉球分别放置在玻璃管两端，密封后静置。过一段时间，在哪端附近会最先出现白烟？

氨气（$\text{NH}_3$）和氯化氢（$\text{HCl}$）分别从两端向中间扩散，相遇时生成 $\text{NH}_4\text{Cl}$ 白烟。

由于 $\text{NH}_3$ 的摩尔质量（）比 （）小， 扩散速度更快，移动距离更长，因此白烟出现在靠近盐酸一端（距盐酸棉球更近的位置）。

氨气的实验室制法

实验室制备氨气，通常将氯化铵（$\text{NH}_4\text{Cl}$）与消石灰（$\text{Ca(OH)}_2$）混合加热：

$2\text{NH}_4\text{Cl} + \text{Ca(OH)}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{CaCl}_2 + 2\text{NH}_3\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

铵盐与铵根离子的检验

铵盐是铵根离子（$\text{NH}_4^+$）与酸根离子构成的化合物，如 $\text{NH}_4\text{Cl}$、$\text{(NH}_4)_2\text{SO}_4$、、 等，是常用的氮肥。

铵盐的共同性质

溶解性： 所有铵盐均易溶于水。

加热分解： 铵盐受热容易分解，不同铵盐分解产物不同：

$\text{NH}_4\text{Cl} \xrightarrow{\Delta} \text{NH}_3\uparrow + \text{HCl}\uparrow$

$\text{NH}_4\text{HCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$

$\text{NH}_4\text{NO}_3 \xrightarrow{\text{加热}} \text{N}_2\text{O}\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

铵根离子的检验

检验溶液中是否含有 $\text{NH}_4^+$，方法如下：

取少量待测溶液于试管中，加入浓 $\text{NaOH}$ 溶液并加热，若产生使湿润红色石蕊试纸变蓝的气体，则证明溶液中含有 $\text{NH}_4^+$。

反应方程式：

$\text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \xrightarrow{\Delta} \text{NH}_3\uparrow + \text{H}_2\text{O}$

例题 4

某化肥袋上标注成分为“碳酸氢铵”（$\text{NH}_4\text{HCO}_3$）。请回答：（1）如何用实验简单鉴别它与氯化铵？（2）为什么碳酸氢铵不能与草木灰（主要成分 $\text{K}_2\text{CO}_3$）混合施用？

（1）取少量两种固体分别置于蒸发皿上，在酒精灯上加热。碳酸氢铵在较低温度下即迅速分解，产生大量气体（$\text{NH}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$），固体消失；氯化铵加热后也会分解，但温度要求更高，且冷却后白色固体重新出现（升华再凝华），以此区分。

（2）草木灰（${\text{K}}_2{\text{CO}}_3$）显碱性，与 混合后，碱性环境会促使铵盐中 与 反应，生成 挥发散失，导致氮肥中的氮素损失，肥效下降。

硝酸的性质

硝酸（$\text{HNO}_3$）是一种重要的强酸，工业上用于制造化肥、炸药和染料。纯硝酸是无色、有刺激性气味的液体，市售浓硝酸（质量分数约 $65\%\text{–}68\%$）呈无色，发烟硝酸（质量分数 $>86\%$）在空气中会冒白雾。

硝酸的物理性质

硝酸的化学性质

硝酸是强酸，具有酸的通性（与碱中和、与活泼金属和碱性氧化物反应等），同时因为 $\text{HNO}_3$ 具有强氧化性，其与金属的反应与普通酸有显著不同。

硝酸与金属的反应（不产生 $\text{H}_2$）：

硝酸与金属反应时，$\text{NO}_3^-$ 被还原，产物不是 $\text{H}_2$ 而是 $\text{NO}$（稀硝酸）或 $\text{NO}_2$（浓硝酸）：

铜与稀硝酸反应：

$3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3\text{（稀）} \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}\uparrow + 4\text{H}_2\text{O}$

铜与浓硝酸反应：

$\text{Cu} + 4\text{HNO}_3\text{（浓）} \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

铁与硝酸的反应（注意铁的用量）：

铁与过量稀硝酸反应，铁被氧化为 $\text{Fe}^{3+}$（类似铁在 $\text{Cl}_2$ 中被氧化为高价）：

$\text{Fe} + 4\text{HNO}_3\text{（稀，过量）} \rightarrow \text{Fe(NO}_3)_3 + \text{NO}\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

铁与少量稀硝酸反应（铁过量），先生成 $\text{Fe(NO}_3)_3$，随后 $\text{Fe}^{3+}$ 与过量 $\text{Fe}$ 继续反应，最终产物为 ${\text{Fe(NO}}_{}$：

$\text{Fe} + 2\text{Fe(NO}_3)_3 \rightarrow 3\text{Fe(NO}_3)_2$

钝化现象：

铁（$\text{Fe}$）和铝（$\text{Al}$）遇到冷浓硝酸或冷浓硫酸时，表面形成一层致密的氧化膜，阻止内部金属继续反应，这种现象称为“钝化”。

例题 5

将 $6.4\ \text{g}$ 铜片加入足量稀硝酸中，充分反应后，收集到 $\text{NO}$ 气体。写出反应方程式，并计算生成 $\text{NO}$ 在标准状况下的体积。

氮元素化合物之间的转化关系

氮元素的化合价从 $-3$（$\text{NH}_3$）到 $+5$（$\text{HNO}_3$）共有多种，不同化合物之间可以相互转化，掌握这些转化路径可以解决大多数氮元素相关题目。

练习题

第1题

关于一氧化氮（$\text{NO}$）和二氧化氮（$\text{NO}_2$）的说法，正确的是（　　）

A. $\text{NO}$ 和 $\text{NO}_2$ 都是红棕色气体

B. $\text{NO}$ 能与水直接反应生成硝酸

C. 将 $\text{NO}_2$ 通入水中，$\text{NO}_2$ 能完全被水吸收

D. $\text{NO}$ 在常温下遇到空气中的 $\text{O}_2$ 会迅速变成 $\text{NO}_2$

第2题

实验室制备氨气时，干燥氨气不能使用浓硫酸，原因是（　　）

A. 浓硫酸会将氨气氧化

B. 浓硫酸会与氨气发生酸碱中和反应，消耗氨气

C. 浓硫酸密度太大，氨气无法通过

D. 氨气遇浓硫酸会爆炸

第3题

向含有 $\text{Fe}^{3+}$ 的溶液中加入足量铁粉，充分反应后过滤，下列说法正确的是（　　）

A. 滤液中只含有 $\text{Fe}^{3+}$

B. 滤液中含有 $\text{Fe}^{2+}$，滤纸上有剩余铁粉

C. 滤液中同时含有 $\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{Fe}^{3+}$

D. 反应后溶液颜色不变

第4题

下列关于硝酸的说法，错误的是（　　）

A. 浓硝酸和稀硝酸都具有强氧化性，与金属反应不产生 $\text{H}_2$

B. 铁遇冷浓硝酸发生钝化，所以可以用铁罐储存冷浓硝酸

C. 铜与稀硝酸反应生成 $\text{NO}_2$，铜与浓硝酸反应生成 $\text{NO}$

D. 硝酸见光或受热容易分解，应保存在棕色瓶中

第5题（计算题）

将 $3.2\ \text{g}$ 铜片加入足量稀硝酸中，充分反应后收集到 $\text{NO}$ 气体。

（1）写出反应方程式；

（2）计算生成 $\text{NO}$ 在标准状况下的体积；

（3）计算消耗 $\text{HNO}_3$ 的物质的量。

第6题（计算题）

工业合成氨后，将氨气进行催化氧化可制备硝酸。某工厂通过以下三步反应制备硝酸：

第一步：$4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Pt}} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$

第二步：$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$

第三步：$3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO}$

若原料 $\text{NH}_3$ 的用量为 $34\ \text{g}$，假设各步反应均完全进行，计算：

（1）最终生成 $\text{HNO}_3$ 的物质的量；

（2）第三步中生成的 $\text{NO}$ 的物质的量（假设该 $\text{NO}$ 循环利用，参与第二步继续氧化）。

每 $3$ 体积 $\text{NO}_2$ 与水反应后，生成 $1$ 体积 $\text{NO}$。$\text{NO}$ 不溶于水，不与水反应。

设试管内原有 $\text{NO}_2$ 体积为 $3V$，则生成 $\text{NO}$ 体积为 $V$，水面上升至试管的 $\dfrac{2}{3}$ 处，剩余 $\dfrac{1}{3}$ 的 $\text{NO}$ 气体。

C 错误：$3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO}$，$\text{NO}_2$ 与水反应会生成 $\text{NO}$，$\text{NO}$ 不溶于水，因此 $\text{NO}_2$ 不能被水完全吸收（每消耗 $3$ 体积 $\text{NO}_2$ 只能被吸收 $2$ 体积，剩余 $1$ 体积 $\text{NO}$）。

D 正确：$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$，$\text{NO}$ 在常温下极易被 $\text{O}_2$ 氧化，实验中无色 $\text{NO}$ 一旦接触空气即变红棕色。

知识点：NO 与 NO₂ 的基本性质对比

干燥氨气应使用碱石灰（$\text{NaOH}$ 与 $\text{CaO}$ 的混合物）——碱性干燥剂不与碱性气体反应。

知识点：氨气的干燥方法——酸碱性匹配原则

由于铁粉“足量”，溶液中的 $\text{Fe}^{3+}$ 会被铁完全还原为 $\text{Fe}^{2+}$，最终溶液中不再含有 $\text{Fe}^{3+}$，只含有 $\text{Fe}^{2+}$（溶液由黄色变为浅绿色），同时滤纸上有过量铁粉残留。

A 错误：$\text{Fe}^{3+}$ 已被完全消耗。C 错误：铁足量时 $\text{Fe}^{3+}$ 不会残留。D 错误：溶液颜色由黄色（$\text{Fe}^{3+}$）变为浅绿色（$\text{Fe}^{2+}$）。

知识点：铁与 Fe³⁺ 的氧化还原反应

铜与浓硝酸反应生成 $\text{NO}_2$（红棕色气体）：$\text{Cu} + 4\text{HNO}_3\text{（浓）} \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

规律：酸越浓，氧化能力越强，氮被还原的化合价越高（$+4$）；酸越稀，还原产物化合价越低（$+2$）。

知识点：铜与稀/浓硝酸反应的产物区别

（1）反应方程式：

$3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3\text{（稀）} \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}\uparrow + 4\text{H}_2\text{O}$

（2）由方程式，$n(\text{Cu}) : n(\text{NO}) = 3 : 2$：

$n(\text{NO}) = \frac{2}{3} \times 0.05\ \text{mol} = \frac{1}{30}\ \text{mol} \approx 0.033\ \text{mol}$

$V(\text{NO}) = 0.033\ \text{mol} \times 22.4\ \text{L/mol} \approx 0.747\ \text{L}$

（3）由方程式，$n(\text{Cu}) : n(\text{HNO}_3) = 3 : 8$：

$n(\text{HNO}_3) = \frac{8}{3} \times 0.05\ \text{mol} = \frac{2}{15}\ \text{mol} \approx 0.133\ \text{mol}$

答：生成 $\text{NO}$ 在标准状况下的体积约为 $0.747\ \text{L}$；消耗 $\text{HNO}_3$ 的物质的量约为 $0.133\ \text{mol}$。

知识点：铜与稀硝酸反应的定量计算

第一步：$4\text{NH}_3 \rightarrow 4\text{NO}$，物质的量之比为 $1:1$，

$n(\text{NO})_\text{第一步} = 2\ \text{mol}$

分析循环过程：设第三步中生成 $\text{NO}$ 为 $x\ \text{mol}$，该 $\text{NO}$ 循环后进入第二步氧化为 $\text{NO}_2$，再进入第三步反应。

整体来看，不考虑循环时，$3\ \text{mol}\ \text{NO}_2$ 转化为 $2\ \text{mol}\ \text{HNO}_3$ + $1\ \text{mol}\ \text{NO}$；

由于 $\text{NO}$ 循环利用，每一个 $\text{NO}$ 最终都会转化为 $\text{HNO}_3$。因此总体上，从氮守恒角度看：

$n(\text{NH}_3) = n(\text{HNO}_3) \quad \text{（所有氮原子最终以 HNO}_3\text{ 的形式存在）}$

（1）

$n(\text{HNO}_3) = n(\text{NH}_3) = 2\ \text{mol}$

（2）第三步中一次（不循环时）：$3\ \text{mol}\ \text{NO}_2 \rightarrow 2\ \text{mol}\ \text{HNO}_3 + 1\ \text{mol}\ \text{NO}$，即每生成 $2\ \text{mol}\ \text{HNO}_3$ 同时生成 $1\ \text{mol}\ \text{NO}$，比值为 $2:1$。

第三步单次反应生成的 $\text{NO}$：

$n(\text{NO})_\text{第三步单次} = \frac{1}{2} \times n(\text{HNO}_3)_\text{单次}$

由于循环是无限次的，若仅计算第一轮第三步中产生的 $\text{NO}$：以 $2\ \text{mol}\ \text{NO}$ 为基础，第二步全部氧化为 $2\ \text{mol}\ \text{NO}_2$，第三步反应：

$3\ \text{mol}\ \text{NO}_2 : 1\ \text{mol}\ \text{NO} \Rightarrow 2\ \text{mol}\ \text{NO}_2\text{ 第三步生成 }\frac{2}{3}\ \text{mol}\ \text{NO}$

$n(\text{NO})_\text{第三步} = \frac{2}{3} \approx 0.67\ \text{mol}$

答：（1）最终生成 $\text{HNO}_3$ 的物质的量为 $2\ \text{mol}$（氮守恒）。（2）第三步第一轮生成 $\text{NO}$ 约 $0.67\ \text{mol}$，该 $\text{NO}$ 循环后最终完全转化为 $\text{HNO}_3$。

知识点：工业制硝酸三步反应的综合计算与氮守恒