氮磷及其化合物.docx

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氮磷及其化合物

　　咱们已学习了ⅠA、ⅣA、ⅥA、ⅦA等主族元素。

在周期表中，位于碳族元素和氧族元素之间的第ⅤA族元素也是主族元素，包括氮（N）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）五种元素，咱们称它们为氮族元素。

　　随着核电荷数和原子核外电子层数的增加，氮族元素的一些性质呈现规律性转变。

例如，在周期表中从上到下，元素的原子半径逐渐增大，查对外层电子的引力逐渐减弱，在化学反映中得电子的能力逐渐减弱，失电子能力逐渐增强，非金属性逐渐减弱，金属性逐渐增强。

在氮族元素的单质中，氮、磷表现出比较明显的非金属性，砷虽然是非金属，但已有一些金属性，而铋、锑已具有比较明显的金属性。

　　氮族元素在它们的化合物中，能显示出多种化合价，如－3、+3、+5等

　　（表1）。

从氮族元素的原子结构看，它们的原子最外层都有5个电子，最高化合价都是+5。

　　试探：

从氮族元素在周期表中的位置看，氮族元素的非金属性与卤族元素、氧族元素相较，强弱如何？

　　咱们明白，土壤里缺乏氮、磷、钾三种元素，会影响农作物的生长，所以，农业上主要施用含氮、磷、钾元素的化肥。

氮和磷是重要的非金属元素,都位于元素周期表的第ⅤA族，它们在化学性质上有一些相似的地方，如单质在必然条件下都能与某些非金属反映等。

下面咱们主要介绍氮和磷单质的一些性质。

　　一、氮气

　　　氮是一种重要的元素，它以化合态存在于多种无机物和有机物当中，是组成蛋白质和核酸不可缺少的物质。

在空气中，氮以氮气的形式存在，是空气的主要成份。

　　纯净的氮气是一种无色的气体，密度比空气的稍小。

氮气在水中的溶解度很小，通常状况下，1体积水中只能溶解大约体积的氮气。

在压强为101kPa时，氮气在-195.8℃时变成无色液体，在-209.9℃时变成雪花状固体。

氮气的一些物理性质见表1。

　　氮气是由氮原子组成的双原子分子。

氮分子中，2个氮原子共用3对电子,形成3个共价键：

　　由于氮分于中的N≡N键很牢固，使氮分子的结构很稳固。

通常状况下，氮气的化学性质不活泼，很难与其他物质发生化学反映。

可是，在必然条件下，如高温、高压、放电等，氮分子取得足够的能量，使共价键断裂，就可以与一些物质如H2、O2等发生化学反映。

　　1．氮气与氢气的反映

　　在高温、高压和有催化剂存在的条件下，N2与H2能够直接化合，生成氨（NH3），并放出热量。

同

时，NH3也会分解成N2和H2，所以，那个反映是个可逆反映。

　　工业上利用这一反映原理合成氨。

关于合成氨工业，咱们将在以后介绍。

　　2．氮气与氧气的反映

　　咱们明白，空气的主要成份是N2和O2，在通常状况下，它们不起反映。

可是，在放电条件下，N2和O2却能够直接化合，生成无色、不溶于水的一氧化氮（NO）气体。

　　反映生成的NO在常温下很容易与空气中的O2化合，生成红棕

色、有刺激性气味的二氧化氮（NO2）气体。

2NO+O2=2NO2

　　NO2是一种有毒气体，易溶于水，它与水反映生成HNO3和NO。

工业上利用这一反映制取硝酸。

3NO2+H2O=2HNO3+NO

　　　以上几个反映是在自然界中常常发生的重要反映。

在电闪雷鸣的雨天，会产生放电现象，由于放电，使空气中的N2和O2反映生成了NO，NO又被O2氧化成NO2。

NO2在雨水中与水反映生成硝酸，随雨水淋洒到土壤中，并与土壤中的矿物质作用生成能被植物吸收的硝酸盐。

如此就使土壤从空气中取得氮，增进了植物的生长。

　　值得注意的是，NO和NO2是大气的污染物。

空气中的NO和NO2污染物主要来自石油和煤燃烧的产物、汽车尾气、制硝酸工厂的废气等。

最近几年来，光化学烟雾污染问题已引发人们的注意，而空气中的NO2是造成光化学烟雾的主要因素。

NO2在紫外线照射下，会发生一系列光化学反映，产生一种有毒的烟雾——光化学烟雾，刺激呼吸器官，令人生病乃至死亡。

目前，随着汽车数量的增大，天天排放到大气中的废气（包括NO2）愈来愈多，汽车污染问题已日趋严峻。

活着界的某些大城市，已经出现光化学烟雾，我国的一些城市也已有了这种潜在的危险。

所以，增强对汽车尾气的治理已十分迫切。

　　另外，雷雨天若是产生大量的NO2，也会造成酸雨，酸雨侵蚀金属、建筑物，破坏丛林，污染湖泊……。

　　在工业上，氮气是合成氨、制硝酸的重要原料。

在通常状况下由于氮气的化学性质很不活泼，因此它常被用作保护气。

例如，焊接金属时用氮气保护金属使其不被氧化；在灯泡中填充氮气以避免钨丝被氧化或挥发；粮食、罐头、水果等食物，也常常利用氮气作保护气，以避免食物腐臭。

在医学上，常常利用液氮作冷冻剂，在冷冻麻醉条件下做手术等。

在高科技领域中常常利用液氮制造低温环境，如有些超导材料就是在经液氮处置后的低温下才取得超导性能的。

　　二、磷

　　　　在自然界中，没有游离态的磷存在，磷主要以磷酸盐的形式存在于矿石中。

磷和氮一样，是

组成蛋白质的成份之一。

动物的骨骼、牙齿和神经组织，植物的果实和幼芽，生物的细胞里都含有磷，磷对于维持生物体正常的生理性能起着重要的作用。

　　磷在化学性质上与氮有相似的地方，如单质也能与非金属反映等。

与N2相较，单质磷的化学性质较活泼，容易与非金属等其他物质反映。

例如，咱们在初中曾介绍过，磷与O2在点燃的条件下就可以反映生成P2O5。

　　P2O5是酸性氧化物，它与热水反映能生成磷酸（H3PO4）。

　　磷酸是一种中等强度的三元酸，具有酸的通性，是化学工业的重要产品，主要用于制磷肥，也用于食物、纺织等工业。

　　另外，磷在点燃条件下还能与Cl2反映。

由于磷原子吸引电子的能力不如氯强，磷在其氯化物中显示+3价和+5价。

例如，磷在不充沛的氯气中燃烧生成三氯化磷（PCl3）。

　　磷在过量的氯气中燃烧生成五氯化磷（PCl5）。

　　磷的单质有多种同素异形体，白磷和红磷是磷的同素异形体中最多见的两种，它们在必然条件下能够彼此转化。

　　【实验1】在长玻璃管的中部放少量红磷，玻璃管的一端用软木塞或湿纸团塞紧，另一端敞开。

先均匀加热红磷周围的玻璃管，然后在放红磷的地方增强热。

观察发生的现象（如右图）。

　　能够看到，加热后，玻璃管内有黄色的蒸气产生，而且在玻璃管内壁冷的地方有黄色固体附着，此固体即为白磷。

　　由于白磷和红磷的结构不同，它们在性质上存在着不同。

例如，白磷和红磷的着火点不同，白磷的着火点比红磷低得多，当白磷受到轻微的摩擦或被加热到40℃时，就会燃烧；即便在常温下，白磷在空气中也会缓慢氧化，氧化时发出白光，在暗处能够清楚地看见。

所以，白磷必需贮存在密闭容器里，少量时可保留在水里。

　　白磷和红磷燃烧，都生成唯一的产物——白色的五氧化二磷。

　　白磷和红磷的一些性质见表2。

资料安全火柴

　　　咱们常常利用的火柴是安全火柴，火柴盒的侧面涂有红磷（发火剂）和三硫化二锑（SB2S3，易燃物）等；火柴头上的物质一般是KClO3、MnO2（氧化剂）和S（易燃物）等。

当二者摩擦时，因摩擦产生的热使与KClO3接触的红磷发火并引发火柴头上的易燃物燃烧，从而使火柴杆着火。

安全火柴的长处是红磷和氧化剂别离附在火柴盒侧面和火柴杆上，而且也没有毒性。

　　白磷和红磷都有许多用途，如白磷可用于制造纯度较高的磷酸，还可制造燃烧弹和烟幕弹等；红磷可用于制农药，还可用于制造安全火柴等。

资料砷的发觉

　　　关于砷的发觉，西方化学史家们都以为是1250年德国的马格耐斯（AlbertusMagnus）用雄黄与香皂共热第一制得了砷。

最近几年来我国学者通过研究发觉，实际上，我国古代炼丹家才是砷的最先发觉者。

据史书记载，约在317年，我国的炼丹家葛洪用雄黄、松脂、硝石三种物质炼制取得

砷。

阅读自然界中氮的循环　

　　氮是蛋白质的重要组成成份，动、植物生长都需要吸收含氮的养料。

空气中虽然含有大量的氮气，但不能被多数生物直接吸收，多数生物只能吸收含氮的化合物。

因此，需要把空气中的氮气转变成氮的化合物，才能作为动植物的养料。

这种将游离态氮转变成化合态氮的方式，叫做氮的固定。

在自然界，大豆、蚕豆等豆科植物的根部都有根瘤菌，能把空气中的氮气变成含氮化合物，所以，种植这些植物时不需施用或只需施用少量氮肥。

另外，放电条件下氮气与氧气化合和工业上合成氨等也属于氮的固定。

　　在自然界，通过氮的固定，使大气中游离态的氮转变成化合态的氮进入土壤，植物从土壤中吸收含氮化合物制造蛋白质，动物则靠食用植物以取得蛋白质；动物的尸身残骸和排泄物和植物的腐败物等再在土壤中被细菌分解，变成含氮化合物，部份被植物吸收；而土壤中的硝酸盐也会被细菌分解而转化成氮气，氮气可再回到大气中。

这一进程保证了氮在自然界的循环

（见图）。

　　一、氨

　　氮气与氢气在必然条件下反映生成氨。

在自然界中，氨是动物体，专门是蛋白质腐败后的产物。

　　1．氨的物理性质

　　　氨是没有颜色、有刺激性气味的气体，在标准状况下，密度是0.771g/L，比空气的小。

　　与水分子一样，氨分子之间也能够形成氢键。

由于氢键的形成，氨分子之间的引力增强，使氨很容易液化。

在常压下冷却至－33.5℃或在常温下加压至700kPa～800kPa，气态氨就液化成无色液体，同时放出大量热。

液态氨汽化时要吸收大量的热，使周围物质的温度急剧下降，所以氨常常利用作致冷剂。

　　氨对人的眼、鼻、喉等粘膜有刺激作用，接触时应小心。

若是不慎接触过量的氨而出现病状，要及时吸入新鲜空气和水蒸气，并用大量水冲洗眼睛。

　　2．氨的化学性质

　　氨的化学式为NH3，在分子中，N与H以3个极性共价键相结合。

　　　　经实验测定，氨分子的结构呈三角锥形，氮原子位于锥顶，3个氢原子位于锥底，N—H键之间的夹角为107°18′。

所以，氨分子是极性分子。

（1）氨与水的反映

　　【实验2】在干燥的圆底烧瓶里充满氨气，用带有玻璃管和滴管（滴管里预先吸入水）的塞子塞紧瓶口。

当即倒置烧瓶，使玻璃管插入盛有水的烧杯里（水里事前加入少量酚酞试液），按右图安装好装置，打开橡皮管上的夹子，挤压滴管的胶头，使少量水进入烧瓶。

观察现象。

　　能够看到，烧杯里的水由玻璃管进入烧瓶，形成喷泉，烧瓶内液体呈红色。

　　　　试探：

为何烧瓶内会形成喷泉？

　　从上面的实验能够看出，氨极易溶于水中。

经实验测定，在常温、常压下，1体积水中约能溶解700体积氨。

　　氨的水溶液叫做氨水。

氨溶于水时，大部份NH3与H2O通过氢键结合，形

　　显弱碱性。

氨溶于水的进程中存在着下列可逆反映：

　　NH3·H2O不稳固，受热时分解为NH3和H2O。

　　氨水对许多金属有侵蚀作用，所以不能用金属容器盛装，一般情形下，氨水是盛装在橡皮袋、陶瓷坛或内涂沥青的铁桶里的。

（2）氨与氯化氢的反映

　　　　在咱们学过的常见气体中，氨是能与酸反映生成盐的气体。

　　【实验3】用两根玻璃棒别离在浓氨水和浓盐酸里蘸一下，然后将这两根玻璃棒接近（不要接触），观察发生的现象（见图）。

　　能够看到，当两根玻璃棒接近时，产生大量的白烟。

这种白烟是氨水挥发出的NH3与盐酸挥发出的HCl化合生成的微小的NH4Cl晶体。

　　（3）氨与氧气的反映

　　通常状况下，氨在氧气中不反映，但在催化剂（如铂、氧化铁等）存在的条件下，能与氧气反映生成NO和H2O，并放出热量。

　　这一反映叫做氨的催化氧化（或叫接触氧化），是工业上制硝酸的基础。

　　3．氨的实验室制法

　　在实验室，常常利用加热铵盐和碱的混合物的方式来制取氨。

例如，把固体NH4Cl和Ca（OH）2混合后加热，就可取得氨。

　　　　【实验4】在管中放入固体NH4Cl和Ca（OH）2的混合物，加热。

用干燥的试管搜集氨（见图）。

把湿润的红色石蕊试纸放在试管口，观察试纸颜色的转变。

　　能够看到，加热一会儿后，红色石蕊试纸变成蓝色。

这是因为NH3碰到湿润的红色石蕊试纸时，与H2O结合成了NH3·H2O，NH3·H2O显碱性，使红色石蕊试纸变成了蓝色。

在实验中，当红色石蕊试纸变蓝时，说明氨已充满试管，应当即停止加热，并将多余的氨吸收掉（可在导管口放一团用水或盐酸浸湿的棉花球），避免污染空气。

　　若要制取干燥的氨，可使产生的氨通过干燥剂。

在实验室，一般是将制得的氨通过碱石灰，以除去其中的水蒸气。

　　讨论1可否用浓硫酸作干燥剂除去氨中的水蒸气？

为何？

　　由于氨水受热分解可产生氨气，在实验室有时也用加热浓氨水的方式取得氨气。

　4．氨的用途

　　氨是一种重要的化工产品。

它是氮肥工业及制造硝酸、铵盐、纯碱等的重要原料。

在有机合成工业（如制合成纤维、塑料、染料、尿素等）中，氨也是一种常常利用的原料。

氨还可用作制冰机中的致冷剂。

　　二、铵盐

　　氨与盐酸反映的产物是NH4Cl，像NH4Cl如此由铵离子（NH4+）和酸根离子组成的化合物叫做铵盐。

铵盐都是晶体，而且都能溶于水。

　　铵盐主要有以下化学性质：

　　1．铵盐受热分解

　　　【实验5】在试管中加入少量NH4Cl晶体，加热,观察发生的现象。

　　有些铵盐受热可分解产生NH3。

从实验能够看到,加热后不久，在试管上端的试管壁上有白色固体附着。

这是由于受热时，NH4Cl会分解，生成NH3和HCl，冷却时，NH3和HCl从头结合，生成NH4Cl。

　　NH4HCO3受热时也会分解，生成NH3、H2O和CO2。

　　由上面的反映能够看出，NH4Cl和NH4HCO3受热分解，都能产生NH3，可是，并非是所有的铵盐受热分解都产生NH3，在这里咱们就不做介绍了。

　　铵盐可用作氮肥，由于铵盐受热易分解，贮存氮肥时，应密封包装并放在阴凉通风处；施肥时应埋在土下并及时灌水，以保证肥效。

　　2．铵盐与碱的反映

　　咱们在前面曾介绍过，用NH4Cl与Ca（OH）2共热可制取氨气。

一样，其他铵盐是不是也能与碱反映生成氨气呢？

　　【实验6】在两个试管中各加入少量（NH4）2SO4固体和NH4NO3固体，别离向两个试管中滴加10％的NaOH溶液，加热，并用湿润的红色石蕊试纸靠近试管口。

观察发生的现象。

　　能够看到，加热后，两个试管中都有气体产生，并可闻到刺激性气味。

同时还看到，湿润的红色石蕊试纸变蓝。

可见，实验中产生了氨气，这说明（NH4）2SO4、NH4NO3都能与碱反映生成NH3。

以上反映的化学方程式为：

　　事实证明，铵盐与碱共热都能产生NH3，这是铵盐的一路性质。

　　咱们利用铵盐与碱反映的性质在实验室制取氨气，同时也能够利用那个性质查验铵离子的存在。

　　讨论2如何用实验方式证明某白色固体是铵盐。

　　问题与试探

　　1．从“构”（原子结构）、“位”（元素在周期表中的位置）、“性”（元素的性质）三者的紧密关系，如何理解氮族元素性质的相似性和递变性？

　　2．氮族元素中，氮在第二周期，磷在第三周期，按照同主族元素性质递变规律，氮比磷的非金属性强，氮比磷在化学反映中应活泼，而实际上正好相反，如何解释这种现象？

　　3．俗语说“雷雨发庄稼”，为何？

　　4．白磷和红磷在必然条件下，能够彼此转化，那个转变是物质转变仍是化学转变？

　　问题与试探

　　1.氨、液氨、氨水和铵根的比较

　　2．如图装置中瓶中产生红棕色气体及白烟，为何？

写出反映方程式。

　　实验室制取氨气时，能用NH4HCO3、NH4NO3代替NH4Cl吗？