Carl Scheele นักเคมีชาวสวีเดน และ Daniel Rutherford นักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อต ค้นพบไนโตรเจนแยกกันในปี 1772 สาธุคุณ Cavendish และ Lavoisier ต่างก็ได้รับไนโตรเจนในเวลาเดียวกันเช่นกัน ไนโตรเจนได้รับการยอมรับเป็นครั้งแรกว่าเป็นองค์ประกอบโดย Lavoisier ซึ่งตั้งชื่อให้ว่า "azo" ซึ่งแปลว่า "ไม่มีชีวิต" แชปทัลตั้งชื่อธาตุไนโตรเจนในปี พ.ศ. 2333 ชื่อนี้ได้มาจากคำภาษากรีกว่า "ไนเตร" (ไนเตรตที่มีไนโตรเจนในไนเตรต)
ผู้ผลิตการผลิตไนโตรเจน - โรงงานผลิตไนโตรเจนในจีนและซัพพลายเออร์ (xinfatools.com)
แหล่งที่มาของไนโตรเจน
ไนโตรเจนเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับ 30 ของโลก เมื่อพิจารณาว่าไนโตรเจนคิดเป็น 4/5 ของปริมาตรบรรยากาศ หรือมากกว่า 78% เราก็มีไนโตรเจนในปริมาณที่แทบจะไม่จำกัด ไนโตรเจนยังมีอยู่ในรูปของไนเตรตในแร่ธาตุหลายชนิด เช่น ดินประสิวชิลี (โซเดียมไนเตรต) ดินประสิวหรือไนเตร (โพแทสเซียมไนเตรต) และแร่ธาตุที่มีเกลือแอมโมเนียม ไนโตรเจนมีอยู่ในโมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนหลายชนิด รวมถึงโปรตีนและกรดอะมิโนที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด
คุณสมบัติทางกายภาพ
ไนโตรเจน N2 เป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีรส และไม่มีกลิ่นที่อุณหภูมิห้อง และมักไม่เป็นพิษ ความหนาแน่นของก๊าซภายใต้สภาวะมาตรฐานคือ 1.25 กรัม/ลิตร ไนโตรเจนคิดเป็น 78.12% ของบรรยากาศทั้งหมด (สัดส่วนของปริมาตร) และเป็นองค์ประกอบหลักของอากาศ มีก๊าซอยู่ในชั้นบรรยากาศประมาณ 400 ล้านล้านตัน
ภายใต้ความดันบรรยากาศมาตรฐาน เมื่อเย็นลงถึง -195.8°C มันจะกลายเป็นของเหลวไม่มีสี เมื่อเย็นลงถึง -209.86°C ไนโตรเจนเหลวจะกลายเป็นของแข็งคล้ายหิมะ
ไนโตรเจนไม่ติดไฟและถือเป็นก๊าซที่ทำให้หายใจไม่ออก (กล่าวคือ การหายใจเอาไนโตรเจนบริสุทธิ์เข้าไปจะทำให้ร่างกายขาดออกซิเจน) ไนโตรเจนมีความสามารถในการละลายน้ำต่ำมาก ที่ 283K น้ำหนึ่งปริมาตรสามารถละลาย N2 ได้ประมาณ 0.02 ปริมาตร
คุณสมบัติทางเคมี
ไนโตรเจนมีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียรมาก การทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ ที่อุณหภูมิห้องทำได้ยาก แต่อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีกับสารบางชนิดได้ภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและพลังงานสูง และสามารถนำมาใช้ผลิตสารใหม่ที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ได้
สูตรการโคจรโมเลกุลของโมเลกุลไนโตรเจนคือ KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2 อิเล็กตรอนสามคู่มีส่วนทำให้เกิดพันธะ กล่าวคือ พันธะ π สองตัว และพันธะ σ หนึ่งพันธะเกิดขึ้น ไม่มีส่วนช่วยในการเกิดพันธะ และพลังงานพันธะและพลังงานต้านพันธะจะชดเชยได้โดยประมาณ และเทียบเท่ากับคู่อิเล็กตรอนเดี่ยว เนื่องจากมีพันธะสาม N≡N ในโมเลกุล N2 โมเลกุล N2 จึงมีเสถียรภาพที่ดีเยี่ยม และต้องใช้พลังงาน 941.69 กิโลจูล/โมลในการสลายให้เป็นอะตอม โมเลกุล N2 เป็นโมเลกุลไดอะตอมมิกที่เสถียรที่สุด และมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ของไนโตรเจนคือ 28 นอกจากนี้ ไนโตรเจนยังเผาไหม้ไม่ง่ายและไม่สนับสนุนการเผาไหม้
วิธีการทดสอบ
ใส่แท่ง Mg ที่ลุกไหม้ลงในขวดเก็บก๊าซที่บรรจุไนโตรเจน และแท่ง Mg จะยังคงเผาไหม้ต่อไป แยกเถ้าที่เหลือ (ผงสีเหลืองเล็กน้อย Mg3N2) เติมน้ำเล็กน้อย และเกิดก๊าซ (แอมโมเนีย) ซึ่งจะทำให้กระดาษลิตมัสสีแดงเปียกเป็นสีน้ำเงิน สมการปฏิกิริยา: 3Mg + N2 = การจุดระเบิด = Mg3N2 (แมกนีเซียมไนไตรด์); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
ลักษณะการยึดเกาะและโครงสร้างเวเลนซ์พันธะของไนโตรเจน
เนื่องจากสารเดี่ยว N2 มีความเสถียรอย่างยิ่งภายใต้สภาวะปกติ ผู้คนจึงมักเข้าใจผิดว่าไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช้งานทางเคมี ในทางกลับกัน ธาตุไนโตรเจนมีฤทธิ์ทางเคมีสูง อิเลคโตรเนกาติวีตี้ของ N (3.04) เป็นอันดับสองรองจาก F และ O ซึ่งบ่งชี้ว่ามันสามารถสร้างพันธะอันแข็งแกร่งกับองค์ประกอบอื่น ๆ ได้ นอกจากนี้ ความเสถียรของโมเลกุล N2 ของสารเดี่ยวเพียงแสดงให้เห็นการทำงานของอะตอม N เท่านั้น ปัญหาคือผู้คนยังไม่พบสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการกระตุ้นโมเลกุล N2 ที่อุณหภูมิและความดันห้อง แต่โดยธรรมชาติแล้ว แบคทีเรียบางชนิดบนก้อนพืชสามารถเปลี่ยน N2 ในอากาศเป็นสารประกอบไนโตรเจนภายใต้สภาวะพลังงานต่ำที่อุณหภูมิและความดันปกติ และใช้เป็นปุ๋ยสำหรับการเจริญเติบโตของพืช
ดังนั้นการศึกษาการตรึงไนโตรเจนจึงเป็นหัวข้อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญมาโดยตลอด ดังนั้นจึงจำเป็นสำหรับเราที่จะเข้าใจลักษณะพันธะและโครงสร้างเวเลนซ์พันธะของไนโตรเจนโดยละเอียด
ประเภทพันธบัตร
โครงสร้างชั้นเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอม N คือ 2s2p3 นั่นคือมีอิเล็กตรอนเดี่ยว 3 ตัวและคู่อิเล็กตรอนเดี่ยว 1 คู่ ด้วยเหตุนี้ เมื่อสร้างสารประกอบ สามารถสร้างพันธะได้สามประเภทต่อไปนี้:
1. เกิดพันธะไอออนิก 2. เกิดพันธะโควาเลนต์ 3. เกิดพันธะประสานงาน
1. สร้างพันธะไอออนิก
อะตอม N มีอิเล็กโทรเนกาติวีตี้สูง (3.04) เมื่อพวกมันสร้างไนไตรด์ไบนารี่ด้วยโลหะที่มีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ต่ำกว่า เช่น Li (อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ 0.98), Ca (อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ 1.00) และ Mg (อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ 1.31) พวกมันสามารถรับอิเล็กตรอน 3 ตัวและสร้างไอออน N3 N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =จุดไฟ= Mg3N2 N3- ไอออนมีประจุลบสูงกว่าและมีรัศมีมากกว่า (171 น.) พวกเขาจะถูกไฮโดรไลซ์อย่างรุนแรงเมื่อพบกับโมเลกุลของน้ำ ดังนั้นสารประกอบไอออนิกจึงสามารถดำรงอยู่ในสถานะแห้งเท่านั้น และจะไม่มีไอออนไฮเดรตเป็น N3-
2. การก่อตัวของพันธะโควาเลนต์
เมื่ออะตอม N ก่อตัวเป็นสารประกอบที่มีอโลหะซึ่งมีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้สูงกว่า จะเกิดพันธะโควาเลนต์ต่อไปนี้:
อะตอม ⑴N มีสถานะการผสมพันธุ์แบบ sp3 ก่อให้เกิดพันธะโควาเลนต์ 3 พันธะ รักษาคู่อิเล็กตรอนเดี่ยวไว้ 1 คู่ และโครงร่างโมเลกุลเป็นแบบเสี้ยมแบบตรีโกณมิติ เช่น NH3, NF3, NCl3 เป็นต้น หากพันธะเดี่ยวโควาเลนต์ 4 พันธะเกิดขึ้น โครงร่างโมเลกุลจะเป็น จัตุรมุขธรรมดา เช่น ไอออน NH4+
อะตอม ⑵N มีสถานะไฮบริดไดเซชัน sp2 สร้างพันธะโควาเลนต์ 2 พันธะและพันธะ 1 พันธะ และคงคู่อิเล็กตรอนเดี่ยวไว้ 1 คู่ และโครงร่างของโมเลกุลจะเป็นเชิงมุม เช่น Cl—N=O (อะตอม N ก่อพันธะ σ และพันธะ π กับอะตอม Cl และคู่อิเล็กตรอนเดี่ยวบนอะตอม N ทำให้โมเลกุลเป็นรูปสามเหลี่ยม) หากไม่มีคู่อิเล็กตรอนเดี่ยว โครงสร้างโมเลกุลจะเป็นสามเหลี่ยม เช่น โมเลกุล HNO3 หรือ NO3-ไอออน ในโมเลกุลของกรดไนตริก อะตอม N จะสร้างพันธะ σ สามพันธะโดยมี O อะตอมสามอะตอมตามลำดับ และอิเล็กตรอนหนึ่งคู่บนวงโคจร π และอิเล็กตรอน π เดี่ยวของอะตอม O สองอะตอมก่อให้เกิดพันธะ π แบบแยกส่วนสามจุดศูนย์กลางสี่อิเล็กตรอน ในไนเตรตไอออน พันธะ π ขนาดใหญ่ที่มีการแยกส่วนหกอิเล็กตรอนที่มีศูนย์กลางสี่อะตอมจะเกิดขึ้นระหว่างอะตอม O สามอะตอมกับอะตอม N ที่อยู่ตรงกลาง โครงสร้างนี้ทำให้เลขออกซิเดชันปรากฏชัดเจนของอะตอม N ในกรดไนตริก +5 เนื่องจากมีพันธะ π ขนาดใหญ่ ไนเตรตจึงมีความเสถียรเพียงพอภายใต้สภาวะปกติ อะตอม ⑶N ใช้ sp ไฮบริดไดเซชันเพื่อสร้างพันธะสามโควาเลนต์และคงคู่อิเล็กตรอนเดี่ยวไว้หนึ่งคู่ โครงสร้างโมเลกุลเป็นแบบเส้นตรง เช่น โครงสร้างของอะตอม N ในโมเลกุล N2 และ CN-
3. การก่อตัวของพันธบัตรประสานงาน
เมื่ออะตอมไนโตรเจนก่อตัวเป็นสารหรือสารประกอบเชิงเดี่ยว พวกมันมักจะคงคู่อิเล็กตรอนเดี่ยวไว้ ดังนั้นสารหรือสารประกอบเชิงเดี่ยวดังกล่าวจึงสามารถทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคคู่อิเล็กตรอนเพื่อประสานงานกับไอออนของโลหะได้ ตัวอย่างเช่น [Cu(NH3)4]2+ หรือ [Tu(NH2)5]7 เป็นต้น
แผนภาพพลังงานอิสระของสถานะออกซิเดชัน-กิ๊บส์
นอกจากนี้ยังสามารถเห็นได้จากแผนภาพพลังงานอิสระของสถานะออกซิเดชัน-กิบส์ของไนโตรเจน ซึ่งโมเลกุล N2 ที่มีเลขออกซิเดชันเป็น 0 อยู่ที่จุดต่ำสุดของเส้นโค้งในแผนภาพ ยกเว้นไอออน NH4 ซึ่งบ่งชี้ว่า N2 มีสภาพทางอุณหพลศาสตร์ เสถียรเมื่อเทียบกับสารประกอบไนโตรเจนที่มีเลขออกซิเดชันอื่นๆ
ค่าของสารประกอบไนโตรเจนต่างๆ ที่มีเลขออกซิเดชันระหว่าง 0 ถึง +5 ล้วนอยู่เหนือเส้นที่เชื่อมระหว่างจุดสองจุด HNO3 และ N2 (เส้นประในแผนภาพ) ดังนั้นสารประกอบเหล่านี้จึงไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์และมีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาที่ไม่สมส่วน สิ่งเดียวในแผนภาพที่มีค่าต่ำกว่าโมเลกุล N2 คือไอออน NH4+ [1] จากแผนภาพพลังงานอิสระของสถานะออกซิเดชัน-กิ๊บส์ของไนโตรเจนและโครงสร้างของโมเลกุล N2 จะเห็นได้ว่าธาตุ N2 ไม่ได้ใช้งาน เฉพาะภายใต้อุณหภูมิสูง ความดันสูง และการมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้นที่ไนโตรเจนจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเพื่อสร้างแอมโมเนียได้: ภายใต้สภาวะการไหลออก ไนโตรเจนสามารถรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างไนตริกออกไซด์: N2+O2=ดิสชาร์จ=2NO ไนตริกออกไซด์จะรวมตัวกับออกซิเจนอย่างรวดเร็วเพื่อ เกิดไนโตรเจนไดออกไซด์ 2NO+O2=2NO2 ไนโตรเจนไดออกไซด์ละลายในน้ำจนเกิดเป็นกรดไนตริก ไนตริกออกไซด์ 3NO2+H2O=2HNO3+NO ในประเทศที่มีการพัฒนาไฟฟ้าพลังน้ำ ปฏิกิริยานี้ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตกรดไนตริก N2 ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเพื่อผลิตแอมโมเนีย: N2+3H2=== (เครื่องหมายย้อนกลับได้) 2NH3 N2 ทำปฏิกิริยากับโลหะที่มีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนต่ำ และมีไนไตรด์มีพลังงานขัดแตะสูงเพื่อสร้างไนไตรด์ไอออนิก ตัวอย่างเช่น: N2 สามารถทำปฏิกิริยาโดยตรงกับโลหะลิเธียมที่อุณหภูมิห้อง: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 ทำปฏิกิริยากับโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ Mg, Ca, Sr, Ba ที่อุณหภูมิหลอดไส้: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 สามารถ ทำปฏิกิริยากับโบรอนและอะลูมิเนียมที่อุณหภูมิหลอดไส้เท่านั้น: 2 B + N2=== 2 BN (สารประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่) โดยทั่วไป N2 จะทำปฏิกิริยากับซิลิคอนและองค์ประกอบกลุ่มอื่นๆ ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1473K
โมเลกุลไนโตรเจนมีส่วนช่วยให้อิเล็กตรอนสามคู่เกิดพันธะ กล่าวคือ ทำให้เกิดพันธะ π สองตัวและพันธะ σ หนึ่งพันธะ มันไม่ได้มีส่วนช่วยในการเกิดพันธะ และพลังงานพันธะและพลังงานต้านพันธะนั้นถูกชดเชยโดยประมาณ และเทียบเท่ากับคู่อิเล็กตรอนเดี่ยว เนื่องจากมีพันธะสาม N≡N ในโมเลกุล N2 โมเลกุล N2 จึงมีเสถียรภาพที่ดีเยี่ยม และต้องใช้พลังงาน 941.69kJ/mol เพื่อสลายให้เป็นอะตอม โมเลกุล N2 เป็นโมเลกุลไดอะตอมมิกที่เสถียรที่สุด และมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ของไนโตรเจนคือ 28 นอกจากนี้ ไนโตรเจนยังเผาไหม้ไม่ง่ายและไม่สนับสนุนการเผาไหม้
เวลาโพสต์: Jul-23-2024
