《化学必修第二册》——5、氮气和氮氧化物

氮元素在元素周期表中的位置：第二周期第ⅤA族。

氮原子的结构：最外层5个电子，不容易失电子，可得到3个电子成为稳定结构。

氮原子的结构

预测氮元素的性质：氮原子一般通过形成共用电子对（即形成共价键），与其它原子相互结合构成物质。

氮元素的存在：

游离态的氮元素，以氮气分子的形式存在于空气中，约占空气体积的78%。

化合态的氮元素存在动植物体内的蛋白质中，土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中，如硝酸钾、硫酸铵等。

氮元素是构成蛋白质的必须元素，是自然界各种生物生命活动不可缺少的重要元素，农业生产中必须大量使用氮肥。

自然界中氮元素的循环

一、氮气与氮的固定

氮气是一种无色无味的气体，不溶于水，是空气的主要成分。

根据氮原子核外电子排布和氮气分子的结构，推测氮气的性质。氮气分子的电子式和结构式：

氮分子内两个氮原子各拿3个电子形成三键，断开该化学键需要较多的能量，所以氮气的化学性质很稳定，通常很难与其他物质发生化学反应。也不能被生物体直接吸收，在工业上用途保护气。

在高温、放电等条件下，氮气得到了足够的能量，N≡N断裂，就能与一些金属或非金属发生化合反应，如镁、氢气、氧气等物质。

分析上述反应中化合价的升降，氮气与金属反应时作氧化剂，表现出氧化性，与氧气反应时作还原剂，表现出还原性。

上面的化学反应都能将空气中游离态的氮元素转化为含氮的化合物，这种过程叫氮的固定。

大气中发生雷电时，释放出巨大的能量，可将氮气与氧气化合成一氧化氮，是自然固氮的一种。

豆科植物的根瘤菌将氮气直接转化成氨（NH3），这是生物固氮，也是自然固氮的一种。

自然固氮要么难以直接利用，要么难以满足工农业生产的需要。人类通过控制反应条件，将氮气氧化或还原成氮的化合物，实现人工固氮。

最重要的人工固氮是工业合成氨，其原理是用氢气将氮气合成氨，但由于氮气的化学性质很不活泼，这个反应要工业化是一个难题。1909年德国化学家哈伯在500-600℃、17.5Mpa-20.0Mpa和锇作催化剂的条件下，反应后氨的含量可超过6%。之后，德国工程师博施将其转化为工业生产，合成氨工业化生产得以实现。

合成氨工业化的重要意义：为农作物的生长提供了必须的氮元素，氮肥如尿素、硫酸铵、氯化铵等；为其它化学工业提供了重要的原料，如炸药、农药、染料等。

二、一氧化氮和二氧化氮

氮元素的化合价除了-3、0价外，还有+1、+2、+3、+4、+5价等，它们均存在对应的氧化物，一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）、三氧化二氮（N2O3）、二氧化氮（NO2）、四氧化二氮（N2O4）、五氧化二氮（N2O5），其中比较重要的是一氧化氮、二氧化氮。

NO和NO2的物理性质：

氧化物

一氧化氮

二氧化氮

颜色

无色

红棕色

状态

气体

气体

气味

刺激性气味

毒性

有毒

有毒

溶解性

不溶于水

易溶于水

NO和NO2的化学性质：

NO在通常情况下就很容易被氧气氧化，生成NO2，气体由无色变红棕色，常用于NO的检验。

2NO＋O2 = 2NO2

NO2溶于于水会发生自身的氧化还原反应，生成硝酸和一氧化氮。

3NO2＋H2O = 2HNO3＋NO

思考：

实验室中怎样收集一氧化氮、二氧化氮气体。

一氧化氮一般用排水法收集，不能用排空气法收集；二氧化氮不能用排水法收集，一般用瓶口向上的排空气法收集。

实验：一氧化氮、二氧化氮、氧气和水之间的反应

操作：在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO，然后吸入5 mL水，用乳胶管和弹簧夹封住管口，振荡注射器。打开弹簧夹，快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹，观察现象，振荡注射器，再观察现象。

现象：吸入一氧化氮和水后，无明显现象；再吸入空气后，无色气体变为红棕色；再振荡，红棕色气体逐渐变为无色，气体体积缩小。

结论：

NO不溶于水，也不与水反应，但能与氧气反应生成红棕色的NO2。

NO2能与水反应生成无色的NO，体积减小。

思考：

如果要将注射器中的NO充分转化为硝酸，可以采取什么措施？上述实验对工业上生产硝酸有什么启示？

可以继续通入过量的空气将一氧化氮氧化，二氧化氮再溶于水，两个反应不断循环，理论上氮的氧化物可以全部转化成硝酸。

4NO2＋O2＋2H2O = 4HNO3

4NO＋3O2＋2H2O = 4HNO3

在工业上生产硝酸的过程中，只要提供充足的氧气，可以使NO或NO2完全吸收，全部转化为硝酸。

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云水散人

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明明中心是氮原子，为何不叫氮酸叫硝酸？ 科到了

白睿

中国科学院大学2022级博士研究生

培养单位：中科院物理所

不知道大家在学习化学的过程中有没有想过这样一个问题：

含氧酸根离子，比如碳酸根（CO₃²ˉ）、硫酸根（SO₄²ˉ）、磷酸根（PO₄³ˉ）等，其名称都是以该离子 中心原子的种类 来命名的。

碳酸根、硫酸根、磷酸根离子示意图

图源：wikipedia

那同为含氧酸根的NO₃ˉ ，为什么叫硝 酸根而不叫氮 酸根呢？

硝酸根离子示意图 | 图源：wikipedia

说来惭愧，小编学习化学这么多年，也是最近才意识到这个问题……不过既然发问了，就要找到答案。

这不查资料不知道，一查资料吓一跳，看似是一个简单的问题，背后居然隐藏着许多不为人知的故事。

所以今天我们就来好好说一说：

氮的 发现与最初的命名

要想回答清楚这个问题，首先我们要对氮元素有一个深入的了解。

氮最早是由苏格兰医生丹尼尔·卢瑟福 （Daniel Rutherford）于1772年发现的。注意，这里不是做α粒子散射实验的欧内斯特·卢瑟福 （Ernest Rutherford）。

丹尼尔·卢瑟福肖像 | 图源：参考资料[2]

卢瑟福曾在密闭的容器里放入小白鼠、燃烧的蜡烛以及氢氧化钠（NaOH）溶液，而后观察到小白鼠死亡、蜡烛熄灭，但容器中依旧存在大量气体 。他意识到这 是一种先前从未发现的气体组分 ，同时也无法供给呼吸，于是他称这种气体为noxious air ，意为有毒的气体 。

直到1789年，著名化学家、被后人称为“现代化学之父”的安托万-洛朗·拉瓦锡 （Antoine-Laurent de Lavoisier）在他的著作《化学基础论》 （Traité Élémentaire de Chimie）里定义了元素 的概念，并对当时常见的化学物质进行了分类，总结出33种元素（尽管有一些实际上是化合物），得到了下图展示的这张表，这是世界上第一张现代化学元素列表 。

世界上第一张现代化学元素列表 | 图源：参考资料[3]

表中用红框框起来的部分，就是拉瓦锡对氮元素的命名和解释。azote 这个词源于希腊语ìζωτικός (azotikos)，意为“没有生命” ，因为在纯氮的气氛中，动物死亡，火焰熄灭。

到这里可能有的朋友会问了，现在氮元素的英文名称叫nitrogen ，和这个azote 的差距有点大呀。我知道你很急，但你先别急，nitrogen很快就要登场了。

硝石与nitrogen

就在拉瓦锡提出Azote这个命名的第二年，另一位法国化学家让-安托万·查普塔尔 （Jean-Antoine Chaptal）就在其著作《化学元素》（Ėléments de chimie）里提出了氮元素的新命名——nitrogène。

介绍“氮气”的章节标题 | 图源：参考资料[4]

这个词可以看成法语单词nitre （意为“硝石”）和法语后缀-gène （意为“生产”）的组合。查普塔尔认为氮是硝酸的组成部分，而硝酸又是通过硝石得到的，所以氮元素可以理解为“由硝石产生” ，即nitrogène 。

可能有的朋友不太了解硝石 ，小编在这里简单科普一下。

硝石，也称消石、火硝、牙硝，是一种天然矿物，主要成分为硝酸钾（KNO₃） 。有时也会把其他的硝酸盐矿物如智利硝石（硝酸钠，NaNO₃） 、挪威硝石（硝酸钙，Ca(NO₃)₂） 称作硝石。

硝石矿 | 图源：网络

查普塔尔所谓的“硝酸是由硝石得到的”，其实就是将智利硝石和浓硫酸混合得到硝酸 。由于硝酸挥发性较强，混合后硝酸以蒸汽的形式脱离体系，该化学反应平衡正向移动，最后再将收集到的蒸汽冷凝就能得到纯度较高的硝酸。

OK，咱再回到nitrogène这个词上。其实说到这儿大家已经不难看出，现在描述氮元素的英语单词nitrogen ，就是由法语单词nitrogène 演变过来的。

既然这个单词本身的含义就是“由硝石产生” ，那NO₃ˉ被称为硝酸根 也就很合理了，前面提出的问题好像已经解决了。但这同时又引出了一个新的问题：“氮”这个名字是从哪儿冒出来的？

nitrogen咋就翻译成了“氮”？

要说清这个翻译的问题，就要追述到西方化学知识刚传入中国的时候。

nitrogen的第一个中文译名出现于1855年，是一位英国的传教士班杰明·霍布森 （Benjamin Hobson，汉名：合信 ）在他的中文著作《博物新编》 中提出的。从目录中我们可以看到，他将“nitrogen” 译为了“淡气” 。

《博物新编一集》目录 | 图源：参考资料[5]

合信在书中写道：“淡气者，淡然无用，所以调淡生气之浓者也；功不足以养生，力不足以烧火……”

从这样一段话中不难看出，合信之所以翻译成“淡气”，是想表达“冲淡” 的意思。由于这种气体成分的存在，氧气的浓度被“冲淡”了 。

我们今天使用的译名“氮”，其实就是采用了合信翻译的“淡”，只不过为了体现其单质是气体的特性，将三点水改为了气字头。

《博物新版一集》中有关“淡气”的描述

图源：参考资料[5]

说到这儿可能有的朋友会很疑惑，nitrogen这个单词本身的意思就很鲜明，为何要创造一套完全不相干的说法来翻译而不选择直译呢？

对于这个问题，小编其实也很疑惑。其实在同一时期，除合信之外，一些其他的外国传教士、中国化学家以及国内的一些学术组织都曾提出过nitrogen不同的中文译名，其中的部分名称如下图所示。

历史上曾经出现过的nitrogen的中文译名（部分）

来源：参考资料[6]

不难发现，其中存在符合英文单词含义的“硝”，甚至有为了体现气体特性而改变偏旁创造的新字：在小编看来，这个字翻译得最为精妙。

但是最终当时的人们还是选择了“氮”。或许是因为“淡”作为第一个出现的译名先入为主；或许是在当时那个年代思维受到了限制；亦或是在中西文化发生碰撞时，我们更愿意用自己固有的文化或思维去理解一个外来的文化……

再度反观开头的那个问题，原来问题不是出在“硝酸根”身上，而是出在了“氮”的翻译上。这看似一个很小的翻译问题，却造成了一个很大的误解。

所以，学习知识，真的要追根溯源，不能浮于表面……

参考资料：

[1] Nitrogen- Wikipedia

[2] Daniel Rutherford - Wikipedia

[3] de Lavoisier A L. Traité élémentaire de chimie[M]. France, 1789.

[4] Chaptal J A. Élémens de chimie[M]. Montpellier, 1790.

[5] 合信. 博物新编[M]. 上海: 墨海书馆, 1855.

[6] 张澔. 氧氢氮的翻译: 1896-1944 年[J]. 自然科学史研究, 2002, 21(2): 123-134.

编辑：小白

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