Skip to content · ⁨דלג לתוכן⁩

Nitrogen and sulfur · ⁨חנקן וסולפיד⁩

A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · Topic 12 · ⁨נושא 12⁩

Video lesson for this topic · ⁨שיעור וידאו לנושא זה⁩ Open the video page · ⁨פתח את עמוד הוידאו⁩
7:40

חנקן וסולפיד

קחו נשימה. כמער רבע מחומרים שנכנסו לריאותיכם עכשיו היו חנקן — והוא יצא החוצה ישירות, ללא שינוי. חנקן הוא…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון⁩

12.1

Why nitrogen is unreactive · ⁨מדוע חנקן לא תגובתי⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. explain the lack of reactivity of nitrogen, with reference to triple bond strength and lack of polarity
  2. describe and explain: (a) the basicity of ammonia, using the Brønsted–Lowry theory (b) the structure of the ammonium ion and its formation by an acid–base reaction (c) the displacement of ammonia from ammonium salts by an acid–base reaction
  3. state and explain the natural and man-made occurrences of oxides of nitrogen and their catalytic removal from the exhaust gases of internal combustion engines
  4. understand that atmospheric oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$) can react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate, PAN, which is a component of photochemical smog
  5. describe the role of $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ in the formation of acid rain both directly and in their catalytic role in the oxidation of atmospheric sulfur dioxide
עברית
  1. הסבר לחוסר התגובתיות של חנקן, בהתייחס לעוצמת קשר משולש ולעדר הקוטביות
  2. תאר והסבר: (א) ה-בסיסיות של האמוניה, באמצעות תורת ברונסטד-לוארי; (ב) מבנה יון האמोनיום ויוצרו בתגובה חומצה-בסיס; (ג) החלפת האמוניה ממילי אמוניום על ידי תגובה חומצה-בסיס
  3. ציין והסבר את ההופעה הטבעית והאנושית של תחמוצות חנקן ואת הסרתן הקטליטית מגזי פליטה של מנועי בעירה פנימית
  4. הבן שתחמוצות חנקן אטמוספריות ($\text{NO}$ ו$\text{NO}_2$) יכולות להגיב עם מיצרים לא שרויים כדי ליצור פרוקסיאצטייל ניטרט, PAN, שהוא רכיב ב-ערפל פוטוכימי, photochemical smog
  5. תאר את התפקיד של $\text{NO}$ ו$\text{NO}_2$ ב formation of acid rain גם ישירות וגם בתפקיד הקטליטי שלהם בחמצון סולפדיאוקסיד אטמוספי

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English

Nitrogen gas, $\text{N}_2$, makes up most of the air but reacts with very little. There are two reasons:

  • the two nitrogen atoms are joined by a triple bond 三键, which has a very high bond energy 键能. A lot of energy is needed to break it.
  • the molecule has no polarity 极性 — it is perfectly symmetrical, so nothing pulls other molecules towards it.
עברית

גז חנקן, $\text{N}_2$, מרכיב את רוב האוויר אך מגיב עם מעט מאוד. ישנם שני סיבות:

  • שני אטומי החנקן מחוברים באמצעות קשר משולש, בעל אנרגיית קשר גבוהה מאוד. נדרשת הרבה אנרגיה כדי לשבור אותו.
  • למולקולה אין קוטביות - היא סימטרית לחלוטין, ולכן אין דבר שמושך מולקולות אחרות לעברה.
שני אטומי חנקן מחוברים בקשר משולש, כל אחד עם זוג אלקטרונים בודד, מסומנים כקשר חזק ומולקולה סימטרית ואי-קוטבית
חנקן אינו תגובתי בשל שתי סיבות: קשר משולש חזק מאוד, ומולקולה סימטרית ואי-קוטבית
Explore · ⁨חקור⁩

The shape of ammonia · ⁨צורת האמוניה⁩

Ammonia has three bonding pairs and one lone pair — the lone pair pushes the bonds down into a pyramidal shape (about 107°). · ⁨לאמוניה יש שלושה זוגות קשר וזוג אלקטרונים בלתי-קושר — הזוג הבלתי-קושר דוחף את הקשרים למטה לצורה פירמידתית (כ-107°).⁩

12.1

Ammonia and the ammonium ion · ⁨אמونيا ויון האמוניום⁩

English

Basicity of ammonia

The basicity 碱性 of ammonia (its ability to act as a base) comes from the lone pair 孤对电子 of electrons on the nitrogen atom. Using the Brønsted–Lowry theory, ammonia is a base because this lone pair can accept a proton 质子 ($\text{H}^+$):

$$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$

The ammonium ion

When the lone pair forms a bond to $\text{H}^+$, it makes the ammonium ion 铵离子, $\text{NH}_4^+$. Because both shared electrons came from the nitrogen, this new bond is a coordinate bond 配位键. The ion has four identical N–H bonds and a tetrahedral shape.

Displacement of ammonia from its salts

If you warm an ammonium salt with a base (such as sodium hydroxide), you push out ammonia gas. This is an acid–base displacement 置换:

$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

The sharp smell of ammonia, and damp red litmus turning blue, is a test for an ammonium salt.

עברית
מתחם כימי תעשייתי גדול
האמוניה מומרת לתרכובות חנקן בחומרי הדשן במפעלים תעשייתיים בקנה מידה עצום.

בסיסיות האמוניה

הבסיסיות של האמוניה (יכולתה לפעול כבסיס) נובעת מהזוג אלקטרונים בלתי משתתף על אטום החנקן. לפי התאוריה של ברונסטד-לאורי, האמוניה היא בסיס מכיוון שזוג זה יכול לקבל פרוטון ($\text{H}^+$):

$$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$
האמוניה עם זוג אלקטרונים בלתי משתתף על החנקן מקבלת יון מימן כדי ליצור את יון האמוניום בעל המבנה הטטרהדרלי
האמוניה פועלת כבסיס כי הזוג הבלתי משתתף על החנקן שלה מקבל פרוטון, ובכך נוצר יון האמוניום

יון האמוניום

כשזוג האלקטרונים הבלתי משתתף יוצר קשר ל$\text{H}^+$, הוא יוצר את יון האמוניום, $\text{NH}_4^+$. מכיוון ששני האלקטרונים בשיתוף הגיעו מחנקן, קשר זה הוא קשר קואורדינטיבי. ליון יש ארבעה קשרים N–H זהים ומבנה טטרהדרלי.

הסחת האמוניה ממלחיה

אם מחממים מלח אמוניום עם בסיס (כגון נתרן הידרוקסיד), מתפלטת גז אמוניה. זוהי הסחה חומצה-בסיס:

$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

הריח החד של האמוניה והפיכת נייר לימון רטוב לאדום לכחול הם מבחן למלח אמוניום.

12.1

Oxides of nitrogen and air pollution · ⁨חומצות חנקן וזיהום אוויר⁩

English

Where they come from

Oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$, together called $\text{NO}_x$) come from two sources:

  • natural: lightning gives enough energy for nitrogen and oxygen in the air to combine.
  • man-made: the high temperature inside an internal combustion engine 内燃机 makes nitrogen and oxygen react:
$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

Removing them from car exhaust

A catalytic converter 催化转化器 cleans the exhaust gases 尾气. It lets the harmful gases react together to form harmless ones:

$$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$

Photochemical smog

In sunlight, $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate (PAN). PAN is a harmful part of photochemical smog 光化学烟雾, the brown haze seen over busy cities.

Acid rain

The oxides of nitrogen also help make acid rain 酸雨 in two ways:

  • directly: $\text{NO}_2$ dissolves in rain to form nitric acid.
  • as a catalyst: $\text{NO}_2$ speeds up the oxidation of atmospheric sulfur dioxide 二氧化硫 ($\text{SO}_2$) into $\text{SO}_3$, which then forms sulfuric acid in the rain.

Worked example. A white solid is warmed with aqueous $\text{NaOH}$, and a gas is released that turns damp red litmus blue. Identify the gas and the ion in the solid, and explain the reaction. The only common gas that turns damp red litmus blue is ammonia, $\text{NH}_3$, so the solid contains the ammonium ion, $\text{NH}_4^{+}$. The hydroxide ion is the stronger base, so it takes the proton back from the ammonium ion:

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

This is the standard test for $\text{NH}_4^{+}$. Always say the litmus is damp: the ammonia must dissolve in the water before it can show its basicity, so dry litmus would give no colour change at all.

עברית

מאין הן מגיעות

חומצות חנקן ($\text{NO}$ ו$\text{NO}_2$, הנקראות יחד $\text{NO}_x$) מגיעות משני מקורות:

  • טבעי: הבזק מספק מספיק אנרגיה כדי שהחנקן וחמצן באוויר יתאחדו.
  • מלאכותי: הטמפרטורה הגבוהה בתוך מנוע בעירה פנימי גורמת לחנקן ולחמצן להגיב:
$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

הסרתן מפלי הפליטה של רכב

ממיר קItems מנקה את גזי הפליטה. הוא מאפשר לגזים הרעים להגיב ביניהם ולהפיק גזים חסרי סיכון:

$$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$
גזים מזיקים NO ו-CO עוברים דרך בלוק מצטלם ויוצאים כחנקן ודו-חמצן פחמן חסרי נזק
בממיר הקItems, הגזים הרעים NO ו-CO מגיבים מעל פני הממיר ויוצרים N$_2$ ו-CO$_2$ חסרי סיכון

ערפל פוטוכימי

באור שמש, $\text{NO}$ ו$\text{NO}_2$ מגיבים עם הידרוקربונים לא-שרפים ליצירת פרואציל ניטראט (PAN). PAN הוא חלק מזיק בסמוג פוטוכימי, הערפל החום הנראה מעל ערים עמוסות.

מבט אווירי על עיר גדולה עם שכבת ערפל חום-אפורה ברורה המונחת מעל הבניינים תחת שמיים כחולים בהירים *סמוג פוטוכימי מעל עיר גדולה. השכבה החומה כלואה נמוך, בדיו במקום שבו זיהומי רכב — אור שמש ממיר את תחמוצי הניטרוגן וההידרופרבונים הא-שרפים לערפל שרואים.

גשם חומצי

תחמוצי הניטרוגן תורמים גם ליצירת גשם חומצי בשתי דרכים:

  • ישירות: $\text{NO}_2$ מתמוסס בגשם ומייצר חומצה ניטרית.
  • כקטליזטור: $\text{NO}_2$ מאיץ את חמצון סולפיט דו-חמצני באטמוספרה ($\text{SO}_2$) ל$\text{SO}_3$, שנשאר אחר כך חומצה סולפורית בגשם.

תרשים זרימה: NO2 יוצר חומצה ניטרית וSO2 יוצר חומצה סולפורית, כאשר NO2 משמש גם כקטליזטור במסלול הסולף, שתיהם מובילים לגשם חומצי *תחמוצי ניטרוגן וסולף יוצרים גשם חומצי: NO$_2$ יוצר חומצה ניטרית ישירות וגם מקטליז את חמצון SO$_2$ לחומצה סולפורית.

דוגמה מודגמת. מוצק לבן מחומם עם $\text{NaOH}$ מימי, ושחרר גז שמעלה נייר ליטמוס אדום לח למעלה. זיהוי הגז והיון במוצק, והסבר התגובה. הגז היחיד הנפוץ שמעלה נייר ליטמוס אדום לח למעלה הוא אמוניה, $\text{NH}_3$, ולכן המוצק מכיל את יון האמוניום, $\text{NH}_4^{+}$. היון ההידרוקסידי הוא בסיס חזק יותר, ולכן הוא לוקח את הפרוטון חזרה מיון האמוניום:

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

זהו המבחן הסטנדרטי ל$\text{NH}_4^{+}$. תמיד יש להציין שהנייר לח: האמוניה חייבת להתמוסס במים לפני שתוכל להראות את הבסיסיות שלה, ולכן נייר ליטמוס יבש לא יניב שינוי צבע כלל.

Explore · ⁨חקור⁩

NOx pollution route · ⁨מסלול זיהום NOx⁩

Trace nitrogen oxides from hot engines to environmental harm. · ⁨עקוב אחרי תחמוצות חנקן טריוורדיות ממנועי חמים לפגיעה בסביבה.⁩

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
triple bond/ˈtrɪpl bɒnd/ קשר משולש
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ אנרגיית קשר
polarity/pəʊˈlærɪti/ קוטביות
basicity/beɪˈsɪsɪti/ בסיסיות
lone pair/ləʊn peə/ זוג אלקטרונים בודד
proton/ˈprəʊtɒn/ פרוטון
ammonium ion/æˈməʊnɪəm ˈaɪɒn/ יון אמוניה
coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/ קשר קואורדינטיבי
displacement/dɪˈspleɪsmənt/ הזזה
internal combustion engine/ɪnˈtɜːnl kəmˈbʌstʃn ˈendʒɪn/ מנוע בעירה פנימית
catalytic converter/ˌkætəˈlɪtɪk kənˈvɜːtə/ ממיר זיהומים
exhaust gases/eɡˈzɔːst ˈɡæsɪz/ גזי פליטה
photochemical smog/ˌfəʊtəʊˈkemɪkl smɒɡ/ ערפל פוטוכימי
acid rain/ˈæsɪd reɪn/ גשם חומצי
sulfur dioxide/ˈsʌlfɜː daɪˈɒksaɪd/ גופרית דו-חמצנית
12.1

Exam tips · ⁨טיפים לבחינות⁩

English
  • $\text{N}_2$ is unreactive because of its strong triple bond (very high bond energy) — state this exactly.
  • Ammonia is a base and a ligand because of its lone pair; the ammonium ion forms by a dative bond.
  • Explain how oxides of nitrogen form (high temperature in engines) and their link to acid rain and photochemical smog.
  • Give balanced equations and correct observations for reactions of ammonia and the ammonium ion.
עברית
  • $\text{N}_2$ אינה מגיבה בגלל קשר משולש חזק (אנרגיית קשר גבוהה מאוד) — יש לציין זאת במדויק.
  • אמוניה היא בסיס וליגנד בשל זוג אלקטרונים בלתי-חיבורי; יון האמוניום נוצר בקשר דאטיבי.
  • הסבר כיצד נוצרים תחמוצי ניטרוגן (טמפרטורות גבוהות במנועים) וקשרם לגשם חומצי ולסמוג פוטוכימי.
  • נתון משוואות מאוזנות ותצפיות נכונות לתגובות של אמוניה ויון האמוניום.

Interactive lessons on this topic · ⁨שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.⁩

Past Papers · ⁨מבחני עבר⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · ⁨נושאים נוספים בA-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨היכנס או צור חשבון⁩

IGCSE, A-Level & AP