- explain the lack of reactivity of nitrogen, with reference to triple bond strength and lack of polarity
- 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
- 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
- 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
- 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
氮与硫
A-Level 化学 · 第 12 主题
12.1
氮与硫
大纲
来源:剑桥国际大纲
氮气 $\text{N}_2$ 构成空气的大部分,但与很少的东西反应。有两个原因:
- 两个氮原子由一个三键(triple bond)连接,它有非常高的键能(bond energy)。断裂它需要大量能量。
- 分子没有极性(polarity)——它完全对称,所以没有什么把其他分子拉向它。
探索
The shape of ammonia
Ammonia has three bonding pairs and one lone pair — the lone pair pushes the bonds down into a pyramidal shape (about 107°).
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| triple bond | 三键 | sān jiàn |
| bond energy | 键能 | jiàn néng |
| polarity | 极性 | jí xìng |
12.1
氨与铵离子
氨的碱性
氨的碱性(basicity,它作为碱起作用的能力)来自氮原子上的孤对电子(lone pair)。用布朗斯特-劳里理论,氨是一种碱,因为这对孤对电子能接受一个质子(proton,$\text{H}^+$):
$$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$
铵离子
当孤对电子与 $\text{H}^+$ 形成一个键时,它生成铵离子(ammonium ion)$\text{NH}_4^+$。因为两个共享电子都来自氮,这个新键是一个配位键(coordinate bond)。这个离子有四个相同的 N–H 键和一个四面体形状。
从盐中置换氨
如果你把一个铵盐与一个碱(如氢氧化钠)一起加热,你把氨气推出来。这是一个酸碱置换(displacement):
$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$
氨的刺鼻气味,以及湿润的红色石蕊变蓝,是对一个铵盐的检验。
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| basicity | 碱性 | jiǎn xìng |
| lone pair | 孤对电子 | gū duì diàn zi |
| proton | 质子 | zhì zi |
| ammonium ion | 铵离子 | ǎn lí zi |
| coordinate bond | 配位键 | pèi wèi jiàn |
| displacement | 置换 | zhì huàn |
12.1
氮的氧化物与空气污染
它们从何而来
氮的氧化物($\text{NO}$ 和 $\text{NO}_2$,合称 $\text{NO}_x$)来自两个来源:
- 自然:闪电给出足够的能量使空气中的氮和氧结合。
- 人为:内燃机(internal combustion engine)内部的高温使氮和氧反应:
$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$
从汽车尾气中去除它们
一个催化转化器(catalytic converter)净化尾气(exhaust gases)。它让有害气体一起反应形成无害的:
$$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$
光化学烟雾
在阳光下,$\text{NO}$ 和 $\text{NO}_2$ 与未燃烧的碳氢化合物(hydrocarbons)反应形成过氧乙酰硝酸酯(PAN)。PAN 是光化学烟雾(photochemical smog)的一个有害部分,即在繁忙城市上空看到的棕色雾霾。
酸雨
氮的氧化物还以两种方式帮助形成酸雨(acid rain):
- 直接地:$\text{NO}_2$ 溶在雨中形成硝酸。
- 作为催化剂:$\text{NO}_2$ 加速大气中二氧化硫(sulfur dioxide,$\text{SO}_2$)氧化成 $\text{SO}_3$,后者随即在雨中形成硫酸。
例题。 把一种白色固体与 $\text{NaOH}$ 水溶液加热,放出一种能使湿润红色石蕊变蓝的气体。指出该气体和固体中的离子,并解释这个反应。唯一能使湿润红色石蕊变蓝的常见气体是氨,$\text{NH}_3$,所以该固体含有铵离子 $\text{NH}_4^{+}$。氢氧根离子是更强的碱,所以它把质子从铵离子那里夺回来:
$$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$
这是检验 $\text{NH}_4^{+}$ 的标准方法。一定要说明石蕊是湿润的:氨必须先溶于水才能表现出碱性,干燥的石蕊根本不会变色。
探索
NOx pollution route
Trace nitrogen oxides from hot engines to environmental harm.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| internal combustion engine | 内燃机 | nèi rán jī |
| catalytic converter | 催化转化器 | cuī huà zhuǎn huà qì |
| exhaust gases | 尾气 | wěi qì |
| photochemical smog | 光化学烟雾 | guāng huà xué yān wù |
| acid rain | 酸雨 | suān yǔ |
| sulfur dioxide | 二氧化硫 | èr yǎng huà liú |
12.1
考试技巧
- $\text{N}_2$ 不活泼是因为它的强三键(非常高的键能)——精确地陈述这一点。
- 氨是一种碱和一个配体是因为它的孤对电子;铵离子由一个配位键形成。
- 解释氮的氧化物如何形成(发动机中的高温)以及它们与酸雨和光化学烟雾的联系。
- 为氨和铵离子的反应给出配平的方程式和正确的观察结果。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。