无机化学-第四章-氮族元素课件.ppt
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- 无机化学 第四 元素 课件
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1、第四章第四章 氮族元素氮族元素&氮族氮族(VA):N(Nitrogen)、P(Phosphor us)、As(Arsenic)、Sb(antimony)、Bi(bismuth)。从典从典型非金属型非金属(氮、磷氮、磷)过渡到典型的金属过渡到典型的金属(Bi);&主要存在形态:主要存在形态:N-N2,P-磷酸盐,磷酸盐,As、Sb、Bi 硫化物硫化物&本族元素以形成共价结合为主(只有氮可以本族元素以形成共价结合为主(只有氮可以N3-离离子结合)子结合)&只有只有N可形成重键可形成重键氮族元素通性氮族元素通性N:2s22p3 NN 1个个键,键,2个个键键 氮气:氮气:无色、无臭、无味、无色、无臭
2、、无味、无毒无毒。沸点为。沸点为-195.8C。常温下化学性质极不活泼,常作。常温下化学性质极不活泼,常作保护气。保护气。加热时与活泼金属加热时与活泼金属Li,Ca,Mg等反应,生成离子等反应,生成离子型化合物。型化合物。CC C=C C-C NN N=N N-N 829 609 335 942 419 155 kJ/mol 惰性气氛手套箱惰性气氛手套箱液液 氮氮1)形成离子键形成离子键 Li3N,Mg3N22)Mg3N2 +6 H2O =3Mg(OH)2 +2 NH32)形成共价键形成共价键3)a.N原子采取原子采取sp3杂化,具有三个共价单键杂化,具有三个共价单键 4)NH3 NCl3 N
3、2H45)b.形成一个共价双键和一个共价单键形成一个共价双键和一个共价单键,N原子原子采取采取sp2杂化杂化6)NO ClNO3)形成配位键形成配位键 N原子的单质或化合物中,原子的单质或化合物中,N常留有孤对电子常留有孤对电子,可作为电子给予体,与金属离子配位,如,可作为电子给予体,与金属离子配位,如 Cu(NH3)42+,Ag(NH3)2+,Os(NH3)5(N2)2+c.形成一个共价三键,形成一个共价三键,N原子采取原子采取sp杂化杂化,保留一保留一对孤对电子对孤对电子 N2 CN-Nd.还可以有氧化数为还可以有氧化数为+5的氧化态的氧化态。利用一对利用一对2s电电子参与定域子参与定域
4、键的形成键的形成 HNO3常温下常温下N2很稳定,表现出惰性,高温下活泼些。很稳定,表现出惰性,高温下活泼些。1)和非金属的反应和非金属的反应N2+3H2=2NH3 催化剂,一定催化剂,一定T.P下反应,高中讨论过。下反应,高中讨论过。2)和金属单质的反应和金属单质的反应高温下和高温下和Mg、Ca、Sr、Ba反应反应3Ca+N2=Ca3N2(Ca:410,Sr:380,Ba:260oC)和和Li反应反应250就很快就很快:6Li+N2=2Li3N 氮气的制备氮气的制备工业上分馏液态空气制工业上分馏液态空气制N2,制取高纯制取高纯N2需将需将N2通过灼热铜网以除去通过灼热铜网以除去O2,通过通过
5、P2O5除去除去H2O之之后,储入钢瓶,黑瓶后,储入钢瓶,黑瓶黄黄字。而字。而O2是是蓝蓝瓶黑字,最瓶黑字,最危险的是危险的是H2瓶,深瓶,深绿绿瓶瓶红红字。字。实验室中制实验室中制N2,加热亚硝酸铵溶液加热亚硝酸铵溶液NH4NO2(aq)=2H2O+N2 也有也有现现生成生成NH4NO2再分解制再分解制N2NH4Cl+NaNO2=NaCl+H2O+N2 其它氧化性酸的铵盐也可分解制其它氧化性酸的铵盐也可分解制N2(NH4)2Cr2O7(s)=Cr2O3+4H2O+N2(1)氨氨(NH3)AmmoniaN:sp3不等性杂化,不等性杂化,3个个NH 键,一对孤对电子,键,一对孤对电子,形成形成三
6、角锥形。三角锥形。NH100.8pm107.3o.HHNH3:极性分子,易溶于水极性分子,易溶于水,体积增大,密度下降。体积增大,密度下降。市售氨水:市售氨水:25-28%,0.9g/ml 液氨:缔合分子,液氨:缔合分子,-33液化,存在氢键,可作非水溶剂液化,存在氢键,可作非水溶剂液氨的许多物理性质与水相似。液氨的许多物理性质与水相似。与水的差异:与水的差异:1)是比水更强的亲质子试剂或更好的电子对给予体。)是比水更强的亲质子试剂或更好的电子对给予体。2)放出质子的倾向弱于水)放出质子的倾向弱于水例如和例如和Na反应,反应,H2O 和和Na反应迅速,反应迅速,NH3和和Na反反应极慢,放置时
7、反应如下应极慢,放置时反应如下(Fe 催化时反应快催化时反应快):H2逸出后,蒸干得白色固体逸出后,蒸干得白色固体NaNH2,即即氨基钠。氨基钠。NH3(l)能溶解碱金属,稀溶液显能溶解碱金属,稀溶液显蓝色?蓝色?氨合电子氨合电子是金属液氨溶液显是金属液氨溶液显蓝色蓝色的原因,也是的原因,也是金属液氨溶液显强的还原性和导电性的依据。它金属液氨溶液显强的还原性和导电性的依据。它的导电性超过任何电解质溶液,类似金属。的导电性超过任何电解质溶液,类似金属。实验室:实验室:(g)2NHO2HCaClCa(OH)Cl2NH322243222NH3HNFe 30MPa C500450氮化物水解可得氮化物水
8、解可得NH3,如如Ca3N2+6H2O 3Ca(OH)2+2NH3 工工 业:业:用于生产化肥;有机合成工业;洗涤剂;致冷剂等。用于生产化肥;有机合成工业;洗涤剂;致冷剂等。用用 途:途:Fritz Haber 1868-1934,德国物理化学家,因发明氮德国物理化学家,因发明氮气和氨气直接合成氨的方法,获气和氨气直接合成氨的方法,获1918年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖.制制 备备 去掉去掉(2p)2成键电子,使成键电子,使N2键级键级 降低。降低。N2 使使 2p 反键轨道得到电子,反键轨道得到电子,使使N2键键级级 降低。降低。氧化法氧化法还原法还原法模拟生物固氮原理:模拟生物固氮原理:模
9、拟生物固氮:模拟生物固氮:N2分子与过渡金属(特别是分子与过渡金属(特别是B族金属)族金属)形成的配合物,不仅有经典的形成的配合物,不仅有经典的配位键,还配位键,还有有反馈键,即反馈键,即过渡金属的过渡金属的d电子向电子向N2分子分子的的*反键分子轨道上转移,由于反键分子轨道上转移,由于*反馈轨反馈轨道上电子密度增加,导致道上电子密度增加,导致NN 的键级减小,的键级减小,NN 键变得松弛,因此键变得松弛,因此N2分子被活化。分子被活化。ATP ATP 脱磷酸化生成脱磷酸化生成ADPADP与与N N2 2还原为还原为NHNH4 4+两种过程的偶联两种过程的偶联研究常温常压下固氮的途径是模拟根瘤
10、菌中固氮研究常温常压下固氮的途径是模拟根瘤菌中固氮酶的组成、结构和固氮过程酶的组成、结构和固氮过程.由于生物圈不存在由于生物圈不存在高温高压催化强化反应的条件,采取了一条全然高温高压催化强化反应的条件,采取了一条全然不同而且更为迂回复杂的路线合成氨不同而且更为迂回复杂的路线合成氨.生物固氮生物固氮以以 ATP为还原剂,相关的半反应为:为还原剂,相关的半反应为:N2+16 MgATP+8 e-2 NH3+16 MgADP+16 Pi+H2+8H+固氮酶固氮酶MoFeMoFe7 7S S8 8 蛋白结构示意图蛋白结构示意图 通过过渡金属的分子氮配合物活化通过过渡金属的分子氮配合物活化 NN 键:键
11、:1965年年 Ru(NH3)5(H2O)2+(aq)+N2(g)Ru(NH3)5(N2)2+(aq)+H2O(l)1995年年 2 Mo(NRAr)3+N2 (ArRN)3MoN=NMo(NRAr)3 2(ArRN)3MoN 1998年年 W(PMe2Ph)4(N2)2+RuCl(2-H2)(dppp)X NH3(产率达产率达55%)常压常压55常压常压,N2H4 NH2OH Kb :1.771.77 101055 8.5 8.5 101077 6.6 6.6 101099 oN2H4、NH2OH均具有均具有氧化还原性氧化还原性 NH3只有只有还原性还原性氧化还原性强弱:氧化还原性强弱:N2
12、H4:酸中强氧化剂,弱还原剂;:酸中强氧化剂,弱还原剂;碱中强还原剂,弱氧化剂。碱中强还原剂,弱氧化剂。NH2OH:酸中强氧化剂,强还原剂;:酸中强氧化剂,强还原剂;碱中强还原剂,弱氧化剂。碱中强还原剂,弱氧化剂。但因为氧化反应的速率慢,但因为氧化反应的速率慢,均只作还均只作还原剂使用。作还原剂的氧化产物为原剂使用。作还原剂的氧化产物为N2,不,不给体系引入杂质。给体系引入杂质。a、结构、结构 N3-结构,结构,与与CO2等电子体等电子体 CO2中中 C为为sp杂化杂化 :O C O:43 2个HN3结构结构b、氢叠氮酸的性质:、氢叠氮酸的性质:N3-拟卤离子,反应类似于卤素离子拟卤离子,反应
13、类似于卤素离子弱酸性。一元弱酸,弱酸性。一元弱酸,HN3的水溶液与碱的水溶液与碱或活泼金属作用生成叠氮化物。或活泼金属作用生成叠氮化物。氧化还原性。氧化还原性。N的氧化数为的氧化数为-1/3,处在中,处在中间氧化态。间氧化态。HN3在水溶液中会发生歧化而分解。在水溶液中会发生歧化而分解。不稳定易分解。受到撞击发生爆炸。不稳定易分解。受到撞击发生爆炸。氮能形成氧化数氮能形成氧化数+1至至+5的各种氧化物,重要的的各种氧化物,重要的是是NO、NO2。1 N2O 无色气体无色气体等电子体?等电子体?2 NO 无色气体无色气体3 N2O34 NO2 棕红色棕红色气体气体 N2O4 无色气体,是一种混合
14、酸酐。无色气体,是一种混合酸酐。5 N2O5 白色固体,是白色固体,是HNO3 的酸酐。的酸酐。制备:制备:工业:工业:实验室:实验室:性质:性质:O6HNO(g)4(g)5O(g)4NH2C80023 O4H2NO)3Cu(NO)(8HNO3Cu2233稀22222Fe(NO)NOFe)2NOCl(Cl2NO2NOO2NO氯化亚硝酰铂丝网 2NO(g)+CO(g)=2N2(g)+2CO2(g)2NO(g)+SO2+H2O=SO42-+N2O+2H+FeSO4+NO Fe+(NO)+SO4 硫酸亚硝酰铁硫酸亚硝酰铁(I)棕色棕色,可溶,可溶 棕色环反应,可用于鉴定棕色环反应,可用于鉴定NO3-
15、和和NO2-(1)NO3-的鉴定(浓的鉴定(浓H2SO4)3 Fe2+NO3-+4H+=3 Fe3+NO +H2O FeSO4+NO Fe+(NO)+SO4(2)NO2-的鉴定(的鉴定(HAC)3 Fe2+NO +2 SO42-=Fe(NO)SO4(3)鉴定鉴定NO3-,消除消除 NO2-干扰干扰 先用先用I-除去:除去:2 NO2-+2 I-+4 H+2 NO+I2(s)+2 H2O NO3-在稀酸介质中不能氧化在稀酸介质中不能氧化I-。结构:结构:N:价电子:价电子2s22p3 sp2杂化后杂化后(1)有毒,有特殊臭味的)有毒,有特殊臭味的红棕色红棕色气体气体冷却33(2)2NO2NO2
16、2(红棕色红棕色)N N2 2O O4 4(无色)无色)H=-57.2kJ.molH=-57.2kJ.mol-1-1140oC 0 60 减小压力减小压力,平衡向左移动,平衡向左移动增加压增加压力力,平,平衡向右衡向右移动移动。降低温度降低温度平衡向右移动平衡向右移动(3)溶于水)溶于水(4)用碱吸收)用碱吸收OHNaNONaNO2NaOH2NO2232NO2既有氧化性又有还原性,以既有氧化性又有还原性,以氧化性氧化性为主,为主,2Cu+NO2=Cu2O+NO H2O2 +2NO2=2HNO3NO2是酸性氧化物,易溶于水,生成硝酸和是酸性氧化物,易溶于水,生成硝酸和NO:2NO2 +H2O=H
17、NO3+HNO2 3HNO2=HNO3+2NO+H2O这也是工业制备硝酸的方法。这也是工业制备硝酸的方法。结构结构:N:sp2杂化后杂化后(反式反式)HNO2分子中,分子中,N采取采取SP2不等性杂化,与两个不等性杂化,与两个O形成形成两个两个键,键,N的孤电子对占据一条杂化轨道,的孤电子对占据一条杂化轨道,Pz轨道中轨道中有有1个电子,与端基氧的个电子,与端基氧的Pz1肩并肩重叠形成一个肩并肩重叠形成一个 键。键。22224422HNO2OHNONOHNONaHSOSOHNaNO 冷冻冷制备:制备:223222NONOOH ONOH 2HNO性性 质质(2)弱酸弱酸4a22_106 NOH
18、HNOK(蓝色蓝色)HNO2中的中的N为为+3价,既有价,既有氧化性氧化性,又有还原性。,又有还原性。O2H I NO2H 2 I 2 2HNO222(3)氧化还原性氧化还原性(1)不稳定不稳定亚硝酸亚硝酸(HNO2)NO+NO2制备:制备:碱吸收法碱吸收法 OHNaNO2NaOHNONO222性质:性质:(1)绝大部分无色绝大部分无色,易溶于水易溶于水,(AgNO2 浅黄色不溶浅黄色不溶)极毒是致癌物。极毒是致癌物。(2)氧化还原性氧化还原性 O3H2Mn5NO 6H2MnO5NOOHFeNO 2HFe2NOO2HI2NO 4HI2NO0.98V)/NO)(HNO(22-3-4-2232-2
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