Carl Scheele, sænskur efnafræðingur, og Daniel Rutherford, skoskur grasafræðingur, uppgötvuðu köfnunarefni sitt í hvoru lagi árið 1772. Séra Cavendish og Lavoisier fengu einnig sjálfstætt köfnunarefni um svipað leyti. Köfnunarefni var fyrst viðurkennt sem frumefni af Lavoisier, sem nefndi það "azo", sem þýðir "líflaust". Chaptal nefndi frumefnið köfnunarefni árið 1790. Nafnið er dregið af gríska orðinu "nítra" (nítrat sem inniheldur köfnunarefni í nítrati)
Uppsprettur köfnunarefnis
Köfnunarefni er 30. algengasta frumefnið á jörðinni. Miðað við að köfnunarefni er 4/5 af rúmmáli andrúmsloftsins, eða meira en 78%, höfum við nánast ótakmarkað magn af köfnunarefni tiltækt fyrir okkur. Köfnunarefni er einnig til í formi nítrata í ýmsum steinefnum, svo sem chilenskum saltpétri (natríumnítrat), saltpétri eða nítra (kalíumnítrat) og steinefnum sem innihalda ammóníumsölt. Köfnunarefni er til staðar í mörgum flóknum lífrænum sameindum, þar á meðal próteinum og amínósýrum sem eru til staðar í öllum lífverum
Eðliseiginleikar
Köfnunarefni N2 er litlaus, bragðlaus og lyktarlaus lofttegund við stofuhita og er venjulega ekki eitruð. Gasþéttleiki við staðlaðar aðstæður er 1,25g/L. Köfnunarefni er 78,12% af heildarlofthjúpnum (rúmmálshlutfall) og er aðalhluti lofts. Það eru um 400 billjón tonn af gasi í andrúmsloftinu.
Við venjulegt loftþrýsting, þegar það er kælt niður í -195,8 ℃, verður það litlaus vökvi. Þegar það er kælt niður í -209,86 ℃ verður fljótandi köfnunarefni að snjólíku fast efni.
Köfnunarefni er ekki eldfimt og er talið kæfandi lofttegund (þ.e. innöndun hreins köfnunarefnis sviptir mannslíkamann súrefni). Köfnunarefni hefur mjög litla leysni í vatni. Við 283K getur eitt rúmmál af vatni leyst upp um 0,02 rúmmál af N2.
Efnafræðilegir eiginleikar
Köfnunarefni hefur mjög stöðuga efnafræðilega eiginleika. Erfitt er að hvarfast við önnur efni við stofuhita en það getur tekið efnafræðilegum breytingum með ákveðnum efnum við háan hita og mikla orku og hægt að nota það til að framleiða ný efni sem nýtast mönnum.
Sameindabrautarformúla köfnunarefnissameinda er KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Þrjú rafeindapör stuðla að tengingu, það er að segja að tvö π tengi og eitt σ tengi myndast. Það er ekkert framlag til tengingar og tengingar- og andtengiorkan eru um það bil á móti og þau jafngilda einstökum rafeindapörum. Þar sem það er þrítengi N≡N í N2 sameindinni hefur N2 sameindin mikinn stöðugleika og það þarf 941,69 kJ/mól af orku til að brjóta hana niður í frumeindir. N2 sameindin er stöðugust af þekktum kísilsameindunum og hlutfallslegur mólmassi köfnunarefnis er 28. Þar að auki er köfnunarefni ekki auðvelt að brenna og styður ekki brennslu.
Prófunaraðferð
Settu brennandi Mg stöngina í gassöfnunarflöskuna sem er fyllt með köfnunarefni, og Mg stöngin mun halda áfram að brenna. Dragðu út öskuna sem eftir er (örlítið gult duft Mg3N2), bætið við litlu magni af vatni og framleiðið gas (ammoníak) sem gerir blauta rauða lakmúspappírinn bláan. Hvarfjafna: 3Mg + N2 = íkveikja = Mg3N2 (magnesíumnítríð); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
Tengieiginleikar og gildistengibygging köfnunarefnis
Vegna þess að einstaka efnið N2 er mjög stöðugt við venjulegar aðstæður, trúa fólk oft ranglega að köfnunarefni sé efnafræðilega óvirkt frumefni. Reyndar, þvert á móti, hefur frumefni köfnunarefnis mikla efnavirkni. Rafneikvæðni N (3,04) er næst á eftir F og O, sem gefur til kynna að það geti myndað sterk tengsl við önnur frumefni. Að auki sýnir stöðugleiki eins efnis N2 sameindarinnar bara virkni N atómsins. Vandamálið er að fólk hefur ekki enn fundið ákjósanleg skilyrði til að virkja N2 sameindir við stofuhita og þrýsting. En í náttúrunni geta sumar bakteríur á plöntuhnúðum umbreytt N2 í loftinu í köfnunarefnissambönd við lágorkuskilyrði við eðlilegt hitastig og þrýsting og notað þær sem áburð til ræktunar uppskeru.
Þess vegna hefur rannsókn á köfnunarefnisbindingu alltaf verið mikilvægt vísindarannsóknarefni. Þess vegna er nauðsynlegt fyrir okkur að skilja tengingareiginleika og gildistengibyggingu köfnunarefnis í smáatriðum.
Tegund skuldabréfa
Gildisrafeindalagsbygging N atómsins er 2s2p3, það er, það eru 3 stakar rafeindir og par af eintómum rafeindapörum. Byggt á þessu, þegar efnasambönd eru mynduð, er hægt að mynda eftirfarandi þrjár tengigerðir:
1. Mynda jónatengi 2. Mynda samgild tengi 3. Mynda samhæfingartengi
1. Mynda jónatengi
N atóm hafa mikla rafneikvæðni (3,04). Þegar þeir mynda tvíundir nítríð með málmum með lægri rafneikvæðni, eins og Li (rafeindvirkni 0,98), Ca (rafneikvæðni 1,00) og Mg (rafneikvæðni 1,31), geta þeir fengið 3 rafeindir og myndað N3- jónir. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- jónir hafa hærri neikvæða hleðslu og stærri radíus (171pm). Þeir verða mjög vatnsrofnir þegar þeir lenda í vatnssameindum. Þess vegna geta jónasambönd aðeins verið til í þurru ástandi og það verða engar vökvaðar jónir af N3-.
2. Myndun samgildra tengsla
Þegar N frumeindir mynda efnasambönd með málmleysingja með meiri rafneikvæðingu myndast eftirfarandi samgild tengi:
⑴N atóm taka sp3 blendingarástand, mynda þrjú samgild tengi, halda pari af eintómum rafeindapörum og sameindaformið er þríhyrnt pýramída, eins og NH3, NF3, NCl3, osfrv. Ef fjögur samgild eintengi myndast er sameindauppsetningin venjulegur tetrahedron, eins og NH4+ jónir.
⑵N frumeindir taka sp2 blendingarástand, mynda tvö samgild tengi og eitt tengi og halda í par af eintómum rafeindapörum, og sameindauppsetningin er hyrnd, eins og Cl—N=O. (N atóm myndar σ tengi og π tengi við Cl atóm, og par af eintómum rafeindapörum á N atóm gerir sameindina þríhyrningslaga.) Ef það er ekkert eitt rafeindapar er sameindauppsetningin þríhyrnd, eins og HNO3 sameind eða NO3- jón. Í saltpéturssýru sameind myndar N atóm þrjú σ tengi með þremur O atómum í sömu röð og rafeindapar á π sporbraut sinni og stakar π rafeindir tveggja O atóma mynda þriggja miðja fjögurra rafeinda afstaðsett π tengi. Í nítratjóni myndast fjögurra miðra sexrafeinda afstaðbundið stórt π tengi á milli þriggja O atóma og miðlæga N atómsins. Þessi uppbygging gerir sýnilega oxunartölu N atóms í saltpéturssýru +5. Vegna þess að stór π-tengi eru til staðar er nítrat nógu stöðugt við venjulegar aðstæður. ⑶N atóm tileinkar sér sp blending til að mynda samgilt þrítengi og heldur pari af eintómum rafeindapörum. Sameindastillingin er línuleg, svo sem uppbygging N atóms í N2 sameind og CN-.
3. Myndun samræmingarskuldabréfa
Þegar köfnunarefnisatóm mynda einföld efni eða efnasambönd, halda þau oft eintóm rafeindapör, þannig að slík einföld efni eða efnasambönd geta virkað sem rafeindapargjafar til að samræma málmjónir. Til dæmis, [Cu(NH3)4]2+ eða [Tu(NH2)5]7, osfrv.
Oxunarástand-Gibbs skýringarmynd fyrir frjálsa orku
Það má líka sjá af oxunarástandi-Gibbs frjálsa orkumynd köfnunarefnis að, nema NH4 jónir, er N2 sameindin með oxunartöluna 0 í lægsta punkti ferilsins á skýringarmyndinni, sem gefur til kynna að N2 sé varmafræðilega stöðugt miðað við köfnunarefnissambönd með öðrum oxunartölum.
Gildi ýmissa köfnunarefnissambanda með oxunartölur á milli 0 og +5 eru öll fyrir ofan línuna sem tengir punktana tvo HNO3 og N2 (punktalínan á skýringarmyndinni), þannig að þessi efnasambönd eru varmafræðilega óstöðug og viðkvæm fyrir óhlutfallsviðbrögðum. Sú eina á skýringarmyndinni með lægra gildi en N2 sameindin er NH4+ jónin. [1] Af oxunarástandi-Gibbs skýringarmynd um frjálsa orku köfnunarefnis og uppbyggingu N2 sameindar má sjá að frumefni N2 er óvirkt. Aðeins við háan hita, háan þrýsting og nærveru hvata getur köfnunarefni hvarfast við vetni og myndað ammoníak: Við losunaraðstæður getur köfnunarefni sameinast súrefni og myndað nituroxíð: N2+O2=losun=2NO Nituroxíð sameinast fljótt súrefni til að mynda köfnunarefnisdíoxíð 2NO+O2=2NO2 Köfnunarefnisdíoxíð leysist upp í vatni og myndar saltpéturssýru, nituroxíð 3NO2+H2O=2HNO3+NO Í löndum með þróað vatnsafl hefur þetta hvarf verið notað til að framleiða saltpéturssýru. N2 hvarfast við vetni og myndar ammoníak: N2+3H2=== (afturkræf tákn) 2NH3 N2 hvarfast við málma með litla jónunargetu og nítríð þeirra hafa mikla grindarorku til að mynda jónnítríð. Til dæmis: N2 getur hvarfast beint við málmlitíum við stofuhita: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 hvarfast við jarðalkalímálma Mg, Ca, Sr, Ba við glóandi hitastig: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 getur hvarfast aðeins við bór og ál við glóandi hitastig: 2 B + N2=== 2 BN (makrósameindaefnasamband) N2 hvarfast almennt við sílikon og önnur frumefni í hópnum við hærra hitastig en 1473K.
Köfnunarefnissameindin stuðlar að þremur rafeindapörum til tengingar, það er að segja að hún myndar tvö π tengi og eitt σ tengi. Það stuðlar ekki að tengingu og tengingar- og andtengiorkan eru um það bil á móti og þau jafngilda einstökum rafeindapörum. Vegna þess að það er þrítengi N≡N í N2 sameindinni hefur N2 sameindin mikinn stöðugleika og það þarf 941,69 kJ/mól af orku til að brjóta hana niður í frumeindir. N2 sameindin er stöðugust af þekktum kísilsameindunum og hlutfallslegur mólmassi köfnunarefnis er 28. Þar að auki er köfnunarefni ekki auðvelt að brenna og styður ekki brennslu.
Birtingartími: 23. júlí 2024
