最后更新: 2025-10-26 21:23 查看: 52 次纠错评论(0) 课件开VIP

氮、氮肥、氨气、硝酸、尿素

自然界中的氮元素以氮气、氮氧化物和硝酸盐等形式存在，人类对氮元素的利用，就是实现氮元素在不同物质之间的转化。氮肥是化学肥料中使用量很大的一类，为世界粮食增产做出了重大贡献。工业上生产氮肥的原理是什么？有哪些供农业使用的常见氮肥？让我们带着这些问题，先来认识氮及其重要化合物的性质吧

## 固氮
纯净的氮气是一种**无色、无味**的气体。氮气在101 kPa、—195.8℃时变成无色的液体。液氮不活泼，常被用作低温实验的**冷冻剂**。
大部分氮元素以游离态存在于空气中。游离态的氮气很难被植物吸收，而植物通常是从含氮化合物中获得氮元素的。采用天然或人工的方式，将空气中的游离态氮转化为化合态氮的过程称为固氮，固氮对植物生长尤为重要。

天然固氮有两种方式。一种是生物固氮，氮气在豆科植物的根瘤菌体内所含的固氮酶作用下还原为氨。另一种是大气固氮，在放电或高温下，空气中的氮气与氧气直接化合，生成无色的一氧化氮。一氧化氮难溶于水，在常温下很容易与空气中的氧气化合，生成**红棕色并有刺激性气味的二氧化氮**。二氧化氮**有毒**，易溶于水，溶于水后生成**硝酸**和**一氧化氮**。发生雷电时，大气中的氮转化为氮的氧化物，经降水生成极稀的硝态氮肥—硝酸，渗入土壤被植物根系吸收。

![图片](/uploads/2025-10/e993c2.jpg){width=400px}
 
 
![图片](/uploads/2025-10/788160.jpg){width=400px}

$$
\begin{gathered}
\mathrm{N}_2+\mathrm{O}_2 \xlongequal{\text { 放电 }} 2 \mathrm{NO} \\
2 \mathrm{NO}+\mathrm{O}_2=2 \mathrm{NO}_2 \\
3 \mathrm{NO}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}=2 \mathrm{HNO}_3+\mathrm{NO}
\end{gathered}
$$

人工固氮目前主要通过工业合成氨来实现。氮气和氢气在高温、高压并有催化剂的条件下，直接化合生成氨。

$$
\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \underset{\text { 催化剂 }}{\stackrel{\text { 高温、高压 }}{\rightleftharpoons}} 2 \mathrm{NH}_3
$$

### 氮肥
氮肥对农作物生长起着非常重要的作用，施用氮肥能提高农产品的产量。工业上生产氮肥的主要原料就是人工固氮获得的氨.

![图片](/uploads/2025-10/4f336b.jpg){WIDTH=400PX}
 
 ## 氨和氨水
 氨（$NH_3$）是氮的氢化物，一般是无色、有刺激性气味的气体。氨冷却或加压后易被液化，液氨汽化时要吸收大量的热，使周围的温度急剧下降，所以液氨常用作制冷剂.
 
> 的密度： $0.771 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~L}^{-1}(\mathrm{STP})$
熔点：$-77.75^{\circ} \mathrm{C}$
沸点：$-33.35^{\circ} \mathrm{C}$

### 氨的“喷泉”实验
**实验** 用干燥的圆底烧瓶集满氨，立即倒置烧瓶，将带有玻璃管（连有活塞）和胶头滴管（预先吸入水）的塞子塞紧瓶口，使玻璃管插入盛有水的烧杯里（水中预先加入少量酚酞试液）。如图3.11所示，安装好装置，挤压滴管的胶头，使少量水进入烧瓶后，打开活塞。观察并记录实验现象

![图片](/uploads/2025-10/5d721a.jpg){width=300px}
 
 氨极易溶于水，在常温常压下， 1 体积水约可溶解 700 体积的氨。氨的水溶液叫做氨水。氨水能使酚酞试液变红色，说明氨水显碱性。

氨溶于水中，大部分与水结合成一水合氨。一水合氨不稳定，受热后容易分解成氨和水。

$$
\begin{aligned}
& \mathrm{NH}_3+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{NH}_3 \cdot \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \\
& \mathrm{NH}_3 \cdot \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \leftrightharpoons \mathrm{NH}_3 \uparrow+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}
\end{aligned}
$$

一水合氨是弱电解质，可少部分电离出铵根离子 $\left(\mathrm{NH}_4^{+}\right)$和氢氧根离子 $\left(\mathrm{OH}^{-}\right)$，使溶液显弱碱性。

$$
\mathrm{NH}_3 \cdot \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{NH}_4^{+}+\mathrm{OH}^{-}
$$

### 铵态氮肥
氨水可以作为氮肥，但不便于运输和使用，所以，人们常将氨水制成铵盐来获得铵态氮肥。

**实验** 氨与氯化氢的反应 向容积约500 mL的塑料瓶中滴入几滴浓氨水，在瓶盖内侧贴一小张滤纸，向滤纸上滴几滴浓盐酸后，立即将瓶盖拧上，观察现象
 
 ![图片](/uploads/2025-10/33440b.jpg){width=300px}
 
氨与浓盐酸挥发出来的氯化氢气体反应，生成白色氯化铵固体。氨同样能与其他的酸反应生成铵盐，如把氨通入硫酸或硝酸中，就会生成硫酸铵或硝酸铵。铵盐都是晶体，能溶于水，受热容易分解，分解时一般放出氨。

$$
\begin{aligned}
\mathrm{NH}_3+\mathrm{HCl} & =\mathrm{NH}_4 \mathrm{Cl} \\
2 \mathrm{NH}_3+\mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4 & =\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{SO}_4 \\
\mathrm{NH}_3+\mathrm{HNO}_3 & =\mathrm{NH}_4 \mathrm{NO}_3
\end{aligned}
$$

### 铵盐的性质
1. 如图3.13 所示，在封管内一端盛有少量白色氯化铵晶体，小火加热封管内晶体，观察现象。
2. 取氯化铵、硝酸铵和硫酸铵晶体各约1 g，分别放在三支试管里，各加入2 mL 1 mol·L—1氢氧化钠溶液。加热试管，并将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口上方，观察试纸的颜色变化

![图片](/uploads/2025-10/9c6580.jpg){width=300px}
 
 氯化铵晶体受热时会分解出氨和氯化氢，冷却时，它们又重新结合生成氯化铵。铵盐能与碱起反应放出氨，实验室常利用铵盐的这一性质来制备氨和检验 $\mathrm{NH}_4^{+}$的存在。

氯化铵、硫酸铵（俗称硫铵）、硝酸铵（俗称硝铵）等都是重要的铵态氮肥，易被植物吸收。

###  硝态氮肥和硝酸
硝态氮肥是以硝酸盐为主要成分的氮肥，常见的有硝酸铵、硝酸钠、硝酸钙等。硝态氮肥的水溶性好，肥效快，但土壤对其吸收能力弱，容易随水流失。

硝酸除了可制取硝态氮肥之外，也是制造炸药、染料、塑料、硝酸盐等化工产品的重要原料。硝酸是一种很强的氧化剂，不论稀硝酸还是浓硝酸都有强氧化性，能与几乎所有的金属（除金、铂等少数金属外）或部分非金属发生氧化还原反应。
$$
\begin{gathered}
\mathrm{Cu}+4 \mathrm{HNO}_3(\text { 浓 })=\mathrm{Cu}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2+2 \mathrm{NO}_2 \uparrow+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \\
3 \mathrm{Cu}+8 \mathrm{HNO}_3(\text { 稀 })=3 \mathrm{Cu}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2+2 \mathrm{NO} \uparrow+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}
\end{gathered}
$$

### 尿素
尿素是一种重要的有机氮肥，为白色结晶，易溶于水，水溶液呈中性。尿素与水反应的生成物 $\mathrm{NH}_4^{+}$和 $\mathrm{HCO}_3^{-}$均可被作物吸收利用，施用后对土壤一般无不良影响。尿素还可作为反刍动物的蛋白质补充饲料，尿素中的氮在反刍动物胃中，经微生物酶作用转化成氨基酸等，最后形成组织蛋白和奶蛋白等。
 
 `例` 含氮量是衡量氮肥肥效的指标之一。现有三种氮肥： $\mathrm{CO}\left(\mathrm{NH}_2\right)_2$ 、 $\mathrm{NH}_4 \mathrm{NO}_3$ 和 $\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{SO}_4$ 。
（1）通过计算指出哪种氮肥的肥效最高。
（2）目前 $\mathrm{CO}\left(\mathrm{NH}_2\right)_2$（尿素）是使用量最多的氮肥之一；与上述三种氮肥相比，氨的含氮量更高，然而氨却很少直接施用在土壤中作为肥料。通过查阅资料，分析上述事实的原因。
解（1）我们可以通过比较含氮量来确定氮肥肥效的高低。
$\mathrm{CO}\left(\mathrm{NH}_2\right)_2$ 的含氮量：$\frac{2 M(\mathrm{~N})}{M\left[\mathrm{CO}\left(\mathrm{NH}_2\right)_2\right]}=\frac{2 \times 14 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}}{60 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}}=0.467$
$\mathrm{NH}_4 \mathrm{NO}_3$ 的含氮量：$\frac{2 M(\mathrm{~N})}{M\left(\mathrm{NH}_4 \mathrm{NO}_3\right)}=\frac{2 \times 14 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}}{80 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}}=0.350$
$\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{SO}_4$ 的含氮量：$\frac{2 M(\mathrm{~N})}{M\left[\left(\mathrm{NH}_4\right)_2 \mathrm{SO}_4\right]}=\frac{2 \times 14 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}}{132 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}}=0.212$
从以上数值分析得出， $\mathrm{CO}\left(\mathrm{NH}_2\right)_2$ 的含氮量最高，其肥效应最好。
（2）尿素是使用量最多的氮肥之一，主要是由于：尿素的含氮量较其他氮肥高，肥效也高；尿素在土壤中会与水缓慢反应，生成物可被作物吸收利用，肥效较其他氮肥持久；尿素属于中性肥料，与其他氮肥相比，对土壤一般无不良影响；等等。
在土壤中通常很少直接施用氨水的原因，可从以下方面思考：氨水具有碱性；氨水的挥发性很强，容易造成氮元素的损失；氨具有刺激性气味；氨极易溶于水，雨水也很容易使氨流失；氨水为液态，储存、运输和使用均不如固态氮肥方便；等等。

## 自然界中的氮循环
氮循环是自然界中又一种重要的物质循环方式，其主要的化学过程如下：

空气中的氮气与氧气在放电条件下反应，使游离态的氮转化为化合态的氮。

$$
\stackrel{0}{\mathrm{~N}} \mathrm{~N}_2 \longrightarrow \stackrel{+2}{\mathrm{~N}} \mathrm{O} \longrightarrow \stackrel{+4}{\mathrm{~N}} \mathrm{O}_2 \longrightarrow \stackrel{+5}{\mathrm{HNO}_3} \longrightarrow \stackrel{+5}{\mathrm{NO}_3^{-}}(\text {硝酸盐 })
$$

自然界中，通过这种固氮所形成的含氮化合物很少，大部分是来自生物固氮。生物固氮酶将空气中的氮气还原为氨，氨溶于水后产生铵根离子，被植物吸收。

$$
\stackrel{0}{\mathrm{~N}_2} \xrightarrow{\text { 固氮酶 }} \stackrel{-3}{\mathrm{NH}_3} \xrightarrow{\mathrm{H}_2 \mathrm{O}} \stackrel{-3}{\mathrm{NH}_4^{+}}
$$

铵根离子经土壤中细菌的作用转化为硝酸根离子，这种氧化过程称为硝化作用。硝酸根离子是可被植物吸收的另一种形态。

$$
\stackrel{-3}{\mathrm{NH}_4^{+}} \xrightarrow{\text { 土壤中的细菌 }} \stackrel{+3}{\mathrm{NO}_2^{-}} \xrightarrow{\text { 土壤中的细菌 }}+5 \mathrm{NO}_3^{-}
$$

在氧气不足的条件下，土壤中的细菌又将硝酸根转化为氮气，且从土壤中释放出来。这是硝酸根在土壤中的细菌作用下被还原的过程，称为反硝化作用。

$$
\stackrel{+5}{\mathrm{NO}_3^{-}} \xrightarrow{\text { 土壤中的细菌 }} \stackrel{+2}{\mathrm{~N}} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { 土壤中的细菌 }} \stackrel{+1}{\mathrm{~N}_2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { 土壤中的细菌 }} \stackrel{0}{\mathrm{~N}_2}
$$

![图片](/uploads/2025-10/cd6110.jpg)
 
 总之，氮循环是大气中的氮气经微生物等作用进入土壤与海洋，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气，如此反复循环，建立起的平衡。氮循环为动植物的生长提供所需的营养物质，对生物和人类活动具有重要意义

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