氮族元素学案
我们已学习了ⅠA、ⅣA、Ⅵ A、Ⅶ A等主族元素。在周期表中，位于碳族元素和氧族元素之间的第ⅤA族元素也是主族元素，包括 （ ）、 （ ）、 （ ）、 （ ）、 （ ）（填元素名称和符号）五种元素，我们称它们为氮族元素。
随着核电荷数和原子核外电子层数的增加，氮族元素的一些性质呈现规律性变化。例如，在周期表中从上到下，元素的原子半径 ，核对外层电子的引力 ，在化学反应中得电子的能力 ，失电子能力 ，非金属性 ，金属性 。在氮族元素的单质中，氮、磷表现出比较明显的 性，砷虽然是非金属，但已有一些 性，而铋、锑已具有比较明显的 性。
氮族元素在它们的化合物中，能显示出多种化合价，如 、 、 等。从氮族元素的原子结构看，它们的原子最外层都有 个电子，最高化合价都是 。
思考：从氮族元素在周期表中的位置看，氮族元素的非金属性与卤族元素、氧族元素相比，强弱如何？
一、氮气
氮是一种重要的元素，它以 态存在于多种 和 之中，是构成 和 不可缺少的物质。在空气中，氮以氮气的形式存在，是空气的主要成分。
纯净的氮气是一种 的气体，密度比空气的 。氮气在水中的溶解度 ，通常状况下，1体积水中只能溶解大约 体积的氮气。在压强为101 kPa时，氮气在-195.8℃时变成无色液体，在-209.9℃时变成雪花状固体。氮气的一些物理性质见表1。
氮气是由氮原子组成的 分子。氮分子中，2个氮原子共用 电子,形成 共价键，其电子式为 ，结构式为 。
由于氮分于中的 键很牢固，使氮分子的结构很 。通常状况下，氮气的化学性质 ，很 （填难或易）与其他物质发生化学反应。但是，在 条件下，如 、 、 等，氮分子获得足够的 ，使 断裂，就能与一些物质如H2、O2等发生化学反应。
1．氮气与氢气的反应
在 、 和有 存在的条件下，N2与H2可以直接化合，生成氨（NH3），并放出热量。同时，NH3也会分解成N2和H2，所以，这个反应是个可逆反应。反应方程式为：
工业上利用这一反应原理合成 。关于合成氨工业，我们将在以后介绍。
2．氮气与氧气的反应
我们知道，空气的主要成分是N2和O2，在通常状况下，它们不起反应。但是，
在 条件下，N2和O2却可以直接化合，生成 色、 溶于水的 （ ）
（填名称和化学式，下同）气体。反应的化学方程式为
反应生成的NO在常温下很容易与空气中的 化合，生成 色、 气味的 （ 2）气体。反应的化学方程式为
NO2是一种 气体， 溶于水，它与水反应生成 和 。工业上利用这一反应制取 。反应化学方程式：
以上几个反应是在自然界中经常发生的重要反应。在 的雨天，会产生放电现象，由于放电，使空气中的 和 反应生成了 ， 又被O2氧化成 。 在雨水中与水反应生成 ，随雨水淋洒到土壤中，并与土壤中的矿物质作用生成能被植物吸收的 。这样就使土壤从空气中得到氮，促进了植物的生长。
值得注意的是， 和 是大气的污染物。空气中的NO和NO2污染物主要来自 和 燃烧的产物、 、 的废气等。近年来，光化学烟雾污染问题已引起人们的注意，而空气中的 是造成光化学烟雾的主要因素。NO2在紫外线照射下，会发生一系列光化学反应，产生一种有毒的烟雾—— ，刺激呼吸器官，使人生病甚至死亡。
另外，雷雨天如果产生大量的 ，也会造成酸雨，酸雨腐蚀金属、建筑物，破坏森林，污染湖泊……。
在工业上，氮气是 、制 的重要原料。在通常状况下由于氮气的化学性质很不活泼，因此它常被用作 。例如，焊接金属时用氮气保护金属使其不被氧化；在灯泡中填充氮气以防止 ；粮食、罐头、水果等食品，也常用氮气作保护气，以防止 。在医学上，常用 作冷冻剂，在冷冻麻醉条件下做手术等。在高科技领域中常用液氮制造 ，如有些超导材料就是在经液氮处理后的低温下才获得超导性能的。
二、氨
氮气与氢气在一定条件下反应生成氨。在自然界中，氨是 ，特别是 腐败后的产物。
1．氨的物理性质
氨是没有 、 气味的气体，在标准状况下，密度是0.771g/L，比空气的小。氨很容易被 化。在常压下冷却至－33.5℃或在常温下加压至700kPa～800kPa，气态氨就液化成 色液体，同时放出大量 。液态氨汽化时要 大量的热，使周围物质的温度急剧下降，所以氨常用作 。
氨对人的眼、鼻、喉等粘膜有刺激作用，接触时应小心。如果不慎接触过多的氨而出现病状，要及时吸入 和 蒸气，并用大量 冲洗眼睛。
2．氨的化学性质
氨的化学式为 ，在分子中，N与H以3个极性共价键相结合。
写出氨分子的电子式： 结构式：
经实验测定，氨分子的结构呈 形，氮原子位于 ，3个氢原子位于 ，N—H键之间的夹角为 。所以，氨分子是 分子。
（1）氨与水的反应
可以看到，烧杯里的水由玻璃管进入烧瓶，形成喷泉，烧瓶内液体呈红色。
思考：为什么烧瓶内会形成喷泉？
从上面的实验可以看出，氨极易溶于水中。经实验测定，在常温、常压下，1体积水中约能溶解 体积氨。
氨的水溶液叫做 。氨溶于水时，大部分NH3与H2O通过氢键结合，形成一水合氨（NH3·H2O）。NH3·H2O可以部分电离成NH4+和OH-所以氨水
显弱碱性。氨溶于水的过程中存在着下列可逆反应：
NH3·H2O不稳定，受热时分解为NH3和H2O。
反应方程式：
氨水对许多金属有 作用，所以不能用金属容器盛装，一般情况下，氨水是盛装在 、 或内涂 的铁桶里的。
（2）氨与氯化氢的反应
在我们学过的常见气体中，氨是能与酸反应生成盐的气体。
用两根玻璃棒分别在浓氨水和浓盐酸里蘸一下，然后将这两根玻璃棒接近（不要接触），可以看到，当两根玻璃棒接近时，产生大量的 。这种 是氨水挥发出的 与盐酸挥发出的 化合生成的微小的 晶体。
反应方程式：
（3）氨与氧气的反应
通常状况下，氨在氧气中不反应，但在催化剂（如铂、氧化铁等）存在的条件下，能与氧气反应生成 和 ，并放出热量。
反应方程式：
这一反应叫做氨的 （或叫 ），是工业上制硝酸的基础。
3．氨的实验室制法
在实验室，常用加热 和 的混合物的方法来制取氨。例如，把固体NH4Cl和Ca(OH)2混合后加热，就可得到氨。
反应方程式：
在试管中放入固体NH4Cl和Ca(OH)2的混合物，加热。用干燥的试管收集氨（见课本插图）。把湿润的红色石蕊试纸放在试管口，观察试纸颜色的变化。
可以看到，加热一会儿后，红色石蕊试纸变成 色。这是因为 遇到湿润的红色石蕊试纸时，与 结合成了 ， 显碱性，使红色石蕊试纸变成了蓝色。在实验中，当 时，说明氨已充满试管，应立即 ，并将多余的氨吸收掉（可在导管口放 棉花球），避免污染空气。
若要制取干燥的氨，可使产生的氨通过干燥剂。在实验室，通常是将制得的氨通过 ，以除去其中的水蒸气。
讨论1 能否用浓硫酸作干燥剂除去氨中的水蒸气？为什么？
由于氨水受热分解可产生氨气，在实验室有时也用加热 的方法得到氨气。
4．氨的用途
氨是一种重要的化工产品。它是氮肥工业及制造 、 、 等的重要原料。在有机合成工业（如制合成纤维、塑料、染料、尿素等）中，氨也是一种常用的原料。氨还可用作制冰机中的 。
三、铵盐
氨与盐酸反应的产物是 ，像NH4Cl这样由铵离子（NH4+）和酸根离子构成的化合物叫做 。铵盐都是晶体，并且都能溶于水。
铵盐主要有以下化学性质：
1．铵盐受热分解
【实验5】在试管中加入少量NH4Cl晶体，加热,观察发生的现象。
有些铵盐受热可分解产生NH3。从实验可以看到,加热后不久，在试管上端的试管壁上有白色固体附着。这是由于受热时，NH4Cl会分解，生成 和 ，冷却时，NH3和HCl重新结合，生成NH4Cl。
反应方程式：
NH4HCO3受热时也会分解，生成NH3、H2O和CO2。
反应方程式：
铵盐可用作 ，由于铵盐受热易分解，贮存氮肥时，应 并放在 ；施肥时应 ，以保证肥效。
2．铵盐与碱的反应
【实验6】 在两个试管中各加入少量(NH4)2SO4固体和NH4NO3固体，分别向两个试管中滴加10％的NaOH溶液，加热，并用湿润的红色石蕊试纸靠近试管口。观察发生的现象。
可以看到，加热后，两个试管中都有气体产生，并可闻到 气味。同时还看到，湿润的红色石蕊试纸 。可见，实验中产生了氨气，这说明(NH4)2SO4、NH4NO3都能与碱反应生成NH3。以上反应的化学方程式为：
、
事实证明，铵盐与碱共热都能产生 ，这是铵盐的 性质。
我们利用铵盐与碱反应的性质在实验室制取氨气，同时也可以利用这个性质检验铵离子的存在。
讨论2 如何用实验方法证明某白色固体是铵盐。
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