氮气:
氮气,常况下是一种无色无味无臭的气体,且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%(体积分数),是空气的主要成份。常温下为气体,在标准大气压下,冷却至-195.8℃时,变成没有颜色的液体,冷却至-209.86℃时,液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质很稳定,常温下很难跟其他物质发生反应,但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化,用来制取对人类有用的新物质。
物理性质:
(1)无色无味的气体
(2)不易溶于水
(3)在标准状况下密度为1.251g/L,密度比空气略小
化学性质:
化学性质不活泼,一般情况下不能燃烧,也不支持燃烧;在常温下难与其他物质发生反应,但在高温下也能与一些物质发生化学反应。
用途:
(1)焊接金属时做保护气
(2)灯泡中填充氮气以延长灯泡的使用寿命,食品包装袋中充有氮气以防止食品腐烂变质
(3)医疗上可以在液氮冷冻麻醉的条件下做手术
(4)超导材料在液氮的低温环境下能显示超导性能
(5)制造氮肥和硝酸
(6)有些博物馆把贵重罕见的书画,墨宝保存在充满氮气的圆筒中,既可以避免氧化变质,又可防止虫蛀霉变。
氮的化学性质:
1. 氮化物反应
氮化镁与水反应:Mg3N2+6H2O=3Mg(OH)2↓+2NH3↑
在放电条件下,氮气才可以和氧气化合生成一氧化氮:N2+O2=放电=2NO
一氧化氮与氧气迅速化合,生成二氧化氮2NO+O2=2NO2
二氧化氮溶于水,生成硝酸,一氧化氮3NO2+H2O=2HNO3+NO
五氧化二氮溶于水,生成硝酸,N2O5+H2O=2HNO3
2. 氮和活泼金属反应
N2与金属锂在常温下就可直接反应:6Li+N2===2Li3N
N2与碱土金属Mg、Ca、Sr、Ba在炽热的温度下作用:3Ca+N2===Ca3N2
N2与镁条反应:3Mg+N2=点燃=Mg3N2(氮化镁)
3. 氮和非金属反应
N2与氢气反应制氨气:N2+3H2===(可逆符号)2NH3
N2与硼要在白热的温度才能反应:2B+N2===2BN(大分子化合物)
N2与硅和其它族元素的单质一般要在高于1473K的温度下才能反应。
氮气用途——汽车轮胎
1.提高轮胎行驶的稳定性和舒适性
氮气几乎为惰性的双原子气体,化学性质极不活泼,气体分子比氧分子大,不易热胀冷缩,变形幅度小,其渗透轮胎胎壁的速度比空气慢约30~40%,能保持稳定胎压,提高轮胎行驶的稳定性,保证驾驶的舒适性;氮气的音频传导性低,相当于普通空气的1/5,使用氮气能有效减少轮胎的噪音,提高行驶的宁静度。
2.防止爆胎和缺气碾行
爆胎是公路交通事故中的头号杀手。据统计,在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的,其中爆胎一项就占轮胎事故总量的70%。汽车行驶时,轮胎温度会因与地面磨擦而升高,尤其在高速行驶及紧急刹车时,胎内气体温度会急速上升,胎压骤增,所以会有爆胎的可能。而高温导致轮胎橡胶老化,疲劳强度下降,胎面磨损剧烈,又是可能爆胎的重要因素。而与一般高压空气相比,高纯度氮气因为无氧且几乎不含水份不含油,其热膨胀系数低,热传导性低,升温慢,降低了轮胎聚热的速度,不可燃也不助燃等特性,所以可大大地减少爆胎的几率。
3.延长轮胎使用寿命
使用氮气后,胎压稳定体积变化小,大大降低了轮胎不规则磨擦的可能性,如冠磨、胎肩磨、偏磨,提高了轮胎的使用寿命;橡胶的老化是受空气中的氧分子氧化所致,老化后其强度及弹性下降,且会有龟裂现象,这时造成轮胎使用寿命缩短的原因之一。氮气分离装置能极大限度地排除空气中的氧气、硫、油、水和其它杂质,有效降低了轮胎内衬层的氧化程度和橡胶被腐蚀的现象,不会腐蚀金属轮辋,延长了轮胎的使用寿命,也极大程度减少轮辋生锈的状况。
4.减少油耗,保护环境
轮胎胎压的不足与受热后滚动阻力的增加,会造成汽车行驶时的油耗增加;而氮气除了可以维持稳定的胎压,延缓胎压降低之外,其干燥且不含油不含水,热传导性低,升温慢的特性,减低了轮胎行走时温度的升高,以及轮胎变形小抓地力提高等,降低了滚动阻力,从而达到减少油耗的目的。
金刚石:
金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石,它是一种由纯碳组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛,例如:工艺品、工业中的切割工具。碳可以在高温、高压下形成金刚石。
石墨: 石墨是元素碳的一种同素异形体,每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子(排列方式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合,构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子,那些电子能够自由移动,因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物,它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。
C60:
C60分子是一种由60个碳原子构成的分子,它形似足球,因此又名足球烯。(C60这种物质是由C60分子组成的,而不是由原子构成的。) C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子,它具有60个顶点和32个面,其中12个为正五边形,20个为正六边形。其相对分子质量约为720。
金刚石,石墨,碳60性质及用途比较
名称 |
金刚石 |
石墨 |
碳60 |
外观 |
纯净无色透明,正八 面体形状的晶体 |
深灰色,有金属光泽,不 透明的细鳞片状的固体, 质软,有滑腻感 |
分子型似足球状, 有金属光泽,其微晶 粉末呈黄色 |
结构模型 |
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导电性 |
几乎不导电 |
良好 |
几乎不导电 |
硬度 |
天然存在的最硬物质 |
质软 |
质脆 |
导热性 |
很差 |
良好 |
很差 |
熔点 |
很高 |
很高 |
较低 |
用途 |
钻头,刻刀,装饰品 |
电极,铅笔芯,润滑剂 |
制备新材料,新配 件,医学应用 |
区别与联系 |
金刚石、石墨,C60,,的物理性质有很大差异,原因是这些单质中碳原子的排列方式不同,但由于它们都是由碳元素组成的单质,故化学性质相同。金刚石与石墨通过化学反应可以相互转变。 |
人造金刚石:
20世纪80年代,人们发现人造金刚石在半导体制造行业具有广泛的应用前景。因为计算机芯片的基体材料—硅的导热性不好,这成为进一步提高芯片性能的难题。而金刚石在导热性方而远远超过硅(甚至超过铜和银),于是它成了芯片基体材料的最佳选择。正是这种需求推动了人造金刚石的研究。
碳纤维:
碳纤维是一种纤维状碳材料,它是将有机纤维与塑料树脂结合在一起,放在惰性气氛中,在一定压强下加强热、炭化而成的。碳纤维是一种强度比钢大,密度比铝小,比不锈钢还耐腐蚀,比耐热钢还耐高温,又能如铜那样导电,具有电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料,可以代替铝合金来制造飞机。制成的飞机,不仅轻巧,而且消耗动力少、推力大、噪音小。用碳纤维制电子计算机的磁盘,能提高计算机的贮存量和运算速率。用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器,机械强度高,质量小,可节省大量的燃料。总之,用碳纤维或碳纤维增强的塑料、玻璃、陶瓷和金属等材料来代替钢材和合金等,在化工、机电、造船,特别是飞机制造、宇航器材等领域中有广泛的应用。
定义:
木炭、活性炭、炭黑、焦炭是由石墨的微小晶体和少址杂质构成的,均属混合物。没有固定的几何外形,所以称为无定形碳。
无定形碳的物理性质、主要用途及制法
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物理性质 |
用途 |
制法 |
木炭 |
灰黑色多孔固体 |
制黑火药。制活性炭,制炭笔,吸附色素 |
木材隔绝空气加强热 |
活性炭 |
黑色粉末或颗粒状固体 |
净化多种气体和液体,制作防毒面具,使溶液脱色 |
木炭在高温下用水蒸气处理 |
炭黑 |
黑色粉末状固体 |
制造油墨、油漆、鞋油、颜料、墨汁及橡胶制品的填料 |
含碳物质不完全燃烧 |
焦炭 |
浅灰色多孔固体,质地坚硬 |
作燃料,作冶金工业还原剂 |
烟煤隔绝空气条件下加强热制得 |
木炭、活性炭的吸附作用: 木炭、活性炭因具有疏松多孔的结构,表面积很大,所以吸附能力很强,吸附时被吸附物(有色液体、有毒气体等)吸附在其表面(细孔管道内),这个过程是物理变化。木炭、活性炭的吸附性属于物理性质。活性炭是木炭经过水蒸气高温处理得到的,它具有很大的表面积,因此活性炭的吸附能力比木炭强。
中和反应:
(1)定义:酸跟碱作用生成盐和水的反应,叫做中和反应。
(2)实质:酸中的氢离子与碱中的氢氧根离子作用生成水的过程。
概念理解:
①中和反应一定生成盐和水,但生成盐和水的反应不一定是中和反应。如Fe2O3+6HCl==2FeCl3+3H2O不是中和反应
②中和反应一定是复分解反应,但复分解反应不一定是中和反应。二者的关系是复分解反应包含了中和反应。
探究中和反应是否发生的方法:
酸与碱作用生成盐和水的反应叫中和反应,中和反应一般情况下没有明显的外观现象【H2SO4+ Ba(OH)2==BaSO4↓+2H2O除外】。
探究酸碱发生中和反应的方法有以下几种(以HCl和NaOH反应为例):
1. 指示剂法。先在NaOH溶液中滴加几滴酚酞溶液,溶液显红色,然后再滴加盐酸,观察到红色逐渐消失,则证明NaOH溶液与稀盐酸发生了化学反应。
2. pH试纸法。先用pH试纸测定NaOH溶液的pH,再滴加盐酸,并不断振荡溶液,同时多次测定混合溶液的pH。如果测得pH逐渐变小且小于7,则证明 NaOH溶液与稀盐酸发生了化学反应。
3. 热量变化法。化学反应通常伴随着能量的变化.所以可借助反应前后的温度变化来判断反应的发生。如果NaOH溶液与稀盐酸混合前后温度有变化,则证明发生了化学反应。
中和反应的应用:
①改变土壤的酸碱性根据土壤情况,可以利用中和反应,在土壤中加人适量酸性或碱性物质,调节土壤的酸碱性,以利于植物生长。如:近年来由于空气污染造成的酸雨,导致一些地方的土壤显酸性,不利于农作物生长,人们通常向土壤中撒适量熟石灰中和其酸性。
②处理工厂的废水工厂里排出的废水有一些显酸性或碱性,直接排放会对水体和环境造成污染。通常在排出的废水中加入适量的碱性或酸性物质中和。如:废水中含有硫酸可向其中加人适从熟石灰,反应的化学方程式为:H2SO4+Ca(OH)2==CaSO4+2H2O。
③用于医药人体胃酸(主要成分是盐酸)过多,会造成消化不良,甚至会产生胃病,通常服用呈碱性的物质来消除症状,如氢氧化铝,反应的化学方程式为:3HCl+Al(OH)3== AlCl3+3H2O。被蚊虫叮咬(蚊虫能分泌出蚁酸)后,可在患处涂上显碱胜的物质,如:NH3·H2O。