氮价：构型和化合物 - 化学

氮的化合价范围从-3作为氨和胺到+5和硝酸（Tyagi，2009）。此元素不会像其他元素那样扩展化合价。

氮原子是原子序数为7的化学元素，是元素周期表中第15组的第一个元素（以前为VA）。该组由氮（N），磷（P），砷（As），锑（Sb），铋（Bi）和Moscovium（Mc）组成。

图1：氮原子的玻尔图。

这些元素在化学行为上具有某些普遍的相似之处，尽管它们在化学上明显不同。这些相似之处反映了其原子电子结构的共同特征（Sanderson，2016）。

氮几乎存在于所有蛋白质中，在生化和工业应用中都起着重要作用。氮由于能够与另一个氮原子和其他元素形成三键而形成牢固的键。

因此，氮化合物中存在大量能量。在100年前，人们对氮知之甚少。现在，氮通常用于保存食物和用作肥料（Wandell，2016年）。

电子配置和价

在一个原子中，电子根据其能量填充不同的能级。第一个电子填充较低的能级，然后移动到较高的能级。

原子中最外层的能级被称为价壳，而置于该壳中的电子被称为价电子。

这些电子主要存在于键形成以及与其他原子的化学反应中。因此，价电子负责元素的不同化学和物理性质（价电子，SF）。

如前所述，氮的原子序数为Z = 7。这意味着其以能级或电子构型填充的电子为1S ² 2S ² 2P ³。

必须记住，在自然界中，原子总是通过获取，丢失或共享电子来寻求具有稀有气体的电子构型。

在氮气的情况下，试图具有电子构型的稀有气体为氖气，其原子序数为Z = 10（1S ² 2S ² 2P ⁶），氦气的原子序数为Z = 2（1S ²）（ Reusch，2013年）。

氮的不同结合方式将使其化合价（或氧化态）。在特定的氮情况下，由于它处于元素周期表的第二个周期中，因此它无法像其组中的其他元素一样扩展其化合价层。

它的化合价应为-3，+ 3和+5。但是，氮的化合价态范围从在氨和胺中为-3到在硝酸中为+5。（Tyagi，2009年）。

价键理论有助于根据给定氧化态下氮的电子构型来解释化合物的形成。为此，必须考虑价壳中的电子数量以及剩下多少来获得稀有气体构型。

图2：化合价为0的分子氮结构。

鉴于其大量的氧化态，氮可以形成大量的化合物。首先，必须记住，就分子氮而言，根据定义，其化合价为0。

-3的氧化态是该元素最常见的状态之一。具有这种氧化态的化合物的实例是氨（NH3），胺（R3N），铵离子（NH ₄ ⁺），亚胺（C = NR）和腈（C = N）。

在-2的氧化态下，氮在其化合价壳中残留有7个电子。价壳中电子的奇数解释了为什么具有这种氧化态的化合物在两个氮原子之间具有桥键。具有这种氧化态的化合物的实例是肼（R ₂ -NNR ₂）和（C = NNR ₂）。

在-1氧化态下，价态壳中残留有6个电子的氮。具有该化合价的氮化合物的实例是羟胺（R ₂ NOH）和偶氮化合物（RN = NR）。

在正氧化态下，氮通常会附着在氧原子上，形成氧化物，含氧盐或含氧酸。在+1氧化态的情况下，氮的化合价壳中有4个电子。

具有该化合价的化合物的例子是二氧化氮或笑气（N ₂ O）和亚硝基化合物（R = NO）（Reusch，氮的氧化态，2015）。

对于+2的氧化态，一个例子是氮氧化物或一氧化氮（NO），这是一种通过金属与稀硝酸反应生成的无色气体。该化合物是极不稳定的自由基，因为它与空气中的O ₂反应形成NO ₂气体。

亚硝酸盐（NO ₂ ^- ）在碱性溶液和亚硝酸（HNO ₂在酸性溶液中）是具有+3氧化态的化合物的例子。这些可以是通常产生NO（g）的氧化剂，也可以是形成硝酸根离子的还原剂。

三氧化二氮（N ₂ O ₃）和硝基（R-NO ₂）是化合价为+3的含氮化合物的其他示例。

二氧化氮（NO ₂）或二氧化氮是化合价为+4的氮化合物。它是一种棕色气体，通常通过浓硝酸与许多金属反应生成。二聚形成N ₂ O ₄。

在状态+5中，我们发现硝酸盐和硝酸是酸性溶液中的氧化剂。在这种情况下，氮在价壳中具有2个电子，它们在2S轨道中。（氮的氧化态，SF）。

还存在诸如氮硅叠氮化物和三氧化二氮的化合物，其中氮在分子中具有各种氧化态。对于硝基硅叠氮化物（N ₄ O），氮的化合价为-1、0，+ 1和+2；对于三氧化二氮，其化合价为+2和+4。

考虑到氮化合物化学的复杂性，传统的命名法不足以命名它们，更不用说正确识别它们了。这就是为什么除其他原因外，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）创建了系统的命名法，其中化合物根据其包含的原子数来命名。

在命名氮氧化物时，这是有益的。例如，一氧化氮将被称为一氧化氮和一氧化二氮（NO）一氧化二氮（N ₂ O）。

此外，1919年，德国化学家阿尔弗雷德·斯托克（Alfred Stock）开发了一种根据氧化态命名化合物的方法，该方法用括号内的罗马数字书写。因此，例如，一氧化氮和一氧化二氮分别称为氮氧化物（II）和氮氧化物（I）（IUPAC，2005）。