化學原理啟迪449
"Proenza Schouler" Full Show Autumn Winter 2013 2014
New York
1.
地表的「氮元素」最終都會以N2分子的形式存在，N2分子有非常強的三鍵（941kJ/mol），因為三鍵的鍵能很強，所以N2分子不容易起反應。
2.
在一般環境條件下，N2分子不會與其他元素起反應，這個性質使氮氣成為物質與氧或水反應時的良好介質。這類的實驗可在鈍氣箱進行。
3.
無論是在熱力學和動力學方面，N2分子三鍵的強度都很重要。就熱力學來看，N≡N鍵的穩定度代表，絕大部分含氮的二元化合物，瓦解成元素的過程是散熱的，舉例來說：
N2O(g)→N2(g)＋1/2O2(g) ΔH°＝－82kJ
NO(g)→1/2N2(g)＋1/2O2(g) ΔH°＝－90kJ
NO2 (g)→1/2N2(g)＋O2(g) ΔH°＝－34kJ
N2H4(g)→N2(g)＋2H2(g) ΔH°＝－95kJ
NH3(g)→1/2N2(g)＋3/2H2(g) ΔH°＝＋46kJ
4.
這些化合物中，只有氨瓦解成元素的反應是吸熱的，只有氨比它的組成元素穩定，氨需要外在環境灌注能量將化合物瓦解成元素；其餘含氮化合物瓦解成元素會釋放能量，這是因為N2分子非常穩定。
5.
N2的熱力穩定度，可從氮鹼炸藥的威力看出，以硝化甘油nitroglycerin（C3H5N3O9）為例，其結構如下：
6.
點燃硝化甘油或硝化甘油受到撞擊，會瞬間瓦解散熱：
4C3H5N3O9(l)→6N2(g)＋12CO2(g)＋10H2O(g)＋O2(g)＋energy
也就是說硝化甘油爆炸了；爆炸就是瞬間產生大量的氣體，進行高度散熱的反應。
7.
特別留意，4莫耳的硝化甘油液體，能產生29莫耳的氣體產物：6mole
N2＋12moleCO2＋10moleH2O＋1moleO2＝29mole的產物分子；光是這樣就會使物質的體積大為增加。
8.
另外有一點也值得注意，包括N2分子在內的產物，都有非常強的化學鍵，是非常穩定的分子，因此，生成產物不但會釋放大量的能量（熱），也會增加氣體的體積；反應釋放的熱會迅速擴張氣體體積，產生巨大的壓力波和破壞性震波。
9.
大部分威力強大的炸藥是有機化合物，例如硝化甘油，帶有硝基，反應後產生氮氣和其他氣體產物，另一個例子是三硝基甲苯trinitrotoluene(TNT)，在常溫下是固體，分解後如下：
2C7H5N3O6(s)→12CO(g)＋5H2(g)＋3N2(g)＋2C(s)＋energy
特別留意，2mole的三硝基甲苯TNT固體，產生20mole的氣體與能量。
10.
N2分子的鍵能對反應動能的影響，我們可用氮氣與氫氣合成氨的反應說明。
11.
雖氮氣與氫氣合成氨的反應，平衡常數非常大K≒108，反應有利於生成產物，但是因為破壞N≡N鍵需要大量的能量，在室溫下，氮氣與氫氣無法有效率地合成氨。
12.
加速反應最直接的方式是提高溫度，可是，這個反應卻是高度散熱的：
N2(g)＋3H2(g)→2NH3(g) ΔH°＝－92kJ
隨著溫度上升，平衡常數k值也顯著下降（在500℃，平衡常數K≒10－2）
徐弘毅注：平衡常數愈小，代表反應能夠生成的產物量愈少。所以，提高溫度雖然提高的反應物分子破壞化學鍵的動能，卻也限制反應物分子結合成產物的成效。
13.
顯然氮氣與氫氣合成氨的反應，其動力大小變化與熱力大小變化是相反的；所以要兼顧二者，必須加壓，迫使反應往右，提高溫度，以提高反應速率。
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