化學原理啟迪451
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2014 2015
1.
到目前為止，最重要的氮氫化物是「氨ammonia」。氨是有毒性、無色、氣味嗆鼻的氣體。
人類每年生產大約400億磅的氨，主要的用途是施肥。
2.
「氨分子」的構造為四面體三角錐，在氨的氮原子上有1對未鍵結的電子對，並且有3個極性「N－H鍵」，這個結構使液態氨的分子間產生強大的引力「氫鍵」，使氨在莫耳數較低的情形下，卻有較高的沸點。
3.
不過，「液態氨」的氫鍵不如「液態水」的氫鍵，水的莫耳量與「氨」差不多，但是沸點更高；水分子有2個「O－H極性鍵」，2組「孤鍵結電子」，而氨分子有1組「孤對電子」和3個「極性鍵」。
4.
「氨」的行為是鹼，「氨」能與「酸」反應產生「氨鹽」。舉例來說：
NH3(g)＋HCl(g)→NH4Cl(s)
5.
第三種重要的氮氫化物是「聯胺hydrazine「（N2H4）。聯胺的路易斯結構如下：
6.
從構造來看，聯胺的每個氮原子是sp3混成軌域，N的每個化學鍵鍵角是109.5度（四面錐體的夾角），這是因為每個氮原子環繞4對電子。實際觀察聯胺的鍵角是112度，接近理論所預期的。
7.
「聯胺」是無色的氣體，具有氨的嗆鼻味，冰點/凝固點是2℃，沸點是113.5℃；就聯胺的莫耳量只有32來說，沸點算是非常高；由此可推測，極性聯胺分子群彼此有許多氫鍵互相連結。
8.
「聯胺」是強大的還原劑，常做為火箭推進劑。舉例來說，「聯胺」與「氧」反應是大量散熱的：
N2H4(l)＋O2(g)→N2(g)＋2H2O(g)
ΔH°＝－622kJ
9.
因為「聯胺」也會與「鹵素」激烈反應，所以火箭引擎使用「氟」替代「氧」作為氧化劑。有取代基的聯胺，是指聯胺的其中1個或多個氫原子，替換成其他取代基。
10.
「有取代基的聯胺」也是火箭燃料，舉例來說，單甲基聯胺monomethylhydrazine：
11.
「單甲基聯胺」可與氧化劑「四氧化二氮(N2O4)」反應，為美國太空梭帶來驅動能量，這個反應是：
5N2O4(l)＋4N2H3(CH3)(l)→12H2O(g)＋9N2(g)＋4CO2(g)
12.
因為這個反應會產生大量的氣體分子和散熱，因此這個燃料每莫耳產生強大的推進力。這個反應也能自行啟動；當燃料的2種成分混合，反應立刻爆發，這個性質正是火箭引擎所需要的，火箭需要不時啟動與停止。
13.
聯胺當作火箭推進劑是比較特殊的用途，聯胺在工業上的主要用途是塑膠的發泡劑。聯胺能產生氮氣，造成液態塑膠起泡，產生充滿洞隙的材質。
14.
聯胺另一個主要用途是農業用殺蟲劑，在數百種聯胺衍生物中，已實驗出40種可作為殺霉菌劑、除草劑、除蟲劑或植物生長調節素。
15.
聯胺的生產方式，在鹼性溶液中，用「次氯酸鹽」氧化「氨」：
2NH3(aq)＋OCl－(aq)→N2H4(aq)＋Cl－(aq)＋H2O(l)
16.
雖然方程式看起來像反應直接生成產物，不過反應實際上經歷許多步驟才變成產物。這個反應需要在高溫、高壓與催化劑下，才能提高聯胺的產量，因為主反應以外還有許多競爭反應干擾。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》
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