Какво е азот? Масата на азота. Азотна молекула

На неметален елемент на 15 група [Va] Периодичната таблица - азотен атом, два от които се комбинират, за да образуват молекула - безцветен, без мирис и вкус газ представлява голяма част от земната атмосфера и който е част от всички живи същества.

История на откриването

Азотният газ е около 4/5 от земната атмосфера. Той е изолиран по време на ранните въздушни изследвания. През 1772 шведският химик Карл-Вилхелм Шеле първо демонстрира какъв азот е. Според него, въздухът е смес от два газа, една от които той нарича "огън въздух", която е в подкрепа на изгаряне, а друг - .. "Нечистия въздух", защото тя остава след първата консумира. Беше кислород и азот. Приблизително по същото време азотът е бил изолиран от шотландския ботаник Даниел Ръдърфорд, който за първи път публикува откритията си, както и на британския химик Хенри Кавендиш и британската духовник и учен Джоузеф Пристли, който споделя с Шеле върховенство на откриването на кислород. Допълнителни проучвания показват, че новият газ е част от нитрат или калиев нитрат (KNO₃), И, съответно, той е кръстен на азот ( "раждат селитра") от френския химик Chaptal през 1790 азот за първи път е класифициран като химични елементи Лавоазие, чието обяснение за ролята на кислорода в горивната опровергава теорията флогистон - популярен в XVIII век. погрешна идея за изгаряне. Неспособността на този химичен елемент да поддържа живота (на гръцки зета-омега-и) е причината, поради която Лавоазие нарече газовия азот.

Възникване и разпространение

Какво е азот? Чрез разпространението на химическите елементи той заема шесто място. Земната атмосфера е 75,51% от теглото и 78,09% от обема се състои от този елемент и е неговият основен източник за промишлеността. Атмосферата съдържа и малко количество амониеви и амониеви соли, както и азотни оксиди и азотна киселина, образувани по време на гръмотевични бури, както и в двигатели с вътрешно горене. Свободен азот се среща в много метеорити, вулканични и минерални газове и някои минерални извори, на слънце, в звезди и мъглявини.

Азотът се среща и в минералните отлагания на калиев нитрат и натрий, но не е достатъчен за задоволяване на човешките нужди. Друг материал, богат на този елемент, е гуано, което може да се намери в пещери, където има много прилепи, или на сухи места, посещавани от птици. Също така азотът се съдържа в дъжд и почва под формата на амоняк и амониеви соли и в морска вода под формата на амониеви йони (NH₄⁺), нитрит (NO₂^-) и нитрати (NO₃^-). Средно около 16% от сложните органични съединения, като протеини, присъстват във всички живи организми. Природното му съдържание в земната кора е 0,3 части на 1000. Разпространението в космоса е от 3 до 7 атома на силициев атом.

Най-големите държави, произвеждащи азот (под формата на амоняк) в началото на XXI век, са Индия, Русия, Съединените щати, Тринидад и Тобаго, Украйна.

Търговско производство и употреба

Промишленото производство на азот се основава на фракционната дестилация на втечнения въздух. Точката на кипене е -195.8 ° C, което е с 13 ° C по-ниско от това на кислорода, което е разделено. Азотът може също така да се произвежда в голям мащаб чрез изгаряне на въглерод или въглеводороди във въздуха и отделяне на получения въглероден диоксид и вода от остатъчния азот. В малък мащаб се получава чист азот чрез загряване на бариев азид Ba (N₃)₂. Лабораторните реакции включват загряване на разтвор на амониев нитрит (NH₄NO₂), окисляването на амоняк чрез воден разтвор на бром или нагряване меден оксид:

• NH₄⁺+NO₂^-→ N₂+2H₂О.
• 8NH₃+3Br₂→ N₂+6NH₄⁺+6Br^-.
• 2NH₃+3CuO → N₂+3H₂O + 3Cu.

Елементарен азот може да се използва като инертна атмосфера за реакции, изискващи изключване на кислород и влага. Използва се и течен азот. Водород, метан, въглероден моноксид, флуор и кислород са единствените вещества, които не се превръщат в твърдо кристално състояние при точката на кипене на азота.

В химическата промишленост, този химичен елемент се използва за предотвратяване окисляването или друг разваляне, като инертен разредител, реактивен газ за отстраняване на топлината или химикали, както и от пожар или експлозия инхибитор. В хранително-вкусовата промишленост азотният газ се използва за предотвратяване на развалянето на продукти и течността - за сушене чрез замразяване и системи за охлаждане. В електротехническата промишленост газът предотвратява окисляването и други химични реакции, създава налягане в кабелната обвивка и защитава електродвигателите. В металургията, азотът се използва при заваряване и запояване, предотвратявайки окисляването, раздробяването и декарбурирането. Като неактивна газ се използва в производството на порести каучук, пластмаси и еластомери, служи като пропелант в аерозолни флакони, и също така създава налягане в струи за течно гориво. В медицината бързо замразяване с течен азот се използва за запазване на кръвта, костния мозък, тъканите, бактериите и спермата. Той намери приложение в криогенните изследвания.

връзки

Повечето от азота се използват при производството на химични съединения. Тройната връзка между атомите на елемента е толкова силна (226 kcal на мол, два пъти повече от молекулярния водород), че азотната молекула едва влиза в други съединения.

Основният промишлен метод за фиксиране на елемента е процесът на синтез на амоняк на Хабер-Бош, разработен по време на Първата световна война, с цел да се намали зависимостта на Германия от Чилийски амониев нитрат. Той включва директен синтез на NH₃ - безцветен газ с остър, дразнещ мирис - директно от неговите елементи.

Повечето от амоняка се превръща в азотна киселина (HNO₃) и нитрати - соли и естери на азотна киселина, калцинирана сода (Na₂CO₃), хидразин (N₂Н₄) Безцветна течност, използвана като пропелант, и в много индустриални процеси.

Азотната киселина е друго основно търговско съединение на този химичен елемент. Безцветна, силно корозивна течност се използва в производството на торове, бои, лекарства и експлозиви. Амониев нитрат (NH₄NO₃) - сол на амоняк и азотна киселина - е най-разпространеният компонент на азотните торове.

Азот + кислород

С кислорода, азотът образува серия от оксиди, включително азотен оксид (N₂O), където неговата валентност е +1, оксид (NO) (+2) и диоксид (NO₂) (+4). Много азотни оксиди са изключително летливи, те са основните източници на замърсяване в атмосферата. Азотният оксид, познат още като газообразен газ, понякога се използва като анестетик. При вдишване причинява лека истерия. Азотният оксид реагира бързо с кислород, за да образува кафяв диоксид - междинен продукт производството на азотна киселина и мощен окислител в химическите процеси и ракетно гориво.

Също така се използват някои нитриди, образувани от комбинацията на метали с азот при повишени температури. Нитридите от бор, титан, цирконий и тантал имат специални приложения. Една кристална форма на борен нитрид (BN), например, не е по-ниска от диаметъра при твърдост и е слабо окислена, поради което се използва като високотемпературен абразив.

Неорганичните цианиди съдържат групата КН^-. Цианид, или циановодородна киселина HCN е изключително нестабилен и изключително токсичен газ, който се използва за фумигация, концентрация на руда в други промишлени процеси. Дициан (CN)₂ се използва като междинен химикал и за фумигация.

Азидите са съединения, които съдържат група от три азотни атома -N₃. Повечето от тях са нестабилни и много чувствителни към удари. Някои от тях, като оловен азид Pb (N₃)₂, се използват в детонатори и капсули. Азидите, като халогени, лесно взаимодействат с други вещества и образуват различни съединения.

Азотът е част от няколко хиляди органични съединения. Повечето от тях са получени от амоняк, циановодород, цианоген, азотен оксид или азотна киселина. Амините, аминокиселините, амидите, например, са получени от или са тясно свързани с амоняка. Нитроглицеринът и нитроцелулозата са естери на азотната киселина. Нитритите се приготвят от азотна киселина (HNO₂). Пурините и алкалоидите са хетероциклени съединения, в които азотът замества един или повече въглеродни атома.

Свойства и реакции

Какво е азот? Това е безцветен газ без мирис, който кондензира при -195.8 ° С в безцветна течност с нисък вискозитет. Елементът съществува под формата на N молекули₂, представена във формата: N ::: N: за която енергията на свързване, равна на 226 kcal на мол, е втора само на въглероден моноксид (256 kcal на мол). По тази причина енергията на активиране на молекулния азот е много висока, така че при обикновени условия елементът е сравнително инертен. В допълнение, една силно стабилна азотна молекула допринася значително за термодинамичната нестабилност на много азотсъдържащи съединения, при които връзките, макар и достатъчно силни, са по-ниски от молекулните азотни връзки.

Сравнително наскоро и неочаквано беше открита способността на азотните молекули да служат като лиганди в комплексни съединения. Наблюдението, че някои разтвори на рутениевите комплекси могат да абсорбират атмосферния азот, е довело до факта, че по-прост и по-добър метод за фиксиране на този елемент може скоро да бъде намерен.

Активният азот може да бъде получен чрез преминаване на газ под ниско налягане през високоволтово електрическо зареждане. Продуктът свети жълто и е много по-склонен да реагира от молекулярния с атомния водород, сярата, фосфора и различни метали и е способен да разлага NO до N₂ и О₂.

По-ясна представа за това какво е азот може да се получи от неговата електронна структура, която има формата 1s²2s²2P³. Петте електрона на външните обвивки слабо предпазват заряда, в резултат на което ефективният ядрен заряд се усеща на разстояние от ковалентния радиус. Азотните атоми са сравнително малки и имат висока електронегонактивност, разположена между въглерод и кислород. Електронната конфигурация включва три половин пълни външни орбитали, които правят възможно формирането на три ковалентни връзки. Следователно, азотният атом трябва да има изключително висока реактивност, образувайки стабилни двоични съединения с повечето други елементи, особено когато другият елемент по същество се различава по отношение на електронегретивността, което дава значителен поляритет на връзките. Когато електронегативността на другия елемент е по-ниска, полярността дава на азотния атом частичен отрицателен заряд, който освобождава неразделените си електрони да участват в координационни връзки. Когато другият елемент е по-електрорегативен, частично положителният заряд на азот значително ограничава донорните свойства на молекулата. При ниска полярност на връзката, поради еднаквата електронегодност на другия елемент, множество връзки преобладават над единичните връзки. Ако несъответствието на атомните размери предотвратява образуването на множество връзки, тогава образуваната проста връзка вероятно е относително слаба и връзката ще бъде нестабилна.

Аналитична химия

Често процентното съдържание на азот в газовата смес може да бъде определено чрез измерване на обема й след абсорбция на други компоненти чрез химически реагенти. Разграждането на нитрати със сярна киселина в присъствието на живак освобождава азотен оксид, който може да бъде измерен като газ. Азотът се отделя от органичните съединения, когато те горят над меден оксид, а свободният азот може да бъде измерен като газ след абсорбиране на други горивни продукти. Известният метод на Келдал за определяне на съдържанието на веществото, което разглеждаме в органичните съединения, се състои в разлагането на съединението с концентрирана сярна киселина (ако е необходимо, съдържащ живак или неговия оксид, както и различни соли). По този начин азотът се превръща в амониев сулфат. Прибавянето на натриев хидроксид освобождава амоняк, който се събира чрез конвенционална киселина - след това се определя титруване чрез остатъчно количество нереагирала киселина.

Биологично и физиологично значение

Ролята на азота в живата материя потвърждава физиологичната активност на неговите органични съединения. Повечето живи организми не могат да използват този химичен елемент директно и трябва да имат достъп до неговите съединения. Следователно фиксацията на азота е от голямо значение. В природата това е резултат от два основни процеса. Един от тях е ефектът от електрическата енергия върху атмосферата, поради което азотната и кислородната молекула се разпадат, което позволява свободните атоми да образуват NO и NO₂. След това диоксидът реагира с вода: 3NO₂+Н₂О - 2ННО₃+NO.

HNO₃ се разтваря и идва на Земята с дъжд под формата на слабо решение. С течение на времето киселината става част от комбинирания азот на почвата, където се неутрализира, образувайки нитрити и нитрати. По правило съдържанието на N в култивираните почви се възстановява поради внасянето на торове, съдържащи нитрати и амониеви соли. Изолирането на животни и растения и тяхното разлагане връща азотни съединения в почвата и въздуха.

Друг основен процес на естествено фиксиране е жизнената активност на бобовите растения. Благодарение на симбиозата с бактериите, тези култури са в състояние да превърнат атмосферния азот директно в неговите съединения. Някои микроорганизми, като Azotobacter Chroococcum и Clostridium pasteurianum, могат да фиксират N независимо.

Самият газ, който е инертен, е безвредни, освен когато диша под налягане и се разтваря в кръв и други телесни течности при по-високи концентрации. Това води до наркотичен ефект и ако налягането намалява твърде бързо, излишъкът от азот се отделя под формата на газови мехурчета в различни части на тялото. Това може да причини болка в мускулите и ставите, припадък, частична парализа и дори смърт. Тези симптоми се наричат ​​декомпресия. Следователно, тези, които са принудени да вдишват въздуха при такива условия, трябва много бавно да намалят налягането до нормалното, така че излишъкът от азот да излиза през белите дробове без да се образуват мехурчета. Най-добрата алтернатива е да се използва за дишане на смес от кислород и хелий. Хелият е много по-слабо разтворим в телесните течности и опасността намалява.

изотопи

Азотът съществува под формата на два стабилни изотопа: ¹⁴N (99,63%) и ¹⁵N (0.37%). Те могат да бъдат разделени чрез химичен обмен или чрез термична дифузия. Масата на азота под формата на изкуствени радиоактивни изотопи е в диапазона от 10-13 и 16-24. Най-стабилният полуживот е 10 минути. Първата изкуствено индуцирана ядрена трансмутация е направена през 1919 г. от британски физик Ърнест Ръдърфорд, който, бомбардиращ азот-14 с алфа частици, получава кислород-17 ядра и протони.

свойства

Накрая, ние изброяваме основните свойства на азота:

• Атомно число: 7.
• Атомно тегло на азота: 14,0067.
• Точка на топене: -209,86 ° С.
• Точка на кипене: -195,8 ° С.
• Плътност (1 atm, 0 ° С): 1.2506 g азот на литър.
• Обикновени състояния на окисление: -3, +3, +5.
• Електронна конфигурация: 1s²2s²2P³.