Азотни съединения. Свойства на азота

Генерирането на нитрати - така се превежда от латинския език Nitrogenium. Това е наименованието на азота - химичен елемент с атомно число 7, направляващ 15-та група в дългата версия на периодичната таблица. Под формата на проста субстанция, тя се разпределя в състава на въздушната обвивка на Земята - атмосферата. Различни азотни съединения се срещат в земната кора и живите организми, широко се използват в промишлеността, военните дела, селското стопанство и медицината.

Защо азотът е наречен "задушаващ" и "безжизнен"

Както подсказват историците на химия, първото, което получава това просто вещество, е Хенри Кавендиш (1777 г.). Ученият прекарва въздуха над нагрятата въглища, за да абсорбира реакционните продукти, които използват алкали. В резултат на експеримента изследователят откри безцветен газ без мирис, който не реагира с въглища. Кавендиш го нарече "задушаващ въздух" за невъзможността да поддържа дишането, както и да гори.

Съвременният химик обяснява, че кислородът реагира с въглища, образува се въглероден диоксид. Останалата "задушаваща" част от въздуха се състои в по-голямата си част от молекулите N₂. Кавендиш и други учени по онова време не са знаели за това вещество, въпреки че съединенията на азот и селит бяха широко използвани в икономиката. Ученият съобщава необичаен газ на колегата си, който е извършил подобни експерименти - Йозеф Пристли.

В същото време Карл Шейл насочи вниманието си към неизвестна част от въздуха, но не успя да обясни произхода си. Само Даниел Ръдърфорд през 1772 осъзнава, че "задушаващият" "развален" газ - азот - присъства в експериментите. Това, което един учен го смята за пионер - историците на науката, все още се аргументират за това.

Петнадесет години след експериментите на Ръдърфорд, прочутият химик Антоан Лавоазие предлага да се замени терминът "разглезен" въздух, азот, от друга - азот. По това време беше доказано, че това вещество не гори, не поддържа дишането. Тогава се появи руското име "азот", което се интерпретира по различни начини. Най-често те казват, че терминът означава "безжизнен". Последващата работа опроверга широкото мнение за свойствата на материята. Азотни съединения - протеини - най-важните макромолекули в живите организми. За техните строителни заводи поглъщат от почвата необходимите елементи на минералното хранене - НЕ₃^2- и NH⁴⁺.

Азотът е химически елемент

Разбирайте структурата на атома и неговите свойства помагат периодична система (MS). По позиция химически елемент в периодичната таблица е възможно да се определи заряда на ядрото, броя на протоните и неутроните (брой маса). Необходимо е да се обърне внимание на стойността на атомната маса - това е една от основните характеристики на елемента. Номерът на периода съответства на броя на енергийните нива. В кратката версия на периодичната таблица номерът на групата съответства на броя на електроните на външното енергийно ниво. Нека обобщим всички данни в общата характеристика на азота по неговата позиция в периодичната таблица:

• Това е неметален елемент, разположен в горния десен ъгъл на PS.
• Химически символ: N.
• Номер на последователността: 7.
• Относителна атомна маса: 14,0067.
• Формула за летливото водородно съединение: NH₃ (Амоняк).
• Оформя най-високия оксид N₂О₅, в които валентността на азота е равна на V.

Структурата на азотния атом:

• Заредете ядрото: +7.
• Брой протони: 7 - брой неутрони: 7.
• Брой енергийни нива: 2.
• Общ брой на електроните: 7 - електронна формула: 1s²2s²2P³.

Стабилните изотопи на елемент № 7 се разглеждат подробно в техните масови числа 14 и 15. Съдържанието на атомите в запалката от тях е 99,64%. В ядрата на краткотрайни радиоактивни изотопи също има 7 протона, а броят на неутроните варира значително: 4, 5, 6, 9, 10.

Азот в природата

Във въздушната обвивка на Земята има молекули на проста субстанция, чиято формула е N₂. Съдържанието на газообразен азот в атмосферата е приблизително 78,1% от обема. Неорганични съединения на този химичен елемент в земната кора са различни амониеви соли и нитрати (летливи). Формула съединения и наименования на някои от най-важните вещества:

• NH₃ амоняк.
• NO₂ азотен диоксид.
• нитрит₃ натриев нитрат.
• (NH₄)₂SO₄ амониев сулфат.

Валенция на азота в последните две съединения - IV. Въглищата, почвата, живите организми също съдържат N атоми в обвързана форма. Азотът е неразделна част от аминокиселинните макромолекули, нуклеотидите на ДНК и РНК, хормоните и хемоглобина. Общото съдържание на химически елемент в човешкото тяло е 2,5%.

Обикновено вещество

Азотът под формата на диатомични молекули е най-големият по обем и маса на въздуха в атмосферата. Вещество, чиято формула N₂, няма аромат, цвят и вкус. Този газ е повече от 2/3 от въздушния плик на Земята. В течна форма азотът е безцветно вещество, наподобяващо вода. Температурата на кипене е -195,8 ° C. M (N₂) = 28 g / mol. Просто вещество, азотът е малко по-лек от кислорода, неговата плътност във въздуха е близо до 1.

Атомите в молекулата твърдо свързват 3 общи електронни двойки. Съединението показва висока химическа стабилност, която го отличава от кислорода и редица други газообразни вещества. За да се разпадне азотната молекула в нейните съставни атоми, е необходимо да изразходвате енергия 942.9 kJ / mol. Връзката на трите двойки електрони е много силна, започва да се разпада при нагряване над 2000 ° С.

При нормални условия, дисоциацията на молекулите в атоми практически не се случва. Химическата инертност на азота се дължи и на пълната липса на полярност в неговите молекули. Те взаимодействат много слабо помежду си, което обяснява газовото състояние на веществото при нормално налягане и при температура, близка до стайната. Ниската химична активност на молекулния азот намира приложение в различни процеси и устройства, където е необходимо да се създаде инертна среда.

Дисоциация на N молекули₂ може да се появи под въздействието на слънчевата радиация в горните слоеве на атмосферата. Създава се атомен азот, който при нормални условия реагира с определени метали и неметали (фосфор, сяра, арсеник). В резултат на това има синтез на вещества, получени непряко от земни условия.

Валенция на азота

Външният електронен слой на атома образува 2 s и 3 p електрона. Тези отрицателни частици могат да се отделят от азота, когато взаимодействат с други елементи, което съответства на неговите редуциращи свойства. Добавяйки липсващи електрони към октет от 3, атомът проявява окислителни способности. Електронегативността на азота е по-ниска, неметалните свойства са по-слабо изразени, отколкото във флуор, кислород и хлор. Когато взаимодейства с тези химични елементи, азотът освобождава електрони (окислява). Реакцията към отрицателните йони се придружава от реакции с други неметали и метали.

Типичната валентност на азота е III. В този случай се образуват химически връзки поради привличането на външни р-електрони и създаването на общи (свързващи) двойки. Азотът е способен да образува донор-акцепторна връзка поради неразпределената двойка електрони, както се случва в амониевия йон NH⁴⁺.

Получаване в лабораторията и промишлеността

Един от лабораторните методи се основава на окислителни свойства меден оксид. Използва се свързването на азота с водород - NH амоняк₃. Този неприятен мирис на газ взаимодейства с прахообразния меден оксид от черен цвят. В резултат на реакцията се отделя азот и се появява метална мед (червен прах). Капки вода се утаяват по стените на тръбата - друг реакционен продукт.

Друг лабораторен метод, който използва съединение азот-метал, е азид, например NaN₃. Оказва се, че газ, който не се нуждае от почистване от примеси.

Лабораторията разгражда амониевия нитрит в азот и вода. За да започне реакцията, е необходимо нагряване, след което процесът протича с отделяне на топлина (екзотермично). Азотът е замърсен с примеси, затова той се почиства и изцежда.

Производство на азот в промишлеността:

• фракционна дестилация на течен въздух - метод, при който се използват физичните свойства на азота и кислорода (различни точки на кипене);
• химическа реакция на въздуха с червените въглища;
• разделяне на адсорбционния газ.

Взаимодействие с метали и водород - оксидиращи свойства

Инерцията на силните молекули не позволява получаването на някои азотни съединения чрез директен синтез. За активиране на атомите е необходимо силно нагряване или облъчване на веществото. Азотът може да взаимодейства с литий при стайна температура, с магнезий, калций и натрий, реакцията се появява само при загряване. Получават се нитриди от съответните метали.

Взаимодействието на азота с водород се извършва при високи температури и налягане. Катализатор също е необходим за този процес. Оказва се, че амонякът - един от най-важните продукти на химическия синтез. Азотът, като окислител, показва в своите съединения три негативни състояния на окисление:

• минус-3 (амоняк и други водородни съединения на азотни нитриди);
• минус-2 (хидразин N₂Н₄);
• минус-1 (хидроксиламин NH₂OH).

Най-важният нитрид - амоняк - се получава в големи количества в промишлеността. От дълго време химическата инертност на азота остава голям проблем. Нейният източник на суровини са нитратите, но запасите от минерали започват бързо да намаляват с ръста на производството.

Голямо постижение на химическата наука и практика е създаването на амонячен метод на свързване на азот в промишлен мащаб. В специални колони се осъществява директен синтез - обратим процес между азота, получен от въздуха и водорода. При създаването на оптимални условия, които изместват баланса на тази реакция към продукта, добивът на амоняк достига 97%.

Взаимодействие със свойствата за намаляване на кислорода

За да стартирате реакцията на азот и кислород, е необходимо силно нагряване. Достатъчна енергия има електрическа дъга и мълния в атмосферата. Най-важните неорганични съединения, в които азотът е в положителните си оксидационни състояния:

• +1 (азотен оксид (I) N₂О);
• +2 (азотен оксид NO);
• +3 (азотен оксид (III) N₂О₃- азотна киселина HNO₂, неговите соли на нитрит);
• +4 (азотен диоксид (IV) NO₂);
• +5 (азотен пентоксид (V) N₂О₅, азотна киселина HNO₃, нитрати).

Значение в природата

Растенията абсорбират амонийните йони и нитратните аниони от почвата, използват за химични реакции синтеза на органични молекули, които постоянно преминават в клетките. Атмосферният азот може да бъде асимилиран от възловите бактерии - микроскопични същества, които формират растеж върху корените на бобовите растения. В резултат на това тази група растения получава необходимия елемент на храненето, обогатява почвата.

По време на тропическите душове се наблюдават окислителни реакции на атмосферния азот. Оксидите се разтварят с образуването на киселини, а тези азотни съединения във водата навлизат в почвата. Поради цикъла на елемента в природата, резервите му в земната кора и въздуха постоянно се попълват. Комплексните органични молекули, съдържащи азот в техния състав, се разграждат от бактериите в неорганични съставки.

Практическа употреба

Най-важните азотни съединения за селското стопанство са лесно разтворимите соли. Асимилирани растения карбамид, лимонена киселина (натрий, калий), амониеви съединения (воден разтвор на амоняк, хлорид, сулфат, амониев нитрат).
Инертните свойства на азота, невъзможността на растенията да го асимилират от въздуха, водят до необходимостта да се правят големи дози нитрати годишно. Части от растителния организъм са в състояние да съхраняват макроелектрическа доставка "за бъдеща употреба", което влошава качеството на продуктите. Излишъкът нитрати в зеленчуците и плодовете могат да причинят на хората отравяне, растежа на злокачествени тумори. В допълнение към селското стопанство, азотните съединения се използват в други отрасли:

• да получават лекарства;
• за химичен синтез на високомолекулни съединения;
• в производството на експлозиви от тринитротолуен (TNT);
• за производството на бои.

В операцията се използва NO oxide, веществото има аналгетичен ефект. Загубата на усещания с вдишването на този газ се забелязва от първите изследователи на химичните свойства на азота. Така че имаше тривиално име "смешен газ".

Проблемът с нитратите в селскостопанските продукти

В солите на азотната киселина - нитрати - съдържа единично заредения анион NO³. Досега се използва старото име на тази група вещества - солфет. Нитратите се използват за торене на полета, в оранжерии, овощни градини. Те ги носят в ранната пролет преди сеитбата, през лятото - под формата на течно торене. Самите вещества не представляват голяма опасност за хората, но в тялото се превръщат в нитрити, а след това в нитрозамини. Нитритни йони NO^2- - токсични частици, те причиняват окисляване на двувалентно желязо в молекулите на хемоглобина до тривалентни йони. В такова състояние основното вещество на човешката и животинската кръв не е способно да прехвърля кислород и да отделя въглероден диоксид от тъканите.

Какво е опасно замърсяване на храните с нитрати за човешкото здраве:

• злокачествени тумори, които възникват, когато нитратите се превръщат в нитрозамини (канцерогени);
• развитие на улцерозен колит,
• хипотония или хипертония;
• сърдечна недостатъчност;
• кървене разстройство
• увреждания на черния дроб, панкреаса, развитие на диабет;
• развитие на бъбречна недостатъчност;
• анемия, нарушена памет, внимание, интелигентност.

Едновременното използване на различни продукти с високи дози нитрати води до остро отравяне. Източници могат да бъдат растения, питейна вода, готови месни ястия. Накисването в чиста вода и готвенето могат да намалят съдържанието на нитрати в храната. Изследователите установяват, че по-високи дози от опасни съединения се наблюдават при незрели и оранжерийни растителни продукти.

Фосфорът е елемент от подгрупата на азота

Атомите на химическите елементи, които са в същата вертикална колона на периодичната система, показват общи свойства. Фосфорът се намира в третия период, принадлежи към група 15, като азот. Структурата на атомите на елементите е подобна, но има разлики в свойствата. Азотът и фосфорът показват отрицателна степен на окисление и валентност III в техните съединения с метали и водород.

Много реакции на фосфор се появяват при обикновени температури, това е химически активен елемент. Взаимодейства с кислорода, за да образува по-висок оксид Р₂ох₅. Воден разтвор на това вещество има свойствата на киселина (метафосфорна киселина). Когато се нагрява, се получава ортофосфорна киселина. Той образува няколко вида соли, много от които служат като минерални торове, например суперфосфати. Съединенията от азот и фосфор представляват важна част от цикъла на веществата и енергията на нашата планета, те се използват в промишлеността, селското стопанство и други сфери на дейност.