Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Азот


Азот

План:


Введення

Азот - елемент головної підгрупи п'ятої групи другого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 7. Позначається символом N ( лат. Nitrogenium ). Проста речовина азот ( CAS-номер : 7727-37-9) - досить інертний при нормальних умовах двоатомний газ без кольору, смаку і запаху (формула N 2), з якого на три чверті складається земна атмосфера.


1. Історія відкриття

В 1772 Генрі Кавендіш провів наступний досвід: він багато разів пропускав Повітряний над розпеченим вугіллям, потім обробляв його лугом, в результаті виходив залишок, який Кавендіш назвав задушливим (або мефітіческім) повітрям. З позицій сучасної хімії ясно, що в реакції з розпеченим вугіллям кисень повітря пов'язувався у вуглекислий газ, який потім поглинався лугом. При цьому залишок газу представляв собою здебільшого азот. Таким чином, Кавендіш виділив азот, але не зумів зрозуміти, що це нове проста речовина (хімічний елемент). У тому ж році Кавендіш повідомив про цей досвід Джозефу Прістлі.

Прістлі в цей час проводив серію експериментів, в яких також пов'язував кисень повітря і видаляв отриманий вуглекислий газ, тобто також отримував азот, проте, будучи прихильником панівної в ті часи теорії флогістону, абсолютно невірно витлумачив отримані результати (на його думку, процес був протилежним - не кисень віддалявся з газової суміші, а навпаки, в результаті випалу повітря насичується флогистоном; залишився повітря (азот) він і назвав насиченим флогістоном, тобто флогістрованому). Очевидно, що і Прістлі, хоча і зміг виділити азот, не зумів зрозуміти суті свого відкриття, тому й не вважається першовідкривачем азоту.

Одночасно схожі експерименти з тим же результатом проводив і Карл Шееле.

В 1772 азот (під назвою "зіпсованого повітря") як проста речовина описав Даніель Резерфорд, він опублікував магістерську дисертацію, де вказав основні властивості азоту (не реагує з лугами, не підтримує горіння, непридатний для дихання). Саме Даніель Резерфорд і вважається першовідкривачем азоту. Однак і Резерфорд був прихильником флогистонной теорії, тому також не зміг зрозуміти, що ж він виділив. Таким чином, чітко визначити першовідкривача азоту неможливо.

Надалі азот був вивчений Генрі Кавендіш (цікавий той факт, що він зумів зв'язати азот з киснем за допомогою розрядів електричного струму, а після поглинання оксидів азоту в залишку отримав невелику кількість газу, абсолютно інертного, хоча, як і у випадку з азотом, не зміг зрозуміти, що виділив новий хімічний елемент - інертний газ аргон).


2. Походження назви

Азот (від др.-греч. ἄζωτος - Неживий, лат. nitrogenium ), Замість попередніх назв ("флогістрованому", "мефітіческій" і "зіпсований" повітря) запропонував у 1787 Антуан Лавуазьє, який на той час у складі групи інших французьких вчених розробляв принципи хімічної номенклатури. Як показано вище, в той час вже було відомо, що азот не підтримує ні горіння, ні дихання. Це властивість і визнали найбільш важливим. Хоча згодом з'ясувалося, що азот, навпаки, вкрай необхідний для всіх живих істот, назва збереглася у французькій і російській мовах.

Існує й інша версія [3]. Слово "азот" придумано не Лавуазьє і не його колегами по номенклатурної комісії; воно увійшло в алхімічну літературу вже в ранньому середньовіччя і вживалося для позначення "первинної матерії металів ", яку вважали" альфою і омегою "всього сущого. Цей вираз запозичене з Апокаліпсису : "Я Альфа і Омега, початок і кінець" ( Відкр. 1:8-10). Слово складено з початкових і кінцевих літер алфавітів трьох мов - латинського, грецького і староєврейського, - вважалися "священними", оскільки, згідно Євангеліям, напис на хресті при розп'ятті Христа була зроблена на цих мовах (а, альфа, алеф і зет, омега, тав - AAAZOTH). Укладачі нової хімічної номенклатури добре знали про існування цього слова; ініціатор її створення Гитонья де Морво зазначав у своїй "Методичної енциклопедії" ( 1786) алхімічне значення терміна.

Можливо, слово "азот" походить від одного з двох арабських слів - або від слова "аз-зат" ("сутність" або "внутрішню реальність"), або від слова "зібак" ("ртуть") ..

На латині азот називається "nitrogenium", тобто "що породжує селітру"; англійська назва проводиться від латинського. У німецькій мові використовується назва Stickstoff, що означає "задушливе речовина".


3. Азот в природі

3.1. Ізотопи

Природний азот складається з двох стабільних ізотопів 14 N - 99,635% і 15 N - 0,365%.

Штучно отримали чотирнадцять радіоактивних ізотопів азоту з масовими числами від 10 до 13 і від 16 до 25. Всі вони є дуже короткоживучими ізотопами. Найстабільніший з них 13 N має період напіврозпаду 10 хв.

Спін ядер стабільних ізотопів азоту: 14 N - 1; 15 N - 1 / 2.

3.2. Поширеність

Поза межами Землі азот виявлений в газових туманностях, сонячної атмосфері, на Урані, Нептуні, міжзоряному просторі та ін Азот - четвертий за поширеністю елемент Сонячної системи (після водню, гелію і кисню).

Азот, у формі двоатомних молекул N 2 становить більшу частину атмосфери, де його вміст становить 75,6% (по масі) або 78,084% (за об'ємом), тобто близько 3,87 10 15 т.

Вміст азоту в земній корі, за даними різних авторів, становить (0,7-1,5) 10 15 т (причому в гумусі - близько 6 10 10 т), а в мантії Землі - 1,3 10 16 т. Таке співвідношення мас змушує припустити, що головним джерелом азоту служить верхня частина мантії, звідки він надходить в інші оболонки Землі з виверженнями вулканів.

Маса розчиненого в гідросфері азоту, враховуючи, що одночасно відбуваються процеси розчинення азоту атмосфери у воді і виділення його в атмосферу, становить близько 2 10 13 т, крім того приблизно 7 10 11 т азоту містяться в гідросфері у вигляді сполук.


3.3. Біологічна роль

Азот є елементом, необхідним для існування тварин і рослин, він входить до складу білків (16-18% по масі), амінокислот, нуклеїнових кислот, нуклеопротеїдів, хлорофілу, гемоглобіну та ін У складі живих клітин за числом атомів азоту близько 2%, по масовій частці - близько 2,5% (четверте місце після водню, вуглецю і кисню). У зв'язку з цим значна кількість пов'язаного азоту міститься в живих організмах, "мертвої органіки" і дисперсному речовині морів і океанів. Ця кількість оцінюється приблизно в 1,9 10 11 т. В результаті процесів гниття і розкладання азотовмісних органіки, за умови сприятливих факторів навколишнього середовища, можуть утворитися природні поклади корисних копалин, що містять азот, наприклад, "чилійська селітра "( нітрат натрію з домішками інших сполук), норвезька, індійська селітри.


3.4. Кругообіг азоту в природі

Фіксація атмосферного азоту в природі відбувається за двома основними напрямками - абіогенного та біогенного. Перший шлях включає головним чином реакції азоту з киснем. Так як азот хімічно дуже інертний, для окислення потрібні великі кількості енергії (високі температури). Ці умови досягаються при розрядах блискавок, коли температура досягає 25000 C і більше. При цьому відбувається утворення різноманітних оксидів азоту. Існує також імовірність, що абиотическая фіксація відбувається в результаті фотокаталітичних реакцій на поверхні напівпровідників або широкосмугових діелектриків (пісок пустель).

Проте основна частина молекулярного азоту (близько 1,4 10 8 т / рік) фіксується біотичних шляхом. Довгий час вважалося, що пов'язувати молекулярний азот можуть тільки невелика кількість видів мікроорганізмів (хоча і широко поширених на поверхні Землі): бактерії Azotobacter і Clostridium, клубенькові бактерії бобових рослин Rhizobium, ціанобактерії Anabaena, Nostoc та ін Зараз відомо, що цією здатністю володіють багато інших організмів у воді та грунті, наприклад, актиноміцети в бульбах вільхи та інших дерев (всього 160 видів). Всі вони перетворюють молекулярний азот у сполуки амонію (NH 4 +). Цей процес вимагає значних витрат енергії (для фіксації 1 г атмосферного азоту бактерії в бульбах бобових витрачають близько 167,5 кДж, тобто окислюють приблизно 10 г глюкози). Таким чином, видно взаємна користь від симбіозу рослин і азотфіксуючих бактерій - перші надають другим "місце для проживання" і постачають отриманими в результаті фотосинтезу "паливом" - глюкозою, другі забезпечують необхідний рослинам азот в засвоюваної ними формою.

Азот у формі аміаку і з'єднань амонію, що виходить в процесах біогенної азотфіксації, швидко окислюється до нітратів і нітритів (цей процес носить назву нітрифікації). Останні, не пов'язані тканинами рослин (і далі по харчового ланцюга травоїдними і хижаками), недовго залишаються в грунті. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и в конце концов попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5-810 7 т/год).

Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации, то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.


3.5. Токсикология азота и его соединений

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.

Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны.

4. Получение

В лабораториях его можно получать по реакции разложения нитрита аммония :

NH 4 NO 2 → N 2 ↑ + 2H 2 O

Реакция экзотермическая, идёт с выделением 80 ккал (335 кДж), поэтому требуется охлаждение сосуда при её протекании (хотя для начала реакции требуется нагревание нитрита аммония).

Практически эту реакцию выполняют, добавляя по каплям насыщенный раствор нитрита натрия в нагретый насыщенный раствор сульфата аммония, при этом образующийся в результате обменной реакции нитрит аммония мгновенно разлагается.

Выделяющийся при этом газ загрязнён аммиаком, оксидом азота (I) и кислородом, от которых его очищают, последовательно пропуская через растворы серной кислоты, сульфата железа (II) и над раскалённой медью. Затем азот осушают.

Ещё один лабораторный способ получения азота - нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция идёт по уравнениям:

K 2 Cr 2 O 7 + (NH 4) 2 SO 4 = (NH 4) 2 Cr 2 O 7 + K 2 SO 4
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 →(t) Cr 2 O 3 + N 2 ↑ + 4H 2 O

Самый чистый азот можно получить разложением азидов металлов:

2NaN 3 →(t) 2Na + 3N 2

Так называемый "воздушный", или "атмосферный" азот, то есть смесь азота с благородными газами, получают путём реакции воздуха с раскалённым коксом:

O 2 + 4N 2 + 2C → 2CO + 4N 2

При этом получается так называемый " генераторный ", или "воздушный", газ - сырьё для химических синтезов и топливо. При необходимости из него можно выделить азот, поглотив монооксид углерода.

Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Этим методом можно получить и "атмосферный азот". Также широко применяются азотные установки и станции, в которых используется метод адсорбционного и мембранного газоразделения.

Один из лабораторных способов - пропускание аммиака над оксидом меди (II) при температуре ~700 C:

2NH 3 + 3CuO → N 2 ↑ + 3H 2 O + 3Cu

Аммиак берут из его насыщенного раствора при нагревании. Количество CuO в 2 раза больше расчётного. Непосредственно перед применением азот очищают от примеси кислорода и аммиака пропусканием над медью и её оксидом (II) (тоже ~700 C), затем сушат концентрированной серной кислотой и сухой щёлочью. Процесс происходит довольно медленно, но он того стоит: газ получается весьма чистый.


5. Властивості

5.1. Фізичні властивості

Оптический линейчатый эмиссионный спектр азота

При нормальных условиях азот это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде (2,3 мл/100г при 0 C, 0,8 мл/100 г при 80 C), плотность 1,2506 кг/м (при н.у.).

В жидком состоянии (темп. кипения −195,8 C) - бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. Плотность жидкого азота 808 кг/м. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.

При −209,86 C азот переходит в твердое состояние в виде снегоподобной массы или больших белоснежных кристаллов. При контакте с воздухом поглощает из него кислород, при этом плавится, образуя раствор кислорода в азоте.

Известны три кристаллические модификации твёрдого азота. В интервале 36,61 - 63,29 К существует фаза β-N 2 с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P6 3 /mmc, параметры решётки a=3,93 и c=6,50 . При температуре ниже 36,61 К устойчива фаза α-N 2 с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P2 1 3 и период a=5,660 . Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83 K образуется гексагональная фаза γ-N 2.


5.2. Химические свойства, строение молекулы

Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N 2, электронная конфигурация которых описывается формулой σ s σ s *2 π x, y 4 σ z, что соответствует тройной связи между молекулами азота N≡N (длина связи d N≡N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N 2 ↔ 2N удельная энтальпия образования ΔH 298 =945 кДж, константа скорости реакции К 298 =10 −120, то есть диссоциация молекул азота при нормальных условиях практически не происходит (равновесие практически полностью сдвинуто влево). Молекула азота неполярна и слабо поляризуется, силы взаимодействия между молекулами очень слабые, поэтому в обычных условиях азот газообразен.

Даже при 3000 C степень термической диссоциации N 2 составляет всего 0,1 %, и лишь при температуре около 5000 C достигает нескольких процентов (при нормальном давлении). В высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N 2. В лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N 2 при сильном разряжении через поле высокочастотного электрического разряда. Атомарный азот намного активнее молекулярного: в частности, при обычной температуре он реагирует с серой, фосфором, мышьяком и с рядом металлов, например, со ртутью.

Вследствие большой прочности молекулы азота многие его соединения эндотермичны, энтальпия их образования отрицательна, а соединения азота термически малоустойчивы и довольно легко разлагаются при нагревании. Именно поэтому азот на Земле находится по большей части в свободном состоянии.

Ввиду своей значительной инертности азот при обычных условиях реагирует только с литием :

6Li + N 2 → 2Li 3 N,

при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды:

3Mg + N 2 → Mg 3 N 2,
2 B + N 2 →2BN,

Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак) NH 3, получаемый взаимодействием водорода с азотом (см. ниже).

В электрическом разряде реагирует с кислородом давая оксид азота(II) NO.

Описано несколько десятков комплексов с молекулярным азотом.


5.2.1. Промышленное связывание атмосферного азота

Соединения азота чрезвычайно широко используются в химии, невозможно даже перечислить все области, где находят применение вещества, содержащие азот: это индустрия удобрений, взрывчатых веществ, красителей, медикаментов и проч. Хотя колоссальные количества азота доступны в прямом смысле слова "из воздуха", из-за описанной выше прочности молекулы азота N 2 долгое время оставалась нерешённой задача получения соединений, содержащих азот, из воздуха; большая часть соединений азота добывалась из его минералов, таких, как чилийская селитра. Однако сокращение запасов этих полезных ископаемых, а также рост потребности в соединениях азота заставил форсировать работы по промышленному связыванию атмосферного азота.

Наиболее распространён аммиачный способ связывания атмосферного азота. Обратимая реакция синтеза аммиака :

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3

экзотермическая (тепловой эффект 92 кДж) и идёт с уменьшением объёма, поэтому для сдвига равновесия вправо в соответствии с принципом Ле Шателье - Брауна необходимо охлаждение смеси и высокие давления. Однако с кинетической точки зрения снижение температуры невыгодно, так как при этом сильно снижается скорость реакции - уже при 700 C скорость реакции слишком мала для её практического использования.

У таких випадках використовується каталіз, так як відповідний каталізатор дозволяє збільшити швидкість реакції без зсуву рівноваги. У процесі пошуку відповідного каталізатора було випробувано близько двадцяти тисяч різних з'єднань. За сукупністю властивостей (каталітична активність, стійкість до отруєння, дешевизна) найбільше застосування отримав каталізатор на основі металевого заліза з домішками оксидів алюмінію і калію. Процес ведуть при температурі 400-600 C і тиску 10-1000 атмосфер.

Слід зазначити, що при тисках вище 2000 атмосфер синтез аміаку з суміші водню і азоту йде з високою швидкістю і без каталізатора. Наприклад, при 850 C і 4500 атмосфер вихід продукту становить 97%.

Існує і ще один, менш поширений спосіб промислового зв'язування атмосферного азоту - ціанамідний метод, заснований на реакції карбіду кальцію з азотом при 1000 C. Реакція відбувається за рівнянням:

CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + C.

Реакція екзотермічни, її тепловий ефект 293 кДж.

Щорічно з атмосфери Землі промисловим шляхом відбирається приблизно 1 10 6 т азоту.


6. Сполуки азоту

Ступені окислення азоту в з'єднаннях -3, -2, -1, +1, +2, +3, +4, +5.


7. Застосування

Слабокіпящій рідкий азот в металевому стакані.

Рідкий азот застосовується як хладагент і для кріотерапії.

Промислові застосування газоподібного азоту обумовлені його інертними властивостями. Газоподібний азот пожежо-і вибухобезпечний, перешкоджає окисленню, гниття. У нафтохімії азот застосовується для продування резервуарів і трубопроводів, перевірки роботи трубопроводів під тиском, збільшення вироблення родовищ. У гірничодобувному справі азот може використовуватися для створення в шахтах вибухобезпечній середовища, для розпирання пластів породи. У виробництві електроніки азот застосовується для продування областей, що не допускають наявності окисляє кисню. Якщо в процесі, традиційно проходить з використанням повітря, окислення або гниття є негативними факторами - азот може успішно замістити повітря.

Важливою сферою застосування азоту є його використання для подальшого синтезу найрізноманітніших сполук, що містять азот, таких, як аміак, азотні добрива, вибухові речовини, барвники і т. п. Великі кількості азоту використовуються в коксовому виробництві ("сухе гасіння коксу") при розвантаженні коксу з коксових батарей, а також для "передавлювання" палива в ракетах з баків в насоси або двигуни.

У харчовій промисловості азот зареєстрований як харчової добавки E941, як газове середовище для упаковки та зберігання, холодоагент, а рідкий азот застосовується при розливі масел і негазованих напоїв для створення надлишкового тиску і інертного середовища в м'якій тарі [1].

Газоподібним азотом заповнюють камери шин шасі літальних апаратів. Крім того, останнім часом заповнення шин азотом стало популярне і серед автолюбителів, хоча однозначних доказів ефективності використання азоту замість повітря для наповнення автомобільних шин немає.

Рідкий азот нерідко демонструється в кінофільмах як речовина, здатного миттєво заморозити досить великі об'єкти. Це широко розповсюджена помилка. Навіть для заморожування квітки необхідно досить тривалий час [2]. Це пов'язано частково з вельми низькою теплоємністю азоту. З цієї ж причини вельми скрутно охолоджувати, скажімо, замки до -196 C і розколювати їх одним ударом.

Літр рідкого азоту, випаровуючись і нагріваючись до 20 C, утворює приблизно 700 літрів газу. З цієї причини рідкий азот зберігають у спеціальних судинах Дьюара з вакуумною ізоляцією відкритого типу або кріогенних ємностях під тиском. На цьому ж факті заснований принцип гасіння пожеж рідким азотом. Випаровуючись, азот витісняє кисень, необхідний для горіння, і пожежа припиняється. Так як азот, на відміну від води, піни або порошку, просто випаровується і вивітрюється, азотне пожежогасіння - найефективніший з точки зору збереження цінностей механізм гасіння пожеж.

Замороження рідким азотом живих істот з можливістю подальшої їх розморожування проблематична. Проблема полягає в неможливості заморозити (і розморозити) істота досить швидко, щоб неоднорідність заморозки не позначилася на його життєві функції. Станіслав Лем, фантазуючи на цю тему в книзі "Фіаско", придумав екстрену систему заморозки азотом, в якій шланг з азотом, вибиваючи зуби, втикали в рот астронавта і всередину його подавався рясний потік азоту.


8. Маркування балонів

Балони з азотом пофарбовані в чорний колір, повинні мати напис жовтого кольору і коричневу смугу (згідно з нормами РФ).

9. Цікаві факти

Цитата з Киеве видання 1952 р. (том 1, стор 452, стаття "Азот"):

Азот в складання з капіталізмом - це війна, руйнування, смерть. Азот в складання з соціалізмом - це високий урожай, висока продуктивність праці, високий матеріальний і культурний рівень трудящих.

Література

  • Некрасов Б. В., Основи загальної хімії, т. 1, М.: "Хімія", 1973;
  • Хімія: Справ. вид. / В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бібрак та ін: Пер. з нім. 2-е вид., Стереотип. - М.: Хімія, 2000 ISBN 5-7245-0360-3 (рос.), ISBN 3-343-00208-9 (нім.);
  • Ахметов Н. С., Загальна та неорганічна хімія. 5-е изд., Испр. - М.: Вища школа, 2003 ISBN 5-06-003363-5;
  • Гусакова Н. В., Хімія навколишнього середовища. Серія "Вища освіта". Ростов-на-Дону: Фенікс, 2004 ISBN 5-222-05386-5;
  • Ісидорів В. А., Екологічна хімія. СПб: Хіміздат, 2001 ISBN 5-7245-1068-5;
  • Трифонов Д. Н., Трифонов В. Д., Як були відкриті хімічні елементи - М.: Просвещение, 1980
  • Довідник хіміка, 2-е изд., Т. 1, М.: "Хімія", 1966;

Примітки

  1. Nitrogen: electronegativities - www.webelements.com / nitrogen / electronegativity.html (Англ.) . WebElements.
  2. Кнунянц І. Л. (гл. ред.) Хімічна енциклопедія: у 5 тт. - Москва: Радянська енциклопедія, 1988. - Т. 1. - С. 58. - 623 с. - 100000 прим .
  3. Фігуровський Н. А. Відкриття елементів і походження їх назв. - М.: Наука, 1970. 207 с. - www.chem.msu.su / rus / history / element / N.html

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Рідкий азот
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru