Азот
Азот
Происходит от греческого
слова azoos - безжизненный, по-латыни Nitrogenium. Химический знак элемента - N. Азот - химический элемент V группы периодической системы Менделеева, порядковый
номер 7, относительная атомная масса 14,0067; бесцветный газ, не имеющий запаха
и вкуса.
Историческая справка.
Соединения азота - селитра,
азотная кислота, аммиак - были известны задолго до получения азота в свободном
состоянии. В 1772 г. Д. Резерфорд, сжигая фосфор и другие вещества в стеклянном
колоколе, показал, что остающийся после сгорания газ, названный им
"удушливым воздухом", не поддерживает дыхания и горения. В 1787 г. А.
Лавуазье установил, что "жизненный" и "удушливый" газы,
входящие в состав воздуха, это простые вещества, и предложил название
"азот". В 1784 г. Г. Кавендиш показал, что азот входит в состав
селитры; отсюда и происходит латинское название азота (от позднелатинского nitrum - селитра и греческого gennao - рождаю, произвожу), предложенное в 1790 году Ж. А.
Шапталем. К началу ХIX в. были выяснены химическая инертность азота в
свободном состоянии и исключительная роль его в соединениях с другими
элементами в качестве связанного азота.
Распространенность в природе.
Азот - один из самых
распространенных элементов на Земле, причем основная его масса (около 4*1015
т.)сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный азот (в
виде молекул N2 ) составляет 78,09% по объему ( или 75,6% по массе ),
не считая незначительных примесей его в виде аммиака и окислов. Среднее
содержание азота в литосфере 1,9*10-3% по массе. Природные
соединения азота - хлористый аммоний NH4CI и
различные нитраты. Крупные скопления селитры характерны для сухого пустынного
климата ( Чили, Средняя Азия ). Долгое время селитры были главным поставщиком
азота для промышленности ( сейчас основное значение для связывания азота имеет
промышленный синтез аммиака из азота воздуха и водорода ). Небольшие количества
связанного азота находятся в каменном угле
( 1 - 2,5% ) и нефти ( 0,02 - 1,5% ), а также в водах рек, морей и
океанов. Азот накапливается в почвах
( 0,1% ) и в живых организмах ( 0,3% ).
Хотя название
"азот" означает "не поддерживающий жизни", на самом деле
это - необходимый для жизнедеятельности элемент. В белке животных и
человека содержится 16 - 17% азота. В
организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых
веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения
синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества, главным
образом неорганические. Значительные количества азота поступают в почву
благодаря азотфиксирующим микроорганизмам, способным переводить свободный азот
воздуха в соединения азота.
В природе осуществляется
круговорот азота, главную роль в котором играют микроорганизмы - нитрофицирующие,
денитрофицирующие, азотфиксирующие и др. Однако в результате извлечения из
почвы растениями огромного количества связанного азота ( особенно при
интенсивном земледелии ) почвы оказываются обедненными. Дефицит азота
характерен для земледелия почти всех стран, наблюдается дефицит азота и в
животноводстве ( "белковое голодание" ). На почвах, бедных доступным
азотом, растения плохо развиваются. Хозяйственная деятельность человека
нарушает круговорот азота. Так, сжигание топлива обогащает атмосферу азотом, а заводы,
производящие удобрения, связывают азот из воздуха. Транспортировка удобрений и
продуктов сельского хозяйства перераспределяет азот на поверхности земли.
Азот - четвертый по
распространенности элемент Солнечной системы ( после водорода, гелия и кислорода).
Атом, молекула.
Внешняя электронная
оболочка атома азота состоит из 5 электронов ( одной неподеленной пары и трех
неспаренных - конфигурация 2s22p3 ). Чаще всего
азот в соединениях 3-ковалентен за счет неспаренных электронов ( как в аммиаке NH3 ).
Наличие неподеленной пары электронов может приводить к образованию еще одной
ковалентной связи, и азот становится 4-ковалентным ( как в ионе аммония NH4+ ). Степени окисления азота меняются от
+5 ( в N2O5 ) до -3 ( в NH3 ). В обычных условиях в свободном состоянии азот
образует молекулу N2, где атомы азота связаны тремя
ковалентными связями. Молекула азота очень устойчива: энергия диссоциации ее на
атомы составляет 942,9 кдж/моль, поэтому даже при температуре 33000С
степень диссоциации азота составляет лишь около 0,1%.
Физические и химические свойства.
Азот немного легче воздуха;
плотность 1,2506 кг/м3 ( при 00С и 101325 н/м2 или 760 мм. рт. ст. ), tпл-209,860С,
tкип-195,80С.
Азот сжижается с трудом: его критическая температура довольно низка (-147,10С), а критическое давление высоко
3,39 Мн/м2 (34,6
кгс/см2);плотность жидкого азота 808 кг/м3. В воде азот менее растворим, чем
кислород: при 00С в 1 м3 H2O растворяется 23,3 г азота. Лучше, чем в воде, азот
растворим в некоторых углеводородах.
Только с такими активными
металлами, как литий, кальций, магний, азот взаимодействует при нагревании до
сравнительно невысоких температур. С большинством других элементов азот
реагирует при высокой температуре и в присутствии катализаторов. Хорошо изучены
соединения азота с кислородом N2O, NO, N2O3, NO2 и N2O5. Из них при непосредственном взаимодействии
элементов ( 40000С ) образуется окись NO, которая при охлаждении легко окисляется далее до
двуокиси NO2. В воздухе окислы азота образуются при атмосферных
разрядах. Их можно получить также действием на смесь азота с кислородом
ионизирующих излучений. При растворении в воде азотистого N2O3 и азотного N2O5 ангидридов
соответственно получаются азотистая кислота НNO2 и азотная кислота НNO3, образующие соли - нитриты и нитраты. С водородом
азот соединяется только при высокой температуре и в присутствии катализаторов,
при этом образуется аммиак NH3. Кроме
аммиака, известны и другие многочисленные соединения азота с водородом,
например гидразин H2N-NH2, диимид HN-NH, азотистоводородная
кислота HN3 (H-N=N=N), октазон N8H14 и др.; большинство соединений азота с водородом
выделено только в виде органических производных. С галогенами азот
непосредственно не взаимодействует, поэтому все галогениды азота получают
косвенным путем, например фтористый азот NF3 - при взаимодействии фтора с аммиаком. Как правило,
галогениды азота - малостойкие соединения ( за исключением NF3 ); более устойчивы оксигалогениды азота - NOF, NOCI, NOBr, NO2F и NO2CI. С серой также не происходит непосредственного
соединения азота; азотистая сера N4S4 получается в результате реакции жидкой серы с
аммиаком. При взаимодействии раскаленного кокса с азотом образуется циан (СN)2. Нагреванием азота с ацетиленом С2Н2 до 15000С
может быть получен цианистый водород HCN.
Взаимодействие азота с металлами при высоких температурах приводит к
образованию нитридов (например, Mg3N2 ).
При действии на обычный
азот электрических разрядов или при разложении нитридов бора, титана, магния и
кальция, а также при электрических разрядах в воздухе может образоваться
активный азот, представляющий собой смесь молекул и атомов азота, обладающих
повышенным запасом энергии. В отличие от молекулярного, активный азот весьма
энергично взаимодействует с кислородом, водородом, парами серы, фосфором и
некоторыми металлами.
Азот входит в состав очень
многих важнейших органических соединений ( амины, аминокислоты, нитросоединения
и др. ).
Получение и применение.
В лаборатории азот легко
может быть получен при нагревании концентрированного нитрита аммония: NH4NO2 ® N2 + 2H2O. Технический способ получения азота основан на
разделении предварительно сжиженного воздуха, который затем подвергается
разгонке.
Основная часть добываемого
свободного азота используется для промышленного производства аммиака, который
затем в значительных количествах перерабатывается на азотную кислоту,
удобрения, взрывчатые вещества и т. д. Помимо прямого синтеза аммиака из
элементов, промышленное значение для связывания азота воздуха имеет
разработанный в 1905 цианамидный метод, основанный на том, что при 10000С
карбид кальция (получаемый накаливанием смеси известии угля в электрической
печи) реагирует со свободным азотом: CaC2 + N2 ® CaCN2 + C. Образующийся
цианамид кальция при действии перегретого водяного пара разлагается с
выделением аммиака: CaCN2 + 3H2O ® CaCO3 + 2NH3.
Cвободный азот применяют во многих
отраслях промышленности: как инертную среду при разнообразных химических и
металлургических процессах, для заполнения свободного пространства в ртутных термометрах,
при перекачке горючих жидкостей и т. д. Жидкий азот находит применение в
различных холодильных установках. Его хранят и транспортируют в стальных
сосудах Дьюара, газообразный азот в сжатом виде - в баллонах. Широко
применяют многие соединения азота. Производство связанного азота стало усиленно
развиваться после 1-й мировой войны и сейчас достигло огромных масштабов.
|
