Молекулярный азот. Свойства и применение некоторых химических элементов

Азот (англ. Nitrogen, франц. Azote, нем. Stickstoff) был открыт почти одновременно несколькими исследователями. Кавендиш получил азот из воздуха (1772), пропуская последний через раскаленный уголь, а затем через раствор щелочи для поглощения углекислоты. Кавендиш не дал специального названия новому газу, упоминая о нем как о мефитическом воздухе (лат. - mephitis - удушливое или вредное испарение земли). Официально открытие азота обычно приписывается Резерфорду, опубликовавшему в 1772 г. диссертацию "О фиксируемом воздухе, называемом иначе удушливым", где впервые описаны некоторые химические свойства азота. В эти же годы Шееле получил азот из атмосферного воздуха тем же путем, что и Кавендиш. Он назвал новый газ испорченным воздухом (Verdorbene Luft). Пристли (1775) назвал азот флогистированным воздухом (Air phlogisticated). Лавуазье в 1776-1777 гг. подробно исследовал состав атмосферного воздуха и установил, что 4/5 его объема состоят из удушливого газа (Air mofette).
Лавуазье предложил назвать элемент "азот" от отрицательной греческой приставки "а" и слова жизнь "зоэ", подчеркивая его неспособность поддерживать дыхание. В 1790 году для азота было предложено название "нитроген" (nitrogene - "образующий селитру"), что и стало в дальнейшем основой международного названия элемента (Nitrogenium) и символа азота - N.

Нахождение в природе, получение:

Азот в природе встречается главным образом в свободном состоянии. В воздухе объемная доля его составляет 78,09%, а массовая доля - 75,6%. Соединения азота в небольших количествах содержатся в почвах. Азот входит в состав белковых веществ и многих естественных органических соединений. Общее содержание азота в земной коре 0,01%.
В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10 15) тонн, а в океанах - около 20 триллионов (20·10 12) тонн. Незначительная часть этого количества - около 100 миллиардов тонн - ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллиардов тонн связанного азота только 4 миллиарда тонн содержится в тканях растений и животных - все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.
В технике азот получают из воздуха. Для получения азота воздух переводят в жидкое состояние, а затем испарением отделяют азот от менее летучего кислорода (t кип N 2 = -195,8°С, t кип O 2 = -183°С)
В лабораторных условиях чистый азот можно получить разлагая нитрит аммония или смешивая при нагревании растворы хлорида аммония и нитрита натрия:
NH 4 NO 2 N 2 + 2H 2 O; NH 4 Cl + NaNO 2 NaCl + N 2 + 2H 2 O.

Физические свойства:

Природный азот состоит из двух изотопов: 14 N и 15 N. При обычных условиях азот - газ без цвета, запаха и вкуса, немного легче воздуха, плохо растворяется в воде (в 1 л воды растворяется 15,4 мл азота, кислорода - 31 мл). При температуре -195,8°C азот переходит в бесцветную жидкость, а при температуре -210,0°C - в белое твердое вещество. В твердом состоянии существует в виде двух полиморфных модификаций: ниже -237,54°C устойчива форма с кубической решеткой, выше - с гексагональной.
Энергия связи атомов в молекуле азота очень велика и составляет 941,6 кДж/моль. Расстояние между центрами атомов в молекуле 0,110 нм. Молекула N 2 диамагнитна. Это свидетельствует о том, что связь между атомами азота тройная.
Плотность газообразного азота при 0°C 1,25046 г/дм 3

Химические свойства:

При обычных условиях азот - химически малоактивное вещество из-за прочной ковалентной связи. В обычных условиях реагирует только с литием, образуя нитрид: 6Li + N 2 = 2Li 3 N
С повышением температуры активность молекулярного азота увеличивается, при этом он может быть может быть и окислителем (с водородом, металлами), и восстановителем (с кислородом, фтором). При нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора азот взаимодействует с водородом образуя аммиак: N 2 + 3H 2 = 2NH 3
С кислородом азот соединяется только в электрической дуге с образованием оксида азотa(II): N 2 + O 2 = 2NO
В электрическом разряде возможна и реакция со фтором: N 2 + 3F 2 = 2NF 3

Важнейшие соединения:

Азот способен образовывать химические соединения, находясь во всех степенях окисления от +5 до -3. Соединения в положительных степенях окисления азот образует с фтором и кислородом, причем в степенях окисления больше +3 азот может находиться только в соединениях с кислородом.
Аммиак , NH 3 - бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворяется в воде ("нашатырный спирт"). Аммиак обладает основными свойствами, взаимодействует с водой, галогеноводородами, кислотами:
NH 3 + H 2 O NH 3 *H 2 O NH 4 + + OH - ; NH 3 + HCl = NH 4 Cl
Один из типичных лигандов в комплексных соединениях: Cu(OH) 2 + 4NH 3 = (OH) 2 (фиол., р-рим)
Восстановитель: 2NH 3 + 3CuO 3Cu + N 2 + 3H 2 O.
Гидразин - N 2 H 4 (пернитрид водорода), ...
Гидроксиламин - NH 2 OH, ...
Оксид азота(I) , N 2 O (закись азота, веселящий газ). ...
Оксид азота(II) , NO - бесцветный газ, не имеет запаха, в воде малорастворим, относится к несолеобразующим. В лаборатории получают при взаимодействии меди и разбавленной азотной кислоты:
3Cu + 8HNO 3 = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.
В промышленности получают каталитическим окислением аммиака при получении азотной кислоты:
4NH 3 + 5O 2 4NO + 6 H 2 O
Легко окисляется до оксида азота(IV): 2NO + O 2 = 2NO 2
Оксид азота(III) , ??? ...
...
Азотистая кислота , ??? ...
...
Нитриты , ??? ...
...
Оксид азота(IV) , NO 2 - ядовитый газ бурого цвета, имеет характерный запах, хорошо растворяется в воде, давая при этом две кислоты, азотистую и азотную: H 2 O + NO 2 = HNO 2 + HNO 3
При охлаждении переходит в бесцветный димер: 2NO 2 N 2 O 4
Оксид азота(V) , ??? ...
...
Азотная кислота , HNO 3 - бесцветная жидкость с резким запахом, t кип = 83°С. Сильная кислота, соли - нитраты. Один из сильнейших окислителей, что обусловлено наличием в составе кислотного остатка атома азота в высшей степени окисления N +5 . При взаимодействии азотной кислоты с металлами в качестве основного продукта выделяется не водород, а различные продукты восстановления нитрат-иона:
Cu + 4HNO 3 (конц) = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O;
4Mg + 10HNO 3 (оч.разб.) = 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 5H 2 O.
Нитраты , ??? ...
...

Применение:

Широко используется для создания инертной среды - наполнения электрических ламп накаливания и свободного пространства в ртутных термометрах, при перекачке жидкостей, в пищевой промышленности как упаковочный газ. Им азотируют поверхность стальных изделий, в поверхностном слое образуются нитриды железа, которые придают стали большую твердость. Жидкий азот часто используется для глубокого охлаждения различных веществ.
Важное значение азот имеет для жизни растений и животных, поскольку он входит в состав белковых веществ. В больших количествах азот применяется для получения аммиака. Соединения азота находят применение в производстве минеральных удобрений, взрывчатых веществ и во многих отраслях промышленности.

Л.В. Черкашина
ХФ ТюмГУ, гр. 542(I)

Источники:
- Г.П. Хомченко. Пособие по химии для поступающих в вузы. М., Новая волна, 2002.
- А.С. Егоров, Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы. Ростов-на-Дону, Феникс, 2003.
- Открытие элементов и происхождение их названий/

Азот (лат. Nitrogenium) - химический элемент 15‑й группы (V группа в старой нумерации) периодической системы Менделеева; атомный номер 7, атомная масса 14,0067.

Бесцветный газ, без вкуса и запаха. Один из самых распространенных элементов, главная составляющая часть атмосферы Земли (4×10 15 т).

Круговорот азота в природе.

Строение молекулы аммиака NH 3 .

Синтез аммиака идет в гигантских колоннах синтеза, куда с помощью компрессора подается смесь водорода и азота. Реакция протекает под давлением в 300 ат и температуре около 500 °C в присутствии катализатора. Образовавшийся аммиак NH3 в холодильнике превращается в жидкость (конденсируется). Жидкий аммиак удаляется из системы, а непрореагировавшие газы поступают в циркуляционный насос, который снова подает их в колонну синтеза.

Слово «азот», предложенное французским химиком А. Лавуазье в конце XVIII в., греческого происхождения. «Азот» означает «безжизненный» (приставка «а» - отрицание, «зоэ» - «жизнь»). Именно так считал Лавуазье. Именно так считали его современники, в том числе шотландский химик и врач Д. Резерфорд, выделивший азот из воздуха чуть раньше своих известных коллег - шведа К. Шеелеу англичан Д. Пристли и Г. Кавендиига. Резерфорд в 1772 г. опубликовал диссертацию о так называемом «мефитическом», т. е. неполноценном, воздухе, не поддерживающем горения и дыхания.

Название «азот» для нового газа казалось достаточно точным. Но так ли это?

Азот действительно в отличие от кислорода не поддерживает дыхания и горения. Однако дышать чистым кислородом постоянно человек не может. Даже больным дают чистый кислород лишь непродолжительное время. Очевидно, он не просто нейтральный разбавитель кислорода. Именно смесь азота с кислородом наиболее приемлема для дыхания большинства обитателей нашей планеты.

А разве справедливо называть безжизненным этот элемент? Чем подкармливают растения, внося минеральные удобрения? Прежде всего соединениями азота, калия и фосфора. Азот входит в состав бесчисленного множества органических соединений, в том числе таких жизненно важных, как белки и аминокислоты.

Для человечества чрезвычайно полезна относительная инертность этого газа. Будь он более склонен к химическим реакциям, атмосфера Земли не могла бы существовать в том виде, в каком она существует. Сильный окислитель кислород вступил бы с азотом в реакцию, и образовались бы ядовитые оксиды азота. Но если бы азот был действительно инертным газом, таким, например, как гелий, то тогда ни химические производства, ни всемогущие микроорганизмы не смогли бы связать азот атмосферы и удовлетворить потребность всего живого в связанном азоте. Не было бы аммиака, азотной кислоты, необходимой для производства множества веществ, не было бы важнейших удобрений. Не было бы и жизни на Земле, ведь азот входит в состав всех организмов. На долю азота приходится около 3% от массы человеческого организма.

Элементарный, не связанный азот применяется достаточно широко. Это самый дешевый из газов, химически инертных в обычных условиях, поэтому в тех процессах металлургии и большой химии, где надо защищать активное соединение или расплавленный металл от взаимодействия с кислородом воздуха, создают чисто азотные защитные атмосферы. Под защитой азота хранят в лабораториях легко окисляющиеся вещества. В металлургии азотом насыщают поверхности некоторых металлов и сплавов, чтобы придать им большую твердость и износоустойчивость. Широко известно, например, азотирование стали и титановых сплавов.

Жидкий азот (температуры плавления и кипения азота: −210 °C и −196 °C) используют в холодильных установках.

Малая химическая активность азота объясняется прежде всего строением его молекулы. Как и у большинства газов (кроме инертных), молекула азота состоит из двух атомов. В образовании связи между ними участвуют по 3 валентных электрона внешней оболочки каждого атома. Чтобы разрушить молекулу азота, необходимо затратить очень большую энергию - 954,6 кДж/моль. Без разрушения молекулы азот в химическую связь не вступит. При обычных условиях с ним способен вступить в реакцию только литий, давая нитрид Li 3 N.

Намного активнее атомарный азот. При обычной температуре он вступает в реакции с серой, фосфороммышьяком и некоторыми металлами, например со ртутью. Но получить азот в виде отдельных атомов сложно. Даже при 3000 °C не наблюдается заметного разложения молекул азота на атомы.

Соединения азота имеют громадное значение и для науки, и для многих отраслей промышленности. Ради получения связанного азота человечество идет на огромные энергетические затраты.

Основным способом связывания азота в промышленных условиях остается синтез аммиака NH 3 (см. Синтез химический). Аммиак - один из самых массовых продуктов химической промышленности, мировое производство его - более 70 млн т в год. Процесс идет при температуре 400–600 °C и давлении в миллионы паскалей (сотни ат) в присутствии катализаторов, например губчатого железа с добавками оксида калия, оксида алюминия. Сам аммиак используется ограниченно и обычно в виде водных растворов (аммиачная вода - как жидкое удобрение, нашатырный спирт - в медицине). Но аммиак в отличие от атмосферного азота довольно легко вступает в реакции присоединения и замещения. Да и окисляется он легче, чем азот. Поэтому аммиак и стал исходным продуктом для получения большинства азотсодержащих веществ.

Прямое окисление азота кислородом требует очень высоких температур (4000 °C) или других очень активных методов воздействия на прочные молекулы азота - электрического разряда, ионизирующего излучения. Известны пять оксидов азота: N 2 O - оксид азота (I), NO - оксид азота (II), N 2 O 3 - оксид азота (III), NO 2 - оксид азота (IV), N 2 O 5 - оксид азота (V).

В промышленности широко применяется азотная кислота HNO 3 , которая одновременно является и сильной кислотой, и активным окислителем. Она способна растворять все металлы, кроме золота и платины. Химикам азотная кислота известна, по крайней мере, с XIII в., ею пользовались древние алхимики. Азотная кислота чрезвычайно широко используется для получения нитросоединений. Это главный нитрующий агент, с помощью которого в состав органических соединений вводят нитрогруппы NO 2 . А когда три таких группы появятся, к примеру, в молекуле толуола C 6 H 5 CH 3 , то обычный органический растворитель превращается во взрывчатое вещество - тринитротолуол, он же тротил, или тол. Глицерин после нитрования превращается в опасное взрывчатое вещество - нитроглицерин.

Не менее важна азотная кислота в производстве минеральных удобрений. Соли азотной кислоты - нитраты, прежде всего нитраты натрия, калия и аммония, используются главным образом как азотные удобрения. Но, как установил академик Д. Н. Прянишников, растение, если ему предоставлена возможность выбора, предпочитает аммиачный азот нитратному.

Соли другой кислоты азота - слабой азотистой HNO 2 - называются нитритами и также довольно широко используются в химической и других отраслях промышленности.

Получать соединения азота с минимальными энергетическими затратами при небольших температурах и давлениях ученые стремятся уже давно. Идею о том, что некоторые микроорганизмы могут связывать азот воздуха, первым высказал русский физик П. Коссович в конце XIX в., а выделил из почвы первую азотфиксирующую бактерию другой наш соотечественник - биохимик С. Н. Виноградский в 1890‑е гг. Но лишь в последнее время стал более или менее ясен механизм связывания азота бактериями. Бактерии усваивают азот, превращая его в аммиак, который затем очень быстро превращается в аминокислоты и белки. Процесс идет при участии ферментов.

В лабораториях нескольких стран (в СССР в начале 60‑х гг.) получены комплексные соединения, способные связывать атмосферный азот. Главная роль при этом отводится комплексам, содержащим молибден, железо и магний. В основном уже изучен и разработан механизм этого процесса.

Азот химический элемент, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. В воздухе свободный азот (в виде молекул N 2) составляет 78,09%. Азот немного легче воздуха, плотность 1,2506 кг/м 3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -195,8°C. Критическая температура -147°C и критическое давление 3,39 МПа. Азот бесцветный, без запаха и вкуса, нетоксичен, невоспламеняемый, невзрывоопасен и не поддерживающий горение газ в газообразном состоянии при обычной температуре обладает высокой инертностью. Химическая формула - N. В обычных условиях молекула азота двухатомная - N 2 .

Производство азота в промышленных масштабах основано на получении его из воздуха (см. ).

До сих пор ведутся споры о том, кто был первооткрывателем азота. В 1772 г. шотландский врач Даниель Резерфорд (Daniel Rutherford) пропуская воздух через раскаленный уголь, а потом через водный раствор щелочи - получил газ, который он назвал «ядовитый газ». Оказалось, что горящая лучинка, внесенная в сосуд, наполненный азотом, гаснет, а живое существо в атмосфере этого газа быстро гибнет.

В тоже время, проводя подобный опыт, азот получили британский физик Генри Кавендшин (Henry Cavendish) назвав его «удушливый воздух», британский естествоиспытатель Джозеф Пристли (Joseph Priestley) дал ему имя «дефлогистированный воздух», шведский химик Карл Вильгельм Шееле (Carl Wilhelm Scheele) - «испорченный воздух».

Окончательное имя «азот» данному газу дал французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier). Слово «азот» греческого происхождения и означает «безжизненный» .

Возникает логичный вопрос: «Если азот образует , какой смысл его использовать для сварки нержавеющих сталей, в составе которых есть карбидообразующие элементы?»

Все дело в том, что даже сравнительно небольшое содержание азота увеличивает тепловую мощность дуги . Из-за этой особенности, азот чаще всего используют не для сварки, а для плазменной резки .

Азот относится к нетоксичным газам, но может действовать как простой асфиксант (удушающий газ). Удушье наступает тогда, когда уровень азота в воздухе сокращает содержание кислорода на 75% или ниже нормальной концентрации.

Выпускают азот по газообразным и жидким. Для сварки и плазменной резки применяют газообразный азот 1-го (99,6% азота) и 2-го (99,0% азота) сортов.

Хранят и транспортируют его в сжатом состоянии в стальных баллонах по . Баллоны окрашены в черный цвет и надписью желтыми буквами «АЗОТ» на верхней цилиндрической части.

Рождающий селитру — так переводится с латинского языка слово Nitrogenium. Это название азота — химического элемента с атомным номером 7, возглавляющего 15-ю группу в длинном варианте периодической таблицы. В форме простого вещества распространен в составе воздушной оболочки Земли — атмосферы. Разнообразные соединения азота встречаются в земной коре и живых организмах, находят широкое применение в отраслях промышленности, военном деле, сельском хозяйстве и медицине.

Почему азот называли «удушливым» и «безжизненным»

Как предполагают историки химии, первым получил это простое вещество Генри Кавендиш (1777). Ученый пропускал воздух над раскаленными углями, для поглощения продуктов реакции использовал щелочь. В результате опыта исследователь обнаружил бесцветный газ без запаха, не вступивший в реакцию с углем. Кавендиш назвал его «удушливым воздухом» за неспособность поддерживать дыхание, а также горение.

Современный химик объяснил бы, что кислород прореагировал с углем, образовался углекислый газ. Оставшаяся «удушливая» часть воздуха состояла по большей части из молекул N 2 . Кавендиш и другие ученые в то время об этом веществе еще не знали, хотя соединения азота и селитры тогда широко использовались в хозяйстве. Ученый сообщил о необычном газе своему коллеге, проводившему аналогичные опыты, — Джозефу Пристли.

Одновременно Карл Шееле обратил внимание на неизвестную составную часть воздуха, но не сумел правильно объяснить ее происхождение. Только Даниэль Рутерфорд в 1772 году понял, что присутствующий в экспериментах «удушливый» «испорченный» газ — азот. Какого ученого считать его первооткрывателем — об этом до сих пор ведут спор историки науки.

Через 15 лет после опытов Рутерфорда знаменитый химик Антуан Лавуазье предложил сменить термин «испорченный» воздух, относившийся к азоту, на другой — Nitrogenium. К тому времени было доказано, что это вещество не горит, не поддерживает дыхание. Тогда же появилось русское название «азот», которое трактуется по-разному. Чаще всего говорят, что термин означает «безжизненный». Последующие работы опровергли распространенное мнение о свойствах вещества. Соединения азота — белки — важнейшие макромолекулы в составе живых организмов. Для их построения растения поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания — ионы NO 3 2- и NH 4+ .

Азот — химический элемент

Разобраться в строении атома и свойствах помогает (ПС). По положению в таблице Менделеева можно определить заряд ядра, количество протонов и нейтронов (массовое число). Необходимо обратить внимание на значение атомной массы — это одна из главных характеристик элемента. Номер периода соответсвует количеству энергетических уровней. В коротком варианте периодической таблицы номер группы соответствует числу электронов на внешнем энергатическом уровне. Обобщим все данные в общей характеристике азота по его положению в периодической системе:

• Это неметаллический элемент, находится в правом верхнем углу ПС.
• Химический знак: N.
• Порядковый номер: 7.
• Относительная атомная масса: 14,0067.
• Формула летучего водородного соединения: NH 3 (аммиак).
• Образует высший оксид N 2 O 5 , в котором валентность азота равна V.

Строение атома азота:

• Заряд ядра: +7.
• Число протонов:7; число нейтронов: 7.
• Количество энергетических уровней: 2.
• Общее число электронов: 7; электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 3 .

Подробно изучены стабильные изотопы элемента № 7, их массовые числа — 14 и 15. Содержание атомов более легкого из них составляет 99,64 %. В ядрах короткоживущих радиоактивных изотопов находится также 7 протонов, а число нейтронов сильно варьируется: 4, 5, 6, 9, 10.

Азот в природе

В составе воздушной оболочки Земли присутствуют молекулы простого вещества, формула которого — N 2 . Содержание газообразного азота в атмосфере составляет по объему примерно 78,1 %. Неорганические соединения этого химического элемента в земной коре — различные соли аммония и нитраты (селитры). Формулы соединений и названия некоторых из важнейших веществ:

• NH 3, аммиак.
• NO 2, диоксид азота.
• NaNO 3, нитрат натрия.
• (NH 4) 2 SO 4, сульфат аммония.

Валентность азота в двух последних соединениях — IV. Каменный уголь, почва, живые организмы также содержат атомы N в связанном виде. Азот является составной частью макромолекул аминокислот, нуклеотидов ДНК и РНК, гормонов и гемоглобина. Общее содержание химического элемента в теле человека достигает 2,5 %.

Простое вещество

Азот в виде двухатомных молекул — самая большая по объему и массе часть воздуха атмосферы. Вещество, формула которого N 2 , не обладает запахом, цветом и вкусом. Этот газ составляет более 2/3 воздушной оболочки Земли. В жидком виде азот представляет собой бесцветную субстанцию, напоминающую воду. Кипит при температуре -195,8 °C. М (N 2) = 28 г/моль. Простое вещество азот немного легче кислорода, его плотность по воздуху близка к 1.

Атомы в молекуле прочно связывают 3 общие электронные пары. Соединение проявляет высокую химическую устойчивость, что отличает его от кислорода и ряда других газообразных веществ. Для того чтобы молекула азота распалась на составляющие ее атомы, необходимо затратить энергию 942,9 кдж/моль. Связь из трех пар электронов очень прочная, начинает разрушаться при нагревании свыше 2000 °С.

При нормальных условиях диссоциация молекул на атомы практически не происходит. Химическая инертность азота также обусловлена полным отсутствием полярности в его молекулах. Они очень слабо взаимодействуют друг с другом, чем обусловлено газообразное состояние вещества при нормальном давлении и температуре, близкой к комнатной. Низкая химическая активность молекулярного азота находит применение в разных процессах и устройствах, где необходимо создать инертную среду.

Диссоциация молекул N 2 может происходить под влиянием солнечного излучения в верхних слоях атмосферы. Образуется атомарный азот, который при нормальных условиях реагирует с некоторыми металлами и неметаллами (фосфором, серой, мышьяком). В результате идет синтез веществ, которые в земных условиях получают косвенным путем.

Валентность азота

Наружный электронный слой атома образуют 2 s и 3 p электрона. Эти отрицательные частицы азот может отдать при взаимодействии с другими элементами, что соответствует его восстановительным свойствам. Присоединяя недостающие до октета 3 электрона, атом проявляет окислительные способности. Электроотрицательность азота ниже, его неметаллические свойства менее выражены, чем у фтора, кислорода и хлора. При взаимодействии с этими химическими элементами азот отдает электроны (окисляется). Восстановлением до отрицательных ионов сопровождаются реакции с другими неметаллами и металлами.

Типичная валентность азота — III. В этом случае химические связи образуются за счет притяжения внешних р-электронов и создания общих (связывающих) пар. Азот способен к образованию донорно-акцепторной связи за счет своей неподеленной пары электронов, как это происходит в ионе аммония NH 4+ .

Получение в лаборатории и промышленности

Один из лабораторных способов основан на окислительных свойствах Используется соединение азота с водородом — аммиак NH 3 . Этот неприятно пахнущий газ взаимоддействует с порошкообразным оксидом меди черного цвета. В результате реакции выделяется азот и появляется металлическая медь (красный порошок). На стенках трубки оседают капли воды — еще одного продукта реакции.

Другой лабораторный способ, в котором используется соединение азота с металлами — азид, например NaN 3 . Получается газ, который не надо очищать от примесей.

В лаборатории проводят разложение нитрита аммония на азот и воду. Для того чтобы реакция началась, требуется нагревание, затем процесс идет с выделением тепла (экзотермический). Азот загрязнен примесями, поэтому его очищают и осушают.

Получение азота в промышленности:

• фракционная перегонка жидкого воздуха — способ, в котором используются физические свойства азота и кислорода (разные температуры кипения);
• химическая реакция воздуха с раскаленным каменным углем;
• адсорбционное газоразделение.

Взаимодействие с металлами и водородом — окислительные свойства

Инертность прочных молекул не позволяет получать некоторые соединения азота прямым синтезом. Для активации атомов необходимо сильное нагревание или облучение вещества. Азот может прореагировать с литием при комнатной температуре, с магнием, кальцием и натрием реакция идет лишь при нагревании. Образуются нитриды соответствующих металлов.

Взаимодействие азота с водородом происходит при высоких значениях температуры и давления. Также для этого процесса необходим катализатор. Получается аммиак — один из важнейших продуктов химического синтеза. Азот, как окислитель, проявляет в своих соединениях три отрицательные степени окисления:

• −3 (аммиак и другие водородные соединения азота — нитриды);
• −2 (гидразин N 2 H 4);
• −1 (гидроксиламин NH 2 OH).

Важнейший нитрид — аммиак — в больших количествах получают в промышленности. Большой проблемой долгое время оставалась химическая инертность азота. Его сырьевыми источниками были селитры, но запасы минералов стали быстро сокращаться с ростом производства.

Большим достижением химической науки и практики стало создание аммиачного метода связывания азота в промышленных масштабах. В специальных колоннах проводится прямой синтез — обратимый процесс между азотом, полученным из воздуха, и водородом. При создании оптимальных условий, сдвигающих равновесие этой реакции в сторону продукта, применении катализатора выход аммиака достигает 97 %.

Взаимодействие с кислородом — восстановительные свойства

Для того чтобы началась реакция азота и кислорода, необходимо сильное нагревание. Достаточной энергией обладают и грозовой разряд в атмосфере. Важнейшие неорганические соединения, в которых азот находится в своих положительных степенях окисления:

• +1 (оксид азота (I) N 2 O);
• +2 (монооксид азота NO);
• +3 (оксид азота (III) N 2 O 3 ; азотистая кислота HNO 2 , ее соли нитриты);
• +4 (диоксид азота (IV) NO 2);
• +5 (пентаоксид азота (V) N 2 O 5 , азотная кислота HNO 3 , нитраты).

Значение в природе

Растения поглощают ионы аммония и нитратные анионы из почвы, используют для химических реакций синтез органических молекул, постоянно идущий в клетках. Атмосферный азот могут усваивать клубеньковые бактерии — микроскопические существа, образующие наросты на корнях бобовых культур. В результате эта группа растений получает необходимый элемент питания, обогащает им почву.

Во время тропических ливней происходят реакции окисления атмосферного азота. Оксиды растворяются с образованием кислот, эти соединения азота в воде поступают в почву. Благодаря круговороту элемента в природе постоянно восполняются его запасы в земной коре, воздухе. Сложные органические молекулы, содержащие в своем составе азот, разлагаются бактериями на неорганические составляющие.

Практическое использование

Важнейшие соединения азота для сельского хозяйства — это хорошо растворимые соли. Усваиваются растениями мочевина, калиевая, кальциевая), аммонийные соединения (водный раствор аммиака, хлорид, сульфат, нитрат аммония).
Инертные свойства азота, неспособность растений усваивать его из воздуха приводят к необходимости ежегодно вносить большие дозы нитратов. Части растительного организма способны запасать макроэлемент питания «впрок», что ухудшает качество продукции. Избыток и фруктах может вызвать у людей отравления, рост злокачественных новообразований. Кроме сельского хозяйства, соединения азота используются в других отраслях:

• для получения медикаментов;
• для химического синтеза высокомолекулярных соединений;
• в производстве взрывчатки из тринитротолуола (тротила);
• для выпуска красителей.

Оксид NO находит применение в хирургии, вещество обладает обезболивающим эффектом. Потерю ощущений при вдыхании этого газа заметили еще первые исследователи химических свойств азота. Так появилось тривиальное название «веселящий газ».

Проблема нитратов в сельскохозяйственной продукции

В солях азотной кислоты — нитратах — содержится однозарядный анион NO 3- . До сих пор используется старое наименование этой группы веществ — селитры. Применяются нитраты для удобрения полей, в теплицах, садах. Вносят их ранней весной перед посевом, летом — в виде жидких подкормок. Сами по себе вещества не представляют большой опасности для людей, но в организме они превращаются в нитриты, затем в нитрозамины. Нитритные ионы NO 2- — токсичные частицы, они вызывают окисление двухвалентного железа в молекулах гемоглобина в трехвалентные ионы. В таком состоянии главное вещество крови человека и животных не способно переносить кислород и удалять из тканей углекислый газ.

Чем опасно нитратное загрязнение продуктов питания для здоровья человека:

• злокачественными опухолями, возникающими при превращении нитратов в нитрозамины (канцерогены);
• развитием язвенного колита,
• гипотензией или гипертензией;
• сердечной недостаточностью;
• нарушением свертываемости крови
• поражениями печени, поджелудочной железы, развитием диабета;
• развитием почечной недостаточности;
• анемией, нарушениями памяти, внимания, интеллекта.

Одновременное употребление разных продуктов с большими дозами нитратов приводит к острому отравлению. Источниками могут быть растения, питьевая вода, готовые мясные блюда. Замачиванием в чистой воде и кулинарной обработкой можно снизить в продуктах питания содержание нитратов. Исследователи выяснили, что более высокие дозы опасных соединений отмечены в незрелой и тепличной растительной продукции.

Фосфор — элемент подгруппы азота

Атомы химических элементов, которые находятся в одном вертикальном столбце периодической системы, проявляют общие свойства. Фосфор расположен в третьем периоде, относится к 15 группе, как и азот. Строение атомов элементов сходное, но существуют различия в свойствах. Азот и фосфор проявляют отрицательную степень окисления и валентность III в своих соединениях с металлами и водородом.

Многие реакции фосфора идут при обычных температурах, это химически активный элемент. Взаимодействует с кислородом с образованием высшего оксида Р 2 О 5 . Водный раствор этого вещества обладает свойствами кислоты (метафосфорной). При ее нагревании получается ортофосфорная кислота. Она образует несколько типов солей, многие из которых служат минеральными удобрениями, например суперфосфаты. Соединения азота и фосфора составляют важную часть круговорота веществ и энергии на нашей планете, используются в промышленной, сельскохозяйственной и других сферах деятельности.

Азот - седьмой элемент в таблице Менделеева и первый элемент группы УА. Название азот означает "безжизненный" (греч. "а" - отрицательная приставка, "зоэ" - жизнь). Такая оценка азота может считаться справедливой только в отношении простого вещества, но азот как элемент необходим для жизни, так как вместе с углеродом, водородом и кислородом он образует белки и другие жизненно важные вещества. В организме человека содержится в среднем 1,8 кг азота.

Азот - довольно широко распространенный элемент биосферы. Наибольшее количество его находится в атмосфере в виде простого вещества Ы 2 . Общая масса азота в атмосфере составляет 4 10 18 кг. Твердых минералов, содержащих азот, почти нет. Лишь в исключительно сухой

пустыне на севере Чили есть залежи нитрата натрия, названного чилийской селитрой. Значительное количество азота содержится в биомассе растений и животных и в органических остатках (каменный уголь, торф). В обычных условиях на поверхности земли большая часть азота из отмерших растений постепенно превращается в газообразный азот и переходит в атмосферу. Некоторая доля имеющихся в почве соединений азота вымывается водой и попадает в водоемы. Поэтому растения часто оказываются в условиях недостатка азота, доступного для биологического усвоения. Неисчерпаемые запасы азота Ы 2 в окружающем воздухе большинство растений использовать не могут. Можно сравнить отношение растений к атмосферному азоту и кислороду. Последний активно используется растениями и животными в процессах окисления. Это различие между азотом и кислородом связано с необычайной прочностью молекул Ы 2 . Азот с трудом участвует в обычных химических реакциях. Биохимические реакции азота возможны лишь при участии фермента нитрогеназы, который имеется только у отдельных видов бактерий.

Промышленное получение соединений азота было трудной проблемой еще в начале XX в. В то же время потребность в соединениях азота огромна, так как они необходимы для производства не только удобрений, но и взрывчатых веществ. Немецкий химик Ф. Габер (Нобелевская премия по химии 1918 г.) внес важнейший вклад в решение проблемы связывания атмосферного азота, разработав катализатор для синтеза аммиака из азота и водорода. Это изобретение оказало огромное влияние на дальнейшее развитие промышленности и сельского хозяйства. В 1913 г. был пущен первый завод по производству аммиака, а в настоящее время его годовое производство превышает 100 млн т.

По строению атома азот - трехвалентный элемент. В устойчивых соединениях он образует не менее трех химических связей. Азот не может повысить свою валентность за счет перехода в возбужденное состояние. Для него единственная возможность перехода в четырехвалентное состояние - это потеря одного электрона:

В таком состоянии азот может находиться только в соединениях с более электроотрицательными элементами, г.е. кислородом и фтором. В этих соединениях азот имеет положительные степени окисления, а в соединениях со всеми остальными элементами - отрицательные.

Атом азота имеет валентную электронную пару на подуровне 2.? и как донор (основание) часто образует дополнительную химическую связь по донорно-акцепторному механизму. Примерами соответствующих соединений служат соли аммония и комплексные соединения ионов металлов с лигандом МН 3 .

Пример 20.1. Каковы степени окисления у азота в гидразине К 2 Н 4 , нитробензоле С 6 Н 5 Ы0 2 и аминоэтане С 2 Н 5 ЫН 2 ?

Решение. В гидразине СО азота -2. В этой молекуле имеется связь между атомами азота, не влияющая на степень окисления. В нитробензоле азот связан одновременно с более электроотрицательным кислородом и менее электроотрицательным углеродом. К двум атомам кислорода смещено четыре электрона, а от углерода - один. Получается СО +3. В аминоэтане азот связан с менее электроотрицательными водородом и углеродом. Степень окисления -3.

У азота известно только одно простое вещество N9, называемое, согласно химической номенклатуре, диазотом. Это газ, начинающий переходить в жидкость при -195,8°С при обычном давлении. Жидкий азот замерзает в бесцветные кристаллы при -210°С. В индивидуальном состоянии азот хранят и перевозят в баллонах под высоким давлением. Молекулы К 2 имеют на два электрона меньше, чем молекулы кислорода 0 2:

Два дополнительных электрона кислорода уменьшают прочность связи. Связь между атомами азота без этих электронов становится по-настоящему тройной, и Ы 2 оказывается самой устойчивой и наименее реакционноспособной из всех молекул. Энергия связи в молекуле Ы 2 -946 кДж/моль.

Прочностью молекул Ы 2 определяются нс только свойства этого вещества, но и поведение соединений азота. Они, как правило, не очень устойчивы, разлагаются при сравнительно слабом нагревании. Азот образует также неустойчивые соединения, являющиеся взрывчатыми веществами. Во всех случаях разложению соединений азота способствует образование устойчивых молекул Ы 2 .

Простой лабораторный способ получения азота заключается в разложении нитрита аммония при слабом нагревании соли как в виде твердого вещества, так и ее раствора:

Для проведения реакции в растворе можно взять часто используемые соли с теми же ионами - хлорид аммония и нитрит натрия:

При сгорании органических соединений азота также образуется простое вещество:

В промышленности азот получают из воздуха ректификацией при низкой температуре. Используется также азот воздуха после удаления кислорода химическими способами. В этом случае азот содержит примесь благородных газов. Азот используется в наибольшем количестве для синтеза аммиака. Инертность азота в обычных условиях позволяет применять его в качестве газообразной среды при проведении технологических процессов и в научных исследованиях.

У азота крайне мало реакций, способных идти при обычной температуре. Металл литий на воздухе реагирует одновременно и с кислородом, и с парами воды, и с азотом. Поверхность лития чернеет, так как на ней образуется нитрид лития:

Других реакций азота при обычной температуре не было известно до середины прошлого века. Настоящей сенсацией в химии явилось открытие реакций азота в водной среде с совместно осажденными гидроксидами двух металлов, один из которых является восстановителем, а другой несет каталитическую функцию. Гидроксид ванадия(П), осажденный с гидроксидом магния, реагирует следующим образом:

Получающееся соединение азота с водородом называется гидразин. По строению молекулы он аналогичен перекиси водорода:

Известно также вещество гидроксиламин КН 2 ОП, молекулы которого сочетают фрагменты гидразина и перекиси водорода:

При высокой температуре азот может реагировать со многими простыми веществами. С кислородом реакция идет при нагревании до 2000°С:

Реакция эндотермическая и обратимая, выход оксида азота(П) увеличивается при повышении температуры. В небольшом количестве N0 образуется в атмосфере при грозовых разрядах и при работе двигателей внутреннего сгорания.

Наибольшее практическое значение имеет реакция азота с водородом, о которой уже говорилось в параграфах 67 и 70. Напомним, что это экзотермическая реакция, и ее равновесие смещается влево при повышении температуры. Согласно уравнению реакции, из четырех молекул азота и водорода образуются две молекулы аммиака. Следовательно, при повышении давления равновесие смещается вправо. Выход продукта, определяемый положением равновесия реакции, зависит как от температуры, так и от давления. Эта зависимость показана на рис. 20.1. Возьмем на рисунке какую-либо точку, например, 450°С при давлении 600 атм. В этих условиях выход аммиака составляет 40%, что вполне приемлемо для этого процесса.

Однако устанавливается равновесие крайне медленно. Скорость реакции можно увеличить повышением температуры, но при этом быстро падает выход. Для дальнейшего повышения давления потребовалось бы применение более дорогого оборудования. Поэтому экономически приемлемое сочетание выхода продукта и скорости его образования может быть

достигнуто только при применении катализатора. Катализатор обычно удается создать в результате длительного экспериментального поиска. В этом процессе хорошим катализатором оказалось металлическое железо, активированное оксидами калия и алюминия. Теперь при промышленном получении аммиака применяют давления 300-500 атм (3 10 4 -5 -10 1 кПа) и температуру около 300°С. При этом выход аммиака составляет 10-20%. Однако смесь азота и водорода после отделения полученного аммиака может снова направляться в контактный аппарат с катализатором, и таким образом доля использования сырья повышается.

Рис. 20.1.

Принципиальная схема заводской установки для синтеза аммиака показана па рис. 20.2.

Рис. 20.2.

1 - компрессор; 2 - колонна синтеза; 3 - холодильник; 3 - сепаратор; 5 - сборник жидкого аммиака; в - циркуляционный насос

Очищенная от примесей газовая смесь, состоящая из одного объема азота и трех объемов водорода, сжимается компрессором 1 до 300 атм и поступает в колонну синтеза 2, заполненную катализатором, где и идет реакция образования аммиака. Перед запуском процесса колонну с катализатором нагревают электрическими нагревателями до 500°С. Далее температура поддерживается выделяющейся при реакции теплотой. После прохождения через колонну газы, содержащие до 20% аммиака, поступают в холодильник^, где из смеси газов, находящейся под большим давлением, конденсируется жидкий аммиак. Жидкость отделяется от газовой смеси в сепараторе 4. Отсюда аммиак перекачивается в сборник низкого давления 5 и далее поступает на склад. Неирореагировавшие газы перекачиваются насосом в для смешивания со свежей азото-водородной смесью. Смесь продолжает непрерывно поступать в колонну 2, где постоянно идет синтез аммиака.

В химии уже длительное время изучается возможность получения соединений азота при обычных температуре и давлении, так как применение устройств высокого давления дорого и опасно: они могут взрываться. Надежда на успех поддерживается тем, что известны микроорганизмы - нитробактерии , - имеющие фермент нитрогеназу , при участии которого азот восстанавливается в бактериальной клетке, превращаясь в необходимые органические соединения. По искусственно воспроизвести работу этих чрезвычайно сложных ферментов или похожих на них веществ пока не удается. Восстановление азота до гидразина по реакции с гидроксидами металлов также не удается осуществить в виде непрерывного процесса. Поэтому синтез аммиака, существенным недостатком которого является необходимость применения высокого давления, является пока самым лучшим источником получения соединений азота.

Азот реагирует с углеродом при горении вольтовой дуги с образованием газообразного вещества д и циана:

До промышленного освоения синтеза аммиака имела практическое значение реакция азота с карбидом кальция, продуктом которой является цианамид кальция Са=Ы-С=Ы (СаСЫ 2):

Для осуществления реакции азот пропускают через слой карбида кальция, сильно нагретый в каком-то одном месте. В этом месте возникает реакция, сопровождающаяся выделением теплоты. Масса окружающего вещества нагревается, в нем тоже происходит процесс поглощения азота. В итоге в реакцию вступает весь помещенный в аппарат карбид кальция.

Полученный таким образом цианамид кальция гидролизуют перегретым водяным паром:

Этот способ получения аммиака в настоящее время вытеснен синтезом его из водорода и азота.

При высокой температуре азот реагирует со многими металлами и сплавами, образуя нитриды металлов. Иногда образование нитрида в поверхностном слое придает сплаву дополнительную твердость. В некоторых случаях металл приходится изолировать от воздействия азота. Например, листы титана сваривают в атмосфере аргона во избежание образования нитрида титана.