Mekkora a nitrogén sűrűsége? Kriogén folyadékok tulajdonságai kriogén hőmérsékleten

MEGHATÁROZÁS

Normál körülmények között nitrogén- N 2 molekulákból álló színtelen gáz.

Az erős intramolekuláris kötés, a nitrogénmolekula kis mérete és polaritása az oka a gyenge intermolekuláris kölcsönhatásnak, ezért a nitrogén alacsony forrás- és olvadáspontú.

A nitrogén szagtalan. Vízben enyhén oldódik és a levegőnél valamivel könnyebb: 1 liter nitrogén tömege 1,25 g.

A legfontosabb nitrogénállandókat az alábbi táblázat tartalmazza:

1. táblázat. A nitrogén fizikai tulajdonságai és sűrűsége.

Az N 2 nitrogénmolekula alapállapotban a következő elektronikus konfigurációval rendelkezik: [σ(2s) 2 ][ [σ * (2s) 2 ][π(2p y) 2 ][π(2p x) 2 ][π( 2p z) 2]. Az alapállapotú nitrogénatomnak három párosítatlan elektronja van. Ez azt jelzi, hogy a nitrogén vegyértéke három. Azonban annak ellenére, hogy a nitrogénre nem jellemző a gerjesztett állapot jelenléte, ez az elem képes I, II, IV és V vegyértéket felmutatni vegyületeiben.

Természetes nitrogénbőség

A nitrogén a természetben egyszerű anyag formájában megtalálható a természetben (a levegő nitrogéntartalma -78 (térf.)%). A nitrogén az állati és növényi szervezetekben aminosavak és nukleinsavak formájában található meg. A természetes ásványok közül a chilei nitrát (NaNO 3) és a kálium-nitrát (KNO 3) ipari jelentőségű. A földkéreg összes nitrogéntartalma (beleértve a hidroszférát és az atmoszférát is) 0,04% (tömeg).

A nitrogén kémiai tulajdonságainak és sűrűségének rövid leírása

A molekuláris nitrogén rendkívül alacsony reaktivitású, ami az N2 molekulában található erős hármas kötésnek, valamint a molekula polaritásmentességének köszönhető. Valójában egy nitrogénmolekula ionizációs energiája, 1402 kJ/mol, közel áll egy argonatom ionizációs energiájához, vagyis a nitrogén gyenge redukálószer.

A molekuláris nitrogén elektronaffinitása -3,6 eV, így szobahőmérsékleten csak néhány erős redukálószerrel, például lítiummal lép reakcióba. A folyamat az egyelektronos redukció szakaszán megy végbe, instabil pernitrid Li + N 2 - képződésével, amely a reakció során nitriddé alakul:

6Li + N 2 = 2Li 3 N.

Ahhoz, hogy egyszerű anyagokból magnézium-nitrid Mg 3 N 2 képződjön, 300 o C-ra kell melegíteni.

Egy nitrogénmolekula elektromos kisülése során egy elektron a σ(2p z) pályáról π * (2p z) pályára lép át. Az ilyen gerjesztett molekulák gyorsan visszatérnek normál állapotukba, és sárga fényt bocsátanak ki. Néha a váladékozás leállása után néhány percig tart. Gerjesztett állapotban a nitrogén nagyon reaktív. Valójában elektromos kisülés esetén oxigénnel reagál:

N 2 + O 2 ↔ 2NO.

A hidrogénnel való reakció magasabb hőmérsékleten (400 o C) és nyomáson (200 atm) katalizátor (Fe) jelenlétében megy végbe:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 .

A nitrogén nem lép kölcsönhatásba kénnel és halogénekkel.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

Gyakorlat

Számítsa ki az oxigénre vonatkozó a) sűrűséget; b) nitrogénre; c) levegővel a következő gázok: HI hidrogén-jodid és nitrogén-oxid (I).

Megoldás

Mr (HI) = A r (H) + A r (I) = 1 + 127 = 128.

D levegő (HI) = M r (HI) / M r (levegő) = 128/29 = 4,41;

DO2(HI)=Mr(HI)/Mr(O2)=128/32=4;

DN2(HI)=Mr(HI)/Mr(N2)=128/28=4,57.

M r (N 2 O) = 2 × A r (N) + A r (O) = 2 × 14 + 16 = 28 + 16 = 44.

D levegő (N 2 O) = M r (N 2 O) / M r (levegő) = 44/29 = 1,52;

DO2(N2O)=Mr(N2O)/Mr(O2)=44/32=1,375;

DN2(N2O)=Mr(N2O)/Mr(N2)=44/28=1,57.

Válasz

A hidrogén-jodid sűrűsége levegőben, oxigénben és nitrogénben rendre 4,41, 4 és 4,57; A nitrogén-monoxid (I) sűrűsége levegőben, oxigénben és nitrogénben 1,52, 1,375 és 1,57.

2. PÉLDA

Gyakorlat

Számítsa ki az oxigénre vonatkozó a) sűrűséget; b) nitrogénre; c) levegővel a következő gázok: nitrogén-oxid (IV) és hidrogén-fluorid, HF.

Megoldás

Egy gáz relatív sűrűségének kiszámításához az első gáz relatív molekulatömegét el kell osztani a második gáz relatív molekulatömegével.

A levegő relatív molekulatömege 29 (figyelembe véve a levegő nitrogén-, oxigén- és egyéb gáztartalmát). Meg kell jegyezni, hogy a „levegő relatív molekulatömege” fogalmát feltételesen használják, mivel a levegő gázok keveréke.

M r (HF) = A r (H) + A r (F) = 1 + 19 = 20.

D levegő (HF) = M r (HF) / M r (levegő) = 20/29 = 0,69;

D02 (HF) = Mr (HF) / Mr (O2) = 20/32 = 0,625;

DN2(HF)=Mr(HF)/Mr(N2)=20/28=0,71.

M r (O 2) = 2 × A r (O) = 2 × 16 = 32.

M r (N 2) = 2 × A r (N) = 2 × 14 = 28.

M r (NO 2) = A r (N) + 2 × A r (O) = 14 + 2 × 16 = 14 + 32 = 46.

D levegő (NO 2) = M r (NO 2) / M r (levegő) = 46 / 29 = 1,59;

DO2(NO2)=Mr(NO2)/Mr(O2)=46/32=1,44;

D H2 (NO 2) = M r (NO 2) / M r (N 2) = 46/28 = 1,64.

Válasz

A hidrogén-fluorid sűrűsége levegőben, oxigénben és nitrogénben rendre 0,69, 0,625 és 0,71; A nitrogén-monoxid (IV) sűrűsége levegőben, oxigénben és nitrogénben 1,59, 1,44 és 1,64.

MEGHATÁROZÁS

Nitrogén- nem fém. Normál körülmények között színtelen gáz, amely színtelenné csapódhat le folyékony(a folyékony nitrogén sűrűsége 0,808 g/cm 3), a folyékony oxigéntől eltérően a folyékony oxigénnél alacsonyabb hőmérsékleten (-195,75 o C) forr.

Szilárd állapotban fehér kristályok formájában jelenik meg.

A nitrogén rosszul oldódik vízben (rosszabbul, mint az oxigén), de jól oldódik folyékony kén-dioxidban.

A folyékony nitrogén molekula kémiai összetétele és szerkezete

Normál körülmények között a nitrogén színtelen gáz, amely N 2 molekulákból áll. A molekulában a nitrogénatomok között hármas kötés van, aminek következtében molekulája rendkívül erős. A molekuláris nitrogén kémiailag inaktív és gyengén polarizált.

Tekintsük egy nitrogénmolekula kialakulását (1. ábra), melynek elektronfelhője egy megnyúlt nyolcas alakot ölt. Amikor két nitrogénatom közeledik, elektronfelhőik átfedik egymást. Ilyen átfedés csak akkor lehetséges, ha az elektronok antiparallel spinekkel rendelkeznek. A felhőátfedés tartományában az elektronsűrűség növekszik, aminek következtében az atomok közötti vonzóerők növekednek. A megosztott elektronpárok száma egy nitrogénmolekulában egyenlő egy (egy elektron minden atomból). A molekula kovalens (nem poláris) típusú kötéssel rendelkezik.

Rizs. 1. A nitrogénmolekula szerkezete.

A folyékony nitrogén kémiai tulajdonságainak és sűrűségének rövid leírása

Normál körülmények között a nitrogén kémiailag passzív elem; nem lép reakcióba savakkal, lúgokkal, ammónia-hidráttal, halogénekkel, kénnel. Elektromos kisülés hatására kis mértékben reagál hidrogénnel és oxigénnel (1, 2). Nedvesség jelenlétében szobahőmérsékleten lítiummal reagál (3). Melegítéskor reakcióba lép magnéziummal, kalciummal, alumíniummal és más fémekkel (4, 5, 6).

N2+3H2↔2NH3 (1);

N 2 + O 2 ↔ 2NO (2);

N2 + 6Li = 2Li3N (3);

N2+3Mg=Mg3N_2 (4);

N2+3Ca=Ca3N2(5);

N2 + 2AI = 2AlN (6).

A nitrogén reakciója fluorral és szénnel, mint a hidrogén vagy az oxigén esetében, elektromos kisülés hatására megy végbe:

N2+3F2=2NF3;

N 2 + 2C↔C 2 N 2.

500-600 o C-ra hevítve a nitrogén reakcióba lép a lítium-hidriddel (7), de ha a hőmérséklet tartomány 300-350 o C, akkor lehetséges a reakció kalcium-karbiddal (8):

N2 + 3LiH = Li 3N + NH3 (7);

N 2 + CaC 2 = Ca(CN) 2 (8).

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

Gyakorlat

A gáz sűrűsége a levegőben 2,564. Számítsa ki az 1 liter térfogatú gáz tömegét (n.s.).

Megoldás

Egy adott gáz tömegének és egy másik gáz tömegének arányát ugyanabban a térfogatban, azonos hőmérsékleten és nyomáson az első gáz és a második gáz relatív sűrűségének nevezzük. Ez az érték azt mutatja, hogy az első gáz hányszor nehezebb vagy könnyebb, mint a második gáz.

Egy gáz moláris tömege egyenlő a másik gázhoz viszonyított sűrűségével, megszorozva a második gáz moláris tömegével:

Ekkor a gáz moláris tömege egyenlő lesz:

M gáz = D levegő × M (levegő) = 2,564 × 29 = 74,356 g/mol.

m(gáz) = n(gáz) ×M gáz .

Határozzuk meg a gázanyag mennyiségét:

V(gáz) = n(gáz) × V m ;

n (gáz) = V (gáz) / V m = 1 / 22,4 = 0,04 mol.

m(gáz) = 0,04 × 74,356 = 2,97 g.

Válasz

A gáz tömege 2,97 g.

A táblázat a nitrogén sűrűségét és termofizikai tulajdonságait mutatja gáz halmazállapotban a hőmérséklettől és a nyomástól függően. A nitrogén termofizikai tulajdonságait 0 és 1000 °C közötti hőmérsékleten és 1 és 100 atmoszféra közötti nyomáson adják meg.

Amint az a táblázatból látható, a nitrogén olyan tulajdonságai, mint a termikus diffúzió és a kinematikai viszkozitás erősen függenek a hőmérséklettől. A nyomás növekedésével a nitrogén ezen tulajdonságai csökkentik értékeiket, míg a nitrogén sűrűsége jelentősen megnő. Például légköri nyomáson és 0 °C hőmérsékleten a nitrogén sűrűsége 1,21 kg/m3, és a nyomás 100-szoros növekedésével a nitrogén sűrűsége 122,8 kg/m3-re nő ugyanezen a hőmérsékleten.

A nitrogén fajlagos hőkapacitása a gáz hőmérsékletének növekedésével nő. A nyomás növekedésével a nitrogén fajlagos hőkapacitása is nő. Például 0°C hőmérsékleten és légköri nyomáson A nitrogén fajlagos hőkapacitása 1039 J/(kg deg), és ha ezt a gázt 100 atmoszféra nyomásra sűrítjük, akkor ugyanazon a hőmérsékleten 1242 J/(kg deg).

Megjegyzendő, hogy magas hőmérsékleten (kb. 1000°C) csökken a nyomás hatása a nitrogén fajlagos hőkapacitására. Tehát 1000 °C hőmérsékleten és 1 és 100 atm nyomáson. a hőkapacitás értéke 1215 és 1219 J/(kg deg) lesz.

A táblázat a nitrogén következő tulajdonságait mutatja:

nitrogén sűrűsége γ , kg/m 3 ;
fajlagos hő C p , kJ/(kg fok);
hővezetési együttható λ , W/(m fok);
dinamikus viszkozitás μ , ;
termikus diffúzió a , m 2/s;
kinematikai viszkozitás ν , m 2/s;
Prandtl szm Pr .

A disszociált nitrogén sűrűsége magas hőmérsékleten.

A táblázat a nitrogén sűrűségértékeit tartalmazza disszociált és ionizált állapotban 0,2 és 100 atmoszféra közötti nyomáson, magas hőmérsékleten. A gáz halmazállapotú nitrogén sűrűségét 5000...40000 K hőmérséklet-tartományban adjuk meg kg/m 3 méretben.

A nitrogén sűrűsége a hőmérséklet emelkedésével csökkenés a gáznyomás növekedésével növekszik. A nitrogén fajsúlyának (sűrűségének) értéke a táblázatban 0,00043 és 6,83 kg/m3 között mozog. Például légköri nyomáson és 5000 K (4727 ° C) hőmérsékleten a nitrogén sűrűsége 0,0682 kg/m 3. Ha a nitrogént 40 000 K hőmérsékletre hevítjük, sűrűsége 0,00213 kg/m 3 értékre csökken.

Megjegyzés: Legyen óvatos! A táblázatban a nitrogén sűrűségét 10 3 hatványokban adjuk meg. Ne felejts el elosztani 1000-el.

A nitrogén hővezető képessége folyékony és gáz halmazállapotban

A táblázat a nitrogén hővezető képességét mutatja folyékony és gáz halmazállapotban a hőmérséklettől és a nyomástól függően.
A nitrogén hővezető képességét (W/(m fok)) a -193 és 1127 °C közötti hőmérsékleti tartományban és 1 és 600 atmoszféra közötti nyomáson adják meg.

A disszociált nitrogén hővezető képessége magas hőmérsékleten.

A táblázat a disszociált nitrogén hővezető képességét adja meg 0,001 és 100 atmoszféra közötti nyomáson és magas hőmérsékleten.
A gáz halmazállapotú nitrogén hővezető képességét a 2000...6000 K hőmérséklet-tartományban adjuk meg W/(m deg) méretben.

A nitrogén hővezetési együtthatójának értéke a hőmérséklet emelkedésével nőés általában csökken ennek a gáznak a nyomásával. A disszociált nitrogén hővezető képessége a táblázatban szereplő körülmények között 0,126 és 6,142 W/(m deg) között változik.

Legyen óvatos! A táblázatban a nitrogén hővezető képessége 10 3 hatványon van megadva. Ne felejtse el elosztani a táblázat értékét 1000-el.

A folyékony nitrogén hővezető képessége a telítési vonalon.

A táblázat a folyékony nitrogén hővezetési együtthatójának értékeit mutatja a telítési vonalon alacsony hőmérsékleten.
A folyékony nitrogén hővezető képessége 90...120 K (-183...-153°C) hőmérsékleten van feltüntetve.

A táblázatból látható, hogy a folyékony halmazállapotú nitrogén hővezető képessége a hőmérséklet emelkedésével csökken.

Megjegyzés: Legyen óvatos! A táblázatban a nitrogén hővezető képessége 10 3 hatványon van megadva. Ne felejts el elosztani 1000-el.

A nitrogén dinamikus viszkozitása a hőmérséklettől és a nyomástól függően

A táblázat a nitrogén értékeket mutatja a hőmérséklettől és a nyomástól függően.
A nitrogén dinamikus viszkozitását (Pa s méret) 80-6000 K hőmérséklet-tartományban, 1-400 atmoszféra és 0,001-100 atmoszféra nyomástartományban adják meg.

3600 K nitrogénhőmérsékleten részlegesen disszociálni kezd. Az azoátgáz hőmérsékletének növekedésével dinamikus viszkozitása nő. A folyékony nitrogén hőmérsékletének növekedésével dinamikus viszkozitásának értéke is nő.

Megjegyzés: Legyen óvatos! A táblázatban a nitrogén viszkozitását 10 6 hatványban adjuk meg. Ne felejts el elosztani 10 6-tal.

Források:

Fizikai mennyiségek. Címtár. A.P. Babicsev, N.A. Babuskina, A.M. Bratkovszkij és mások; Szerk. I.S. Grigorjeva, E.Z. Meilikhova. - M.: Energoatomizdat, 1991. - 1232 p.

A nitrogén kémiai elem N szimbóluma, rendszáma 7 és tömege 14. Elemi állapotban a nitrogén nagyon stabil kétatomos molekulákat alkot N 2 erős atomközi kötésekkel.

Nitrogén molekula, mérete és gáz tulajdonságai

A nitrogénmolekulát két nitrogénatom közötti hármas kovalens kötés hozza létre, és kémiai képlete N2. A legtöbb anyag molekuláinak mérete általában, és különösen a nitrogén, meglehetősen nehezen meghatározható érték, és még maga a fogalom sem egyértelmű. A levegőkomponenseket szétválasztó berendezések működési elveinek megértéséhez a legjobb koncepció az kinetikus átmérő molekula, amelyet a molekula legkisebb dimenziójaként határoznak meg. A nitrogén N 2 és az oxigén O 2 kétatomos molekulák, amelyek alakjukban jobban hasonlítanak a hengerekhez, mint a gömbökhöz – ezért az egyik méretük, amelyet hagyományosan „hossznak” nevezhetünk, jelentősebb, mint a másik, amely hagyományosan "átmérőnek" nevezhető. Még a nitrogénmolekulák kinetikai átmérője sem egyértelműen meghatározható, azonban elméletileg és kísérletileg is vannak adatok a nitrogén- és oxigénmolekulák kinetikai átmérőjéről (az oxigénre vonatkozó adatokat közöljük, mert az oxigén a légköri levegő második fő összetevője, ill. abból kell tisztítani a nitrogént, ha azt a levegőelválasztási folyamat során nyerik), beleértve:
- N 2 3,16Å és O 2 2,96Å - viszkozitási adatokból
- N 2 3,14Å és O 2 2,90Å - a van der Waals erőkre vonatkozó adatokból

A nitrogén N 2 megolvad, azaz a szilárd fázisból a folyadékba jut át -210°C hőmérsékleten, és elpárolog (forr), azaz folyadékból gáz halmazállapotba megy át -195,79 hőmérsékleten. °C.

Kattintson a nagyításhoz

A nitrogén gáz inert gáz, színtelen, íztelen, szagtalan, nem gyúlékony és nem mérgező. A nitrogén sűrűsége normál légköri viszonyok között (azaz 0°C hőmérsékleten és abszolút nyomás 101325 Pa) 1,251 kg/m³. A nitrogén gyakorlatilag semmilyen más anyaggal nem lép reakcióba (kivéve a ritka nitrogénkötési reakciókat lítiummal és magnéziummal). Éppen ellenkezőleg, a Haber-eljárást széles körben használják az iparban, a műtrágyák gyártásában, amelyben katalizátor, vas-trioxid Fe 3 O 4 jelenlétében a nitrogén hidrogénnel kötődik magas hőmérsékleten és nyomáson.

A nitrogén alkotja a Föld légkörének legnagyobb részét, mind térfogat (78,3%), mind tömege (75,47%). A nitrogén minden élő szervezetben jelen van, az elhalt szervezetekben, az élőlények salakanyagaiban, fehérjemolekulákban, nukleinsavakban és aminosavakban, karbamidban, húgysavban és más szerves molekulákban. A természetben is vannak nitrogéntartalmú ásványi anyagok: nitrát (kálium-nitrát - kálium-nitrát KNO 3, ammónium-nitrát - ammónium-nitrát NH 4 NO 3, nátrium-nitrát - nátrium-nitrát NaNO 3, magnézium-nitrát, bárium-nitrát, stb.) vegyületek (például ammónium-klorid NH 4 Cl stb.) és egyéb, többnyire meglehetősen ritka ásványi anyagok.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete