Graviteti specifik i azotit dhe ajrit. Azoti: karakteristikat, vetitë kimike, vetitë fizike, përbërjet, vendi në natyrë

Azoti i lëngshëm është substanca azot N2 në gjendje të lëngët në një temperaturë jashtëzakonisht të ulët prej -196C (77.35K) në një presion prej 101.3 kPa. Varësia e pikës së vlimit të azotit të lëngshëm nga presioni është paraqitur në. Azoti i lëngshëm është pa ngjyrë dhe pa erë. Pas kontaktit me ajrin, azoti i lëngshëm thith oksigjenin prej tij, duke formuar një zgjidhje të oksigjenit në azot, dhe për këtë arsye pika e vlimit të përzierjes ndryshon gradualisht.

Temperatura e azotit të lëngshëm mund të ulet në pikën e ngrirjes -210C (63K) duke krijuar vakumin e nevojshëm mbi sipërfaqen e tij. Vakuumi arrihet duke pompuar enën me azot të lëngshëm me një pompë vakum të kapacitetit të duhur.

Dendësia e azotit të lëngshëm në një presion prej 101.3 kPa është 808 kg/m3. Varësia nga presioni i densitetit të azotit të lëngët është paraqitur në.

Azoti i lëngshëm përftohet nga lëngëzimi i ajrit atmosferik me ndarjen e tij të mëtejshme në një kolonë distilimi, ose nga lëngëzimi i azotit të gaztë të marrë duke përdorur një metodë të ndarjes së ajrit me membranë ose thithje. Në ajrin atmosferik, përmbajtja e azotit të gaztë është 75,6% (në masë) ose 78,084% (në vëllim).

Tabela 1. Klasat e azotit të lëngët klasifikohen sipas.

Azoti i lëngshëm ruhet në kontejnerë të veçantë me izolim vakum. Kontejnerët e vegjël për ruajtjen e azotit të lëngshëm me një kapacitet më të vogël se 50 litra quhen Dewars, kontejnerët me një vëllim më të madh quhen enë kriogjenike, rezervuarë dhe rezervuarë kriogjenë. Gjatë ruajtjes, azoti avullon, kontejnerët me cilësi më të lartë karakterizohen nga një vlerë minimale e avullimit të tij. Për anijet kriogjenike, humbjet tipike të produktit janë 1-2% në ditë, për anijet Dewar 0,2-0,3% në ditë.

Azoti i lëngët përdoret për ftohjen e objekteve të ndryshme dhe për gazifikimin. Gazifikimi i azotit të lëngshëm mund të zvogëlojë ndjeshëm koston e dërgimit të azotit të gaztë tek konsumatori. Për gazifikimin e azotit të lëngshëm, përdoren enë speciale gazifikuese të modifikimeve të ndryshme dhe azot i markës OSCh. Nitrogjeni teknik është i mjaftueshëm për ftohje, sepse për ftohjen e objekteve të ndryshme, si rregull, nuk ka kërkesa për pastërtinë e azotit. Pastërtia e azotit i referohet shkallës së përmbajtjes së oksigjenit në të.

Tabela 2. Presioni i avullit të ngopur të azotit në temperaturat 20-126K

Shënim: * - pikë e trefishtë; ** - pika normale e vlimit; *** - pikë kritike

Tabela 3. Dendësia e azotit të lëngët në intervalin e temperaturës 63-126K

Tabela 4. Konsumi i përafërt i azotit të lëngët për ftohjen e disa metaleve

Tabela 5. Vetitë fizike kryesore të azotit të lëngët

PËRKUFIZIM

Azoti- jometal. Në kushte normale, është një gaz pa ngjyrë që mund të kondensohet në një gaz të pangjyrë lëngshme(dendësia e azotit të lëngshëm është 0,808 g/cm 3 ), duke zier, ndryshe nga oksigjeni i lëngshëm, në një temperaturë më të ulët (-195,75 o C) se sa oksigjeni i lëngshëm.

Në gjendje të ngurtë, janë kristale të bardha.

Azoti është pak i tretshëm në ujë (më keq se oksigjeni), por është shumë i tretshëm në dioksid squfuri të lëngshëm.

Përbërja kimike dhe struktura e molekulës së azotit të lëngët

Në kushte normale, azoti është një gaz pa ngjyrë i përbërë nga molekula N 2. Ekziston një lidhje e trefishtë midis atomeve të azotit në molekulë, si rezultat i së cilës molekula e saj është jashtëzakonisht e fortë. Azoti molekular është kimikisht joaktiv, i polarizuar dobët.

Le të shqyrtojmë formimin e një molekule azoti (Fig. 1), reja elektronike e së cilës ka formën e një figure tetë të zgjatur. Ndërsa afrohen dy atome të azotit, retë e tyre elektronike mbivendosen. Një mbivendosje e tillë është e mundur vetëm kur elektronet kanë rrotullime antiparalele. Në zonën e reve të mbivendosura, densiteti i elektroneve rritet, si rezultat i të cilit forcat e tërheqjes midis atomeve rriten. Numri i çifteve të zakonshme të elektroneve në një molekulë azoti është i barabartë me një (një elektron nga çdo atom). Një lloj lidhjeje kovalente (jopolare) realizohet në një molekulë.

Oriz. 1. Struktura e molekulës së azotit.

Përshkrim i shkurtër i vetive kimike dhe dendësisë së azotit të lëngët

Në kushte normale, azoti është një element kimikisht pasiv; nuk reagon me acide, alkale, hidrat amoniaku, halogjene, squfur. Ai reagon në një masë të vogël me hidrogjenin dhe oksigjenin nën veprimin e një shkarkimi elektrik (1, 2). Në prani të lagështisë, ai reagon me litium në temperaturën e dhomës (3). Kur nxehet, ai reagon me magnez, kalcium, alumin dhe metale të tjera (4, 5, 6).

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 (1);

N 2 + O 2 ↔ 2NO (2);

N 2 + 6Li = 2Li 3 N (3);

N2 + 3Mg = Mg3N_2 (4);

N2 + 3Ca = Ca 3 N 2 (5);

N 2 + 2Al = 2AlN (6).

Reaksionet e bashkëveprimit të azotit me fluorin dhe karbonin, si dhe në rastin e hidrogjenit ose oksigjenit, zhvillohen nën veprimin e një shkarkimi elektrik:

N 2 + 3F 2 \u003d 2NF 3;

N 2 + 2C↔C 2 N 2.

Kur nxehet në një temperaturë prej 500-600 o C, azoti reagon me hidridin e litiumit (7), por nëse diapazoni i temperaturës është 300-350 o C, atëherë një reagim me karabit kalciumi (8) është i mundur:

N2 + 3LiH = Li3N + NH3 (7);

N 2 + CaC 2 \u003d Ca (CN) 2 (8).

Shembuj të zgjidhjes së problemeve

SHEMBULL 1

PËRKUFIZIM

Në kushte normale azotit- një gaz pa ngjyrë i përbërë nga molekula N 2.

Një lidhje e fortë intramolekulare, madhësia e vogël dhe jopolariteti i molekulës së azotit janë arsyet e ndërveprimit të dobët ndërmolekular, prandaj azoti ka pika të ulëta vlimi dhe shkrirjeje.

Azoti është pa erë. Pak i tretshëm në ujë dhe pak më i lehtë se ajri: masa e 1 litër azotit është 1,25 g.

Konstantet më të rëndësishme të azotit janë paraqitur në tabelën e mëposhtme:

Tabela 1. Vetitë fizike dhe dendësia e azotit.

Molekula e azotit N 2 në gjendjen bazë ka konfigurimin elektronik të mëposhtëm: [σ(2s) 2 ][ [σ * (2s) 2 ][π(2p y) 2 ][π(2p x) 2 ][π(2p z) 2 ]. Atomi i azotit ka tre elektrone të paçiftëzuara në gjendjen e tij bazë. Kjo tregon se valenca e azotit është tre. Sidoqoftë, pavarësisht nga fakti se azoti nuk karakterizohet nga prania e një gjendje të ngacmuar, ky element është në gjendje të shfaqë valencat I, II, IV dhe V në përbërjet e tij.

Prevalenca e azotit në natyrë

Azoti mund të gjendet në natyrë në formën e një lënde të thjeshtë në natyrë (përmbajtja e azotit në ajër është -78 (vol.) %). Në formën e aminoacideve dhe acideve nukleike, azoti përfshihet në përbërjen e organizmave shtazorë dhe bimorë. Nga mineralet natyrore, nitrat kilian (NaNO 3) dhe nitrati i kaliumit (KNO 3) janë të një rëndësie industriale. Përmbajtja totale e azotit në koren e tokës (duke përfshirë hidrosferën dhe atmosferën) është 0.04% (peshë).

Përshkrim i shkurtër i vetive kimike dhe dendësisë së azotit

Azoti molekular ka një reaktivitet jashtëzakonisht të ulët, i cili është për shkak të pranisë së një lidhjeje të fortë të trefishtë në molekulën N 2, si dhe nga mospolariteti i molekulës. Në të vërtetë, energjia e jonizimit të një molekule të azotit prej 1402 kJ/mol është e përafërt me energjinë e jonizimit të një atomi të argonit prej 1520 kJ/mol, me fjalë të tjera, azoti është një agjent reduktues i dobët.

Afiniteti i azotit molekular për një elektron është -3.6 eV, prandaj, në temperaturën e dhomës, ai reagon vetëm me disa agjentë të fortë reduktues, për shembull, me litium. Procesi vazhdon në fazën e reduktimit me një elektron me formimin e një pernitridi të paqëndrueshëm Li + N 2, i cili kthehet në një nitrid gjatë reagimit:

6Li + N 2 = 2Li 3 N.

Për formimin e nitridit të magnezit Mg 3 N 2 nga substanca të thjeshta kërkohet ngrohja në 300 o C. Nitridet e metaleve aktive janë përbërje jonike që hidrolizohen nga uji për të formuar amoniak.

Në një shkarkesë elektrike në një molekulë azoti, një elektron kalon nga orbitalja σ(2p z) në π * (2p z). Molekula të tilla të ngacmuara kthehen shpejt në gjendjen e tyre normale, duke lëshuar një shkëlqim të verdhë. Ndonjëherë zgjat disa minuta pasi shkarkimi ndalon. Në një gjendje të ngacmuar, azoti është shumë reaktiv. Në të vërtetë, në një shkarkesë elektrike, ai reagon me oksigjen:

N 2 + O 2 ↔ 2NO.

Reaksioni me hidrogjen vazhdon në temperatura të larta (400 o C) dhe presion (200 atm) në prani të një katalizatori (Fe):

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3.

Azoti nuk ndërvepron me squfurin dhe halogjenet.

Shembuj të zgjidhjes së problemeve

SHEMBULL 1

SHEMBULL 2

Azoti, N (lat. Nitrogenium * a. nitrogen; n. Stickstoff; f. azote, nitrogjen; dhe. nitrogeno), është një element kimik i grupit V të sistemit periodik të Mendelejevit, numri atomik 7, masa atomike 14.0067. Zbuluar në 1772 nga eksploruesi anglez D. Rutherford.

Vetitë e azotit

Në kushte normale, azoti është një gaz pa ngjyrë dhe pa erë. Azoti natyror përbëhet nga dy izotope të qëndrueshme: 14 N (99,635%) dhe 15 N (0,365%). Molekula e azotit është diatomike; atomet janë të lidhura me një lidhje kovalente trefishe NN. Diametri i molekulës së azotit, i përcaktuar me metoda të ndryshme, është 3,15-3,53 A. Molekula e azotit është shumë e qëndrueshme - energjia e disociimit është 942,9 kJ / mol.

Azoti molekular

Konstantet molekulare të azotit: shkrirja f - 209,86°С, vlimi f - 195,8°С; dendësia e azotit të gaztë është 1.25 kg / m 3, e lëngshme - 808 kg / m 3.

Karakterizimi i azotit

Në gjendje të ngurtë, azoti ekziston në dy modifikime: një formë kubike a me densitet 1026,5 kg/m3 dhe një formë b gjashtëkëndore me densitet 879,2 kg/m3. Nxehtësia e shkrirjes është 25.5 kJ/kg, nxehtësia e avullimit është 200 kJ/kg. Tensioni sipërfaqësor i azotit të lëngshëm në kontakt me ajrin 8.5.10 -3 N/m; konstanta dielektrike 1.000538. Tretshmëria e azotit në ujë (cm 3 për 100 ml H 2 O): 2,33 (0 ° C), 1,42 (25 ° C) dhe 1,32 (60 ° C). Predha e jashtme elektronike e atomit të azotit përbëhet nga 5 elektrone. Gjendjet e oksidimit të azotit variojnë nga 5 (në N 2 O 5) në -3 (në NH 3).

Përbërja e azotit

Azoti në kushte normale mund të reagojë me komponimet e metaleve kalimtare (Ti, V, Mo, etj.), duke formuar komplekse ose duke u reduktuar me formimin e amoniakut dhe hidrazinës. Azoti ndërvepron me metale aktive si azoti kur nxehet në temperatura relativisht të ulëta. Azoti reagon me shumicën e elementeve të tjerë në temperatura të larta dhe në prani të katalizatorëve. Komponimet e azotit me: N 2 O, NO, N 2 O 5 janë studiuar mirë. Me azot kombinohet vetëm në temperaturë të lartë dhe në prani të katalizatorëve; kjo prodhon amoniak NH 3 . Azoti nuk ndërvepron drejtpërdrejt me halogjenet; prandaj, të gjitha halogjenet e azotit merren vetëm në mënyrë indirekte, për shembull, fluori i azotit NF 3 - nga ndërveprimi me amoniak. As azoti nuk kombinohet drejtpërdrejt me squfurin. Kur uji i nxehtë reagon me azotin, formohet cianogjen (CN) 2. Nën veprimin e shkarkimeve elektrike në azotin e zakonshëm, si dhe gjatë shkarkimeve elektrike në ajër, mund të formohet azoti aktiv, i cili është një përzierje e molekulave dhe atomeve të azotit me një rezervë të rritur energjie. Azoti aktiv ndërvepron shumë fuqishëm me oksigjenin, hidrogjenin, avujt dhe disa metale.

Azoti është një nga elementët më të zakonshëm në Tokë, dhe shumica e tij (rreth 4.10 15 ton) është i përqendruar në një gjendje të lirë në. Çdo vit gjatë aktivitetit vullkanik 2,10 6 ton azot lëshohen në atmosferë. Një pjesë e parëndësishme e azotit është e përqendruar në (përmbajtja mesatare në litosferë është 1.9.10 -3%). Komponimet natyrore të azotit janë kloruri i amonit dhe nitratet e ndryshme (nitratet). Nitridet e azotit mund të formohen vetëm në temperatura dhe presione të larta, të cilat me sa duket ndodhën në fazat më të hershme të zhvillimit të Tokës. Akumulime të mëdha të kripës gjenden vetëm në një klimë të thatë të shkretëtirës (, etj.). Sasi të vogla të azotit të lidhur gjenden në (1-2,5%) dhe (0,02-1,5%), si dhe në ujërat e lumenjve, deteve dhe oqeaneve. Azoti grumbullohet në tokë (0,1%) dhe organizma të gjallë (0,3%). Azoti është një përbërës i molekulave të proteinave dhe shumë komponimeve organike natyrore.

Cikli i azotit në natyrë

Në natyrë, kryhet cikli i azotit, i cili përfshin ciklin e azotit molekular atmosferik në biosferë, ciklin e azotit të lidhur kimikisht në atmosferë, ciklin e azotit sipërfaqësor të varrosur me lëndë organike në litosferë me kthimin e tij përsëri në atmosferë. Azoti për industrinë më parë nxirrej tërësisht nga depozitat natyrore të kriposit, numri i të cilave është shumë i kufizuar në botë. Depozita veçanërisht të mëdha të azotit në formën e nitratit të natriumit gjenden në Kili; Prodhimi i kripës në disa vite arriti në më shumë se 3 milion ton.

Vetitë e lëngjeve kriogjene në temperatura kriogjene. Helium, Hidrogjen, Neon, Azot, Argon, Oksigjen

Tabela 1 Pikat e vlimit të ftohësve të lëngshëm (në presion normal)

Tabela 2 Për referencë - përbërja e ajrit të thatë atmosferik

Të gjitha substancat e përdorura si ftohës janë pa ngjyrë dhe pa erë, qoftë në gjendje të lëngët ose të gaztë. Ato nuk janë magnetike dhe nuk përçojnë elektricitet në kushte normale. Në tabelë. 3 tregon karakteristikat kryesore të ftohësve më të zakonshëm - azotit dhe heliumit.

Tabela 3 Parametrat fizikë të azotit dhe heliumit të lëngët dhe të gaztë

Le t'i kushtojmë vëmendje një numri pikash të rëndësishme: - heliumi i lëngshëm është shumë më i lehtë se azoti (dendësia ndryshon me pothuajse 6.5 herë); - heliumi i lëngshëm ka nxehtësi specifike shumë të ulët të avullimit r = 20,2 J/g, ndërsa për azotin r = 197,6 J/g. Kjo do të thotë që kërkohet 9.8 herë më shumë nxehtësi për të avulluar 1 g azot. Duke pasur parasysh ndryshimin e madh midis densitetit të heliumit të lëngshëm dhe azotit të lëngshëm, nxehtësitë e avullimit për litër ndryshojnë edhe më shumë - me 63.3 herë! Si pasojë, e njëjta fuqi hyrëse do të çojë në avullimin e vëllimeve dukshëm të ndryshme të heliumit të lëngshëm dhe azotit të lëngshëm. Është e lehtë të verifikohet se me një fuqi hyrëse prej 1 W, afërsisht 1,4 litra helium të lëngët dhe 0,02 litra azot të lëngshëm do të avullojnë brenda një ore; - duke pompuar avujt, është e mundur të ulet temperatura e azotit të lëngshëm në pikën e trefishtë Ttr = 63,15 K në p cr = 12,53 kPa. Kur kalon nëpër pikën e trefishtë, azoti i lëngshëm do të ngrijë - do të kthehet në një gjendje të ngurtë. Në këtë rast, evakuimi i mëtejshëm i avullit të azotit mbi kristal është i mundur dhe, si pasojë, një ulje e temperaturës së sistemit. Tabela 4 tregon vlerat e presionit të avujve të ngopur të azotit në një gamë të gjerë temperaturash. Sidoqoftë, në praktikë, si rregull, ose helium i lëngshëm ose pajisje të quajtura "krioftohës" përdoren për të arritur temperatura më të ulëta.

Tabela 4 Presioni i avullit të ngopur të azotit në temperatura kriogjenike

Shënim: * - pikë e trefishtë; ** - pika normale e vlimit; *** - pikë kritike

Tabela 5 Presioni i avullit të ngopur të heliumit në temperaturat kriogjenike

Shënim: * - λ-pika; ** - pika normale e vlimit; *** - pikë kritike

Tabela 6 Dendësia e azotit të lëngshëm dhe ftohësve të heliumit në temperatura të ndryshme kriogjenike

Temperatura e heliumit të lëngshëm mund të ulet gjithashtu duke pompuar, dhe temperatura e lëngut korrespondon në mënyrë unike me presionin e avullit (Tabela 5). Për shembull, presioni p=16Pa i përgjigjet temperaturës T=1.0K. Duhet mbajtur mend se heliumi nuk ka një pikë të trefishtë, por një λ (në T = 2,172 K) - një kalim në fazën superfluid. Në prani të një kriostati optik, kalimi përmes pikës λ mund të zbulohet lehtësisht vizualisht nga përfundimi i vlimit vëllimor të heliumit të lëngshëm. Kjo është për shkak të një rritje të mprehtë të përçueshmërisë termike të lëngut - nga 24mW/(m°K) në 86 kW/(m°K). Me një ulje të pikës së vlimit të ftohësve (duke pompuar avujt), densiteti i lëngut rritet (shih Tabelën 6). Ky efekt mund të jetë thelbësor për termometrin e saktë, pasi i ftohti dhe për këtë arsye heliumi ose azoti më i rëndë do të zhytet në fund të enës. Kostoja e heliumit të lëngshëm është disa herë më e lartë se kostoja e azotit të lëngshëm (raporti i përafërt midis çmimeve të tregut të heliumit të lëngshëm dhe azotit të lëngshëm është 20:1). Prandaj, ftohja e pajisjeve kriogjenike kërkon një kombinim të arsyeshëm të azotit të lëngshëm për paraftohje dhe helium të lëngshëm. Përdorimi i heliumit të gaztë të avulluar për ftohjen e rrjedhës së kthimit gjithashtu luan një rol të rëndësishëm. Kjo tregohet nga raporti i madh i entalpive të gazit në T = 300K dhe T = 4.2K ndaj nxehtësisë së avullimit përafërsisht = 70. Kjo do të thotë, ngrohja e heliumit të gaztë nga 4.2K në 300K do të kërkojë 70 herë më shumë nxehtësi sesa heliumi i lëngshëm avullues.

Tabela 7 Kapaciteti specifik termik i disa materialeve për inxhinierinë kriogjenike, J/(g°K)

Tabela 8 Konsumi i ftohësit për ftohjen e metaleve të ndryshme të teknologjisë kriogjenike

Në praktikë, merret një rezultat i ndërmjetëm dhe varet si nga dizajni i kriostatit ashtu edhe nga aftësia e eksperimentuesit. Së fundi, nëse kriostati është ftohur paraprakisht me azot të lëngshëm, atëherë sasia e heliumit që nevojitet për të mbushur kriostatin reduktohet me rreth 20 herë. Kjo për faktin se kapaciteti i nxehtësisë së lëndëve të ngurta në intervalin e temperaturës me interes për ne ndryshon afërsisht si T 3 Prandaj, një sasi e madhe heliumi kursehet gjatë ftohjes paraprake. Edhe pse në të njëjtën kohë, natyrisht, rritet konsumi i azotit të lëngshëm. Kur përdorni azot të lëngshëm për ftohje të brendshme dhe, në përgjithësi, kur punoni me azot të lëngshëm, duhet të kihet parasysh sa vijon. Në procesin e mbushjes së një ene të ngrohtë me azot të lëngshëm, së pari ka vlim të dhunshëm, spërkatje të lëngshme (në enët e hapura) ose një rritje të shpejtë të presionit në enët e mbyllura. Më pas, ndërsa ena ose objekti ftohet, vlimi bëhet më pak i dhunshëm. Në këtë fazë të mbushjes, sipërfaqja e enës ndahet nga lëngu me një shtresë gazi, përçueshmëria termike e së cilës është 4.5 herë më e vogël se përçueshmëria termike e lëngut. Nëse derdhja e lëngut vazhdon, shtresa e gazit dhe sipërfaqja poshtë saj gradualisht do të ftohet derisa filmi i gazit të zhduket dhe pjesa më e madhe e lëngut të vijë në kontakt me sipërfaqen e enës. Kjo fillon periudha e dytë e vlimit të shpejtë. Përsëri, mund të ndodhë spërkatje e lëngut dhe një rritje e shpejtë e presionit. Duhet të theksohet se fryrjet e bardha të avullit, të cilat shpesh mund të shihen kur derdhet azot i lëngshëm ose helium, janë lagështi të kondensuar nga atmosfera, dhe jo azot i gaztë ose helium, pasi këto të fundit janë të pangjyrë.