Реферат: «Азот как составной элемент атмосферы Земли»

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №6»

Реферат по химии по теме:

«Азот как составной элемент атмосферы Земли»

Выполнил ученик 8-г класса : Кирьянов Дмитрий

Научный руководитель: Корнышова С.С.

2010-2011 учебный год

Содержание

1.Введение. Характеристика. ……………………………………………….……2

2.Историческая справка. История открытия азота. ………………………….3-4

3.Распространение азота в природе. ………………………………………….5-6

4.Изотопы, атом и молекула азота………………………………………….....7

5.Физические свойства азота. ……………………………………………………8

6.Химические свойства азота. ………………………………………………..9-10

7.Получение азота. ………………………………………………………………11

8.Применение азота. …………………………………………………………….12

9.Азот в организме. ………………………………………………………….13-14

10.Значение соединений азот. Соединения азота. ……………………….. 15-17

11.Исследовательская работа. ……………………………………….…..18

12.Литература………………………………………………………………..19

Введение. Характеристика азота.

Азот — химический элемент V группы периодической системы элементов.

Атомный номер 7

Атомная масса 14,007

Плотность, кг/м³ 1,251

Температура плавления, °С -210

Температура кипения, °С -195,8

Теплоемкость, кДж/(кг·°С) 1,034

Электроотрицательность 3,0

Ковалентный радиус, Å 0,74

1-й ионизац. потенциал, эв 14,53

Цель: изучить свойства азота и природных его соединений, совершенствовать знания о строении атомов

Задачи:

· Определить особенности строения азота, значение соединений и их практическом применении.

· Выделить значение азота как биогенного элемента

· Определить основные области промышленности, где используется азот

Историческая справка

История открытия азота

Азот (англ. Nitrogen, франц. Azote, нем. Stickstoff) был открыт почти одновременно несколькими исследователями.

Впервые азот изучен Даниэлем Резерфордом. После того как Д. Блек открыл реакцию взаимодействия углекислого газа с известковой водой, Резерфордом исследовал изменения состава воздуха, после того как в нём жило и погибало живое существо (в закрытом объёме). После того как углекислый газ поглощался щёлочью, оставшаяся часть газа не поддерживает горение, да и живые существа мгновенно погибали.

В 1777 году Генри Кавендиш провёл следующий опыт: он многократно пропускал воздух над раскалённым углём, затем обрабатывал его щёлочью, в результате получался остаток, который Кавендиш назвал удушливым (или мефитическим) воздухом. Кавендиш писал: «Я переводил обыкновенный воздух из одного сосуда через раскаленные угли в другой, потом через свежий горящий уголь – в следующий сосуд, поглощая каждый раз образующийся фиксируемый воздух (углекислый газ) кусковой известью. Удельный вес полученного газа оказался лишь незначительно разнящимся от удельного веса обыкновенного воздуха: из обоих газов азот несколько легче воздуха. Он гасит пламя и делает обыкновенный воздух неспособным возбуждать горение, так же как и фиксируемый воздух (CO2), но в меньшей степени". Таким образом, Кавендиш выделил азот, но не сумел понять, что это новое простое вещество (химический элемент). В том же году Кавендиш сообщил об этом опыте Джозефу Пристли.

Пристли в это время проводил серию экспериментов, в которых также связывал кислород воздуха и удалял полученный углекислый газ, то есть также получал азот, однако, будучи сторонником господствующей в те времена теории флогистона, совершенно неверно истолковал полученные результаты (по его мнению, процесс был противоположным — не кислород удалялся из газовой смеси, а наоборот, в результате обжига воздух насыщался флогистоном; оставшийся воздух (азот) он и назвал насыщенным флогистоном, то есть флогистированным). Очевидно, что и Пристли, хотя и смог выделить азот, не сумел понять сути своего открытия, поэтому и не считается первооткрывателем азота.

Одновременно схожие эксперименты с тем же результатом проводил и Карл Шееле.

Ученые-химики Г. Кавендиш и К. Шееле, в отличие от Д. Резерфорда поняли, что азот – это лишь составная часть воздуха.

Из-за того, что в азоте погибали организмы, А. Лавуазье назвал его азотом. Согласно Лавуазье, «азот» означает «безжизненный», и слово это произведено от греческого «а» – отрицание и «зоэ» – жизнь. Такое название сохранилось в русском и французском языках, а в англосаксонских азот называют Nitrogen – «рождающий селитру», немцы же дали азоту название Stickstoff – «удушающая материя».

Распространение азота 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 оксидов. Среднее содержание азота в литосфере 1,9·10-3% по массе. Природные соединения азота - хлористый аммоний NH4Cl и различные нитраты. Крупные скопления селитры характерны для сухого пустынного климата (Чили, Средняя Азия). Долгое время селитры были главным поставщиком азота для промышленности (сейчас основные 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. Значит, количества азот 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 другие. Однако в результате извлечения из почвы растениями огромного количества связанного азота (особенно при интенсивном земледелии) почвы оказываются обедненными азотом. Дефицит азота характерен для земледелия почти всех стран, наблюдается дефицит азота и в животноводстве ("белковое голодание"). На почвах, бедных доступным азотом, растения плохо развиваются. Азотные удобрения и белковая подкормка животных - важнейшее средство подъема сельского хозяйства. Хозяйственная деятельность человека нарушает круговорот азота. Так, сжигание топлива обогащает атмосферу азотом, а заводы, производящие удобрения, связывают азот воздуха. Транспортировка удобрений и продуктов сельского хозяйства перераспределяет азот на поверхности земли. Азот - четвертый по распространенности элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).

Изотопы, атом и молекула азота.

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов: 14N (99,635%) и 15N (0,365%). Изотоп 15N применяют в химических и биохимических исследованиях в качестве меченого атома. Из искусственных радиоактивных изотопов азота наибольший период полураспада имеет 13N (T½ = 10,08 мин), остальные весьма короткоживущие. В верхних слоях атмосферы, под действием нейтронов космического излучения, 14N превращается в радиоактивный изотоп углерода 14С. Этот процесс используют и в ядерных реакциях для получения 14С. Внешняя электронная оболочка атома азота состоит из 5 электронов (одной неподеленной пары и трех неспаренных - конфигурация 2s22р3). Чаще всего азот в соединениях 3-ковалентен за счет не спаренных электронов (как в аммиаке NН3). Наличие неподеленной пары электронов может приводить к образованию еще одной ковалентной связи, и азот становится 4-ковалентным (как в ионе аммония NH4). Степени окисления азот меняются от +5 (в N2O5) до -3 (в NH3). В обычных условиях в свободном состоянии азот образует молекулу N2, где атомы N связаны тремя ковалентными связями. Молекула азота очень устойчива: энергия диссоциации ее на атомы составляет 942,9 кдж/моль (225,2 ккал/моль), поэтому даже при t около 3300°С степень диссоциации азот составляет лишь около 0,1%.

Физические свойства 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). Азот растворим в некоторых углеводородах.

Азот немного легче воздуха, его плотность 1,2506 кг/м³ (при н.у.).

В жидком состоянии (темп. кипения −195,8 °C) – бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. Плотность жидкого азота 808 кг/м³. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.

При −209,86 °C(температура плавления) 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.

Азот сжижается с трудом: его критическая температуpa довольно низка (-147,1°С) а критическое давление высоко 3,39 Мн/м² (34,6 кгс/см² );

Известны три кристаллические модификации твёрдого азота.

Химические свойства азота

Из-за наличия прочной тройной связи молекулярный азот малоактивен, а соединения азота термически малоустойчивы и относительно легко разлагаются при нагревании с образованием свободного азота.

1. Взаимодействие с металлами

При обычных условиях молекулярный азот реагирует лишь с некоторыми сильными восстановителями, например, литием:

6Li + N₂ = 2Li₃ N.

Для образования нитрида магния из простых веществ требуется нагревание до 300 °С:

3Mg + N₂ = Mg₃ N₂ .

Нитриды активных металлов представляют собой ионные соединения, которые гидролизуются водой с образованием аммиака.

2. Взаимодействие с кислородом

Только под действием электрического разряда азот реагирует с кислородом:

O₂ + N₂ = 2NO.

3. Взаимодействие с водородом

Реакция с водородом протекает при температуре порядка 400 °С и давлении 200 атм в присутствии катализатора – металлического железа:

3H₂ + N₂ = 2NH₃ .

4. Взаимодействие с другими неметаллами

При высоких температурах реагирует с другими неметаллами, например, с бором:

2B + N₂ = 2BN.

Азот непосредственно не взаимодействует с галогенами и серой, но галогениды и сульфиды могут быть получены косвенным путем. С водой, кислотами и щелочами азот не взаимодействует.

Получение азота.

В лаборатории азот легко может быть получен при нагревании концентрированного раствора нитрита аммония: NH4NO2 = N2 + 2H2O. Технический способ получения азот основан на разделении предварительно сжиженного воздуха, который затем подвергается разгонке.

Применение азота.

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 азот воздуха имеет разработанный в 1905 году цианамидный метод, основанный на том, что при 1000°С карбид кальция (получаемый накаливанием смеси извести и угля в электрической печи) реагирует со свободным азотом: СаС2 + N2 = CaCN2 + С. Образующийся цианамид кальция при действии перегретого водяного пара разлагается с выделением аммиака: CaCN2 + 3H2O = CaCO3 + 2NH3.

Свободный 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.

Азот в организме.

Азот один из основных биогенных элементов, входящих в состав важнейших веществ живых клеток - белков и нуклеиновых кислот. Однако количество азота в организме невелико (1-3% на сухую массу). Находящийся в атмосфере молекулярный азот могут усваивать лишь некоторые микроорганизмы и сине-зеленые водоросли.

Значительные запасы азота сосредоточены в почве в форме различных минеральных (аммонийные соли, нитраты) и органических соединений (азот белков, нуклеиновых кислот и продуктов их распада, то есть еще не вполне разложившиеся остатки растений и животных). Растения усваивают азот из почвы как в виде неорганических, так и некоторых органических соединений. В природных условиях для питания растений большое значение имеют почвенные микроорганизмы (аммонификаторы), которые минерализуют органический азот почвы до аммонийных солей. Нитратный азот почвы образуется в результате жизнедеятельности открытых С. Н. Виноградским в 1890 нитрифицирующих бактерий, окисляющих аммиак и аммонийные соли до нитратов. Часть усвояемого микроорганизмами и растениями нитратного азота теряется, превращаясь в молекулярный азот под действием денитрифицирующих бактерий. Растения и микроорганизмы хорошо усваивают как аммонийный, так и нитратный азот, восстанавливая последний до аммиака и аммонийных солей. Микроорганизмы и растения активно превращают неорганический аммонийный азот в органические соединения азота - амиды (аспарагин и глутамин) и аминокислоты. Как показали Д. Н. Прянишников и В. С. Буткевич, азот в растениях запасается и транспортируется в виде аспарагина и глутамина. При образовании этих амидов обезвреживается аммиак, высокие концентрации которого токсичны не только для животных, но и для растений. Амиды входят в состав многих белков как у микроорганизмов и растений, так и у животных. Синтез глутамина и аспарагина путем ферментативного амидированияглутамвиовой и аспарагиновой кислот осуществляется не только у микроорганизмов и растений, но в определенных пределах и у животных.

Синтез аминокислот происходит путем восстановительного аминирования ряда альдегидокислот и кетокислот, возникающих в результате окисления углеводов, или путем ферментативного переаминирования. Конечными продуктами усвоения аммиака микроорганизмами и растениями являются белки, входящие в состав протоплазмы и ядра клеток, а также отлагающиеся в виде запасных белков. Животные и человек способны лишь в ограниченной мере синтезировать аминокислоты. Они не могут синтезировать восемь незаменимых аминокислот (валин, изолейцин, лейцин, фенилаланин, триптофан, метионин, треонин, лизин), и потому для них основным источником азота являются белки, потребляемые с пищей, то есть, в конечном счете, - белки растений и микроорганизмов.

Белки во всех организмах подвергаются ферментативному распаду, конечными продуктами которого являются аминокислоты. На следующем этапе в результате дезаминирования органический азот аминокислот вновь превращается в неорганический аммонийный азот. У микроорганизмов и, особенно у растений аммонийный азот может использоваться для нового синтеза амидов и аминокислот. У животных обезвреживание аммиака, образующегося при распаде белков и нуклеиновых кислот, осуществляется путем синтеза мочевой кислоты (у пресмыкающихся и птиц) или мочевины (у млекопитающих, в том числе и у человека), которые затем выводятся из организма. С точки зрения обмена азота растения, с одной стороны, и животные (и человек), с другой, отличаются тем, что у животных утилизация образующегося аммиака осуществляется лишь в слабой мере - большая часть его выводится из организма; у растений же обмен азота "замкнут" - поступивший в растение азот возвращается в почву лишь вместе с самим растением.

Значение соединений азота

Соединения азота

Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, +1, +2, +3, +4, +5.

• Соединения азота в степени окисления −3 представлены нитридами , из которых практически наиболее важен аммиак ;
• Соединения азота в степени окисления −2 менее характерны, представлены пернитридами , из которых самый важный пернитрид водорода N₂ H₄ или гидразин (существует также крайне неустойчивый пернитрид водорода N₂ H₂ , диимид);
• Соединения азота в степени окисления −1 NH₂ OH (гидроксиламин ) — неустойчивое основание, применяющееся, наряду с солями гидроксиламмония, в органическом синтезе;
• Соединения азота в степени окисления +1 оксид азота(I) N₂ O (закись азота, веселящий газ);
• Соединения азота в степени окисления +2 оксид азота(II) NO (монооксид азота);
• Соединения азота в степени окисления +3 оксид азота(III) N₂ O₃ , азотистая кислота , производные аниона NO₂ ⁻ , трифторид азота (NF₃ );
• Соединения азота в степени окисления +4 оксид азота(IV) NO₂ (диоксид азота, бурый газ);
• Соединения азота в степени окисления +5 оксид азота(V) N₂ O₅ , азотная кислота и её соли — нитраты , и др.

НИТРАТЫ - соли азотной кислоты HNO3, твердые хорошо растворимые в воде вещества. Традиционное русское название некоторых нитратов щелочных и щелочноземельных металлов и аммония - селитры (аммонийная селитра NH4NO3, калийная селитра КNO3, кальциевая селитра Са (NO3) 2 и др.

НИТРИДЫ - химические соединения азота с более электроположительными элементами. Нитриды алюминия, бора, кремния, вольфрама, титана (AlN, BN, Si3N4, W2N, TiN) и многие другие - тугоплавкие, химические стойкие кристаллические вещества. Компоненты жаропрочных сплавов используются в полупроводниковых приборах (напр., полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах), как абразивы. Действием азота или аммиака на металлы при 500-600 °С получают нитридные покрытия (высокотвердые, износо- и коррозионностойкие).

ОКСИДЫ АЗОТА: гемиоксид N2O и монооксид NO (бесцветные газы), сесквиоксид N2O3 (синяя жидкость), диоксид NO2 (бурый газ, при обычных условиях смесь NO2 и его димера N2O4), оксид N2O5 (бесцветные кристаллы). N2O и NO - несолеобразующие оксиды, N2O3 с водой дает азотистую кислоту, N2O5 - азотную, NO2 - их смесь. Все оксиды азота физиологически активны. N2O - средство для наркоза ("веселящий газ"), NO и NO2 - промежуточные продукты в производстве азотной кислоты, NO2 - окислитель в жидком ракетном топливе, смесевых ВВ, нитрующий агент.

Аммиак

NH₃ M=17,03

Применяется для производства азотной кислоты, нитрата и сульфата аммония, жидких удобрений (аммиакатов), мочевины, соды, в органическом синтезе, при крашении тканей, светокопировании (на диазониевой бумаге), в качестве хладагента в холодильниках, при серебрении зеркал.

Нитрит натрия

NaNO₂ М = 69,00

Применяется в производстве органических красителей; в пищевой промышленности; для пассивирования стальных изделий; в резиновой и текстильной промышленности, в гальванотехнике. Получается абсорбцией раствором соды нитрозных газов производства азотной кислоты и очисткой, упариванием и кристаллизацией полученной емки нитрита и нитрата натрия.

.Натриевая селитра, чилийская селитра.

NaNO₃ М = 84.99

Применяется как удобрение; в пищевой, стекольной, металлообрабатывающей промышленности; для получения взрывчатых веществ, ракетного топлива и пиротехнических смесей.

Нитрит калия

KNO₂ M=85,ll

Применяется в производстве азотокрасителей и некоторых органических соединений.

Токсическое действие, по-видимому, сходно с действием NaNO₂ .

Калийная селитра.

KNO₃ М=101,ll

Применяется как удобрение, а также в производстве порохов, в пиротехнике, в пищевой и стекольной промышленности. Получается конверсией NaNO₃ и KCl при 80-122°С.

Нитрат кальция

(Кальциевая селитра, норвежская селитра)

Ca (NO₃ ) ₂ М=164.09

Применяется как удобрение.

Исследовательская работа

Цели работы: изучить качественную реакцию на азотную кислоту и общее свойство азотной кислоты.

Оборудование: метилоранж,Ca(OH)₂ , CuO ,Cu, спиртовка, HNO₃ , пробирки.

Опыт 1:

1. В пробирку нальём HNO₃

2. Добавим Cu

3. Нагреем пробирку

Наблюдение:

1.Выделяется бурый газ

Cu+4HNO ₃ =Cu (NO₃ )₂ + 2NO₂ + 2H₂ O

Опыт 2:

1. В пробирку нальём HNO₃

2. Добавим CuO

Наблюдение:

1. Раствор окрасился в чёрный цвет.

CuО+2HNO ₃ =Cu (NO₃ ) ₂ + H₂ O

Опыт 3 :

1.В пробирку нальём HNO₃

2. Добавим Ca(OH)₂

Наблюдение:

1. Раствор остался прозрачным.

Ca (OH)₂ + 2HNO₃ =Ca(NO₃ )₂ + 2H₂ O

Опыт 4:

1.В пробирку нальём HNO₃

2.Добавим метилоранж

Наблюдение:

1.Раствор окрасился в красный цвет

HNO₃ + метилоранж = красный цвет.

Вывод: HNO₃ в любой концентрации проявляет свойства кислоты-окислителя.

Литература:

1.Книга для чтения по неорганической химии в 2-х ч.:Ч-2/ составитель В.А.Крицман.—3-е изд., перераб. – М.:Просвещение 1992-191с: ил.

2. Иванова Р.Р., Осокина Г.Н. Изучение химии в 9-10 кл. Кн.для учителя – 2-е изд., перераб. – М.: просвещение, 1983-287с.,ил.

3.Рудзитис Г.Е., Фелбдман Ф.Г.. Химия: Неорганическая химия. Органическая химия: Учебник для 9 кл. общеобр. Учрежд -8-е изд. – М.: просвещение, 1999-208с.

4. Энциклопедия для детей. Том 17.Химия/ глав.ред. В.А.Володин. – М.- Аванта+, 2001 – 640с.:ил.

5. Общая химия. НЛ.Глинка.—2005год.

6. Г.П.Хомченко. Пособие по химии для поступающих в вузы. «Высшая школа» -- Москва.,2007-456с.

7. Кузьменко Н.Е. Химия. Для школьников ст.классов и поступающих в вузы – м.:ООО Издательский дом «Оникс 21 век»., оо издательство «Мир и образование», 2002 –544с.:ил.