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