Што такое азот? Маса азоту. малекула азоту

Неметалічны элемент 15-й групы [Va] перыядычнай табліцы - азот, 2 атама якога, злучаючыся, утвараюць малекулу, - бескаляровы, без паху і густу газ, які складае большую частку атмасферы Зямлі і які з'яўляецца складовай часткай усяго жывога.

гісторыя выяўлення

Газ азот складае каля 4/5 зямной атмасферы. Ён быў вылучаны ў ходзе ранніх даследаванняў паветра. У 1772 годзе шведскі хімік Карл-Вільгельм Шэель першым прадэманстраваў, што такое азот. На яго думку, паветра ўяўляе сабой сумесь двух газаў, адзін з якіх ён назваў «вогненным паветрам», т. К. Той падтрымліваў гарэнне, а другі - «нячыстым паветрам», таму што ён заставаўся пасля таго, як першы расходаваўся. Гэта былі кісларод і азот. Прыкладна ў той жа час азот быў выдзелены шатландскім батанікам Даніэлем Резерфордом, які першым апублікаваў свае высновы, а таксама брытанскім хімікам Генры Кавендыш і брытанскім святаром і навукоўцам Джозэфам Прыстлі, які падзяліў з Шэель першынство адкрыцця кіслароду. Далейшыя даследаванні паказалі, што новы газ уваходзіць у склад салетры, або нітрату калію (KNO _3), і, адпаведна, ён быў названы нитрогеном ( "нараджаюцца салетру") французскім хімікам Шапталем ў 1790 г. Азот быў упершыню аднесены да хімічных элементаў Лавуазье, чыё тлумачэнне ролі кіслароду ў гарэнні абвергла тэорыю флогистона - папулярнае ў XVIII ст. памылковае ўяўленне аб гарэнні. Няздольнасць гэтага хімічнага элемента падтрымліваць жыццё (па-грэцку ζωή) стала прычынай таго, што Лавуазье назваў газ азотам.

Узнікненне і распаўсюджванне

Што такое азот? Па распаўсюджанасці хімічных элементаў ён займае шостае месца. Атмасфера Зямлі на 75,51% па вазе і на 78,09% па аб'ёме складаецца з гэтага элемента і з'яўляецца асноўным яго крыніцай для прамысловасці. У атмасферы таксама ўтрымоўваецца невялікая колькасць аміяку і соляў амонія, а таксама аксіды азоту і азотная кіслата, якія ўтвараюцца падчас навальніц, а таксама ў рухавіках унутранага згарання. Свабодны азот знойдзены ў многіх метэарыты, вулканічных і шахтавых газах і некаторых мінеральных крыніцах, на сонца, у зорках і туманнасцях.

Азот таксама сустракаецца ў мінеральных адкладах нітрату калію і натрыю, але для задавальнення патрэбаў чалавека іх недастаткова. Іншым матэрыялам, багатым гэтым элементам, з'яўляецца гуано, якое можна знайсці ў пячорах, дзе шмат кажаноў, ці ў сухіх месцах, наведвальных птушкамі. Таксама азот змяшчаецца ў дажджы і глебе ў выглядзе аміяку і соляў амонія, а ў марской вадзе ў выглядзе іёнаў амонія (NH ₄ ^+), нітрытаў (NO ₂ ^-) і нітратаў (NO ₃ ^-). У сярэднім ён складае каля 16% складаных арганічных злучэнняў, такіх як вавёркі, прысутных ва ўсіх жывых арганізмах. Натуральнае яго ўтрыманне ў зямной кары складае 0,3 часткі на 1000. Распаўсюджанасць ў космасе - ад 3 да 7 атамаў на атам крэмнію.

Найбуйнейшымі краінамі-вытворцамі азоту (у выглядзе аміяку) у пачатку XXI стагоддзя былі Індыя, Расія, ЗША, Трынідад і Табага, Украіна.

Камерцыйнае вытворчасць і выкарыстанне

Прамысловая вытворчасць азоту заснавана на фракцыйнай перагонцы звадкаванага паветра. Тэмпература яго кіпення роўная -195,8 ° С, што на 13 ° С ніжэй, чым у кіслароду, які такім чынам аддзяляецца. Азот таксама можа быць атрыманы ў вялікіх маштабах шляхам спальвання газ альбо вуглевадародаў у паветры і аддзяленні атрыманага дыяксіду вугляроду і вады з рэшткавага азоту. У малых маштабах чысты азот вырабляецца шляхам награвання азіду барыю Ba (N _{3) 2.} Лабараторныя рэакцыі ўключаюць нагрэў раствора нітрыту амонія (NH ₄ NO _2), акісленне аміяку водным растворам брому або нагрэтым аксідам медзі :

• NH ₄ ⁺ + NO ₂ ^- → N ₂ + 2H ₂ O.
• 8NH ₃ + 3Br ₂ → N ₂ + 6NH ₄ ⁺ + 6Br ^-.
• 2NH ₃ + 3CuO → N ₂ + 3H ₂ O + 3Cu.

Элементарны азот можа быць выкарыстаны ў якасці інэртнай атмасферы для рэакцый, якія патрабуюць выключэння кіслароду і вільгаці. Знаходзіць прымяненне і вадкі азот. Вадарод, метан, вокіс вугляроду, фтор і кісларод - адзіныя рэчывы, якія пры тэмпературы кіпення азоту не пераходзяць у цвёрдае крышталічнае стан.

У хімічнай прамысловасці гэты хімічны элемент выкарыстоўваецца для прадухілення акіслення або іншай псуты прадукту, як інэртны растваральнік хімічна актыўнага газу, для выдалення цяпла або хімічных рэчываў, а таксама ў якасці інгібітару пажару або выбуху. У харчовай прамысловасці газ азот ўжываецца для прадухілення псуты прадуктаў, а вадкі - для сушкі замарожваннем і ў сістэмах астуджэння. У электратэхнічнай прамысловасці газ прадухіляе акісленне і іншыя хімічныя рэакцыі, стварае ціск у абалонцы кабеля і абараняе электрарухавікі. У металургіі азот выкарыстоўваецца пры зварцы і пайцы, прадухіляючы акісленне, обуглероживание і обезуглероживание. Як неактыўны газ яго ўжываюць у вытворчасці кіпрай гумы, пластмасы і эластамераў, ён служыць у якасці аэразольнага газу ў аэразольных балончыках, а таксама стварае ціск вадкага паліва ў рэактыўных самалётах. У медыцыне хуткае замарожванне вадкім азотам выкарыстоўваецца для захавання крыві, касцявога мозгу, тканін, бактэрый і спермы. Ён знайшоў прымяненне і ў крыягенных даследаваннях.

злучэння

Большая частка азоту выкарыстоўваецца ў вытворчасці хімічных злучэнняў. Трайная сувязь паміж атамамі элемента настолькі моцная (226 ккал на моль, удвая больш, чым у малекулярнага вадароду), што малекула азоту з цяжкасцю уступае ў іншыя злучэння.

Асноўным прамысловым метадам фіксацыі элемента з'яўляецца працэс Хабер-Боша для сінтэзу аміяку, распрацаваны падчас Першай сусветнай вайны, каб паменшыць залежнасць Германіі ад чылійскай салетры. Ён уключае прамой сінтэз NH ₃ - бясколернага газу з рэзкім, раздражняльным пахам - непасрэдна з яго элементаў.

Большая частка аміяку ператвараецца ў азотную кіслату (HNO ₃₎ і нітраты - солі і складаныя эфіры азотнай кіслаты, кальцыніраванай соду (Na ₂ CO _3), гідразін (N ₂ H ₄₎ - бескаляровую вадкасць, якую выкарыстоўвае ў якасці ракетнага паліва і ў многіх прамысловых працэсах.

Азотная кіслата з'яўляецца іншым асноўным камерцыйным злучэннем дадзенага хімічнага элемента. Бескаляровая, высококоррозионная вадкасць выкарыстоўваецца ў вытворчасці угнаенняў, фарбавальнікаў, лекавых сродкаў і выбуховых рэчываў. Нітрат амонія (NH ₄ NO ₃₎ - соль аміяку і азотнай кіслаты - з'яўляецца найбольш распаўсюджаным кампанентам азотных угнаенняў.

Азот + кісларод

З кіслародам азот ўтварае шэраг аксідаў, у т. Ч. Закіс азоту (N ₂ O), у якой яго валентнасць роўная +1, вокіс (NO) (+2) і двухвокіс (NO ₂₎ (4). Многія аксіды азоту надзвычай лятучыя; яны з'яўляюцца галоўнымі крыніцамі забруджвання ў атмасферы. Закіс азоту, таксама вядомая як вясёлых газ, часам выкарыстоўваецца ў якасці анестэзуе сродкі. Пры ўдыханні яна выклікае мяккую істэрыю. Аксід азоту хутка рэагуе з кіслародам з адукацыяй карычневага дыяксіду, прамежкавага прадукту ў вытворчасці азотнай кіслаты і магутнага акісляльніка ў хімічных працэсах і ракетным паліве.

Таксама выкарыстоўваюцца некаторыя нітрыды, адукаваныя злучэннем металаў з азотам пры падвышаных тэмпературах. Нітрыды бору, тытана, цырконія і тантала маюць спецыяльныя прымяненне. Адна крышталічная форма нітрыду бора (BN), напрыклад, па цвёрдасці не саступае алмазу і дрэнна акісляецца, таму выкарыстоўваецца ў якасці высокатэмпературнага абразіва.

Неарганічныя цыяніды ўтрымліваюць групу CN ^-. Цыяністы вадарод, або сінільная кіслата HCN, з'яўляецца вельмі няўстойлівым і надзвычай таксічным газам, які ўжываецца для фумигации, канцэнтрацыі руды, у іншых прамысловых працэсах. Дициан (CN) ₂ выкарыстоўваецца ў якасці прамежкавага хімічнага рэчыва і для фумигации.

Азіду ўяўляюць сабой злучэння, якія ўтрымліваюць групу з трох атамаў азоту -N _3. Большасць іх няўстойліва і вельмі адчувальна да ударам. Некаторыя з іх, такія як азіду свінцу Pb (N _{3) 2,} выкарыстоўваюцца ў дэтанатарам і капсуль. Азіду, падобна галагенавыя, ахвотна ўзаемадзейнічаюць з іншымі рэчывамі і ўтвараюць мноства злучэнняў.

Азот уваходзіць у склад некалькіх тысяч арганічных злучэнняў. Большасць з іх з'яўляюцца вытворнымі ад аміяку, цыяністага вадароду, циана, закісу або азотнай кіслаты. Аміны, амінакіслоты, амідаў, напрыклад, атрыманы з аміяку або цесна звязаныя з ім. Нітрагіцэрын і нитроцеллюлоза - складаныя эфіры азотнай кіслаты. Нітрыты атрымліваюць з азоцістай кіслаты (HNO _2). Пурины і алкалоіды з'яўляюцца гетэрацыклічныя злучэнні, у якіх азот замяшчае адзін або некалькі атамаў вугляроду.

Ўласцівасці і рэакцыі

Што такое азот? Гэта бескаляровы газ без паху, які кандэнсуецца пры -195,8 ° С у бескаляровую, маловязкую вадкасць. Элемент існуе ў выглядзе малекул N _2, што прадстаўляюцца ў выглядзе: N ::: N :, у якіх энергія сувязі, роўная 226 ккал на моль, саступае толькі вокісу вугляроду (256 ккал на моль). Па гэтай прычыне энергія актывацыі малекулярнай азоту вельмі высокая, таму ў звычайных умовах элемент адносна інэртны. Акрамя таго, высокастабільная малекула азоту ў значнай ступені спрыяе тэрмадынамічнай няўстойлівасці многіх азотазмяшчальныя злучэнняў, у якіх сувязі, хай і досыць моцныя, але саступаюць сувязях малекулярнага азоту.

Адносна нядаўна і нечакана была адкрыта здольнасць малекул азоту служыць у якасці лигандов ў комплексных злучэннях. Назіранне таго, што некаторыя растворы комплексаў рутэнія могуць паглынаць атмасферны азот, прывяло да таго, што неўзабаве можа быць знойдзены больш просты і лепшы спосаб фіксацыі гэтага элемента.

Актыўны азот можна атрымаць шляхам прапускання газу нізкага ціску праз высакавольтны электрычны разрад. Прадукт свеціцца жоўтым святлом і значна больш ахвотна ўступае ў рэакцыі, чым малекулярны, з атамарным вадародам, шэрай, фосфарам і рознымі металамі, а таксама здольны раскладаць NO да N ₂ і O _2.

Больш яснае ўяўленне пра тое, што такое азот, можна атрымаць дзякуючы яго электроннай структуры, якая мае выгляд 1s ² 2s ² 2p ^3. Пяць электронаў знешніх абалонак слаба экрануе зарад, у выніку чаго эфектыўны ядзерны зарад адчуваецца на адлегласці кавалентная радыусу. Атамы азоту адносна невялікія і валодаюць высокай электраадмоўны, размяшчаючыся паміж вугляродам і кіслародам. Электронная канфігурацыя ўключае тры полузаполненные знешнія арбіталь, якія дазваляюць ўтвараць тры кавалентным сувязі. Таму атам азоту павінен валодаць надзвычай высокай рэакцыйнай здольнасцю, утвараючы з большасцю іншых элементаў стабільныя бінарныя злучэння, асабліва калі іншы элемент істотна адрозніваецца Электраадмо, якая надае значную палярнасць сувязях. Калі Электраадмо іншага элемента ніжэй, палярнасць надае атама азоту частковы адмоўны зарад, што вызваляе яго непадзеленага электроны для ўдзелу ў каардынацыйных сувязях. Калі іншы элемент больш электроотрицателен, часткова станоўчы зарад азоту істотна абмяжоўвае донорные ўласцівасці малекулы. Пры малой палярнасці сувязі, з прычыны роўнай Электраадмо іншага элемента, множныя сувязі пераважаюць над адзінкавымі. Калі неадпаведнасць атамных памераў перашкаджае адукацыі множных сувязяў, то адукаваная простая сувязь, верагодна, будзе адносна слабой, і злучэнне будзе няўстойлівым.

аналітычная хімія

Часта працэнт азоту ў газавай сумесі можа быць вызначаны шляхам вымярэння яе аб'ёму пасля паглынання іншых кампанентаў хімічнымі рэагентамі. Раскладанне нітратаў сернай кіслатой ў прысутнасці ртуці вызваляе вокіс азоту, якая можа быць вымераная ў выглядзе газу. Азот вызваляецца з арганічных злучэнняў, калі яны згараюць над вокісам медзі, а вольны азот можа быць вымераны ў выглядзе газу пасля паглынання іншых прадуктаў згарання. Добра вядомы метад Кьельдаля па вызначэнні зместу разгляданага намі рэчывы ў арганічных злучэннях заключаецца ў раскладанні злучэння канцэнтраванай сернай кіслатой (у выпадку неабходнасці змяшчае ртуць, або яе аксід, а таксама розныя солі). Такім чынам азот пераўтворыцца ў сульфат амонію. Даданне гідраксіду натрыю вызваляе аміяк, які збіраюць звычайнай кіслатой; рэшткавае колькасць непрореагировавшей кіслаты затым вызначаецца тытраванне.

Біялагічную і фізіялагічнае значэнне

Ролю азоту ў жывой матэрыі пацвярджае фізіялагічную актыўнасць яго арганічных злучэнняў. Большасць жывых арганізмаў не можа выкарыстоўваць гэты хімічны элемент непасрэдна і павінна мець доступ да яго злучэнням. Таму фіксацыя азоту мае вялікае значэнне. У прыродзе гэта адбываецца ў выніку двух асноўных працэсаў. Адным з іх з'яўляецца дзеянне электрычнай энергіі на атмасферу, дзякуючы чаму малекула азоту і кіслароду дысацыюе, што дазваляе свабодным атама ўтварыць NO і NO _2. Двухвокіс затым ўступае ў рэакцыю з вадой: 3NO ₂ + H ₂ O → 2HNO ₃ + NO.

HNO ₃ раствараецца і прыходзіць на Зямлю з дажджом у выглядзе слабога раствора. З часам кіслата становіцца часткай камбінаванага азоту глебы, дзе нейтралізуецца, утвараючы нітрыты і нітраты. Змест N ў культывуюцца глебах, як правіла, аднаўляецца дзякуючы ўнясенню ўгнаенняў, якія змяшчаюць нітраты і аммонійны солі. Выдзялення жывёл і раслін і іх разлажэнне вяртае злучэнні азоту ў глебу і паветра.

Іншым асноўным працэсам натуральнай фіксацыі з'яўляецца жыццядзейнасць бабовых. Дзякуючы сімбіёз з бактэрыямі гэтыя культуры здольныя ператвараць атмасферны азот непасрэдна ў яго злучэння. Некаторыя мікраарганізмы, такія як Azotobacter Chroococcum і Clostridium pasteurianum, здольныя фіксаваць N самастойна.

Сам газ, быўшы інэртным, бясшкодны, за выключэннем выпадку, калі ім дыхаюць пад ціскам, і ён раствараецца ў крыві і іншых вадкасцях цела ў больш высокіх канцэнтрацыях. Гэта выклікае наркатычны эфект, а калі ціск зніжаецца занадта хутка, лішак азоту вылучаецца ў выглядзе бурбалак газу ў розных месцах арганізма. Гэта можа выклікаць боль у цягліцах і суставах, непрытомнасці, частковы параліч і нават смерць. Гэтыя сімптомы называюцца декомпрессионной хваробай. Таму тыя, хто вымушаны дыхаць паветрам у такіх умовах, павінны вельмі павольна зніжаць ціск да нармальнага, каб лішак азоту выходзіў праз лёгкія без адукацыі бурбалак. Лепшай альтэрнатывай з'яўляецца выкарыстанне для дыхання сумесі кіслароду і гелія. Гелій значна менш раствараецца ў вадкасцях арганізма, і небяспека памяншаецца.

ізатопы

Азот існуе ў выглядзе двух стабільных ізатопаў: ¹⁴ N (99,63%) і ¹⁵ N (0,37%). Яны могуць быць падзеленыя з дапамогай хімічнага абмену або шляхам тэрмічнай дыфузіі. Маса азоту ў выглядзе штучных радыеактыўных ізатопаў знаходзіцца ў межах 10-13 і 16-24. Найбольш стабільны перыяд паўраспаду, роўны 10 хвілінах. Першая штучна індукаваныя ядзерная трансмутация была праведзена ў 1919 г. брытанскім фізікам Эрнэстам Резерфордом, які, бомбардируя азот-14 альфа-часціцамі, атрымаў ядра кіслароду-17 і пратоны.

ўласцівасці

Напрыканцы пералічыў асноўныя ўласцівасці азоту:

• Атамны нумар: 7.
• Атамная маса азоту: 14,0067.
• Тэмпература плаўленьня: -209,86 ° C.
• Кропка кіпення: -195,8 ° C.
• Шчыльнасць (1 атм, 0 ° С): 1,2506 г азоту на літр.
• Звычайныя стану акіслення: -3, +3, +5.
• Канфігурацыя электронаў: 1s ² 2s ² 2p ^3.