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.