Азот

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 41015 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 1,910-3 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 кджмоль, поэтому даже при температуре 33000С степень диссоциации азота составляет лишь около 0,1. Физические и химические свойства. Азот немного легче воздуха плотность 1,2506 кгм3 при 00С и 101325 нм2 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 Мнм2 34,6 кгссм2плотность жидкого азота 808 кгм3. 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-NNN, 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 СN2. 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.