Ce este azotul? Masa azotului. Molecule de azot

Elementul nemetalic al grupului 15 [Va] Tabelul periodic - atom de azot 2 din care se combină pentru a forma o moleculă - gaz incolor, inodor și fără gust care constituie o mare parte a atmosferei Pământului și care face parte din toate lucrurile vii.

Istoria detecției

Gazul de azot reprezintă aproximativ 4/5 din atmosfera pământului. A fost izolat în timpul studiului aerian timpuriu. În 1772 chimistul suedez Karl-Wilhelm Scheele a demonstrat mai întâi ce este azotul. Potrivit lui, aerul este un amestec de două gaze, dintre care unul a numit „aer de foc“, care este de a sprijini combustia, și alte - .. „aer impur“, deoarece rămâne după prima consumat. Era oxigen și azot. În jurul același azot timp a fost izolat de botanistul scoțian Daniel Rutherford, care a publicat pentru prima dată descoperirile sale, precum chimistul britanic Henry Cavendish și cleric britanic și om de știință Joseph Priestley, care a împărtășit cu Scheele primatul descoperirea oxigenului. Studiile ulterioare au arătat că noul gaz face parte din nitrat sau nitrat de potasiu (KNO₃), Și, în consecință, el a fost numit de un atom de azot ( „da salpetru naștere“) de către chimistul francez Chaptal în 1790 azot a fost clasificat mai întâi ca elemente chimice Lavoisier, a cărui explicație a rolului oxigenului în combustie infirmat teoria flogisticului - popular în secolul al XVIII-lea. ideea eronată de ardere. Inabilitatea acestui element chimic de a susține viața (în greacă zeta-omega-or) a fost motivul pentru care Lavoisier numea gazul de azot.

Apariția și distribuția

Ce este azotul? Prin prevalența elementelor chimice ocupă locul șase. Atmosfera Pământului este de 75,51% din greutate și 78,09% în volum constă în acest element și este principala sa sursă pentru industrie. Atmosfera conține, de asemenea, o cantitate mică de săruri de amoniac și amoniu, precum și de oxizi de azot și de azot acid azotic, formate în timpul furtunilor, precum și în motoarele cu combustie internă. Azotul liber se găsește în multe meteorite, gaze vulcanice și miniere și câteva izvoare minerale, la soare, în stele și în nebuloase.

Azotul se regăsește și în depozitele minerale de nitrat de potasiu și sodiu, dar nu este suficient pentru a satisface nevoile umane. Un alt material bogat în acest element este guano-ul, care se găsește în peșteri în care există multe lilieci sau în locuri uscate frecventate de păsări. De asemenea, azotul este conținut în ploaie și sol sub formă de săruri de amoniac și amoniu și în apă de mare sub formă de ioni de amoniu (NH₄⁺), nitrit (NO₂^-) și nitrați (nr₃^-). În medie, aproximativ 16% dintre compușii organici complexi, cum ar fi proteinele prezente în toate organismele vii. Conținutul său natural în crusta pământului este de 0,3 părți la 1000. Prevalența în spațiu este de 3 până la 7 atomi pe atom de siliciu.

Cele mai mari țări producătoare de azot (ca amoniac), la începutul secolului XXI, au fost India, Rusia, Statele Unite ale Americii, Trinidad și Tobago, Ucraina.

Producție și utilizare comercială

Producția industrială de azot se bazează pe distilarea fracționată a aerului lichefiat. Punctul de fierbere este -195,8 ° C, care este cu 13 ° C mai mic decât cel al oxigenului, care este astfel separat. Azotul poate fi, de asemenea, produs la scară largă prin arderea de carbon sau hidrocarburi în aer și separarea dioxidului de carbon și a apei rezultate din azotul rezidual. La o scară mică, azotul pur este produs prin încălzirea azidei bariului Ba (N₃)₂. Reacțiile de laborator includ încălzirea unei soluții de azotat de amoniu (NH₄NU₂), oxidarea amoniacului printr-o soluție apoasă de brom sau încălzită oxid de cupru:

• NH₄⁺+NU₂^-→ N₂+2H₂O.
• 8NH₃+3br₂→ N₂+6NH₄⁺+6BR^-.
• 2NH₃+3CuO → N₂+3H₂O + 3Cu.

Azotul elementar poate fi folosit ca o atmosferă inertă pentru reacții care necesită excluderea oxigenului și a umidității. Se utilizează, de asemenea, azot lichid. Hidrogen, metan, monoxid de carbon, oxigen, fluor, și - singura substanță care, atunci când punctul de fierbere de azot nu este într-o stare solidă cristalină.

În industria chimică, acest element chimic este utilizat pentru a preveni oxidarea sau alte alterării, ca un diluant inert, un gaz reactiv pentru a îndepărta căldura sau substanțe chimice, precum și un inhibitor de incendiu sau explozie. În industria alimentară, azotul gazos este utilizat pentru a preveni alterarea, iar lichidul - pentru sistemele de uscare prin congelare și răcire. În gazul industria electrică previne oxidarea și alte reacții chimice, presurizează mantaua cablului și protejează motoarele. În metalurgie, azotul este utilizat la sudare și lipire, prevenind oxidarea, carburarea și decarburare. Deoarece gazul inactiv este utilizat în producția de cauciuc poroase, materiale plastice și elastomerice, servește drept carburant în recipiente cu aerosoli, și, de asemenea, creează o presiune în jetul de combustibil lichid. În medicină, congelare rapidă cu azot lichid este utilizat pentru a stoca sânge, măduvă osoasă, țesut, bacterii și spermă. El a găsit aplicații în cercetarea criogenică.

conexiuni

Cea mai mare parte a azotului este utilizată în producția de compuși chimici. Legătura triplă dintre atomii elementului este atât de puternică (226 kcal pe mol, de două ori mai mare decât cea a hidrogenului molecular) încât molecula de azot nu intră cu greu în alți compuși.

Principala metodă industrială pentru fixarea elementului este procesul Haber-Bosch pentru sinteza amoniacului, dezvoltat în timpul primului război mondial, pentru a reduce dependența Germaniei de Azotat de amoniu chilian. Acesta include sinteza NH directă₃ - un gaz incolor cu miros ascuțit, iritant - direct din elementele sale.

Cea mai mare parte a amoniacului este transformată în acid azotic (HNO₃) și nitrați - sărurile și esterii acidului azotic, soda calcinată (Na₂CO₃), hidrazină (N₂H₄) Un lichid incolor este utilizat ca agent de propulsie și în multe procese industriale.

Acidul azotic este un alt compus comercial important al acestui element chimic. Lichid incolor, foarte coroziv, este utilizat în producția de îngrășăminte, coloranți, medicamente și explozivi. Nitrat de amoniu (NH₄NU₃) - o sare de amoniac și acid azotic - este componenta cea mai comună a îngrășămintelor azotate.

Azot + oxigen

Cu oxigen, azotul formează o serie de oxizi, inclusiv oxidul de azot (N₂O), în care valența sa este +1, oxidul (NO) (+2) și dioxidul (NO₂) (+4). Mulți oxizi de azot sunt extrem de volatili, sunt principalele surse de poluare în atmosferă. Oxidul de azot, cunoscut și ca gaz de gaze, este uneori folosit ca anestezic. Când este inhalat, provoacă isterie ușoară. Oxidul de azot reacționează rapid cu oxigenul pentru a forma un dioxid brun, un intermediar în producția de acid azotic și un oxidant puternic în procesele chimice și combustibilul cu rachete.

Unele nitruri formate prin combinarea metalelor cu azot la temperaturi ridicate sunt de asemenea utilizate. Nitrurile de bor, titan, zirconiu și tantal au aplicații speciale. O formă cristalină de nitrură de bor (BN), de exemplu, nu este inferioară diamantului în duritate și este slab oxidată, de aceea este utilizată ca o abrazivă la temperatură ridicată.

Cianurile anorganice conțin grupul CN^-. Cianura de hidrogen sau acid ciancianic HCN este un gaz extrem de instabil și extrem de toxic, care este utilizat pentru fumigație, concentrare de minereu, în alte procese industriale. Dician (CN)₂ este utilizat ca un produs chimic intermediar și pentru fumigație.

Azizii sunt compuși care conțin un grup de trei atomi de azot -N₃. Cele mai multe dintre ele sunt instabile și foarte sensibile la șocuri. Unele dintre ele, cum ar fi azidul de plumb Pb (N₃)₂, sunt utilizate în detonatoare și capsule. Azidele, ca halogeni, interacționează ușor cu alte substanțe și formează o varietate de compuși.

Azotul face parte din câteva mii de compuși organici. Cele mai multe dintre acestea sunt derivate din amoniac, cianură de hidrogen, cianogen, oxid de azot sau acid azotic. Aminele, aminoacizii, amidele, de exemplu, sunt derivate din sau strâns legate de amoniac. Nitroglicerina și nitroceluloza sunt esteri ai acidului azotic. Nitriții sunt preparați din acid azotic (HNO₂). Purinele și alcaloizii sunt compuși heterociclici în care azotul înlocuiește unul sau mai mulți atomi de carbon.

Proprietăți și reacții

Ce este azotul? Este un gaz incolor, inodor, care condensează la -195,8 ° C într-un lichid incolor, cu viscozitate scăzută. Elementul există sub forma moleculelor N₂, reprezentat în forma: N ::: N: pentru care energia de legare, egală cu 226 kcal pe mol, este a doua numai la monoxidul de carbon (256 kcal per mol). Din acest motiv, energia de activare a azotului molecular este foarte mare, astfel încât, în condiții obișnuite, elementul este relativ inert. În plus, o moleculă de azot foarte stabilă contribuie în mod semnificativ la instabilitatea termodinamică a multor compuși care conțin azot, în care legăturile, deși sunt suficient de puternice, sunt inferioare legăturilor de azot moleculare.

Relativ recent și neașteptat, a fost descoperită capacitatea moleculelor de azot de a servi ca liganzi în compuși complexi. Observația că unele soluții de complecși de ruteniu pot absorbi azotul atmosferic a condus la ceea ce poate fi găsit în curând o modalitate mai simplă și mai bine de fixare a elementului.

Azotul activ poate fi obținut prin trecerea unui gaz de joasă presiune printr-o descărcare electrică de înaltă tensiune. Produsul strălucește galben și este mult mai dispus să reacționeze decât cel molecular, cu hidrogen atomic, sulf, fosfor și diverse metale și este de asemenea capabil să descompună NO la N₂ și O₂.

O idee mai clară despre ceea ce este azotul, poate fi obținută din structura sa electronică, care are forma 1s²2s²2p³. Cei cinci electroni din carcasele exterioare protejează slab încărcătura, ca urmare a faptului că încărcarea nucleară efectivă este detectată la o distanță de raza covalentă. Atomii de azot sunt relativ mici și au o electronegativitate ridicată, situată între carbon și oxigen. Configurația electronică include trei orbite externe semiprelucrate, care fac posibilă formarea a trei legături covalente. Prin urmare, atomul de azot trebuie să aibă o reactivitate extrem de ridicată, formând compuși binari stabili cu cele mai multe alte elemente, în special atunci când celălalt element diferă în mod substanțial prin electronegativitate, ceea ce dă o polaritate semnificativă legăturilor. Atunci când electronegativitatea celuilalt element este mai mică, polaritatea dă atomului de azot o sarcină negativă parțială, care eliberează electronii nedivizuiți să participe la legăturile de coordonare. Atunci când celălalt element este mai electronegativ, o sarcină parțială pozitivă a azotului limitează în mod substanțial proprietățile donatorului moleculei. La o polaritate scăzută a legăturii, datorită electronegativității egale a celuilalt element, legături multiple prevalează asupra legăturilor simple. Dacă nepotrivirea dimensiunilor atomice împiedică formarea de legături multiple, atunci legătura simplă formată este probabil să fie relativ slabă și conexiunea va fi instabilă.

Chimie analitică

Adesea procentul de azot dintr-un amestec de gaze poate fi determinat prin măsurarea volumului său după absorbția altor componente prin reactivi chimici. Descompunerea nitraților cu acid sulfuric în prezența mercurului eliberează oxid nitric, care poate fi măsurat ca gaz. Azotul este eliberat din compuși organici atunci când ard peste oxid de cupru, iar azotul liber poate fi măsurat ca gaz după absorbția altor produse de ardere. Metoda binecunoscută a Kjeldahl pentru determinarea conținutului substanței pe care o analizăm în compușii organici constă în descompunerea compusului cu acid sulfuric concentrat (dacă este necesar, conținând mercur sau oxidul său și, de asemenea, diferite săruri). Astfel, azotul este transformat în sulfat de amoniu. Adăugarea hidroxidului de sodiu eliberează amoniacul, care este colectat prin acid convențional - o cantitate reziduală de acid nereacționat este apoi determinată prin titrare.

Semnificația biologică și fiziologică

Rolul azotului în materia vie confirmă activitatea fiziologică a compușilor săi organici. Majoritatea organismelor vii nu pot folosi acest element chimic în mod direct și trebuie să aibă acces la compușii săi. Prin urmare, fixarea azotului are o mare importanță. În natură, acesta este rezultatul a două procese principale. Unul dintre ele este efectul energiei electrice asupra atmosferei, datorită căruia molecula de azot și oxigen disociază, ceea ce permite atomilor liberi să formeze NO și NU₂. Dioxidul reacționează apoi cu apă: 3NO₂+H₂O → 2HNO₃+NO.

HNO₃ se dizolvă și se varsă pe Pământ cu ploaie sub forma unei soluții slabe. În timp, acidul devine parte a azotului combinat al solului, unde este neutralizat, formând nitriți și nitrați. Conținutul de N în solurile cultivate, ca regulă, este restabilit datorită introducerii de îngrășăminte care conțin nitrați și săruri de amoniu. Izolarea animalelor și a plantelor și descompunerea lor returnează compușii de azot în sol și în aer.

Un alt proces de bază al fixării naturale este activitatea de viață a leguminoaselor. Datorită simbiozelor cu bacterii, aceste culturi pot transforma azotul atmosferic direct în compușii săi. Unele microorganisme, cum ar fi Azotobacter Chroococcum și Clostridium pasteurianum, sunt capabile să fixeze N independent.

Gazul în sine, fiind inert, este inofensiv, cu excepția cazului în care respiră sub presiune și se dizolvă în sânge și în alte fluide ale corpului la concentrații mai mari. Acest lucru cauzează un efect narcotic și, dacă presiunea scade prea repede, excesul de azot se eliberează sub formă de bule de gaze în diferite părți ale corpului. Acest lucru poate provoca dureri ale mușchilor și articulațiilor, leșin, paralizie parțială și chiar moarte. Aceste simptome se numesc boală de decompresie. Prin urmare, cei care sunt forțați să respire aerul în astfel de condiții ar trebui să reducă foarte lent presiunea la normal, astfel încât excesul de azot să iasă din plămâni fără formarea bulelor. Cea mai bună alternativă este de a folosi pentru a respira un amestec de oxigen și heliu. Heliul este mult mai puțin solubil în fluidele corporale, iar pericolul scade.

izotopi

Azotul există sub forma a două izotopi stabili: ¹⁴N (99,63%) și ¹⁵N (0,37%). Ele pot fi separate prin schimb chimic sau prin difuzie termică. Masa azotului sub formă de izotopi radioactivi artificiali este în intervalul 10-13 și 16-24. Cel mai stabil timp de înjumătățire este de 10 minute. Prima transmutație nucleară indusă artificial a fost făcută în 1919 de un fizician britanic Ernest Rutherford, care, bombardând azotul-14 cu particule alfa, a primit nuclee și protoni de oxigen 17.

proprietăţi

În cele din urmă, enumerăm principalele proprietăți ale azotului:

• Numărul atomic: 7.
• Greutatea atomică a azotului: 14,0067.
• Punct de topire: -209,86 ° C.
• Punct de fierbere: -195,8 ° C
• Densitate (1 atm, 0 ° C): 1,2506 g azot pe litru.
• Starea comună de oxidare: -3, +3, +5.
• Conectare electronică: 1s²2s²2p³.