Азот является. Азот (общие сведения)

Азот – это химический элемент с атомным номером 7. Является газом без запаха, вкуса и цвета.


Таким образом, человек не ощущает присутствия азота в земной атмосфере, между тем как она состоит из этого вещества на 78 процентов. Азот относится к самым распространенным веществам на нашей планете. Часто можно слышать, что без азота не было бы , и это правда. Ведь белковые соединения, из которых состоит все живое, обязательно содержат в себе азот.

Азот в природе

Азот находится в атмосфере в виде молекул, состоящих из двух атомов. Помимо атмосферы, азот есть в мантии Земли и в гумусном слое почвы. Основной источник азота для промышленного производства – это полезные ископаемые.

Однако в последние десятилетия, когда запасы минералов стали истощаться, возникла острая необходимость выделения азота из воздуха в промышленных масштабах. В настоящее время эта проблема решена, и огромные объемы азота для нужд промышленности добываются из атмосферы.

Роль азота в биологии, круговорот азота

На Земле азот претерпевает ряд трансформаций, в которых участвуют и биотические (связанные с жизнью) и абиотические факторы. Из атмосферы и почвы азот поступает в растения, причем не напрямую, а через микроорганизмы. Азотфиксирующие бактерии удерживают и перерабатывают азот, превращая его в форму, легко усваиваемую растениями. В организме растений азот переходит в состав сложных соединений, в частности – белков.

По пищевой цепи эти вещества попадают в организмы травоядных, а затем – хищников. После гибели всего живого азот вновь попадает в почву, где подвергается разложению (аммонификации и денитрификации). Азот фиксируется в грунте, минералах, воде, попадает в атмосферу, и круг повторяется.

Применение азота

После открытия азота (это произошло в 18-м столетии), были хорошо изучены свойства самого вещества, его соединений, возможности использования в хозяйстве. Поскольку запасы азота на нашей планете огромны, данный элемент стал использоваться крайне активно.


Чистый азот применяется в жидком или газообразном виде. Жидкий азот имеет температуру минус 196 градусов по Цельсию и применяется в следующих областях:

— в медицине. Жидкий азот является хладагентом при процедурах криотерапии, то есть лечения холодом. Мгновенная заморозка применяется для удаления различных новообразований. В жидком азоте хранят образцы тканей и живые клетки (в частности – сперматозоиды и яйцеклетки). Низкая температура позволяет сохранить биоматериал в течение длительного времени, а затем разморозить и использовать.

Возможность хранить в жидком азоте целые живые организмы, а при необходимости размораживать их без всякого вреда высказана писателями-фантастами. Однако в реальности освоить эту технологию пока не удалось;

— в пищевой промышленности жидкий азот используется при розливе жидкостей для создания инертной среды в таре.

Вообще азот применяется в тех областях, где необходима газообразная среда без кислорода, например,

— в пожаротушении . Азот вытесняет кислород, без которого процессы горения не поддерживаются и огонь затухает.

Газообразный азот нашел применение в таких отраслях:

— производство продуктов питания . Азот используется как инертная газовая среда для сохранения свежести продуктов в упаковке;

— в нефтедобывающей промышленности и горном деле . Азотом продувают трубопроводы и резервуары, его нагнетают в шахты для формирования взрывобезопасной газовой среды;

— в самолетостроении азотом накачивают шины шасси.

Все вышесказанное относится к применению чистого азота, но не стоит забывать, что этот элемент является исходным сырьем для производства массы всевозможных соединений:

— аммиак. Чрезвычайно востребованное вещество с содержанием азота. Аммиак идет на производство удобрений, полимеров, соды, азотной кислоты. Сам по себе применяется в медицине, изготовлении холодильной техники;

— азотные удобрения;

— взрывчатые вещества;

— красители и т.д.


Азот – не только один из наиболее распространенных химических элементов, но и очень нужный компонент, применяемый во многих отраслях человеческой деятельности.

Неметаллический элемент 15-й группы периодической таблицы - азот, 2 атома которого, соединяясь, образуют молекулу, - бесцветный, без запаха и вкуса газ, составляющий большую часть атмосферы Земли и являющийся составной частью всего живого.

История обнаружения

Газ азот составляет около 4/5 земной атмосферы. Он был выделен в ходе ранних исследований воздуха. В 1772 году шведский химик Карл-Вильгельм Шееле первым продемонстрировал, что такое азот. По его мнению, воздух представляет собой смесь двух газов, один из которых он назвал «огненным воздухом», т. к. тот поддерживал горение, а другой - «нечистым воздухом», потому что он оставался после того, как первый расходовался. Это были кислород и азот. Примерно в то же время азот был выделен шотландским ботаником Даниэлем Резерфордом, который первым опубликовал свои выводы, а также британским химиком Генри Кавендишем и британским священнослужителем и ученым Джозефом Пристли, который разделил с Шееле первенство открытия кислорода. Дальнейшие исследования показали, что новый газ входит в состав селитры, или нитрата калия (KNO 3), и, соответственно, он был назван нитрогеном ("рождающим селитру") французским химиком Шапталем в 1790 г. Азот был впервые отнесен к химическим элементам Лавуазье, чье объяснение роли кислорода в горении опровергло теорию флогистона - популярное в XVIII в. ошибочное представление о горении. Неспособность этого химического элемента поддерживать жизнь (по-гречески ζωή) стала причиной того, что Лавуазье назвал газ азотом.

Возникновение и распространение

Что такое азот? По распространенности химических элементов он занимает шестое место. Атмосфера Земли на 75,51 % по весу и на 78,09 % по объему состоит из этого элемента и является основным его источником для промышленности. В атмосфере также содержится небольшое количество аммиака и солей аммония, а также оксиды азота и образующиеся во время гроз, а также в двигателях внутреннего сгорания. Свободный азот найден во многих метеоритах, вулканических и шахтных газах и ​​некоторых минеральных источниках, на солнце, в звездах и туманностях.

Азот также встречается в минеральных отложениях нитрата калия и натрия, но для удовлетворения потребностей человека их недостаточно. Другим материалом, богатым этим элементом, является гуано, которое можно найти в пещерах, где много летучих мышей, или в сухих местах, посещаемых птицами. Также азот содержится в дожде и почве в виде аммиака и солей аммония, а в морской воде в виде ионов аммония (NH 4 +), нитритов (NO 2 -) и нитратов (NO 3 -). В среднем он составляет около 16 % сложных органических соединений, таких как белки, присутствующих во всех живых организмах. Естественное его содержание в земной коре составляет 0,3 части на 1000. Распространенность в космосе - от 3 до 7 атомов на атом кремния.

Крупнейшими странами-производителями азота (в виде аммиака) в начале XXI века были Индия, Россия, США, Тринидад и Тобаго, Украина.

Коммерческое производство и использование

Промышленное производство азота основано на фракционной перегонке сжиженного воздуха. Температура его кипения равна -195,8 °С, что на 13 °С ниже, чем у кислорода, который таким образом отделяется. Азот также может быть получен в больших масштабах путем сжигания углерода или углеводородов в воздухе и отделения полученного диоксида углерода и воды из остаточного азота. В малых масштабах чистый азот производится путем нагревания азида бария Ba(N 3) 2 . Лабораторные реакции включают нагрев раствора нитрита аммония (NH 4 NO 2), окисление аммиака водным раствором брома или нагретым :

• 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.

Элементарный азот может быть использован в качестве инертной атмосферы для реакций, требующих исключения кислорода и влаги. Находит применение и жидкий азот. Водород, метан, окись углерода, фтор и кислород - единственные вещества, которые при температуре кипения азота не переходят в твердое кристаллическое состояние.

В химической промышленности этот химический элемент используется для предотвращения окисления или другой порчи продукта, как инертный разбавитель химически активного газа, для удаления тепла или химических веществ, а также в качестве ингибитора пожара или взрыва. В пищевой промышленности газ азот применяется для предотвращения порчи продуктов, а жидкий - для сушки замораживанием и в системах охлаждения. В электротехнической промышленности газ предотвращает окисление и другие химические реакции, создает давление в оболочке кабеля и защищает электродвигатели. В металлургии азот используется при сварке и пайке, предотвращая окисление, обуглероживание и обезуглероживание. Как неактивный газ его применяют в производстве пористой резины, пластмассы и эластомеров, он служит в качестве пропеллента в аэрозольных баллончиках, а также создает давление жидкого топлива в реактивных самолетах. В медицине быстрое замораживание жидким азотом используется для сохранения крови, костного мозга, тканей, бактерий и спермы. Он нашел применение и в криогенных исследованиях.

Соединения

Большая часть азота используется в производстве химических соединений. Тройная связь между атомами элемента настолько сильна (226 ккал на моль, вдвое больше, чем у молекулярного водорода), что молекула азота с трудом вступает в другие соединения.

Основным промышленным методом фиксации элемента является процесс Хабера-Боша для синтеза аммиака, разработанный во время Первой мировой войны, чтобы уменьшить зависимость Германии от Он включает прямой синтез NH 3 - бесцветного газа с резким, раздражающим запахом - непосредственно из его элементов.

Большая часть аммиака превращается в азотную кислоту (HNO 3) и нитраты - соли и сложные эфиры азотной кислоты, кальцинированную соду (Na 2 CO 3), гидразин (N 2 H 4) - бесцветную жидкость, используемую в качестве ракетного топлива и во многих промышленных процессах.

Азотная кислота является другим основным коммерческим соединением данного химического элемента. Бесцветная, высококоррозионная жидкость используется в производстве удобрений, красителей, лекарственных средств и взрывчатых веществ. Нитрат аммония (NH 4 NO 3) - соль аммиака и азотной кислоты - является наиболее распространенным компонентом азотных удобрений.

Азот + кислород

С кислородом азот образует ряд оксидов, в т. ч. закись азота (N 2 O), в которой его валентность равна +1, окись (NO) (+2) и двуокись (NO 2) (+4). Многие оксиды азота чрезвычайно летучи; они являются главными источниками загрязнения в атмосфере. Закись азота, также известная как веселящий газ, иногда используется в качестве анестезирующего средства. При вдыхании она вызывает мягкую истерию. Оксид азота быстро реагирует с кислородом с образованием коричневого диоксида, промежуточного продукта в и мощного окислителя в химических процессах и ракетном топливе.

Также используются некоторые нитриды, образованные соединением металлов с азотом при повышенных температурах. Нитриды бора, титана, циркония и тантала имеют специальные применение. Одна кристаллическая форма нитрида бора (BN), например, по твердости не уступает алмазу и плохо окисляется, поэтому используется в качестве высокотемпературного абразива.

Неорганические цианиды содержат группу CN - . Цианистый водород, или HCN, является крайне неустойчивым и чрезвычайно токсичным газом, который применяется для фумигации, концентрации руды, в других промышленных процессах. Дициан (CN) 2 используется в качестве промежуточного химического вещества и для фумигации.

Азиды представляют собой соединения, которые содержат группу из трех атомов азота -N 3 . Большинство их неустойчиво и очень чувствительно к ударам. Некоторые из них, такие как азид свинца Pb(N 3) 2 , используются в детонаторах и капсюлях. Азиды, подобно галогенам, охотно взаимодействуют с другими веществами и образуют множество соединений.

Азот входит в состав нескольких тысяч органических соединений. Большинство из них являются производными от аммиака, цианистого водорода, циана, закиси или азотной кислоты. Амины, аминокислоты, амиды, например, получены из аммиака или тесно связаны с ним. Нитроглицерин и нитроцеллюлоза - сложные эфиры азотной кислоты. Нитриты получают из азотистой кислоты (HNO 2). Пурины и алкалоиды являются гетероциклическими соединениями, в которых азот замещает один или несколько атомов углерода.

Свойства и реакции

Что такое азот? Это бесцветный газ без запаха, который конденсируется при -195,8 °С в бесцветную, маловязкую жидкость. Элемент существует в виде молекул N 2 , представляемых в виде:N:::N:, у которых энергия связи, равная 226 ккал на моль, уступает только окиси углерода (256 ккал на моль). По этой причине энергия активации молекулярного азота очень высока, поэтому в обычных условиях элемент относительно инертен. Кроме того, высокостабильная молекула азота в значительной степени способствует термодинамической неустойчивости многих азотсодержащих соединений, в которых связи, пусть и достаточно сильные, но уступают связям молекулярного азота.

Относительно недавно и неожиданно была открыта способность молекул азота служить в качестве лигандов в комплексных соединениях. Наблюдение того, что некоторые растворы комплексов рутения могут поглощать атмосферный азот, привело к тому, что вскоре может быть найден более простой и лучший способ фиксации этого элемента.

Активный азот можно получить путем пропускания газа низкого давления через высоковольтный электрический разряд. Продукт светится желтым светом и гораздо охотнее вступает в реакции, чем молекулярный, с атомарным водородом, серой, фосфором и различными металлами, а также способен разлагать NO до N 2 и O 2 .

Более ясное представление о том, что такое азот, можно получить благодаря его электронной структуре, которая имеет вид 1s 2 2s 2 2p 3 . Пять электронов внешних оболочек слабо экранируют заряд, в результате чего эффективный ядерный заряд ощущается на расстоянии ковалентного радиуса. Атомы азота относительно невелики и обладают высокой электроотрицательностью, располагаясь между углеродом и кислородом. Электронная конфигурация включает три полузаполненные внешние орбитали, позволяющие образовывать три ковалентные связи. Поэтому атом азота должен обладать чрезвычайно высокой реакционной способностью, образуя с большинством других элементов стабильные бинарные соединения, особенно когда другой элемент существенно отличается электроотрицательностью, придающей значительную полярность связям. Когда электроотрицательность другого элемента ниже, полярность придает атому азота частичный отрицательный заряд, что освобождает его неразделенные электроны для участия в координационных связях. Когда другой элемент более электроотрицателен, частично положительный заряд азота существенно ограничивает донорные свойства молекулы. При малой полярности связи, вследствие равной электроотрицательности другого элемента, множественные связи превалируют над одиночными. Если несоответствие атомных размеров препятствует образованию множественных связей, то образованная простая связь, вероятно, будет относительно слабой, и соединение будет неустойчивым.

Аналитическая химия

Часто процент азота в газовой смеси может быть определен путем измерения ее объема после поглощения других компонентов химическими реагентами. Разложение нитратов серной кислотой в присутствии ртути высвобождает окись азота, которая может быть измерена в виде газа. Азот высвобождается из органических соединений, когда они сгорают над окисью меди, а свободный азот может быть измерен в виде газа после поглощения других продуктов сгорания. Хорошо известный метод Кьельдаля по определению содержания рассматриваемого нами вещества в органических соединениях заключается в разложении соединения концентрированной серной кислотой (в случае необходимости содержащей ртуть, или ее оксид, а также различные соли). Таким образом азот преобразуется в сульфат аммония. Добавление гидроксида натрия высвобождает аммиак, который собирают обычной кислотой; остаточное количество непрореагировавшей кислоты затем определяется титрованием.

Биологическое и физиологическое значение

Роль азота в живой материи подтверждает физиологическую активность его органических соединений. Большинство живых организмов не может использовать этот химический элемент непосредственно и должно иметь доступ к его соединениям. Поэтому фиксация азота имеет огромное значение. В природе это происходит в результате двух основных процессов. Одним из них является действие электрической энергии на атмосферу, благодаря чему молекула азота и кислорода диссоциируют, что позволяет свободным атомам образовать NO и NO 2 . Двуокись затем вступает в реакцию с водой: 3NO 2 +H 2 O→2HNO 3 +NO.

HNO 3 растворяется и приходит на Землю с дождем в виде слабого раствора. Со временем кислота становится частью комбинированного азота почвы, где нейтрализуется, образуя нитриты и нитраты. Содержание N в культивируемых почвах, как правило, восстанавливается благодаря внесению удобрений, содержащих нитраты и аммонийные соли. Выделения животных и растений и их разложение возвращает соединения азота в почву и воздух.

Другим основным процессом естественной фиксации является жизнедеятельность бобовых. Благодаря симбиозу с бактериями эти культуры способны превращать атмосферный азот непосредственно в его соединения. Некоторые микроорганизмы, такие как Azotobacter Chroococcum и Clostridium pasteurianum, способны фиксировать N самостоятельно.

Сам газ, будучи инертным, безвреден, за исключением случая, когда им дышат под давлением, и он растворяется в крови и других жидкостях тела в более высоких концентрациях. Это вызывает наркотический эффект, а если давление снижается слишком быстро, избыток азота выделяется в виде пузырьков газа в различных местах организма. Это может вызвать боль в мышцах и суставах, обмороки, частичный паралич и даже смерть. Эти симптомы называются декомпрессионной болезнью. Поэтому те, кто вынужден дышать воздухом в таких условиях, должны очень медленно снижать давление до нормального, чтобы избыток азота выходил через легкие без образования пузырьков. Лучшей альтернативой является использование для дыхания смеси кислорода и гелия. Гелий гораздо менее растворим в жидкостях организма, и опасность уменьшается.

Изотопы

Азот существует в виде двух стабильных изотопов: 14 N (99,63 %) и 15 N (0,37 %). Они могут быть разделены с помощью химического обмена или путем термической диффузии. Масса азота в виде искусственных радиоактивных изотопов находится в пределах 10-13 и 16-24. Наиболее стабильный период полураспада, равный 10 минутам. Первая искусственно индуцированная ядерная трансмутация была произведена в 1919 г. британским физиком который, бомбардируя азот-14 альфа-частицами, получил ядра кислорода-17 и протоны.

Свойства

Напоследок перечислим основные свойства азота:

• Атомный номер: 7.
• Атомная масса азота: 14,0067.
• Температура плавления: -209,86 °C.
• Точка кипения: -195,8 °C.
• Плотность (1 атм, 0 °С): 1,2506 г азота на литр.
• Обычные состояния окисления: -3, +3, +5.
• Конфигурация электронов: 1s 2 2s 2 2p 3 .

Рождающий селитру — так переводится с латинского языка слово Nitrogenium. Это название азота — химического элемента с атомным номером 7, возглавляющего 15-ю группу в длинном варианте периодической таблицы. В форме простого вещества распространен в составе воздушной оболочки Земли — атмосферы. Разнообразные соединения азота встречаются в земной коре и живых организмах, находят широкое применение в отраслях промышленности, военном деле, сельском хозяйстве и медицине.

Почему азот называли «удушливым» и «безжизненным»

Как предполагают историки химии, первым получил это простое вещество Генри Кавендиш (1777). Ученый пропускал воздух над раскаленными углями, для поглощения продуктов реакции использовал щелочь. В результате опыта исследователь обнаружил бесцветный газ без запаха, не вступивший в реакцию с углем. Кавендиш назвал его «удушливым воздухом» за неспособность поддерживать дыхание, а также горение.

Современный химик объяснил бы, что кислород прореагировал с углем, образовался углекислый газ. Оставшаяся «удушливая» часть воздуха состояла по большей части из молекул N 2 . Кавендиш и другие ученые в то время об этом веществе еще не знали, хотя соединения азота и селитры тогда широко использовались в хозяйстве. Ученый сообщил о необычном газе своему коллеге, проводившему аналогичные опыты, — Джозефу Пристли.

Одновременно Карл Шееле обратил внимание на неизвестную составную часть воздуха, но не сумел правильно объяснить ее происхождение. Только Даниэль Рутерфорд в 1772 году понял, что присутствующий в экспериментах «удушливый» «испорченный» газ — азот. Какого ученого считать его первооткрывателем — об этом до сих пор ведут спор историки науки.

Через 15 лет после опытов Рутерфорда знаменитый химик Антуан Лавуазье предложил сменить термин «испорченный» воздух, относившийся к азоту, на другой — Nitrogenium. К тому времени было доказано, что это вещество не горит, не поддерживает дыхание. Тогда же появилось русское название «азот», которое трактуется по-разному. Чаще всего говорят, что термин означает «безжизненный». Последующие работы опровергли распространенное мнение о свойствах вещества. Соединения азота — белки — важнейшие макромолекулы в составе живых организмов. Для их построения растения поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания — ионы NO 3 2- и NH 4+ .

Азот — химический элемент

Разобраться в строении атома и свойствах помогает (ПС). По положению в таблице Менделеева можно определить заряд ядра, количество протонов и нейтронов (массовое число). Необходимо обратить внимание на значение атомной массы — это одна из главных характеристик элемента. Номер периода соответсвует количеству энергетических уровней. В коротком варианте периодической таблицы номер группы соответствует числу электронов на внешнем энергатическом уровне. Обобщим все данные в общей характеристике азота по его положению в периодической системе:

• Это неметаллический элемент, находится в правом верхнем углу ПС.
• Химический знак: N.
• Порядковый номер: 7.
• Относительная атомная масса: 14,0067.
• Формула летучего водородного соединения: NH 3 (аммиак).
• Образует высший оксид N 2 O 5 , в котором валентность азота равна V.

Строение атома азота:

• Заряд ядра: +7.
• Число протонов:7; число нейтронов: 7.
• Количество энергетических уровней: 2.
• Общее число электронов: 7; электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 3 .

Подробно изучены стабильные изотопы элемента № 7, их массовые числа — 14 и 15. Содержание атомов более легкого из них составляет 99,64 %. В ядрах короткоживущих радиоактивных изотопов находится также 7 протонов, а число нейтронов сильно варьируется: 4, 5, 6, 9, 10.

Азот в природе

В составе воздушной оболочки Земли присутствуют молекулы простого вещества, формула которого — N 2 . Содержание газообразного азота в атмосфере составляет по объему примерно 78,1 %. Неорганические соединения этого химического элемента в земной коре — различные соли аммония и нитраты (селитры). Формулы соединений и названия некоторых из важнейших веществ:

• NH 3, аммиак.
• NO 2, диоксид азота.
• NaNO 3, нитрат натрия.
• (NH 4) 2 SO 4, сульфат аммония.

Валентность азота в двух последних соединениях — IV. Каменный уголь, почва, живые организмы также содержат атомы N в связанном виде. Азот является составной частью макромолекул аминокислот, нуклеотидов ДНК и РНК, гормонов и гемоглобина. Общее содержание химического элемента в теле человека достигает 2,5 %.

Простое вещество

Азот в виде двухатомных молекул — самая большая по объему и массе часть воздуха атмосферы. Вещество, формула которого N 2 , не обладает запахом, цветом и вкусом. Этот газ составляет более 2/3 воздушной оболочки Земли. В жидком виде азот представляет собой бесцветную субстанцию, напоминающую воду. Кипит при температуре -195,8 °C. М (N 2) = 28 г/моль. Простое вещество азот немного легче кислорода, его плотность по воздуху близка к 1.

Атомы в молекуле прочно связывают 3 общие электронные пары. Соединение проявляет высокую химическую устойчивость, что отличает его от кислорода и ряда других газообразных веществ. Для того чтобы молекула азота распалась на составляющие ее атомы, необходимо затратить энергию 942,9 кдж/моль. Связь из трех пар электронов очень прочная, начинает разрушаться при нагревании свыше 2000 °С.

При нормальных условиях диссоциация молекул на атомы практически не происходит. Химическая инертность азота также обусловлена полным отсутствием полярности в его молекулах. Они очень слабо взаимодействуют друг с другом, чем обусловлено газообразное состояние вещества при нормальном давлении и температуре, близкой к комнатной. Низкая химическая активность молекулярного азота находит применение в разных процессах и устройствах, где необходимо создать инертную среду.

Диссоциация молекул N 2 может происходить под влиянием солнечного излучения в верхних слоях атмосферы. Образуется атомарный азот, который при нормальных условиях реагирует с некоторыми металлами и неметаллами (фосфором, серой, мышьяком). В результате идет синтез веществ, которые в земных условиях получают косвенным путем.

Валентность азота

Наружный электронный слой атома образуют 2 s и 3 p электрона. Эти отрицательные частицы азот может отдать при взаимодействии с другими элементами, что соответствует его восстановительным свойствам. Присоединяя недостающие до октета 3 электрона, атом проявляет окислительные способности. Электроотрицательность азота ниже, его неметаллические свойства менее выражены, чем у фтора, кислорода и хлора. При взаимодействии с этими химическими элементами азот отдает электроны (окисляется). Восстановлением до отрицательных ионов сопровождаются реакции с другими неметаллами и металлами.

Типичная валентность азота — III. В этом случае химические связи образуются за счет притяжения внешних р-электронов и создания общих (связывающих) пар. Азот способен к образованию донорно-акцепторной связи за счет своей неподеленной пары электронов, как это происходит в ионе аммония NH 4+ .

Получение в лаборатории и промышленности

Один из лабораторных способов основан на окислительных свойствах Используется соединение азота с водородом — аммиак NH 3 . Этот неприятно пахнущий газ взаимоддействует с порошкообразным оксидом меди черного цвета. В результате реакции выделяется азот и появляется металлическая медь (красный порошок). На стенках трубки оседают капли воды — еще одного продукта реакции.

Другой лабораторный способ, в котором используется соединение азота с металлами — азид, например NaN 3 . Получается газ, который не надо очищать от примесей.

В лаборатории проводят разложение нитрита аммония на азот и воду. Для того чтобы реакция началась, требуется нагревание, затем процесс идет с выделением тепла (экзотермический). Азот загрязнен примесями, поэтому его очищают и осушают.

Получение азота в промышленности:

• фракционная перегонка жидкого воздуха — способ, в котором используются физические свойства азота и кислорода (разные температуры кипения);
• химическая реакция воздуха с раскаленным каменным углем;
• адсорбционное газоразделение.

Взаимодействие с металлами и водородом — окислительные свойства

Инертность прочных молекул не позволяет получать некоторые соединения азота прямым синтезом. Для активации атомов необходимо сильное нагревание или облучение вещества. Азот может прореагировать с литием при комнатной температуре, с магнием, кальцием и натрием реакция идет лишь при нагревании. Образуются нитриды соответствующих металлов.

Взаимодействие азота с водородом происходит при высоких значениях температуры и давления. Также для этого процесса необходим катализатор. Получается аммиак — один из важнейших продуктов химического синтеза. Азот, как окислитель, проявляет в своих соединениях три отрицательные степени окисления:

• −3 (аммиак и другие водородные соединения азота — нитриды);
• −2 (гидразин N 2 H 4);
• −1 (гидроксиламин NH 2 OH).

Важнейший нитрид — аммиак — в больших количествах получают в промышленности. Большой проблемой долгое время оставалась химическая инертность азота. Его сырьевыми источниками были селитры, но запасы минералов стали быстро сокращаться с ростом производства.

Большим достижением химической науки и практики стало создание аммиачного метода связывания азота в промышленных масштабах. В специальных колоннах проводится прямой синтез — обратимый процесс между азотом, полученным из воздуха, и водородом. При создании оптимальных условий, сдвигающих равновесие этой реакции в сторону продукта, применении катализатора выход аммиака достигает 97 %.

Взаимодействие с кислородом — восстановительные свойства

Для того чтобы началась реакция азота и кислорода, необходимо сильное нагревание. Достаточной энергией обладают и грозовой разряд в атмосфере. Важнейшие неорганические соединения, в которых азот находится в своих положительных степенях окисления:

• +1 (оксид азота (I) N 2 O);
• +2 (монооксид азота NO);
• +3 (оксид азота (III) N 2 O 3 ; азотистая кислота HNO 2 , ее соли нитриты);
• +4 (диоксид азота (IV) NO 2);
• +5 (пентаоксид азота (V) N 2 O 5 , азотная кислота HNO 3 , нитраты).

Значение в природе

Растения поглощают ионы аммония и нитратные анионы из почвы, используют для химических реакций синтез органических молекул, постоянно идущий в клетках. Атмосферный азот могут усваивать клубеньковые бактерии — микроскопические существа, образующие наросты на корнях бобовых культур. В результате эта группа растений получает необходимый элемент питания, обогащает им почву.

Во время тропических ливней происходят реакции окисления атмосферного азота. Оксиды растворяются с образованием кислот, эти соединения азота в воде поступают в почву. Благодаря круговороту элемента в природе постоянно восполняются его запасы в земной коре, воздухе. Сложные органические молекулы, содержащие в своем составе азот, разлагаются бактериями на неорганические составляющие.

Практическое использование

Важнейшие соединения азота для сельского хозяйства — это хорошо растворимые соли. Усваиваются растениями мочевина, калиевая, кальциевая), аммонийные соединения (водный раствор аммиака, хлорид, сульфат, нитрат аммония).
Инертные свойства азота, неспособность растений усваивать его из воздуха приводят к необходимости ежегодно вносить большие дозы нитратов. Части растительного организма способны запасать макроэлемент питания «впрок», что ухудшает качество продукции. Избыток и фруктах может вызвать у людей отравления, рост злокачественных новообразований. Кроме сельского хозяйства, соединения азота используются в других отраслях:

• для получения медикаментов;
• для химического синтеза высокомолекулярных соединений;
• в производстве взрывчатки из тринитротолуола (тротила);
• для выпуска красителей.

Оксид NO находит применение в хирургии, вещество обладает обезболивающим эффектом. Потерю ощущений при вдыхании этого газа заметили еще первые исследователи химических свойств азота. Так появилось тривиальное название «веселящий газ».

Проблема нитратов в сельскохозяйственной продукции

В солях азотной кислоты — нитратах — содержится однозарядный анион NO 3- . До сих пор используется старое наименование этой группы веществ — селитры. Применяются нитраты для удобрения полей, в теплицах, садах. Вносят их ранней весной перед посевом, летом — в виде жидких подкормок. Сами по себе вещества не представляют большой опасности для людей, но в организме они превращаются в нитриты, затем в нитрозамины. Нитритные ионы NO 2- — токсичные частицы, они вызывают окисление двухвалентного железа в молекулах гемоглобина в трехвалентные ионы. В таком состоянии главное вещество крови человека и животных не способно переносить кислород и удалять из тканей углекислый газ.

Чем опасно нитратное загрязнение продуктов питания для здоровья человека:

• злокачественными опухолями, возникающими при превращении нитратов в нитрозамины (канцерогены);
• развитием язвенного колита,
• гипотензией или гипертензией;
• сердечной недостаточностью;
• нарушением свертываемости крови
• поражениями печени, поджелудочной железы, развитием диабета;
• развитием почечной недостаточности;
• анемией, нарушениями памяти, внимания, интеллекта.

Одновременное употребление разных продуктов с большими дозами нитратов приводит к острому отравлению. Источниками могут быть растения, питьевая вода, готовые мясные блюда. Замачиванием в чистой воде и кулинарной обработкой можно снизить в продуктах питания содержание нитратов. Исследователи выяснили, что более высокие дозы опасных соединений отмечены в незрелой и тепличной растительной продукции.

Фосфор — элемент подгруппы азота

Атомы химических элементов, которые находятся в одном вертикальном столбце периодической системы, проявляют общие свойства. Фосфор расположен в третьем периоде, относится к 15 группе, как и азот. Строение атомов элементов сходное, но существуют различия в свойствах. Азот и фосфор проявляют отрицательную степень окисления и валентность III в своих соединениях с металлами и водородом.

Многие реакции фосфора идут при обычных температурах, это химически активный элемент. Взаимодействует с кислородом с образованием высшего оксида Р 2 О 5 . Водный раствор этого вещества обладает свойствами кислоты (метафосфорной). При ее нагревании получается ортофосфорная кислота. Она образует несколько типов солей, многие из которых служат минеральными удобрениями, например суперфосфаты. Соединения азота и фосфора составляют важную часть круговорота веществ и энергии на нашей планете, используются в промышленной, сельскохозяйственной и других сферах деятельности.

Азот - это всем известный химический элемент, который обозначается буквой N. Этот элемент, пожалуй, основа неорганической химии, его начинают подробно изучать еще в 8 классе. В данной статье мы рассмотрим данный химический элемент, а также его свойства и типы.

История открытия химического элемента

Азот - это элемент, который впервые был представлен знаменитым французским химиком Антуаном Лавуазье. Но за звание первооткрывателя азота борются многие ученые, среди них и Генри Кавендиш, Карл Шееле, Даниэль Резерфорд.

В результате опыта первым выделил химический элемент, но так и не понял, что он получил простое вещество. О своем опыте он сообщил который тоже проделывал ряд исследований. Вероятно, Пристли тоже удалось выделить этот элемент, но ученый не смог понять, что именно он получил, поэтому не заслужил звание первооткрывателя. Карл Шееле одновременно с ними проводил те же исследования, но не пришел к нужному выводу.

В том же году Даниэль Резерфорд сумел не только получить азот, но и описать его, опубликовать диссертацию и указать основные химические свойства элемента. Но даже Резерфорд так до конца и не понял, что он получил. Однако именно его считают первооткрывателем, потому что он был ближе всех к разгадке.

Происхождение названия азота

С греческого "азот" переводится как "безжизненный". Именно Лавуазье трудился над правилами номенклатуры и решил так назвать элемент. В 18 веке про этот элемент было известно лишь то, что он не поддерживает ни ни дыхания. Поэтому данное название приняли.

В латинском языке азот называется "нитрогениум", что в перевод означает "рождающий селитру". Из латинского языка и появилось обозначение азота - буква N. Но само название во многих странах не прижилось.

Распространенность элемента

Азот - это, пожалуй, один из самых распространенных элементов на нашей планете, он занимает четвертое место по распространенности. Элемент также найден в солнечной атмосфере, на планетах Уран и Нептун. Из азота состоят атмосферы Титана, Плутона и Тритона. Помимо этого, атмосфера Земли состоит на 78-79 процентов из этого химического элемента.

Азот играет важную биологическую роль, ведь он необходим для существования растений и животных. Даже тело человека содержит от 2 до 3 процентов этого химического элемента. Входит в состав хлорофилла, аминокислот, белков, нуклеиновых кислот.

Жидкий азот

Жидкий азот - это бесцветная прозрачная жидкость, является одним из агрегатных состояний химического азот широко используется в промышленности, строительстве и медицине. Он используется при заморозке органических материалов, охлаждения техники, а в медицине для удаления бородавок (эстетическая медицина).

Жидкий азот не токсичен, а также не взрывоопасен.

Молекулярный азот

Молекулярный азот - это элемент, который содержится в атмосфере нашей планеты и образует большую ее часть. Формула молекулярного азота - N 2 . Такой азот вступает в реакции с другими химическими элементами или веществами только при очень высокой температуре.

Физические свойства

При нормальных условиях химический элемент азот - который не имеет запаха, цвета, а также практически не растворим в воде. Азот жидкий по своей консистенции напоминает воду, такой же прозрачный и бесцветный. У азота есть еще одно агрегатное состояние, при температуре ниже -210 градусов он превращается в твердое тело, образует много больших белоснежных кристаллов. Поглощает кислород из воздуха.

Химические свойства

Азот относится к группе неметаллов и перенимает свойства у других химических элементов из этой группы. Как правило, неметаллы не являются хорошими проводниками электричества. Азот образует различные оксиды, например NO (моноокисид). NO или окись азота является мышечным релаксантом (вещество, которое значительно расслабляет мускулатуру и при этом не оказывает никакого вреда и иных влияний на организм человека). Оксиды, где содержится больше атомов азота, например N 2 O - это веселящий газ, чуть-чуть сладковатый на вкус, который используется в медицине как анестезирующее средство. Однако уже оксид NO 2 не имеет никакого отношения к первым двум, ведь это довольно вредный выхлопной газ, который содержится в выхлопах автомобилей и серьезно загрязняет атмосферу.

Азотная кислота, которую образуют атомы водорода, азота и три атома кислорода, является сильной кислотой. Ее широко используют в производстве удобрений, в ювелирном деле, органическом синтезе, военной промышленности (производство взрывчатых веществ, и синтеза отравляющих веществ), производстве красителей, лекарств и др. Азотная кислота очень вредна для организма человека, на коже оставляет язвы и химические ожоги.

Люди ошибочно полагают, что углекислый газ - это азот. На самом деле, по своим химическим свойствам элемент реагирует лишь с небольшим количеством элементов при нормальных условиях. А углекислый газ - это оксид углерода.

Применение химического элемента

Азот в жидком состоянии применяют в медицине для лечения холодом (криотерапии), а также в кулинарии как хладагент.

Этот элемент также нашел широкое применение в промышленности. Азот - это газ, который взрыво- и пожаробезопасен. Помимо этого, он препятствует гниению и окислению. Сейчас азот используют в шахтах с целью создания взрывобезопасной среды. Газообразный азот применяют в нефтехимии.

В химической промышленности без азота обойтись очень нелегко. Его используют для синтеза различных веществ и соединений, например некоторых удобрений, аммиака, взрывчатых веществ, красителей. Сейчас большое количество азота используют для синтеза аммиака.

В пищевой промышленности это вещество зарегистрировано как пищевая добавка.

Смесь или чистое вещество?

Даже ученые первой половины 18 века, которым удалось выделить химический элемент, думали, что азот - это смесь. Но существует большая разница между этими понятиями.

Имеет целый комплекс постоянных свойств, таких как состав, физические и химические свойства. А смесь - это соединение, в которое входит два или больше химических элемента.

Сейчас мы знаем, что азот - это чистое вещество, так как он является химическим элементом.

При изучении химии очень важно понять, что азот является основой всей химии. Он образует различные соединения, которые всем нам встречаются, это и веселящий газ, и бурый газ, и аммиак, и азотная кислота. Недаром химия в школе начинается именно с изучения такого химического элемента, как азот.

Азот - химический элемент, который известен каждому. Его обозначают буквой N. Он, можно сказать, основа неорганической химии, и поэтому его начинают изучать еще в восьмом классе. В этой статье мы подробно рассмотрим азот, а также его характеристики и свойства.

История открытия элемента

Такие соединения, как аммиак, селитра, азотная кислота, были известны и применялись на практике задолго до получения чистого азота в свободном состоянии.

Во время эксперимента, проведенного в 1772 году, Даниель Резерфорд сжигал фосфор и прочие вещества в колоколе из стекла. Он выяснил, что газ, остающийся после сгорания соединений, не поддерживает горения и дыхания, и назвал его «удушливым воздухом».

В 1787 году Антуан Лавуазье установил, что газы, входящие в состав обычного воздуха, - это простые химические элементы, и предложил название «Азот». Чуть позже (в 1784 г.) физик Генри Кавендиш доказал, что это вещество входит в состав селитры (группы нитратов). Отсюда происходит латинское название азота (от позднелатинского nitrum и греческого gennao), предложенное Ж. А. Шапталем в 1790 году.

К началу XIX века учеными были выяснены химическая инертность элемента в свободном состоянии и его исключительная роль в соединениях с другими веществами. С этого момента «связывание» азота воздуха стало важнейшей технической проблемой химии.

Физические свойства

Азот немного легче воздуха. Его плотность составляет 1,2506 кг/м³ (0 °С, 760 мм рт. ст.), температура плавления - -209,86 °С, кипения - -195,8 °С. Азот с трудом сжижается. Его критическая температура относительно низка (-147,1 °С), при этом критическое давление довольно высоко - 3,39 Мн/м². Плотность в жидком состоянии - 808 кг/м³. В воде этот элемент менее растворим, чем кислород: в 1 м³ (при 0 °С) Н₂О может раствориться 23,3 г N. Этот показатель выше при работе с некоторыми углеводородами.

При нагревании до невысоких температур этот элемент взаимодействует только с активными металлами. Например, с литием, кальцием, магнием. С большинством других веществ азот вступает в реакцию в присутствии катализаторов и/или при высокой температуре.

Хорошо изучены соединения N с О₂ (кислородом) N₂O₅, NO, N₂O₃, N₂O, NO₂. Из них при взаимодействии элементов (t - 4000 °С) образуется оксид NO. Далее в процессе охлаждения он окисляется до NO₂. Оксиды азота образуются в воздухе при прохождении атмосферных разрядов. Их можно получить действием ионизирующих излучений на смесь N с О₂.

При растворении в воде N₂O₃ и N₂O₅ соответственно получаются кислоты HNO₂ и HNO₂, образующие соли - нитраты и нитриты. Азот соединяется с водородом исключительно в присутствии катализаторов и при высокой температуре, образуя NH₃ (аммиак). Кроме того, известны и другие (они довольно многочисленны) соединения N с H₂, к примеру диимид HN = NH, гидразин H₂N-NH₂, октазон N₈H₁₄, кислота HN₃ и другие.

Стоит сказать, что большинство соединений водород + азот выделены исключительно в виде органических производных. Этот элемент не взаимодействует (непосредственно) с галогенами, поэтому все его галогениды получают только косвенным путем. К примеру, NF₃ образуется при взаимодействии аммиака с фтором.

Большинство галогенидов азота - малостойкие соединения, более устойчивы оксигалогениды: NOBr, NO₂F, NOF, NOCl, NO₂Cl. Непосредственного соединения N с серой также не происходит, N₄S₄ получается в процессе реакции аммиак + жидкая сера. Во время взаимодействия раскаленного кокса с N образуется циан (CN)₂. В процессе нагревания ацетилена С₂Н₂ с азотом до 1500 °С можно получить цианистый водород HCN. При взаимодействии N с металлами при относительно высоких температурах образуются нитриды (к примеру, Mg₃N₂).

При воздействии на обычный азот электроразрядов [при давлении 130–270 н/м² (соответствует 1–2 мм рт. cт.)] и при разложении Mg₃N₂, BN, TiNx и Ca₃N₂, а также при электроразрядах в воздухе может быть образован активный азот, обладающий повышенным запасом энергии. Он, в отличие от молекулярного, весьма энергично взаимодействует с водородом, парами серы, кислородом, некоторыми металлами и фосфором.

Азот входит в состав довольно многих важнейших органических соединений, в том числе - аминокислот, аминов, нитросоединений и прочих.

Получение азота

В лаборатории этот элемент может быть легко получен в процессе нагревания концентрированного раствора нитрита аммония (формула: NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O). Технический метод получения N основан на разделении заранее сжиженного воздуха, который в дальнейшем подвергается разгонке.

Область применения

Основная часть получаемого свободного азота используется при промышленном производстве аммиака, который потом в довольно больших количествах перерабатывается на удобрения, взрывчатые вещества и т. п.

Кроме прямого синтеза NH₃ из элементов, применяется разработанный в начале прошлого века цианамидный метод. Он основан на том, что при t = 1000 °С карбид кальция (образованный накаливанием смеси угля и извести в электропечи) реагирует со свободным азотом (формула: СаС₂ + N₂ = CaCN₂ + С). Полученный цианамид кальция под действием разогретого водяного пара разлагается на CaCO₃ и 2NH₃.

В свободном виде данный элемент применяется во многих отраслях промышленности: в качестве инертной среды при разнообразных металлургических и химических процессах, при перекачке горючих жидкостей, для заполнения пространства в ртутных термометрах и т. д. В жидком состоянии он используется в различных холодильных установках. Его транспортируют и хранят в стальных сосудах Дьюара, а сжатый газ - в баллонах.

Широко применяют и многие соединения азота. Их производство стало усиленно развиваться после Первой мировой войны и на данный момент достигло поистине огромных масштабов.

Это вещество является одним из основных биогенных элементов и входит в состав важнейших элементов живых клеток - нуклеиновых кислот и белков. Однако количество азота в живых организмах невелико (примерно 1–3 % на сухую массу). Имеющийся в атмосфере молекулярный материал усваивают лишь сине-зеленые водоросли и некоторые микроорганизмы.

Довольно большие запасы этого вещества сосредоточены в почве в виде различных минеральных (нитраты, аммонийные соли) и органических соединений (в составе нуклеиновых кислот, белков и продуктов их распада, включая еще не полностью разложившиеся остатки флоры и фауны).

Растения отлично усваивают азот из грунта в виде органических и неорганических соединений. В природных условиях большое значение имеют особые почвенные микроорганизмы (аммонификаторы), которые способны минерализировать органический N почвы до солей аммония.

Нитратный азот грунта образуется в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий, открытых С. Виноградским в 1890 году. Они окисляют аммонийные соли и аммиак до нитратов. Часть усвояемого флорой и фауной вещества теряется из-за воздействия денитрифицирующих бактерий.

Микроорганизмы и растения отлично усваивают как нитратный, так и аммонийный N. Они активно превращают неорганический материал в различные органические соединения - аминокислоты и амиды (глутамин и аспарагин). Последние входят в состав многих белков микроорганизмов, растений и животных. Синтез аспарагина и глутамина путем амидирования (ферментативного) аспарагиновой и глутаминовой кислот осуществляется многими представителями флоры и фауны.

Производство аминокислот происходит при помощи восстановительного аминирования ряда кетокислот и альдегидокислот, возникающих путем ферментативного переаминирования, а также в результате окисления различных углеводов. Конечными продуктами усвоения аммиака (NH₃) растениями и микроорганизмами являются белки, которые входят в состав ядра клеток, протоплазмы, а также откладываются в виде так называемых запасных белков.

Человек и большинство животных могут синтезировать аминокислоты лишь в довольно ограниченной мере. Они не способны производить восемь незаменимых соединений (лизин, валин, фенилаланин, триптофан, изолейцин, лейцин, метионин, треонин), и потому для них главным источником азота являются потребляемые с пищей белки, то есть, в конечном счете, - собственные белки микроорганизмов и растений.