Про азот Азот — это химическое соединение. В природе и окружающем нас мире оно достаточно распространено. Например, очень много его содержится в земной коре. Но еще больше в воздухе: он является главной составляющей того, чем мы дышим. Воздух — это смесь азота, кислорода и водорода. Также вещество встречается в воде, в которой мы купаемся, приезжая отдохнуть на речку, озеро или море. Свойства азота Ни увидеть, ни почувствовать его нельзя. Он не имеет вкуса, цвета и запаха. Тем более, никак нельзя его увидеть в космосе, где он также присутствует в виде облачных следов, остающихся после проносящихся с большой скоростью комет. Много его и вокруг Солнца. Этот элемент может соединяться с другими химическими элементами. Соединения азота постоянно окружают нас в повседневной жизни, но они не опасны для здоровья человека. Люди ценят его, потому что он содержится в топливе, которое обогревает наши дома, заставляет работать заводы и машины. Нефть очень ценится в любой стране, а в ее состав, между прочим, этот элемент тоже входит. Да что там говорить, он содержится даже в нас с вами, и в наших домашних животных, и в растениях, которые мама выращивает на подоконнике. Он содержится в организме любого живого существа, поддерживает его жизнь. Пища, которую мы употребляем, содержит белки, жиры и углеводы. Белки необходимы растущему организму, а в их состав тоже входит азот! Азот в круговороте веществ В природе происходит постоянный круговорот веществ. Например, дождь, который выпал на землю и впитался в почву или попал в водоем, впитал в себя многие вещества, встретившиеся на его пути, в том числе и азот в разных соединениях, а потом вдруг выглянуло солнце. Началось испарение воды и с поверхности земли, и из водоемов: в виде газов соединения поднялись в атмосферу, и стали формироваться тучи. Тучи сгущались, гремел гром, и вновь пошел дождь. Разные химические вещества вместе с водой снова вернулись на Землю. В удобрениях, которые люди используют в садах и огородах, азот содержится обязательно. Именно благодаря ему вырастают такие красивые цветы и такие вкусные ягоды, которыми лакомятся дети, а в магазинах не кончается хлеб, приготовленный из зерновых растений, выращенных на полях. Данное химическое соединение присутствует в природе в большом количестве, но люди могут производить его самостоятельно в специальных лабораториях, причем как в виде газа, так и в виде жидкости. Хранят его в специальных баллонах черного цвета под давлением. Азот: что это такое и где он используется? Nitrogen Industrial Gases Basic Theory Compressed Air Wiki Compressed Air Share via o o o o o LinkedIn Facebook Twitter Messenger Mail Знаете ли вы, что воздух, которым мы дышим, по большей части состоит из азота? Кислород необходим для выживания, однако воздух на 78% состоит из азота, и всего лишь на 21% — из кислорода и незначительного количества других газов. Несмотря на то, что человеческий организм не использует этот азот, он очень полезен в различных промышленных системах. Другими словами, существует неограниченный источник азота, доступный для использования, что позволяет получать азот необходимой чистоты за небольшую долю ваших текущих годовых затрат на азот. Что такое азот? Во-первых, это инертный газ. Он не имеет запаха, цвета и не поддерживает жизнь, однако он важен для роста растений и является ключевой добавкой в удобрениях. Его применение распространяется далеко за пределы садоводства. Азот обычно имеет жидкую или газообразную форму (однако также можно получить твердый азот). Жидкий азот используется в качестве хладагента, который способен быстро замораживать продукты и объекты медицинских исследований, а также для репродуктивных технологий. Для пояснения мы остановимся на газообразном азоте. Азот широко используется, главным образом, по причине того, что он не вступает в реакцию с другими газами, в отличие от кислорода, который является крайне реактивным. Из-за своего химического состава атомам азота требуется больше энергии для разрушения и взаимодействия с другими веществами. С другой стороны, молекулы кислорода легче разрываются, поэтому газ становится гораздо более реактивным. Газообразный азот обладает противоположными свойствами, обеспечивая, при необходимости, инертную среду. Отсутствие реакционной способности у азота является его самым важным качеством. В результате газ используется для предотвращения медленного и быстрого окисления. Электронная промышленность представляет собой прекрасный пример такого использования, поскольку при производстве печатных плат и других небольших компонентов может возникать медленное окисление в виде коррозии. Кроме того, медленное окисление характерно для производства продуктов питания и напитков, в этом случае азот используется для замещения или замены воздуха, чтобы лучше сохранить конечный продукт. Взрывы и пожары являются хорошим примером быстрого окисления, поскольку для их распространения требуется кислород. Удаление кислорода из резервуара с помощью азота уменьшает вероятность возникновения этих аварий. Если в системе необходимо использовать азот, то рекомендуется рассмотреть три основных способа получения газа. Первым является аренда резервуара с азотом на месте и подача газа, вторым — использование газообразного азота, поставляемого в баллонах под высоким давлением. Третьим способом является производство собственного азота с использованием сжатого воздуха. Покупка или аренда азота может оказаться очень неудобной, неэффективной и дорогостоящей, поскольку приходится иметь дело со сторонним поставщиком. По этим причинам многие компании отказались от аренды и приняли решение производить свой собственный азот с возможностью контроля количества, чистоты и давления для требуемого применения. Дополнительные преимущества включают стабильную стоимость, отсутствие транспортных расходов или задержек, устранение опасностей, связанных с криогенным хранением, и исключение отходов, вызванных потерями от испарения или возврата баллонов под высоким давлением, которые никогда не опустошаются полностью. Существует два типа генераторов азота: мембранные генераторы азота, а также генераторы азота PSA (адсорбция при переменном давлении), которые обеспечивают очень высокую чистоту 99,999% или 10 PPM (частей на миллион) и даже выше. Узнайте больше о последнем варианте здесь. Какие варианты практического применения газообразного азота существуют? Поскольку азот является инертным газом, он подходит для широкого спектра применений во многих отраслях промышленности. Взгляните на некоторые типичные промышленные применения газообразного азота ниже. Нефтегазовая отрасль Электроника Упаковка продуктов питания и напитков Лаборатории Предотвращение пожара Фармацевтика Судостроение и судоходство Основные сферы применения Нефть и газ Азот используется для заполнения резервуаров. Узнать о других областях применения Читать отзывы заказчиков Компрессорные системы, трубопроводы и реакторы продуваются азотом во избежание взрывов или пожара. Азот также используется во время бурения нефтяных и газовых скважин. Электроника Азот используется для предотвращения окисления при бессвинцовой пайке печатных плат или других очень мелких компонентов. Инертирование азотом повышает целостность соединений. Узнать о других областях применения Читать отзывы заказчиков Упаковка пищевых продуктов и напитков Узнать о других областях примененияЧитать отзывы заказчиков Поскольку азот инертен и не имеет цвета и запаха, он используется для вытеснения или замещения воздуха, чтобы снизить риск ухудшения свойств конечного продукта. Во фруктовых соках, например, окисление витамина C является, возможно, одним из решающих факторов. Использование азота в емкостях, контейнерах, трубах и бутылках предотвращает такое окисление. Для удаления кислорода, растворенного в соке, азот пропускается через жидкость и образует пузырьки, несущие кислород, которые затем удаляются из сока. В виноделии азот применяется для предотвращения окисления, что позволяет использовать меньше добавок. Кроме того, при этом хорошо сохраняется кислотно-щелочной баланс, цвет, аромат и натуральный вкус вина. Использование азота позволит дольше хранить вино без изменения его первоначального качества. Азот практически не растворяется в воде и поэтому идеален для транспортировки вина. Для обеспечения максимальной гигиены бутылки промываются и высушиваются азотом перед наполнением. Осушение происходит быстрее, чем при использовании обычного воздуха, поскольку в ходе процесса производства азота на месте внутри генератора он (азот) становится очень сухим. Наконец после наполнения и перед установкой пробки бутылка продувается азотом во избежание присутствия остатков воздуха в горлышке бутылки. Лаборатории Использование азота - это неотъемлемая часть многих процессов Узнать о других областях применения Читать отзывы заказчиков Азот высокой чистоты используется как газ-носитель, например, в инструментах для газовой хроматографии. Но также он используется и для химического анализа, в спектрометрах и термоанализаторах. Предотвращение пожара Возникновению пожара способствует воспламеняемый материал, а также источник возгорания и кислород. Узнать о других областях применения Читать отзывы заказчиков Если азот вытесняет кислород, снижается риск возникновения пожара или взрыва. Максимальная концентрация кислорода (MКК) — это концентрация, при которой горение вещества невозможно. Сокращение концентрации кислорода ниже МКК позволяет предотвратить взрыв или пожар. (Значение МКК зависит от вещества.) Фармацевтика Узнать о других областях примененияЧитать отзывы заказчиков Кроме того, во время фармацевтических производственных процессов кислород может стать причиной многих видов нежелательных побочных реакций. Поэтому мы используем азот во время производственного процесса и упаковки. Судостроение и судоходство Азот используется для предотвращения разложения груза, например пищевых продуктов. Узнать о других областях применения Читать отзывы заказчиков На нефтехимических танкерах азот используется для снижения риска взрывов или пожара во время разгрузки емкостей с газом. Общепромышленное назначение Узнать о других областях примененияЧитать отзывы заказчиков Продувка Азот используется для продувки поверхности термообрабатываемой металлической детали. Это предотвращает окисление металла. Коксование Коксование — еще одна область, где часто используется азот, поскольку для процесса коксования необходимо обеспечить бескислородную среду. Литье полимеров под давлением В процессе литья полимеров под давлением азот часто используется в качестве вспомогательного газа, который предотвращает окисление полимера и сохраняет чистоту отделки поверхности пресс-формы. Кроме того, азот впрыскивается вместе с полимером и создает воздушные каналы, что приводит к снижению потребности в полимере без снижения прочности. Азот [править | править код] Материал из Википедии — свободной энциклопедии Перейти к навигацииПерейти к поиску У этого термина существуют и другие значения, см. Азот (значения). Азот ← Углерод | Кислород → 7 N ↓ P 7 N Внешний вид простого вещества при н. у. — газ без цвета, вкуса и запаха Жидкий азот Свойства атома Название, символ, номер Азо́т / Nitrogenium (N), 7 [14,00643; 14,00728][комм 1][1] а. е. м. (г/моль) Атомная масса (молярная масса) Электронная конфигурация [He] 2s2 2p3 75 пм Радиус атома Химические свойства Ковалентный радиус Радиус иона 75 пм 13 (+5e) 171 (−3e) пм Электроотрицательность 3,04[2] (шкала Полинга) Степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −2, −3 Энергия ионизации 1401,5 (14,53) кДж/моль (эВ) (первый электрон) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) 0,808 г/см³ (-195,8 °C); 1,1649 кг/м³ в стандартных условиях по ГОСТ 2939-63; при н. у. 0,001251 г/см³ Температура плавления 63,29 K (−209,86 °C) Температура кипения 77,4 K (−195,75 °C) Уд. теплота плавления (N2) 0,720 кДж/моль Уд. теплота испарения (N2) 5,57 кДж/моль Молярная теплоёмкость 29,125[3] (газ N2) Дж/(K·моль) 17,3 см³/моль Молярный объём Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая Параметры решётки 5,661 Å Прочие характеристики Теплопроводность Номер CAS (300 K) 0,026 Вт/(м·К) 7727-37-9 Азот 7 N 14,007 2s22p3 Азо́т (N, лат. nitrogenium) — химический элемент 15-й группы (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе V группы, или к группе VA), второго периода периодической системы с атомным номером 7. Относится к пниктогенам. Как простое вещество представляет собой двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Один из самых распространённых элементов на Земле. Химически весьма инертен, однако реагирует с комплексными соединениями переходных металлов. Основной компонент воздуха (78 % объёма), разделением которого получают промышленный азот (более ¾ идёт на синтез аммиака). Применяется как инертная среда для множества технологических процессов; жидкий азот — хладагент. Азот — один из основных биогенных элементов, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот[4]. Содержание 1История открытия 2Происхождение названия 3Азот в природе o 3.1Изотопы o 3.2Распространённость o 3.3Биологическая роль o 3.4Круговорот азота в природе o 3.5Токсикология азота и его соединений 4Получение o 4.1Разложение нитрита аммония o 4.2Нагревание дихромата калия с сульфатом аммония o 4.3Разложение азидов o 4.4Реакция воздуха с раскалённым коксом o 4.5Перегонка воздуха o 4.6Пропускание аммиака над оксидом меди (II) 5Свойства o 5.1Физические свойства o 5.2Фазовая диаграмма o 5.3Химические свойства, строение молекулы 5.3.1Промышленное связывание атмосферного азота 6Соединения азота 7Применение o 7.1Газообразный азот o 7.2Жидкий азот 8Маркировка баллонов 9Опасность для здоровья 10Комментарии 11Примечания 12Литература 13Ссылки История открытия[править | править код] В 1772 году Генри Кавендиш провёл опыт: он многократно пропускал воздух над раскалённым углём, затем обрабатывал его щёлочью, в результате получался остаток, который Кавендиш назвал удушливым (или мефитическим) воздухом. С позиций современной химии ясно, что в реакции с раскалённым углём кислород воздуха связывался в углекислый газ, который затем поглощался щёлочью. При этом остаток газа представлял собой по большей части азот. Таким образом, Кавендиш выделил азот, но не сумел понять, что это новое простое вещество (химический элемент), и описал его как мефитический воздух (от английского mephitic — "вредный"). В том же году Кавендиш сообщил об этом опыте Джозефу Пристли[5]:41. Интересен тот факт, что он сумел связать азот с кислородом при помощи разрядов электрического тока, а после поглощения оксидов азота в остатке получил небольшое количество газа, абсолютно инертного, хотя, как и в случае с азотом, не смог понять, что выделил новый химический элемент — инертный газ аргон.[источник не указан 741 день] Джозеф Пристли в это время проводил серию экспериментов, в которых также связывал кислород воздуха и удалял полученный углекислый газ, то есть также получал азот, однако, будучи сторонником господствующей в те времена теории флогистона, также неверно истолковал полученные результаты — он решил, что выделил флогистированный воздух (то есть насыщенный флогистоном)[5]:41. В сентябре 1772 года шотландский химик Даниэль Резерфорд опубликовал магистерскую диссертацию «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе», в которой описал азот как вредный, ядовитый воздух и предположил, что это новый химический элемент[5]:41, а также описал основные свойства азота (не реагирует со щелочами, не поддерживает горения, непригоден для дыхания). Резерфорд также был сторонником флогистонной теории, поэтому также не смог понять, что же он выделил. Таким образом, чётко определить первооткрывателя азота не представляется возможным.[источник не указан 741 день] В то же время азот выделил Карл Шееле: летом 1772 года он получил азот по методу Кавендиша и исследовал его в течение пяти лет, затем опубликовал результаты своих исследований. В этой публикации Шееле первым описал воздух как смесь отдельных газов: «огненного воздуха» (кислорода) и «грязного воздуха» (азота). Из-за того, что Шееле задержался с публикацией своих исследований, до сих пор идут споры о первооткрывателе азота[5]:41. Происхождение названия[править | править код] Название «азо́т» (фр. azote, по наиболее распространённой версии, от др.греч. ἄζωτος — безжизненный), вместо предыдущих названий («флогистированный», «мефитический» и «испорченный» воздух) предложил в 1787 году Антуан Лавуазье, который в то время в составе группы других французских учёных разрабатывал принципы химической номенклатуры, в том же году это предложение опубликовано в труде «Метод химической номенклатуры»[6][5]:41. Как показано выше, в то время уже было известно, что азот не поддерживает ни горения, ни дыхания. Это свойство и сочли наиболее важным. Хотя впоследствии выяснилось, что азот, наоборот, крайне необходим для всех живых существ, название сохранилось во французском и русском языках. Окончательно в русском языке этот вариант названия закрепился после выхода в свет книги Германа Гесса «Основания чистой химии» в 1831 году[7]. Само слово «азот» (без связи с газом) известно с древности и употреблялось философами и алхимиками средневековья для обозначения «первичной материи металлов», так называемого «меркурия» у философов, «двойного меркурия» у алхимиков. «Первичную материю металлов» алхимики считали «альфой и омегой» всего сущего. И слово для её обозначения составили из начальных и конечных букв алфавитов трёх языков, считавшихся священными, — латинского, греческого и древнееврейского: а, альфа, алеф и зет, омега, тов — AAAZOT. Инициатор создания новой химической номенклатуры Гитон де Морво отмечал в своей «Методической энциклопедии» (1786 год) алхимическое значение термина[8]. Многие современники Лавуазье считали название элемента неудачным, в частности, Жан-Антуан Шапталь предложил название фр. nitrogène — «рождающий селитру» (и использовал это название в своей книге «Элементы химии»[9]). Поныне соединения азота называют «нитраты», «нитриты» и «нитриды»[5]:42. Во французском языке название «нитроген» не прижилось, зато в английском, испанском, венгерском и норвежском используется производное от этого слова. В португальском используется как название (порт. nitrogé(ê)nio, так и (особенно в Португалии) (порт. azoto). В немецком языке используется название нем. Stickstoff, что означает «удушающее вещество», аналогично в нидерландском; схожие по значению названия используются в некоторых славянских языках, например, хорватское и словенское dušik (пр. «душик»)[5]:42, a также в иврите (ןקנח, "ханкан"). Название «азот», помимо французского и русского, принято в итальянском, турецком и ряде славянских языков, а также во многих языках народов бывшего СССР. До принятия символа N в России, Франции и других странах использовался символ Az, который можно видеть, например, в статье А. М. Бутлерова об аминах 1864 года[5]:42[10]. Азот в природе[править | править код] Изотопы[править | править код] Основная статья: Изотопы азота Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14N — 99,635 % и 15N — 0,365 %. Искусственно получены четырнадцать радиоактивных изотопов азота с массовыми числами от 10 до 13 и от 16 до 25. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13N имеет период полураспада 10 мин. Спин ядер стабильных изотопов азота: 14N — 1; 15N — 1/2. Распространённость[править | править код] Азот — один из самых распространённых элементов на Земле[4]. Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, в межзвёздном пространстве и др. Атмосферы таких планетспутников как Титан, Тритон, а также карликовой планеты Плутон в основном состоят из азота. Азот — четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода). Азот в форме двухатомных молекул N2 составляет большую часть атмосферы Земли, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму), то есть около 3,87⋅1015 т. Содержание азота в земной коре, по данным разных авторов, составляет (0,7— 1,5)⋅1015 т (причём в гумусе — порядка 6⋅1010 т), а в мантии Земли — 1,3⋅1016 т. Такое соотношение масс заставляет предположить, что главным источником азота служит верхняя часть мантии, откуда он поступает в другие оболочки Земли с извержениями вулканов. Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2⋅1013 т, кроме того, примерно 7⋅1011 т азота содержатся в гидросфере в виде соединений. Биологическая роль[править | править код] Азот является химическим элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле — около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9⋅1011 т. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры. Химия гидридов азота при давлениях порядка 800 ГПа (около 8 миллионов атмосфер) более разнообразна, чем химия углеводородов при нормальных условиях. Отсюда появилась гипотеза, что азот может быть основой пока неоткрытой жизни на таких планетах, как Уран и Нептун[11][5]:43. Круговорот азота в природе[править | править код] Основная статья: Круговорот азота Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям: абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25 000 °C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь). Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4⋅108 т/год) фиксируется биотическим путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium, цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубеньках ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH4+). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий — первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» — глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме. Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и, в конце концов, попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5—8⋅107 т/год). Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации, то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях. В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство. Токсикология азота и его соединений[править | править код] Сам по себе атмосферный азот слишком инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь. Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны. Получение[править | править код] Разложение нитрита аммония[править | править код] В лабораториях его можно получать по реакции разложения нитрита аммония: Реакция экзотермическая, идёт с выделением 80 ккал (335 кДж), поэтому требуется охлаждение сосуда при её протекании (хотя для начала реакции требуется нагревание нитрита аммония). Практически эту реакцию выполняют, добавляя по каплям насыщенный раствор нитрита натрия в нагретый насыщенный раствор сульфата аммония, при этом образующийся в результате обменной реакции нитрит аммония мгновенно разлагается. Выделяющийся при этом газ загрязнён аммиаком, оксидом азота (I) и кислородом, от которых его очищают, последовательно пропуская через растворы серной кислоты, сульфата железа(II) и над раскалённой медью. Затем азот осушают. Нагревание дихромата калия с сульфатом аммония[править | править код] Ещё один лабораторный способ получения азота — нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция описывается уравнениями: Разложение азидов[править | править код] Наиболее чистый азот можно получить разложением азидов металлов: Реакция воздуха с раскалённым коксом[править | править код] Так называемый «воздушный», или «атмосферный» азот, то есть смесь азота с благородными газами, получают путём реакции воздуха с раскалённым коксом, при этом образуется так называемый «генераторный», или «воздушный», газ — сырьё для химических синтезов и топливо. При необходимости из него можно выделить азот, поглотив монооксид углерода. Перегонка воздуха[править | править код] Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Этим методом можно получить и «атмосферный азот». Также широко применяются азотные установки и станции, в которых используется метод адсорбционного и мембранного газоразделения. Пропускание аммиака над оксидом меди (II)[править | править код] Один из лабораторных способов — пропускание аммиака над оксидом меди(II) при температуре ~700 °C: Аммиак берут из его насыщенного раствора при нагревании. Количество CuO в 2 раза больше расчётного. Непосредственно перед применением азот очищают от примеси кислорода и аммиака пропусканием над медью и её оксидом (II) (тоже ~700 °C), затем сушат концентрированной серной кислотой и сухой щёлочью. Процесс происходит довольно медленно, но он того стоит: газ получается весьма чистый. Свойства[править | править код] Физические свойства[править | править код] Оптический эмиссионный спектр азота При нормальных условиях азот — это бесцветный газ, не имеет запаха, малорастворим в воде (2,3 мл/100 г при 0 °C, 1,5 мл/100 г при 20 °C, 1,1 мл/100 г при 40 °C, 0,5 мл/100 г при 80 °C[12]), плотность 1,2506 кг/м³ (при н. у.). В жидком состоянии (темп. кипения −195,8 °C) — бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. Плотность жидкого азота 808 кг/м³. При контакте с воздухом поглощает из него кислород. При −209,86 °C азот переходит в твёрдое состояние в виде снегоподобной массы или больших белоснежных кристаллов. При контакте с воздухом поглощает из него кислород, при этом плавится, образуя раствор кислорода в азоте. Известны три кристаллические модификации твёрдого азота. В интервале 36,61—63,29 К существует фаза β-N2 с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P63/mmc, параметры решётки a=3,93 Å и c=6,50 Å. При температуре ниже 36,61 К устойчива фаза α-N2 с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P213 и период a=5,660 Å. Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83 K образуется гексагональная фаза γ-N2. Фазовая диаграмма[править | править код] Фазовая диаграмма азота Фазовая диаграмма азота показана на рисунке. Химические свойства, строение молекулы[править | править код] Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N2, электронная конфигурация которых описывается формулой σs²σs*2πx, y4σz², что соответствует тройной связи между атомами азота N≡N (длина связи dN≡N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N2 ↔ 2 N изменение энтальпии в реакции ΔH°298 = 945 кДж/моль[13], константа скорости реакции К298 = 10−120, то есть диссоциация молекул азота при нормальных условиях практически не происходит (равновесие практически полностью сдвинуто влево). Молекула азота неполярна и слабо поляризуется, силы взаимодействия между молекулами очень слабые, поэтому в обычных условиях азот газообразен. Даже при 3000 °C степень термической диссоциации N2 составляет всего 0,1 %, и лишь при температуре около 5000 °C достигает нескольких процентов (при нормальном давлении). В высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N2. В лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N2 при сильном разрежении через поле высокочастотного электрического разряда. Атомарный азот намного активнее молекулярного: в частности, при обычной температуре он реагирует с серой, фосфором, мышьяком и с рядом металлов, например, со ртутью. Вследствие большой прочности молекулы азота некоторые его соединения эндотермичны (многие галогениды, азиды, оксиды), то есть энтальпия их образования положительна, а соединения азота термически малоустойчивы и довольно легко разлагаются при нагревании. Именно поэтому азот на Земле находится по большей части в свободном состоянии. Ввиду своей значительной инертности азот при обычных условиях реагирует только с литием: при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды: (Нитрид магния) (Нитрид бора) Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак) NH3, получаемый взаимодействием водорода с азотом (см. ниже). В электрическом разряде реагирует с кислородом, образуя оксид азота(II) NO: Описано несколько десятков комплексов с молекулярным азотом. Промышленное связывание атмосферного азота[править | править код] Основная статья: Процесс Габера Соединения азота чрезвычайно широко используются в химии, невозможно даже перечислить все области, где находят применение вещества, содержащие азот: это индустрия удобрений, взрывчатых веществ, красителей, медикаментов и прочее. Хотя колоссальные количества азота доступны в прямом смысле слова «из воздуха», из-за описанной выше прочности молекулы азота N2 долгое время оставалась нерешённой задача получения соединений, содержащих азот, из воздуха; большая часть соединений азота добывалась из его минералов, таких, как чилийская селитра. Однако сокращение запасов этих полезных ископаемых, а также рост потребности в соединениях азота заставил форсировать работы по промышленному связыванию атмосферного азота. Наиболее распространён аммиачный способ связывания атмосферного азота. Обратимая реакция синтеза аммиака: Она экзотермическая (тепловой эффект 92 кДж) и идёт с уменьшением объёма, поэтому для сдвига равновесия вправо в соответствии с принципом Ле Шателье — Брауна необходимо охлаждение смеси и высокие давления. Однако с кинетической точки зрения снижение температуры невыгодно, так как при этом сильно снижается скорость реакции — уже при 700 °C скорость реакции слишком мала для её практического использования. В таких случаях используется катализ, так как подходящий катализатор позволяет увеличить скорость реакции без сдвига равновесия. В процессе поиска подходящего катализатора было испробовано около двадцати тысяч различных соединений. По совокупности свойств (каталитическая активность, стойкость к отравлению, дешевизна) наибольшее применение получил катализатор на основе металлического железа с примесями оксидов алюминия и калия. Процесс ведут при температуре 400—600 °C и давлениях 10—1000 атмосфер. Следует отметить, что при давлениях выше 2000 атмосфер синтез аммиака из смеси водорода и азота идёт с высокой скоростью и без катализатора. Например, при 850 °C и 4500 атмосфер выход продукта составляет 97 %. Существует и ещё один, менее распространённый способ промышленного связывания атмосферного азота — цианамидный метод, основанный на реакции карбида кальция с азотом при 1000 °C. Реакция происходит по уравнению: Реакция экзотермична, её тепловой эффект 293 кДж. Ежегодно из атмосферы Земли промышленным путём отбирается примерно 1⋅106 т азота. Соединения азота[править | править код] Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5. Соединения азота в степени окисления −3 представлены нитридами, из которых практически наиболее важен аммиак; Соединения азота в степени окисления −2 менее характерны, представлены пернитридами, из которых самый важный пернитрид водорода N2H4, или гидразин (существует также крайне неустойчивый пернитрид водорода N2H2, диимид); Соединения азота в степени окисления −1: NH2OH (гидроксиламин) — неустойчивое основание, применяющееся, наряду с солями гидроксиламмония, в органическом синтезе; Соединения азота в степени окисления +1: оксид азота(I) N2O (закись азота, веселящий газ), азотноватистая кислота; Соединения азота в степени окисления +2: оксид азота(II) NO (монооксид азота), азотноватая кислота; Соединения азота в степени окисления +3: оксид азота(III) N2O3 (сесквиоксид азота, триоксид диазота), азотистая кислота, производные аниона NO2−, трифторид азота (NF3); Соединения азота в степени окисления +4: оксид азота(IV) NO2 (диоксид азота, бурый газ); Соединения азота в степени окисления +5: оксид азота(V) N2O5 (пентаоксид диазота), азотная кислота, её соли — нитраты и другие производные, а также тетрафтораммоний NF4+ и его соли. Применение[править | править код] В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 28 апреля 2020 года. Газообразный азот[править | править код] Промышленное применение газообразного азота обусловлено его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению. В нефтедобывающей промышленности газообразный азот применяется для обеспечения безопасного бурения, используется в процессе капитального и текущего ремонта скважин. Кроме того, газообразный азот высокого давления используют в газовых методах повышения нефтеотдачи пласта. В нефтехимии азот применяется для продувки резервуаров и трубопроводов, проверки работы трубопроводов под давлением, увеличения выработки месторождений. В горнодобывающем деле азот может использоваться для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы, тушения эндогенных пожаров. В производстве электроники азот применяется для продувки областей, не допускающих наличия окисляющего кислорода. Если в процессе, традиционно проходящем с использованием воздуха, окисление или гниение являются негативными факторами, азот может успешно заместить воздух. Газообразным азотом заполняют камеры шин шасси летательных аппаратов. Кроме того, в последнее время заполнение шин азотом стало популярно и среди автолюбителей, хотя однозначных доказательств эффективности использования азота вместо воздуха для наполнения автомобильных шин нет. Жидкий азот[править | править код] Слабокипящий жидкий азот в металлическом стакане Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии. Важной областью применения азота является его использование для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, содержащих азот, таких, как аммиак, азотные удобрения, взрывчатые вещества, красители и т. п. Более 3/4 промышленного азота идёт на синтез аммиака[4]. Большие количества азота используются в коксовом производстве («сухое тушение кокса») при выгрузке кокса из коксовых батарей, а также для «передавливания» топлива в ракетах из баков в насосы или двигатели. В пищевой промышленности азот зарегистрирован в качестве пищевой добавки E941, как газовая среда для упаковки и хранения, хладагент, а жидкий азот применяется при разливе масел и негазированных напитков для создания избыточного давления и инертной среды в мягкой таре. Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённое заблуждение. Даже для замораживания цветка необходимо достаточно продолжительное время. Это связано отчасти с весьма низкой теплоёмкостью азота. По этой же причине весьма затруднительно охлаждать, скажем, замки до −196 °C и раскалывать их одним ударом. Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. По этой причине жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных ёмкостях под давлением. На этом же факте основан принцип тушения пожаров жидким азотом. Испаряясь, азот вытесняет кислород, необходимый для горения, и пожар прекращается. Так как азот, в отличие от воды, пены или порошка, просто испаряется и выветривается, азотное пожаротушение — самый эффективный с точки зрения сохранности ценностей механизм тушения пожаров. Заморозка жидким азотом живых существ с возможностью последующей их разморозки проблематична. Проблема заключается в невозможности заморозить (и разморозить) существо достаточно быстро, чтобы неоднородность заморозки не сказалась на его жизненных функциях. Станислав Лем, фантазируя на эту тему в книге «Фиаско», придумал экстренную систему заморозки азотом, в которой шланг с азотом, выбивая зубы, вонзался в рот астронавта и внутрь его подавался обильный поток азота. В качестве легирующей добавки к кремнию, образует высокопрочное соединение (керамику) нитрид кремния, обладающее высокой вязкостью и прочностью. 7 №7 Азот N 14,007 Таблица <<= =>> v Даниэль Резерфорд шотландский химик, ботаник и врач (1749–1819 ) (фото сайта physchem.chimfak.rsu.ru) История открытия: Азот (англ. Nitrogen, франц. Azote, нем. Stickstoff) был открыт почти одновременно несколькими исследователями. Кавендиш получил азот из воздуха (1772), пропуская последний через раскаленный уголь, а затем через раствор щелочи для поглощения углекислоты. Кавендиш не дал специального названия новому газу, упоминая о нем как о мефитическом воздухе (лат. - mephitis - удушливое или вредное испарение земли). Официально открытие азота обычно приписывается Резерфорду, опубликовавшему в 1772 г. диссертацию "О фиксируемом воздухе, называемом иначе удушливым", где впервые описаны некоторые химические свойства азота. В эти же годы Шееле получил азот из атмосферного воздуха тем же путем, что и Кавендиш. Он назвал новый газ испорченным воздухом (Verdorbene Luft). Пристли (1775) назвал азот флогистированным воздухом (Air phlogisticated). Лавуазье в 1776-1777 гг. подробно исследовал состав атмосферного воздуха и установил, что 4/5 его объема состоят из удушливого газа (Air mofette). Лавуазье предложил назвать элемент "азот" от отрицательной греческой приставки "а" и слова жизнь "зоэ", подчеркивая его неспособность поддерживать дыхание. В 1790 году для азота было предложено название "нитроген" (nitrogene - "образующий селитру"), что и стало в дальнейшем основой международного названия элемента (Nitrogenium) и символа азота - N. Нахождение в природе, получение: Твердый азот можно получить быстрым испарением жидкого в сосуде Дьюара (фото сайта periodictable.ru/) Азот в природе встречается главным образом в свободном состоянии. В воздухе объемная доля его составляет 78,09%, а массовая доля - 75,6%. Соединения азота в небольших количествах содержатся в почвах. Азот входит в состав белковых веществ и многих естественных органических соединений. Общее содержание азота в земной коре 0,01%. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10 15) тонн, а в океанах - около 20 триллионов (20·1012) тонн. Незначительная часть этого количества - около 100 миллиардов тонн - ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллиардов тонн связанного азота только 4 миллиарда тонн содержится в тканях растений и животных - все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу. В технике азот получают из воздуха. Для получения азота воздух переводят в жидкое состояние, а затем испарением отделяют азот от менее летучего кислорода (tкипN2 = -195,8°С, tкипO2 = 183°С) В лабораторных условиях чистый азот можно получить разлагая нитрит аммония или смешивая при нагревании растворы хлорида аммония и нитрита натрия: NH4NO2 2H2O. N2 + 2H2O; NH4Cl + NaNO2 Физические свойства: NaCl + N2 + Природный азот состоит из двух изотопов: 14N и 15N. При обычных условиях азот - газ без цвета, запаха и вкуса, немного легче воздуха, плохо растворяется в воде (в 1 л воды растворяется 15,4 мл азота, кислорода - 31 мл). При температуре -195,8°C азот переходит в бесцветную жидкость, а при температуре -210,0°C - в белое твердое вещество. В твердом состоянии существует в виде двух полиморфных модификаций: ниже -237,54°C устойчива форма с кубической решеткой, выше - с гексагональной. Энергия связи атомов в молекуле азота очень велика и составляет 941,6 кДж/моль. Расстояние между центрами атомов в молекуле 0,110 нм. Молекула N2 диамагнитна. Это свидетельствует о том, что связь между атомами азота тройная. Плотность газообразного азота при 0°C 1,25046 г/дм3 Химические свойства: Поделиться в При обычных условиях азот - химически малоактивное вещество из-за прочной ковалентной связи. В обычных условиях реагирует только с литием, образуя нитрид: 6Li + N2 = 2Li3N С повышением температуры активность молекулярного азота увеличивается, при этом он может быть может быть и окислителем (с водородом, металлами), и восстановителем (с кислородом, фтором). При нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора азот взаимодействует с водородом образуя аммиак: N2 + 3H2 = 2NH3 С кислородом азот соединяется только в электрической дуге с образованием оксида азотa(II): N2 + O2 = 2NO В электрическом разряде возможна и реакция со фтором: N2 + 3F2 = 2NF3 Важнейшие соединения: Азот способен образовывать химические соединения, находясь во всех степенях окисления от +5 до -3. Соединения в положительных степенях окисления азот образует с фтором и кислородом, причем в степенях окисления больше +3 азот может находиться только в соединениях с кислородом. Аммиак, NH3 - бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворяется в воде ("нашатырный спирт"). Аммиак обладает основными свойствами, взаимодействует с водой, галогеноводородами, кислотами: NH3 + H2O <=> NH3*H2O <=> NH4+ + OH - ; NH3 + HCl = NH4Cl Один из типичных лигандов в комплексных соединениях: Cu(OH)2 + 4NH3 = [Cu(NH3)4](OH)2 (фиол., р-рим) Восстановитель: 2NH3 + 3CuO 3Cu + N2 + 3H2O. Гидразин - N2H4 (пернитрид водорода), ... Гидроксиламин - NH2OH, ... Оксид азота(I), N2O (закись азота, веселящий газ). ... Оксид азота(II), NO - бесцветный газ, не имеет запаха, в воде малорастворим, относится к несолеобразующим. В лаборатории получают при взаимодействии меди и разбавленной азотной кислоты: 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O. В промышленности получают каталитическим окислением аммиака при получении азотной кислоты: 4NH3 + 5O2 4NO + 6 H2O Легко окисляется до оксида азота(IV): 2NO + O2 = 2NO2 Оксид азота(III), ??? ... ... Азотистая кислота, ??? ... ... Нитриты, ??? ... ... Оксид азота(IV), NO2 - ядовитый газ бурого цвета, имеет характерный запах, хорошо растворяется в воде, давая при этом две кислоты, азотистую и азотную: H2O + NO2 = HNO2 + HNO3 При охлаждении переходит в бесцветный димер: 2NO 2 <=> N2O4 Оксид азота(V), ??? ... ... Азотная кислота, HNO3 - бесцветная жидкость с резким запахом, tкип = 83°С. Сильная кислота, соли - нитраты. Один из сильнейших окислителей, что обусловлено наличием в составе кислотного остатка атома азота в высшей степени окисления N+5. При взаимодействии азотной кислоты с металлами в качестве основного продукта выделяется не водород, а различные продукты восстановления нитрат-иона: Cu + 4HNO3 (конц) = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O; 4Mg + 10HNO3 (оч.разб.) = 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 5H2O. Нитраты, ??? ... ... Применение: Широко используется для создания инертной среды - наполнения электрических ламп накаливания и свободного пространства в ртутных термометрах, при перекачке жидкостей, в пищевой промышленности как упаковочный газ. Им азотируют поверхность стальных изделий, в поверхностном слое образуются нитриды железа, которые придают стали большую твердость. Жидкий азот часто используется для глубокого охлаждения различных веществ. Важное значение азот имеет для жизни растений и животных, поскольку он входит в состав белковых веществ. В больших количествах азот применяется для получения аммиака. Соединения азота находят применение в производстве минеральных удобрений, взрывчатых веществ и во многих отраслях промышленности.
