Азот
Нітроге́н (лат. Nitrogenium, N) — хімічний елемент V групи періодичної системи з атомним порядковим номером 7 та атомною масою 14,008. Два атоми нітрогену, об'єднюючись складають молекулу хімічної речовини азоту.
Азот — газ без кольору, запаху, смаку; складається з двоатомних молекул N2. За нормальних умов 1 л азоту важить 1,25046 г, критична t° дорівнює —147,16°, малорозчинний у воді. При звичайних умовах азот хімічно малоактивний; при високих температурах і тиску, при наявності каталізаторів азот утворює сполуки з воднем, металами, киснем та ін. У природі азот існує як головна складова частина повітря (75,5 % за вагою), у формі нітратів і солей амонію; входить до складу вугілля, нафти, алкалоїдів, білкових речовин. Азот повітря використовують у виробництві аміаку, азотної кислоти, добрив, а також як інертний газ.
Зміст |
Історія відкриття [ред.]
У праці «Хімічний трактат про повітря і вогонь» шведський хімік К. Шеєле описав отримання та властивості «вогняного повітря» і зазначив, що атмосферне повітря складається з двох «видів повітря»: «вогняного» — кисню і «флогістованого» — азоту. Проте пріоритет відкриття кисню належить Джозефу Прістлі, тому що праця Шеєле була опублікована тільки у 1777 році.
У 1772 році азот (під назвою «зіпсованого повітря») як просту речовину описав Даніель Резерфорд, він опублікував магістерську дисертацію, де вказав основні властивості азоту (не реагує з лугами, не підтримує горіння, непридатний для дихання). Саме Даніель Резерфорд і вважається першовідкривачем азоту.
Походження назви [ред.]
Назву Азот (від грец. ἀζωτος — позбавлений життя, (іншими мовами: лат. Nitrogenium — той, що породжує селітру), нім. Stickstoff — удушлива речовина), замість попередніх назв («флогістоване», «мефітичне» і «зіпсоване» повітря) запропонував у 1787 Антуан Лавуазьє, який на той час у складі групи інших французьких вчених розробляв принципи хімічної номенклатури.
Поширення в природі [ред.]
Загальний вміст азоту в земній корі становить 1·10−2 % за масою. Основна його маса знаходиться в повітрі, у вільному молекулярному вигляді — N2. Сухе повітря містить в середньому 78,09 % за об'ємом (або 75,6 % за масою) вільного азоту, що відповідає 4•1015 т[1]. У відносно малих кількостях вільний азот знаходиться в розчиненому стані у водах океанів. В вигляді сполучень з іншими елементами (зв'язаний азот) входить в склад всіх рослинних і тваринних організмів. Потужні родовища азоту у вигляді так званої чилійської селітри відомі лише в Чилі (Південна Америка). Крім того, невеликі кількості азоту містяться в ґрунті, головним чином у вигляді органічних сполук і солей нітратної кислоти.
В земній корі утворює три основні типи мінералів, які містять йони CN−, NO−3, NH+4. Промислове значення має натрієва селітра NaNO3, великі поклади якої є в Чилі та калійна селітра KNO3 (найбільші поклади в Індії).
Ізотопи [ред.]
Нітроген має два стабільних ізотопи: 14N7 атомна маса 14,00751 (99,63%) і 15N7 атомна маса 15,00489 (0,37%). Штучно здобуто 4 радіоактивні ізотопи азоту з масовими числами 12, 13, 16, 17.
Фізичні властивості [ред.]
Азот — безбарвний газ без запаху і смаку. Кипить при температурі −195,8 °C, замерзає при −209,86 °C. Азот не підтримує ні дихання, ні горіння. У воді розчиняється мало. Його розчинність при 20 °C становить 1,54 см³ на 100 г води (кисню — 3,1 см³). Тому розчинене у воді повітря багатше на кисень, ніж атмосферне.
Хімічні властивості [ред.]
Азот належить до головної підгрупи п'ятої групи періодичної системи Менделєєва. Порядковий номер його 7. Атоми азоту мають на зовнішній електронній оболонці п'ять електронів. Тому вони можуть приєднувати три електрони, яких їм бракує для утворення повністю заповненої вісьмома електронами оболонки, і відновлюватись до іонів N3− або втрачати п'ять валентних електронів, перетворюючись у позитивно заряджені іони N5+ і проявляючи при цьому свою максимальну позитивну валентність. Атоми азоту також можуть втрачати і меншу кількість електронів, проявляючи при цьому позитивну валентність 1+, 2+, 3+ і 4+ .
Молекули азоту двоатомні, обидва атоми міцно зв'язані між собою трьома спільними електронними парами.
Щоб розкласти молекулу азоту на атоми, треба витратити значну кількість енергії. Тому азот при звичайних умовах хімічно досить пасивний.
При високих температурах, коли молекули N2 розкладаються і азот переходить в атомарний стан, він порівняно легко вступає в реакції з металами (особливо з найактивнішими), утворюючи так звані нітриди, наприклад:
- 6Li + N2 = 2Li3N (нітрид літію)
- 3Ca + N2 = Ca3N2 (нітрид кальцію)
При високій температурі, високому тиску і наявності каталізатора нітроген сполучається з гідрогеном з утворенням амоніаку. При температурі електричної іскри (понад 3000 °C) нітроген реагує з оксигеном, утворюючи нестійкий при високій температурі монооксид азоту NO за реакцією:
- N2 + O2 = 2NO
У природі ця реакція відбувається при грозових розрядах.
Інші властивості [ред.]
В звичайних умовах азот фізіологічно інертний, але при вдиханні повітря, стиснутого до 2 −2 ½ атм., наступає стан, що називається азотним наркозом, подібний до алкогольного сп'яніння. Ці випадки можуть бути за умови водолазних робіт на глибині декількох десятків метрів. Для попередження виникнення даного стану деколи користуються штучними газовими сумішами, в яких азот замінений гелієм або якимось іншим інертним газом. При різкому і значному зниженні парціального тиску азоту, розчинність його в крові і тканинах настільки зменшується, що частина його виділяється у вигляді бульбашок, що є одною з причин виникнення кесонної хвороби, що спостерігається у водолазів при швидкому їх піднятті на поверхню і у пілотів при великих швидкостях злітання літака у верхні шари атмосфери.
В суміші з киснем азот використовується як слабкий наркотик, що викликає стан сп'яніння, ейфорії, притуплення больової чутливості. Використовується для інгаляційного наркозу.
Добування [ред.]
У лабораторних умовах чистий азот зазвичай одержують шляхом розкладу при нагріванні розчину нітриту амонію за реакцією:
- NH4NO2 = N2↑ + 2H2O
У промисловості азот у великих кількостях добувають з повітря за допомогою азотних станцій.
Ще один з лабораторних способів — пропускання аміаку над оксидом міді (II) при температурі ~700 °C:
Аміак беруть з його насиченого розчину при нагріванні. Кількість CuO в 2 рази більше розрахункового. Безпосередньо перед застосуванням азот очищають від домішок кисню та аміаку пропусканням над міддю та її оксидом (II) (теж ~ 700 °C), потім сушать концентрованою сірчаною кислотою і сухим лугом. Процес відбувається досить повільно, але газ виходить досить чистий.
Сполуки [ред.]
Оксиди азоту [ред.]
Азот утворює кілька оксидів (N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4, N2O5). З них найбільше значення мають монооксид азоту NO і діоксид азоту NO2, оскільки це продукти при виробництві нітратної кислоти. Закис азоту N2O відомий як дурманний газ і використовується для наркозу.
Похідні аміаку [ред.]
Разом із трьома атомами гідрогену атом нітрогену утворює молекулу аміаку NH3. Аміак реагує з кислотами, утворюючи солі амонію. Заміщення одного з атомів гідрорену аміаку атомом металу дає аміди (NaNH2, …). Похідні цієї речовини називаються амінами, а у випадку з двома амінними групи входять до складу сечовини.
Інша сполука нітрогену з гідрогеном — гідразин (H2N-NH2).
Кислоти [ред.]
Нітроген утворює нітратну (HNO3) та нітритну (HNO2) кислоти, солі яких називаються, відповідно, нітратами та нітритами.
Некисневі кислоти азоту (атоми азоту входять до складу псевдогалогенного угрупування):
- азотисто-воднева кислота HN3 (солі називають азидами), (атоми азоту (нітрогену) моють різну валентність (N−=N+=N−))
- Синильна кислота (HCN) є сильною отрутою, так само, як і більшість її солей (ціанідів) та деякі з органічних похідних (нітрилів)
- Ізоціанова кислота, HNC
- Тіоціанінова кислота, HSCN (солі — роданіди)
Сполуки з металами [ред.]
Нітриди лужних та інших активних металів (Na3N, Mg3N2)- солеподібні речовини, що при контакті з водою виділяють аміак. Перехідні метали утворюють нітриди з металічним типом зв'язку (TiN, CrN, нітриди ванадію). Відомі також ковалентні нітриди (BN, Si3N4).
Інші сполуки [ред.]
- Гідроксиламін (H2N-OH)
- сечовина (O=C(NH2)2),
- Галогеніди азоту (NI3; NF3)
- Бромціан (BrCN)
Органічні сполуки азоту [ред.]
Азот міститься в значних кількостях у всіх живих організмах, в складі амінокислот та ДНК. Найпростішими класами органічних сполук азоту є:
- Аміни — похідні аміаку (метламін — CH3NH2, триетиламін — (CH3CH2)3N,…)
- Аміди — ацетамід, ДМФА, капрон, білки …
- Нітрили — похідні ціановодневої кислоти (ацетонітрил — CH3CN ,…)
- Нітросполуки (нітрометан- CH33NO2, тринітротолуол, гексоген)
- Органічні нітрати (нітрогліцерин,…)
- Оксими, гідразони
- Похідні сечовини
- Солі діазонію (C6H5-NN+ Cl−), діазосполуки (C6H5-N=N-C6H5)
- Азотовмісні гетероцикли (піридин, нуклеїнові основи ДНК, вітамін B6)
Біологічна роль [ред.]
Нітроген — один із основних хімічних елементів живої природи. Він входить до складу амінокислот — хімічних блоків, з яких формуються білки, та нуклеїнових кислот. Незважаючи на важливіть нітрогену для живих організмів, ні рослини, ні тварини не можуть засвоювати атмосферний азот. Деякі бактерії, проте, мають фермент нітрогеназу, за допомогою якого азот фіксується.
Застосування [ред.]
Рідкий азот застосовується як холодоагент і для кріотерапії.
Промислові застосування газоподібного азоту обумовлені його інертними властивостями. Газоподібний азот пожежо- і вибухобезпечний, перешкоджає окисленню, гниттю. У нафтохімії азот застосовується для продування резервуарів і трубопроводів, перевірки роботи трубопроводів під тиском, збільшення вироблення родовищ. У гірничодобувній справі азот може використовуватися для створення в шахтах вибухобезпечного середовища, для розпирання пластів породи. У виробництві електроніки азот застосовується для продування областей, що не допускають наявності кисню. Якщо в процесі, традиційно проходить з використанням повітря, окислення або гниття є негативними факторами — азот може успішно замістити повітря.
Велика частина одержуваного в техніці азоту застосовується на виробництво аміаку.
Останнього часу значного розповсюдження набуло використання азоту для створення інертного середовища при проведенні деяких хімічних реакцій, при перекачуванні горючих рідин тощо.
- Основні сфери застосування газоподібного азоту
- вугільна промисловість, при дегазації виробіток і гасінні пожеж
- пожежна безпека житлових, промислових споруд, офісів, банків тощо
- освоєння свердловин у нафтогазовидобувній промисловості
- продування газопроводів для проведення ремонтно-відновлювальних робіт
- забезпечення вибухопожежобезпеки при видобутку, перевезенні, зберіганні, переробці нафтопродуктів і хімічних речовин
- тривале і безвідходне зберігання сільськогосподарської продукції, у тому числі насіння і зерна в регульованому газовому середовищі
- харчова промисловість, при виробництві олії, жирів, пакування продуктів
- продування охолоджувальних частин турбогенераторів ТЕЦ, ГРЕС, АЕС та електролізерів від водню і повітря
- в сучасних хіміко-технологічних процесах, де необхідне застосування інертного середовища
- фармацевтична промисловість
- лікування і профілактика в медицині
- машинобудівна промисловість
- електроніка
Оскільки азот має низьку температуру кипіння (77,4 К), зріджений азот одна з головних речовин для кріогеніки.
Нітроген входить до широкого класу вибухових речовин. Вибуховість сполук нітрогену ґрунтується на тому, що утворення молекули азоту призводить до встановлення дуже міцного потрійного зв'язку, а при цьому вивільняється велика кількість енергії.
Див. також [ред.]
Примітки [ред.]
- ↑ Кравчук П. А. Рекорды природы. – Любешов: Эрудит, 1993, 216 с.: ил. ISBN 5-7707-2044-1
Джерела [ред.]
- ↑ Кравчук П. А. Рекорды природы. – Любешов: Эрудит, 1993, 216 с.: ил. ISBN 5-7707-2044-1
- Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
- Українська радянська енциклопедія. В 12-ти томах / За ред. М. Бажана. — 2-ге вид. — К.: Гол. редакція УРЕ, 1974-1985.
- Ф. А. Деркач «Хімія» Л. 1968
- Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
