Азот, его соединение и свойства. Азот в природе

11

Содержание

Введение

Азот, его соединение и свойства. Азот в природе.

История открытия азота

Свойства азота

Содержание азота

Заключение

Список литературы

Введение

Целью данной работы является изучение и анализ химического элемента - азота.

Азот - это бесцветный газ, без вкуса и запаха. Один из самых распространенных элементов, главная составляющая часть атмосферы Земли.

Актуальность данной темы обусловлена определенным интересом к химическому элементу - азот.

Среди задач можно выделить следующие :

- Проанализировать историю открытия азота;

- Определить свойства и соединения азота.

В качестве теоретической базы использованы работы А. Азимова, Г. Ягодина и других авторов. Данные работы позволили дать более качественную оценку в области открытия и применения азота.

1 Азот, его соединение и свойства. Азот в природе

1.1 История открытия азота

Открытие азота приписывают ученику замечательного шотландского ученого Джозефа Блэка Даниэлю Резерфорду, который в 1772 г. опубликовал диссертацию «О так на-зываемом фиксируемом и мефитическом воздухе». Блэк прославился своими опытами с «фиксируемым воздухом» -- углекислым газом. Он обнаружил, что после фиксирования углекислоты (связывания ее щелочью) остается еще ка-кой-то «нефиксируемый воздух», который был назван «мефитическим» - испорченным -- за то, что не поддерживал горения и дыхания. Исследование этого «воздуха» Блэк и предложил Резерфорду в качестве диссертационной работы.

Примерно в то же время азот был получен К. Шееле, Дж. Пристли, Г. Кавендишем, причем последний, как следовало из его лабораторных записей, изучал этот газ рань-ше Резерфорда, но, как всегда, не спешил с публикацией результатов своих трудов. Однако все эти выдающиеся ученые имели весьма смутное представление о природе от-крытого ими вещества. Они были убежденными сторонни-ками теории флогистона и связывали свойства «мефитического воздуха» с этой мнимой субстанцией. Только Ла-вуазье, ведя наступление на флогистон, убедился сам и убедил других, что газ, который он назвал «безжизнен-ным»,-- простое вещество, как и кислород…

1.2 Свойства азота

Всем известно: азот инертен. Часто мы сетуем за это на элемент № 7, что естественно: слишком дорогой ценой приходится расплачиваться за его относительную инертность, слиш-ком много энергии, сил и средств приходится тратить на его превра-щение в жизненно необходимые со-единения.

Но, с другой стороны, не будь азот так инертен, в атмосфере произошли бы реакции азота с кислородом, и жизнь на нашей планете в тех формах, в которых она существует, стала бы невозможной. Растения, животные, мы с вами буквально захлебывались бы в пото-ках неприемлемых жизнью окислов и кислот. И «при всем при том» именно в окислы и азотную кислоту мы стремим-ся превратить, возможно, большую часть атмосферного азо-та. Это один из парадоксов элемента № 7.

Азот -- элемент необыкновенный. Порою кажется, что чем больше мы о нем узнаем, тем непонятнее он становит-ся. Противоречивость свойств элемента № 7 отразилась даже в его названии, ибо ввела в заблуждение даже такого блистательного химика, как Антуан Лоран Лавуазье. Это Лавуазье предложил назвать азот азотом после того, как не первым и не последним получил и исследовал не под-держивающую дыхания и горения часть воздуха. Согласно Лавуазье, «азот» означает «безжизненный», и слово это произведено от греческого «а» -- отрицание и «зоэ» -- жизнь Азот и жизнь -- понятия неотделимые. По крайней мере, всякий раз, когда биологи, химики, астрофизики пы-таются постичь «начало начал» жизни, то непременно сталкиваются с азотом.

Атомы земных химических элементов рождены в недрах звезд. Именно оттуда, от ночных светил и дневного свети-ла, начинаются истоки нашей земной жизни. Это обстоя-тельство и имел в виду английский астрофизик У. Фаулер, говоря, что «все мы... являемся частичкой звездного праха»...

Звездный «прах» азота возникает в сложнейшей цепи термоядерных процессов, начальная стадия которых -- превращение водорода в гелий. Это многостадийная реак-ция, идущая, как предполагают, двумя путями. Один из них, получивший название углеродно-азотного цикла, имеет самое непосредственное отношение к элементу № 7.1. Этот цикл начинается, когда в звездном веществе, помимо ядер водорода -- протонов, уже есть и углерод. Ядро углерода-12, присоединив еще один протон, превращается в ядро нестабильного азота-13. Катализаторы жизнен-ных процессов -- ферменты, и все они, равно как и боль-шинство гормонов и витаминов, содержат азот.

Жизнь многим обязана азоту, но и азот, по крайней мере, атмосферный, своим происхождением обязан не столько Солнцу, сколько жизненным процессам. Поразительно не-соответствие между содержанием элемента № 7 в литосфе-ре (0,01%) и в атмосфере (75,6% по массе или 78,09% по объему). В общем-то, мы обитаем в азотной атмосфере, умеренно обогащенной кислородом.

Между тем ни на других планетах солнечной системы, ни в составе комет или каких-либо других холодных косми-ческих объектов свободный азот не обнаружен. Есть его соединения и радикалы -- CN', NH', NH'₂, NH₃, а вот азо-та нет. Правда, в атмосфере Венеры зафиксировано око-ло 2% азота, но эта цифра еще требует подтверждения. Полагают, что и в первичной атмосфере Земли элемента № 7 не было. Откуда же тогда он в воздухе?

По-видимому, атмосфера нашей планеты состояла вна-чале из летучих веществ, образовавшихся в земных недрах; Н₂, Н₂0, С0_г, СН₄, NH₃. Свободный азот если и выходил на-ружу как продукт вулканической деятельности, то превра-щался в аммиак. Условия для этого были самые подходя-щие: избыток водорода, повышенные температуры -- по-верхность Земли еще не остыла. Так что же, значит, сначала азот присутствовал в атмосфере в виде аммиака? Видимо, так. Запомним это обстоятельство. [4;96]

Но вот возникла жизнь... Владимир Иванович Вернад-ский утверждал, что «земная газовая оболочка, наш воз-дух, есть создание жизни». Именно жизнь запустила уди-вительнейший механизм фотосинтеза. Один из конечных продуктов этого процесса -- свободный кислород стал активно соединяться с аммиаком, высвобождая молекуляр-ный азот:

фотосинтез С0₂ + 2Н₂0 -- > НСОН + Н₂0 + 0₂;

Кислород и азот, как известно, в обычных условиях между собой не реагируют, что и позволило земному воздуху сохранить «статус кво» состава. Заметим, что значительная часть аммиака могла раствориться в воде при образовании гидросферы.

В наше время основной источник поступления N₂ в атмосферу -- вулканические газы.

Разрушив неисчерпаемые запасы связанного активного азота, живая природа поставила себя перед проблемой: как связать азот. В свободном, молекулярном состоянии он, как мы знаем, оказался весьма инертным. Виной тому -- тройная химическая связь его молекулы: N=N.

Решая проблему связывания азота, природе пришлось наладить непрерывное производство соединений азота методом гроз.

Статистика утверждает, что в атмосфере нашей планеты ежегодно вспыхивают три с лишним миллиарда молний. Мощность отдельных разрядов достигает 200 млн. кило-ватт, а воздух при этом разогревается (локально, разумеет-ся) до 20 тыс. градусов. При такой чудовищной темпера-туре молекулы кислорода и азота распадаются на атомы, которые, легко реагируя друг с другом, образуют непроч-ную окись азота. [4;99]

Благодаря быстрому охлаждению разряд молнии длится десятитысячную долю секунды) окись азота не распадает-ся и беспрепятственно окисляется кислородом воздуха до более стабильной двуокиси.

В присутствии атмосферной влаги и капель дождя дву-окись азота превращается в азотную кислоту:

Так, попав под свежий грозовой дождик, мы получаем возможность искупаться в слабом растворе азотной кислоты Проникая в почву, атмосферная азотная кислота образует с ее веществами разнообразные естественные удобрения

Азот фиксируется в атмосфере и фотохимическим путец' поглотив квант света, молекула N₂ переходит в возбужден-ное, активированное состояние и становится способной соединяться с кислородом

1.3 Соединения азота

Из почвы соединения азота попадают в растения. Далее: «лошади кушают овес», а хищники -- травоядных живот-ных. По пищевой цепи идет круговорот вещества, в том числе и элемента № 7. При этом форма существования азо-та меняется, он входит в состав все более сложных и неред-ко весьма активных соединений. Но не только «газорожденный» азот путешествует по пищевым цепям. Соединения азота люди умели получать давно. Ту же селитру приготовляли в особых сараях -- селитряницах, но очень уж примитивным был этот способ. «Выделывают селитру из куч навоза, золы, помета, оскребков кож, крови, картофельной ботвы. Кучи эти два года поливают мочою и переворачивают, после чего на них образуется налет селитры»,-- такое описание селитряного производства есть в одной старинной книге.[1;14]

Источником соединений азота может служить и камен-ный уголь, в котором до 3% азота. Связанного азота! Этот азот стали выделять при коксовании углей, улавливая ам-миачную фракцию и пропуская ее через серную кислоту.

Конечный продукт -- сульфат аммония. Но и это, в общем-то, крохи. Трудно даже представить, какими путями развивалась бы наша цивилизация, не реши она вовремя проблему промышленно приемлемой фиксации атмосферного азота.

Впервые атмосферный азот связал еще Шееле. В 1775 г. он получил цианистый натрий, нагревая в атмосфере азота соду с углем:

Na₂C0₃ + 4C + N₂-*2NaCN + 3CO.

В 1780 г. Пристли установил, что объем воздуха, заклю-ченный в сосуде, перевернутом над водой, уменьшается, если через него пропускать электрическую искру, а вода приобретает свойства слабой кислоты. Этот эксперимент был, как мы знаем (Пристли этого не знал), моделью при-родного механизма фиксации азота. Четыре года спустя Кавендиш, пропуская электрический разряд через воздух, заключенный в стеклянной трубке со щелочью, обнаружил

там селитру.

И хотя все эти эксперименты не могли в то время выйти за пределы лабораторий, в них виден прообраз промыш-ленных способов фиксации азота -- цианамидного и дуго-вого, появившихся на рубеже XIX--XX вв.

Современной наукой не забыты и старые способы полу-чения азотных соединений через окислы. Здесь главные усилия направлены на разработку технологических процес-сов, ускоряющих расщепление молекулы N₂ на атомы Наиболее перспективными направлениями окисления азо-та считают сжигание воздуха в специальных печах, при-менение плазмотронов, использование для этих целей пуч-ка ускоренных электронов.

Сегодня нет оснований опасаться, что человечество когда-либо будет испытывать недостаток в соединениях азота. Промышленная фиксация элемента № 7 прогресси-рует невероятными темпами. Если в конце 60-х годов ми-ровое производство связанного азота составляло 30 млн. т, то к началу будущего века оно, по всей вероятности, до-стигнет миллиарда тонн!

Такие успехи не только радуют, но и вызывают опасе-ния. Дело в том, что искусственная фиксация N₂ и внесе-ние в почву огромного количества азотсодержащих ве-ществ -- самое грубое и значительное вмешательство че-ловека в естественный круговорот веществ. В наше время азотные удобрения не только вещества плодородия, но и загрязнители окружающей среды. Они вымываются из почвы в реки и озера, вызывают вредное цветение водое-мов, разносятся воздушными потоками на дальние рас-стояния...

В подземные воды уходит до 13% азота, содержащегося в минеральных удобрениях. Азотные соединения, особен-но нитраты, вредны для людей и могут быть причиной от-равлений. Вот вам и кормилец-азот!

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) приняла предельно допустимую концентрацию нитратов в питьевой воде: 22 мг/л для умеренных широт и 10 мг/л для тропиков.

Заключение

Проделанная работа позволяет сделать вывод о том, что азоту принадлежит одна из главных ролей среди многочисленных химических элементов.

Для человечества чрезвычайно полезна от-носительная инертность этого газа. Будь он более склонен к химическим реакциям, ат-мосфера Земли не могла бы существовать в том виде, в каком она существует. Сильный окислитель кислород вступил бы с азотом в реакцию, и образовались бы ядовитые ок-сиды азота. Не было бы аммиака, азотной кис-лоты, необходимой для производства множе-ства веществ, не было бы важнейших удобре-ний. Не было бы и жизни на Земле, ведь азот входит в состав всех организмов. На долю азота приходится около 3% от массы челове-ческого организма.

Элементарный, не связанный азот приме-няется достаточно широко. Это самый де-шевый из газов, химически инертных в обыч-ных условиях, поэтому в тех процессах металлургии и большой химии, где надо за-щищать активное соединение или распла-вленный металл от взаимодействия с кисло-родом воздуха, создают чисто азотные за-щитные атмосферы. Под защитой азота хранят в лабораториях легко окисляющиеся вещества. В металлургии азотом насыщают поверхности некоторых металлов и сплавов, чтобы придать им большую твердость и из-носоустойчивость. Широко известно, например, азотирование стали и титановых спла-вов.

Список литературы

1.Азимов А Мир азота.- М.: Наука, 1989.- 134 с.

2.Азин А Технология связанного азота. М.:Химия, 1989.-321 с.

3. Позин М. Е. Технология минеральных удобрений.- Л.:Химия, 1990.-245 с.

4.Популярная библиотека химических элементов.- М.: Наука, 1990 с.

5.Эпштейн Д. Химия в промышленности.-М.: Просвещение, 1991 с.

6.Ягодин Г.Химия и химическая технология в решении глобальных проблем.- М.: Химия,1990.- 176с.