Азот и его значение

2NH₃ + NaOCl = H₂O + N₂H₄ + NaCl

Как видно из уравнения, под действием окислителя каждая молекула аммиака теряет в данном случае один атом водорода, причем остающиеся радикалы NH₂ соединяются друг с другом. Структурная формула гидразина будет, следовательно, H₂N-NH₂.

Гидразин представляет собой бесцветную жидкость, смешивающуюся с водой в любых соотношениях. Он находит применение в качестве восстановителя.

Присоединяя кислоты, гидразин (т. пл. 2°С, т. кип. 114°С) образует два ряда солей, например N₂H₄ ·НСl и N₂H₄ ·2НСl. Окисляется он обычно до свободного азота (например, по реакции:

2K₂Cr₂O₇ + 3N₂H₄ +8H₂SO₄ = 2K₂SO₄ + 2Cr₂(SO₄)₃ + 3N₂ + 14H₂O)

Пары гидразина в смеси с воздухом способны сгорать по реакции

N₂H₄ + O₂ = > 2H₂O + N₂ + 149 ккал

На этом основано использование в качестве ракетного топлива. Гидразин и все его производные ядовиты.

При взаимодействии гидразина с азотистой кислотой по схеме

N₂H₄ + HNO₂ = 2H₂O + HN₃

образуется азотистоводородная кислота (Н-N = N?N), представляющая собой бесцветную летучую жидкость с резким запахом. По силе азотистоводородная кислота близка к уксусной, а по растворимости солей (азидов) похожа на соляную. Подобно самой HN₃, некоторые азиды при нагревании или ударе сильно взрываются. На этом основано применение азида свинца [Pb(N₃)₂] в качестве детонатора, т.е. вещества, взрыв которого вызывает мгновенное разложение других взрывчатых веществ.

Кислотная функция HN₃ (т. пл. -80°С, т. кип. +36°С) характеризуется значением K = 3 ·10-5. Ее взрывной распад идет по реакции:

2NH₃ = H₂ + 3N₂ + 142 ккал

Безводная азотистоводородная кислота способна взрываться даже просто от сотрясения сосуда. Напротив, в разбавленном водном растворе она при хранении практически не разлагается. Пары HN₃ очень ядовиты, а ее водные растворы вызывают воспаление кожи. Азиды, как правило, бесцветны.

В лабораториях азот можно получать по реакции разложения нитрита аммония:

NH₄NO₂ > N₂^ + 2H₂O+Q

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.

Ещё один лабораторный способ получения азота - нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция идёт по уравнениям:

K₂Cr₂O₇ + (NH₄)₂SO₄ = (NH₄)₂Cr₂O₇ + K₂SO₄

(NH₄)₂Cr₂O₇ >(t) Cr₂O₃ + N₂^ + 4H₂O

Самый чистый азот можно получить разложением азидов металлов:

2NaN₃ >(t) 2Na + 3N₂^

Так называемый «воздушный», или «атмосферный» азот, то есть смесь азота с благородными газами, получают путём реакции воздуха с раскалённым коксом:

O₂+ 4N₂ + 2C > 2CO + 4N₂

При этом получается так называемый «генераторный», или «воздушный», газ-сырьё для химических синтезов и топливо. При необходимости из него можно выделить азот, поглотив монооксид углерода.

Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Этим методом можно получить и «атмосферный азот». Также широко применяются азотные установки, в которых используется метод адсорбционного и мембранного газоразделения.

Один из лабораторных способов - пропускание аммиака над оксидом меди (II) при температуре ~700°С:

2NH₃ + 3CuO > N₂^ + 3H₂O + 3Cu

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.

5. Свойства азота

Физические свойства

При нормальных условиях азот это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде (2,3 мл/100г при 0°C, 0,8 мл/100г при 80°C).

В жидком состоянии (температура кипения -195,8°C) - бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.

При -209,86°C азот переходит в твердое 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 - 63,29К существует фаза в-N₂ с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P6₃/mmc, параметры решётки a=3,93 Е и c=6,50 Е. При температуре ниже 36,61К устойчива фаза б-N₂ с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P213 и период a=5,660 Е. Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83K образуется гексагональная фаза г-N₂.

Химические свойства

Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N₂, электронная конфигурация которых описывается формулой у_sІу_s*2р_x, _y4у_zІ, что соответствует тройной связи между молекулами азота N?N (длина связи dN?N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N₂ - 2N удельная энтальпия образования ДH°298=945 кДж, 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 разряжении 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, с ртутью.

Вследствие большой прочности молекулы азота многие его соединения эндотермичны, энтальпия их образования отрицательна, 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:

6Li + N₂ > 2Li₃N,

при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды:

3Mg + N₂ > Mg₃N₂,

2B + N₂ >2BN,

Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак).

Промышленное связывание атмосферного азота

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 проч. 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:

3H₂ + N₂ - 2NH₃

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 были испробованы 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°С 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:

CaC₂ + N₂ > CaCN₂ + C.

Реакция экзотермична, её тепловой эффект 293 кДж.

Ежегодно из атмосферы Земли промышленным путём отбирается примерно 1·10⁶ т азота.

6. Соединения азота

Степени окисления азота в соединениях ?3, ?2, ?1, +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);

Соединения азота в степени окисления +2 оксид азота (II) NO (монооксид азота);

Соединения азота в степени окисления +3 оксид азота (III) N₂O₃, 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, азотная кислота и её соли - нитраты, и др.

7. Применение

Жидкий азот применяется как хладагент для криотерапии.

Промышленные применения газообразного азота обусловлены его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению. 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. 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.

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. 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 розливе 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 распространённая ошибка. 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.

Заключение

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

Элементарный, не связанный азот применяется достаточно широко. Это самый дешёвый из газов, химически инертных в обычных условиях, поэтому в тех процессах металлургии и большой химии, где надо защищать активное соединение или расплавленный металл от взаимодействия с кислородом воздуха, создают чисто азотную защитную атмосферу. Под защитой азота хранят в лабораториях легко окисляющиеся вещества. В металлургии азотом насыщают поверхности некоторых металлов и сплавов, чтобы придать им большую твёрдость и износоустойчивость. Широко известно азотирование стали и титановых сплавов.

Для человечества чрезвычайно полезна относительная инертность этого газа. Если бы он был более склонен к химическим реакциям, то атмосфера Земли не могла бы существовать в том виде, в котором она существует.

Сильный окислитель кислород вступил бы в реакцию с азотом и образовались бы ядовитые оксиды азота. Не было бы аммиака, азотной кислоты, необходимой для производства множества веществ, не было бы важнейших минеральных удобрений. Не было бы и жизни на Земле, ведь азот входит в состав всех организмов. Без этих веществ никто не может расти, залечивать раны и заменять отмирающие ткани. Азот входит в состав белков, являющихся строительным материалом для человеческого тела. На долю азота приходится около 3% от массы человеческого организма. В воздухе, которым мы дышим, содержится 78% азота, на каждый квадратный километр поверхности Земли приходится около 12 500 000 тонн азота. Но азот, в отличие от кислорода, совершенно не усваивается нашими лёгкими, и мы просто выдыхаем его обратно, однако наличие азота в атмосфере способствует тому, что мы не поглощаем слишком много кислорода. Избыток последнего является ничуть не менее опасным, чем его недостаток.

Живые существа получают азот в виде соединений с другими элементами: растения - из почвы, животные - из растений или из других животных. В природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

Изучение вопросов питания растений и повышения урожайности последних путём применения удобрений является предметом специальной отрасли химии, получившей название агрохимии. Большой вклад в развитие этой науки внесён французским учёным Ж.Б. Буссенго, немецким химиком Ю. Либихом и русским учёным Д.Н. Прянишниковым.

азот химический токсикология соединение

Библиографический список

1. Азимов А. Мир азота М. Наука 1989 134 с.

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

3. Глинка Н. Общая химия М. Химия 717с

4. Эпштейн Д. Химия в промышленности М. Просвещение 1991

5. Ягодин Г. Химия и химическая технология в решении глобальных проблем М. Химия 1990 176 с.

Размещено на Allbest.ru