Полная характеристика азота

Содержание:

1. Историческая справка

2. Распространенность в природе

3. Атом и молекула

4. Физические и химические свойства

5. Получение и применение

6. Азотная кислота

7. Окислительные свойства азотной кислоты

8. Нитраты

9. Промышленное получение азотной кислоты

10. Круговорот азота в природе

11. Жизнь и творчество Азота

Происходит от греческого слова azoos - безжизненный, по-латыни Nitrogenium. Химический знак элемента - N. Азот - химический элемент V группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 7, относительная атомная масса 14,0067; бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса.

1.Историческая справка

Соединения азота - селитра, азотная кислота, аммиак - были известны задолго до получения азота в свободном состоянии. В 1772 г. Д. Резерфорд, сжигая фосфор и другие вещества в стеклянном колоколе, показал, что остающийся после сгорания газ, названный им “удушливым воздухом”, не поддерживает дыхания и горения. В 1787 году А. Лавуазье установил, что “жизненный” и “удушливый” газы, входящие в состав воздуха, это простые вещества, и предложил название “азот”. В 1784 г. Г. Кавендиш показал, что азот входит в состав селитры; отсюда и происходит латинское название азота (от позднелатинского nitrum - селитра и греческого gennao - рождаю, произвожу), предложенное в 1790 году Ж.А. Шапталем .К началу ХIX в. были выяснены химическая инертность азота в свободном состоянии и исключительная роль его в соединениях с другими элементами в качестве связанного азота.

2.Распространяемость в природе

Азот - один из самых распространенных элементов на Земле, причем основная его масса (около 4*10¹⁵ т.)сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный азот (в виде молекул N₂ ) составляет 78,09% по объему ( или 75,6% по массе ), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и окислов. Среднее содержание азота в литосфере 1,9*10^-3% по массе. Природные соединения азота - хлористый аммоний NH₄CI и различные нитраты. Крупные скопления селитры характерны для сухого пустынного климата ( Чили, Средняя Азия ). Долгое время селитры были главным поставщиком азота для промышленности ( сейчас основное значение для связывания азота имеет промышленный синтез аммиака из азота воздуха и водорода ). Небольшие количества связанного азота находятся в каменном угле ( 1 - 2,5% ) и нефти ( 0,02 - 1,5% ), а также в водах рек, морей и океанов. Азот накапливается в почвах ( 0,1% ) и в живых организмах ( 0,3% ).

Хотя название “азот” означает “не поддерживающий жизни”, на самом деле это - необходимый для жизнедеятельности элемент. В белке животных и человека содержится 16 - 17% азота. В организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества, главным образом неорганические. Значительные количества азота поступают в почву благодаря азотфиксирующим микроорганизмам, способным переводить свободный азот воздуха в соединения азота.

В природе осуществляется круговорот азота, главную роль в котором играют микроорганизмы - нитрофицирующие, денитрофицирующие, азотфиксирующие и др. Однако в результате извлечения из почвы растениями огромного количества связанного азота (особенно при интенсивном земледелии ) почвы оказываются обедненными. Дефицит азота характерен для земледелия почти всех стран, наблюдается дефицит азота и в животноводстве (“белковое голодание”). На почвах, бедных доступным азотом, растения плохо развиваются. Хозяйственная деятельность человека нарушает круговорот азота. Так, сжигание топлива обогащает атмосферу азотом, а заводы, производящие удобрения, связывают азот из воздуха. Транспортировка удобрений и продуктов сельского хозяйства перераспределяет азот на поверхности земли.

Азот - четвертый по распространенности элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).

3.Атом и молекула

Внешняя электронная оболочка атома азота состоит из 5 электронов ( одной неподеленной пары и трех неспаренных - конфигурация 2s²2p³ ). Чаще всего азот в соединениях 3-ковалентен за счет неспаренных электронов ( как в аммиаке NH₃ ). Наличие неподеленной пары электронов может приводить к образованию еще одной ковалентной связи, и азот становится 4-ковалентным ( как в ионе аммония NH₄⁺ ). Степени окисления азота меняются от +5 ( в N₂O₅ ) до -3 ( в NH₃ ). В обычных условиях в свободном состоянии азот образует молекулу N₂, где атомы азота связаны тремя ковалентными связями. Молекула азота очень устойчива: энергия диссоциации ее на атомы составляет 942,9 кдж/моль, поэтому даже при температуре 3300⁰С степень диссоциации азота составляет лишь около 0,1%.

4. Физические и химические свойства

Азот немного легче воздуха; плотность 1,2506 кг/м³ ( при 0⁰С и 101325 н/м² или 760 мм. рт. ст. ), t_пл-209,86⁰С, t_кип-195,8⁰С. Азот сжижается с трудом: его критическая температура довольно низка (-147,1⁰С), а критическое давление высоко 3,39 Мн/м² (34,6 кгс/см²);плотность жидкого азота 808 кг/м³. В воде азот менее растворим, чем кислород: при 0⁰С в 1 м³ H₂O растворяется 23,3 г азота. Лучше, чем в воде, азот растворим в некоторых углеводородах.

Только с такими активными металлами, как литий, кальций, магний, азот взаимодействует при нагревании до сравнительно невысоких температур. С большинством других элементов азот реагирует при высокой температуре и в присутствии катализаторов. Хорошо изучены соединения азота с кислородом N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅. Из них при непосредственном взаимодействии элементов ( 4000⁰С ) образуется окись NO, которая при охлаждении легко окисляется далее до двуокиси NO₂. В воздухе окислы азота образуются при атмосферных разрядах. Их можно получить также действием на смесь азота с кислородом ионизирующих излучений. При растворении в воде азотистого N₂O₃ и азотного N₂O₅ ангидридов соответственно получаются азотистая кислота НNO₂ и азотная кислота НNO₃, образующие соли - нитриты и нитраты. С водородом азот соединяется только при высокой температуре и в присутствии катализаторов, при этом образуется аммиак NH₃. Кроме аммиака, известны и другие многочисленные соединения азота с водородом, например гидразин H₂N-NH₂, диимид HN-NH, азотистоводородная кислота HN₃ (H-N=N=N), октазон N₈H₁₄ и др.; большинство соединений азота с водородом выделено только в виде органических производных. С галогенами азот непосредственно не взаимодействует, поэтому все галогениды азота получают косвенным путем, например фтористый азот NF₃ - при взаимодействии фтора с аммиаком. Как правило, галогениды азота - малостойкие соединения ( за исключением NF₃ ); более устойчивы оксигалогениды азота - NOF, NOCI, NOBr, NO₂F и NO₂CI. С серой также не происходит непосредственного соединения азота; азотистая сера N₄S₄ получается в результате реакции жидкой серы с аммиаком. При взаимодействии раскаленного кокса с азотом образуется циан (СN)₂. Нагреванием азота с ацетиленом С₂Н₂ до 1500⁰С может быть получен цианистый водород HCN. Взаимодействие азота с металлами при высоких температурах приводит к образованию нитридов (например, Mg₃N₂ ).

При действии на обычный азот электрических разрядов или при разложении нитридов бора, титана, магния и кальция, а также при электрических разрядах в воздухе может образоваться активный азот, представляющий собой смесь молекул и атомов азота, обладающих повышенным запасом энергии. В отличие от молекулярного, активный азот весьма энергично взаимодействует с кислородом, водородом, парами серы, фосфором и некоторыми металлами.

Азот входит в состав очень многих важнейших органических соединений ( амины, аминокислоты, нитросоединения и др. ).

5. Получение и применение

В лаборатории азот легко может быть получен при нагревании концентрированного нитрита аммония:

NH₄NO₂ N₂ + 2H₂O

Технический способ получения азота основан на разделении предварительно сжиженного воздуха, который затем подвергается разгонке.

Основная часть добываемого свободного азота используется для промышленного производства аммиака, который затем в значительных количествах перерабатывается на азотную кислоту, удобрения, взрывчатые вещества и т. д. Помимо прямого синтеза аммиака из элементов, промышленное значение для связывания азота воздуха имеет разработанный в 1905 цианамидный метод, основанный на том, что при 1000⁰С карбид кальция (получаемый накаливанием смеси известии угля в электрической печи) реагирует со свободным азотом:

CaC₂ + N₂ CaCN₂ + C

Образующийся цианамид кальция при действии перегретого водяного пара разлагается с выделением аммиака:

CaCN₂ + 3H₂O CaCO₃ + 2NH₃

Cвободный азот применяют во многих отраслях промышленности: как инертную среду при разнообразных химических и металлургических процессах, для заполнения свободного пространства в ртутных термометрах, при перекачке горючих жидкостей и т. д. Жидкий азот находит применение в различных холодильных установках. Его хранят и транспортируют в стальных сосудах Дьюара, газообразный азот в сжатом виде - в баллонах. Широко применяют многие соединения азота. Производство связанного азота стало усиленно развиваться после 1-й мировой войны и сейчас достигло огромных масштабов.

6. Азотная кислота

Чистая азотная кислота HNO--бесцвет ная жидкость плотностью 1,51 г/см при - 42 °С застывающая в прозрачную кристаллическую массу. На воздухе она, подобно кон центрированной соляной кислоте, “дымит”, так как пары ее образуют с 'влагой воздуха мелкие капельки тумана,

Азотная кислота не отличается прочностью, Уже под влиянием света она постепенно разлагается:

Чем выше температура и чем концентрированнее кислота, тем быстрее идет разложение. Выделяющийся диоксид азота растворяется в кислоте и придает ей бурую окраску.

Азотная кислота принадлежит к числу наиболее сильных кислот; в разбавленных растворах она полностью распадается на ионы Н и- NO.

7. Окислительные свойства азотной кислоты

Характерным свойством азотной кислоты является ее ярко выраженная окислительная способность. Азотная кислота--один из энергичнейших окислителей. Многие неметаллы легко окисляются ею, превращаясь в соответствующие кислоты. Так, сера при кипячении с азотной кислотой постепенно окисляется в серную кислоту, фосфор -- в фосфорную. Тлеющий уголек, погруженный в концентрированную HNO, ярко разгорается.

Азотная кислота действует почти на все металлы (за исключением золота, платины, тантала, родия, иридия), превращая их в нитраты, а некоторые металлы--в оксиды.

Концентрированная HNO пассивирует некоторые металлы. Еще Ломоносов открыл, что железо, легко растворяющееся в разбавленной азотной кислоте, не растворяется в холодной концентрированной HNO. Позже было установлено, что аналогичное действие азотная кислота оказывает на хром и алюминий. Эти металлы переходят под действием концентрированной азотной кислоты в пассивное состояние.

Степень окисленности азота в азотной кислоте равна 4-5. Выступая в качестве окислителя, НNО может восстанавливаться до различных продуктов:

Какое из этих веществ образуется, т. е. насколько глубоко восстанавливается азотная кислота в том или ином случае, зависит от природы восстановителя и от условий реакции, прежде всего от концентрации кислоты. Чем выше концентрации HNO, тем менее глубоко она восстанавливается. При реакциях с концентрированной кислотой чаще всего выделяется . При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами, например, с медью, выделяется NO. В случае более активных металлов -- железа, цинка, -- образуется. Сильно разбавленная азотная кислота взаимодействует с активными металлами----цинком, магнием, алюминием--с образованием иона аммония, даю щего с кислотой нитрат аммония. Обычно одновременно образуют ся несколько продуктов.

Для иллюстрации приведем схемы реакций окисления некото рых металлов азотной кислотой;

При действии азотной кислоты на металлы водород, как пра вило, не выделяется.

При окислении неметаллов концентрированная азотная кисло та, как и в случае металлов, восстанавливается до , например

Более разбавленная кислота обычно восстанавливается до NO, например:

Приведенные схемы иллюстрируют наиболее типичные случаи взаимодействия азотной кислоты с металлами и неметаллами. Вообще же, окислительно-восстановительные реакции, идущие с участием , протекают сложно.

Смесь, состоящая из 1 объема азотной и 3--4 объемов концен трированной соляной кислоты, называется царской водкой. Царская водка растворяет некоторые металлы, не взаимодействующие с азотной кислотой, в том числе и “царя металлов” -- золото. Действие ее объясняется тем, что азотная кислота окисляет соляную с выделением свободного хлора и образованием хлороксида азота(III), или хлорида нитрозила, :

Хлорид нитрозила является промежуточным продуктом реакции и разлагается:

Хлор в момент выделения состоит из атомов, что и обусловливает высокую окислительную способность царской водки. Реакции окисления золота и платины протекают в основном согласно следующим уравнениям.

С избытком соляной кислоты хлорид золота(III) и хлорид пла тины (IV) образуют комплексные соединения

На многие органические вещества азотная кислота действует так, что один или несколько атомов водорода в молекуле органического соединения замещаются нитрогруппами . Этот процесс называется нитрованием и имеет большое значение в органической химии.

Азотная кислота -- одно из важнейших соединений азота: в больших количествах она расходуется в производстве, азотных удобрений, взрывчатых веществ и органических красителей, служит окислителем во многих химических процессах, используется в производстве серной кислоты по нитрозному способу, применяется для изготовления целлюлозных лаков, кинопленки.

8. Нитраты

Соли азотной кислоты называются нитратами. Все они хорошо растворяются в воде, а при нагревании разлагаются с выделением кислорода. При этом нитраты наиболее активных металлов переходят в нитриты:

Нитраты большинства остальных металлов при нагревании распадаются на оксид металла, кислород и диоксид азота. Например:

Наконец, нитраты наименее активных металлов (например, се ребра, золота) разлагаются при нагревании до свободного ме талла:

Легко отщепляя кислород, нитраты при высокой температуре являются энергичными окислителями. Их водные растворы, напротив, почти не проявляют окислительных свойств.

Наиболее важное значение имеют нитраты натрия, калия, аммония и кальция, которые на практике называются селитрами.

Нитрат натрия или натриевая селитра, иногда называемая также чилийской селитрой, встречается в большом количестве в природе только в Чили.

Нитрат калия, или калийная селитра, в небольших количествах также встречается в природе, но главным образом полу чается искусственно при взаимодействии нитрата натрия с хлоридом калия.

Обе эти соли используются в качестве удобрений, причем нитрат калия содержит два необходимых растениям элемента: азот и калий. Нитраты натрия и калия применяются также при стекло варении и в пищевой промышленности для консервирования продуктов.

Нитрат кальция или кальциевая селитра, получается в больших количествах нейтрализацией азотной кислоты известью; применяется как удобрение.

9. Промышленное получение азотной кислоты

Современные промышленные способы получения азотной кислоты основаны на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха. При« описании свойств аммиака было указано, что он горит в кислороде, причём продуктами реакции являются вода и свободный азот. Но в присутствии катализаторов - окисление аммиака кислородом может протекать иначе. Если пропускать смесь аммиака с воздухом над катализатором, то при 750 °С и определен ном составе смеси происходит почти полное превращение

Образовавшийся легко переходит в, который с водой в присутствии кислорода воздуха дает азотную кислоту.

В качестве катализаторов при окислении аммиака используют сплавы на основе платины.

Получаемая окислением аммиака азотная кислота имеет концентрацию, не превышающую 60%. При необходимости ее концен трируют,

Промышленностью выпускается разбавленная азотная кислота концентрацией 55, 47 и 45%, а концентрированная--98 и 97%, Концентрированную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах, разбавленную -- в цистернах из кислотоупорной стали.

10. Круговорот азота в природе.

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кис лоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция, образует нитраты:

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) пере ходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся прежде всего про исходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. 'Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий -- “клубеньков”, почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

Таким образом, 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 путем применения удобрений является предметом специальной отрасли химия, получившей название агрохимии.

11. Жизнь и творчество Азота

Жил-был никому не известный химический элемент. Никто даже не знал, как его зовут. Однажды Д. Резерфорд, сжигая фосфор и другие вещества, увидел, что в колбе остаётся какой-то “удушливый воздух” не поддерживающий дыхания и горения. В 1790 году добрый дядя Шапталь придумал имя этому веществу - Азот.

Получив название, Азот, стал самым распространенным на Земле. Он вылез в литосферу, атмосферу. Получив огромную известность, Азот стал понтоваться у себя в V группе. И став самым крутым, он решил завоевать все Менделеевку, но ничего у него не вышло. Первые пять групп он завоевал, а остальные не получилось. Разочаровавших в своих силах Азот решил пожить спокойно и завести себе подругу. Долго он выбирал спутницу жизни, потому что выбирал по многим критериям: чтоб была так же сильно распространена, как и он; чтоб имела такое же важное значение для жизни людей; чтоб была такой же сильной, а можно даже сильнее. И остановил он свой выбор на Кислороде, которую в народе кликали Кислая. Выбрать то выбрал, но у Кислой тож имелся друг, посильнее Азота - Ваван-водород. И решил тогда Азот с помощью своего кореша Михи-Молнии встретиться с Кислой. Договорившись на первый дождливый день, Азот стал ждать встречу с Кислой. И наконец этот день наступил. И вот летят два корефана Миха-молния и Азот. Увидел их Вован и понял, что летят к его возлюбленной. Рассердился он и полетел к Кислой. Подоспел он как раз вовремя. Но это его и погубило: сначала он ничего не понял. В голове его понеслось сразу же много мыслей: ”Где это я? Что со мной? Почему я такой тяжелый и жидкий? Где Кислая?” Но со временем его голова прояснилась и он подумал: “Наверно со мной произошло то, о чём рассказывала Любовь Николаевна на уроках. Скорее всего я вступил в химическую реакцию или как то так.” Но так как Вован плохо учил химию он никогда и не узнал, что стал водой.

В это время Азот и Кислая стали какими то неразрывными, рыжими и воздушными. “Лисий хвост,”- подумал Азот. “Борода,”- подумала Кислая. Но прийти к более существенным выводам они не успели, лисий хвост соединился с водой. И получилась Азотная кислота.

С тех пор Вован, Азот и Кислая живут дружной семьёй. Вован с Азотом помирились, а Кислая стала уделять одинаковое количество внимания, что Азоту, что Вовану.

После нескольких дней спокойной жизни, уговорил Азот Вована пойти повоевать. Ну пошли он, стали одними из сильнейших мира сего, но был у них один недостаток: боялись света и при виде его начанали трястись от страха и разлагаться.