- Азот — что это за элемент в химии
- Первооткрыватели
- Степень окисления азота
- Химические свойства азота
- Взаимодействие азота с металлами
- Взаимодействие азота с неметаллами
- Взаимодействие азота со сложными веществами
- Физические свойства азота
- Способы получения азота и его применение
- Азот в природе
- Роль азота в биологии
Азот — что это за элемент в химии
Азот — является элементом, расположенным в главной подгруппе V группы (или в 15 группе в современной форме периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева) и во втором периоде.
Азот относят к пниктогенам, он представляет собой один из самых распространенных элементов на нашей планете.
В основном состоянии азот обладает следующей электронной конфигурацией:
Внешний энергетический уровень атома азота содержит 3 неспаренных электрона и одну электронную пару в основном энергетическом состоянии. Таким образом, атом азота имеет способность формировать 3 связи по обменному механизму и 1 связь по донорно-акцепторному механизму. В результате максимальное значение валентности азота в соединениях составляет IV, для азота также характерна валентность III. Степени окисления атома азота соответствуют интервалу от -3 до +5. Характерные степени окисления азота -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5.
Азот в природном мире можно обнаружить в виде простого вещества газа N2. Молекула N2 неполярная. По этой причине в воде азот практически не растворяется. В молекуле азота атомы соединены тройной связью, в связи с тем, что каждый атом в молекуле обладает тремя неспаренными электронами. Одна из трех связей является σ-связью (сигма-связью), и две — π-связями.
Схема образования молекулы азота:
Структурно-графическая формула молекулы азота имеет вид: N≡N
Схема перекрывания электронных облаков при образовании молекулы азота:
Простое вещество N2 — двухатомный газ, без цвета, вкуса и запаха. Вещество обладает химической инертностью, вступает в химические реакции с комплексными соединениями переходных металлов.
Азот N2 является ключевым компонентом воздуха: составляет 78% от общего объема атмосферного воздуха. В промышленности азот получают путем разделения (фракционирования) воздуха, свыше ¾ от массы производимого в промышленности азота используют для получения аммиака. Простое вещество N2 применяют в качестве инертной среды для реализации разнообразных технологических процессов. Жидкий азот играет роль хладагента.
Азот представляет собой один из ключевых биогенных элементов, который входит в компонентный состав белков и нуклеиновых кислот. В земной коре азот встречатеся преимущественно в виде нитратов — солей азотной кислоты.
Первооткрыватели
У азота нет конкретного ученого, который считался бы первооткрывателем этого элемента. Точнее есть, но несколько. Выяснить, кому именно принадлежат лавры открытия, сейчас уже невозможно.
1772 год — важный год для химического элемента. Сразу четверо ученых вплотную приблизились к открытию азота. Это и британский химик Генри Кавендиш, и первооткрыватель кислорода Джозеф Пристли, и шведский химик-фармацевт Карл Шееле, и шотландский химик Даниэль Резерфорд. Все они в одно и то же время проводили различные исследования и эксперименты с газами. Эти люди близко подошли к открытию нового химического элемента. Но выделить кого-то из них в качестве однозначного первооткрывателя нельзя.
Степень окисления азота
Атомы азота в соединениях имеют степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3.
Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.
Химические свойства азота
Химический элемент азот образует только одно простое вещество. Данное вещество является газообразным и образовано двухатомными молекулами, т.е. имеет формулу N2. Не смотря то, что химический элемент азот имеет высокую электроотрицательность, молекулярный азот N2 является крайне инертным веществом. Обусловлен данный факт тем, что в молекуле азота имеет место крайне прочная тройная связь (N≡N). По этой причине практически все реакции с азотом протекают только при повышенных температурах.
Взаимодействие азота с металлами
Единственное вещество, которое реагирует с азотом в обычных условиях – литий:
Интересным является тот факт, что с остальными активными металлами, т.е. щелочными и щелочноземельными, азот реагирует только при нагревании:
Взаимодействие азота с металлами средней и низкой активности (кроме Pt и Au) также возможно, однако требует несравнимо более высоких температур.
Нитриды активных металлов легко гидролизуются водой:
Взаимодействие азота с неметаллами
Азот реагирует с водородом при нагревании в присутствии катализаторов. Реакция является обратимой, поэтому для повышения выхода аммиака в промышленности процесс ведут при высоком давлении:
Как восстановитель азот реагирует со фтором и кислородом. Со фтором реакция идет при действии электрического разряда:
С кислородом реакция идет под действием электрического разряда или при температуре более 2000 оС и является обратимой:
Из неметаллов азот не реагирует с галогенами и серой.
Взаимодействие азота со сложными веществами
В рамках школьного курса ЕГЭ можно считать, что азот не реагирует ни с какими сложными веществами кроме гидридов активных металлов:
Физические свойства азота
Азот – двухатомный газ без запаха, цвета и вкуса. Температура кипения азота при атмосферном давлении составляет -195,8 градусов, температура плавления – -209,9 градусов. Растворимость в воде при 20 градусах весьма мала – 15,4 мл/л.
Рис. 1. Атом азота.
Атмосферный азот состоит из двух изотопов: 14N (99.64%) и 15N (0.36%). Известны также радиоактивные изотопы азота 13N и 16N.
Перевод названия элемента «азот» – безжизненный. Это название справедливо для азота, как для простого вещества, но в связанном состоянии он является одним из главных элементов жизни, а также входит в состав белков, нуклеиновых кислот, витаминов и т. д.
Способы получения азота и его применение
Существуют разные способы получения азота. К примеру, в лабораторных условиях вещество синтезируют в процессе химической реакции между растворами хлорида аммония и нитрита натрия. Продуктом реакции обмена является нитрит аммония, который достаточно просто разлагается, что приводит к образованию азота и воды. Колбу заполняют раствором хлорида аммония, а капельную воронку — раствором нитрита натрия. В процессе добавления нитрита натрия в колбу начинает выделяться азот, который собирают с помощью цилиндра. Затем можно посмотреть, сколько газа получено. Горящая лучинка в атмосфере азота гаснет, так проверяют наличие азота в сосуде.
Следующим лабораторным способом получения азота является восстановление оксида меди (II) аммиаком при температуре около 700 °C:
В промышленной сфере азот получают из воздуха. Эффективность промышленного производства зависит от наличия дешевого и доступного сырья определенного класса. Воздух в данном случае представлен в неограниченном количестве и является бесплатным. Азот из воздуха выделяют по нескольким технологиям:
- адсорбционная;
- мембранная;
- криогенная.
Адсорбционный метод синтеза азота заключается в разделении воздуха на компоненты с помощью связывания твердым веществом, называемым адсорбентом, отдельных компонентов газовой смеси. Принцип работы мембранных систем заключается в создании разницы скоростей проникновения компонентов газа через вещество мембраны. В качестве движущей силы разделения газов выступает разница парциальных давлений на различных сторонах мембраны. Криогенные установки функционируют по методу разделения газовых смесей за счет разности температур кипения компонентов воздуха и различии составов, которые находятся в равновесии жидких и паровых смесей.
Азот используют для выпуска минеральных удобрений, синтеза аммиака, получения инертной атмосферы в лампах, применяют в медицине. Жидкий азот обеспечивает глубокое охлаждение и вымораживание. Полученный с помощью азота аммиак применяют в производстве азотной кислоты, азотсодержащих солей, мочевины и соды, им заправляют холодильное оборудование. Жидкий аммиак и его растворы используют в качестве жидких удобрений, а также в сфере медицины.
С помощью оксида одновалентного азота N2O создают аэрозоли и анестезирующие средства при наркозах. Жидкий диоксид азота NО2играет роль неводного растворителя и окислителя в двигателях космических кораблей. Нитрит натрия нашел широкое применение в органическом синтезе. Данное вещество используют в качестве добавки к колбасным изделиям, которая придает им цвет натурального мяса. Азотная кислота необходима для производства минеральных удобрений, взрывчатых веществ, красителей, пластмасс, искусственных волокон. Концентрированную азотную кислоту используют в ракетной технике, как окислитель топлива для сгорания в двигателях.
Сферы применения азота:
- Медицина и фармацевтика. Инертный газ активно применяют в хирургии. С его помощью проводят операции, научные опыты, обеспечивают хранение биоматериала, транспортируют медицинские препараты. Азот хранят в специальных сосудах, которые называют баллонами Дьюара.
- Горнодобывающая промышленность. Азот используют в процессе тушения пожаров в шахтах и глубинных туннелях, с целью создания инертной «подушки» и поддержания внутрипластового давления в процессе добычи полезных ископаемых.
- Лазерная резка металлов. Получить ровный и точный срез, защитить материалы от окисления можно с помощью лазерной резки, при которой используется азот. Применяя данное вещество, выполняют резку керамики, титана, пластика, алюминия, разных марок стали.
- Нефтегазовая и химическая промышленность. Газ обеспечивает многие технологические процессы на химических предприятиях, к примеру, с его помощью синтезируют аммиак, создают инертные среды для проведения химических реакций, переработки высокооктановых компонент, конверсии метана. В металлургии азот применяют в процессах спекания порошковым металлом, нейтральной закалки, цементации, чтобы защитить черные и цветные металлы во время отжига. Газ является незаменимым ресурсом при освоении скважин для оперативного и безопасного уменьшения давления, стабилизации необходимой степени фонтанирования полезных ископаемых, быстрого освобождения скважин, при тушении пожаров, для контроля определенного давления в цистернах с газом или нефтью, очистки технологических резервуаров, охлаждения электродов.
- Целлюлозно-бумажная промышленность. Инертный газ необходим для полимеризации лаковых покрытий, обработки картона и бумаги, улучшения качества обработки сырья. Благодаря азоту, удается уменьшить уровень выбросов летучих соединений в атмосферу, сократить расходы на применение фотоинициаторов.
- Пищевое производство. Азот используют в процессе упаковки пищевой продукции, розлива негазированных напитков, растительных масел. Газ препятствует быстрому окислению жиросодержащих продуктов, позволяет создать инертную среду внутри тары и увеличить срок хранения товаров. Применяя азот, в овощехранилищах поддерживают модифицированную атмосферу, чтобы исключить порчу, бороться с микроорганизмами, увеличить срок хранения продукции.
- Сервисы технического обслуживания. В автосервисах азот используют для закачки в автомобильные шины. Такой способ увеличивает эксплуатационный ресурс и характеристики шин, позволяет исключить коррозию на металлических элементах колеса, снизить потребность в подкачке, контролировать давление внутри шин.
- Электроника. Азот является эффективным средством защиты сложных компонентов, микросхем и оборудования от окисления. Использование газа позволяет снизить температуру воздуха в производственных процессах, продувать и очищать трубопроводы и системы технологического оборудования, для пайки и производства печатных плат.
- Агропромышленный сектор. Инертный газ применяют в производстве ценного балластного удобрения для растений в виде карбамида, вторым назначением которого является производство животноводческих кормов. Газ необходим, чтобы синтезировать аммиак и продукты на его основании, калиевую селитру.
Азот в природе
Азот находится в атмосфере в виде молекул, состоящих из двух атомов. Помимо атмосферы, азот есть в мантии Земли и в гумусном слое почвы. Основной источник азота для промышленного производства – это полезные ископаемые.
Однако в последние десятилетия, когда запасы минералов стали истощаться, возникла острая необходимость выделения азота из воздуха в промышленных масштабах. В настоящее время эта проблема решена, и огромные объемы азота для нужд промышленности добываются из атмосферы.
Роль азота в биологии
Это вещество является одним из основных биогенных элементов и входит в состав важнейших элементов живых клеток — нуклеиновых кислот и белков. Однако количество азота в живых организмах невелико (примерно 1–3 % на сухую массу). Имеющийся в атмосфере молекулярный материал усваивают лишь сине-зеленые водоросли и некоторые микроорганизмы.
Довольно большие запасы этого вещества сосредоточены в почве в виде различных минеральных (нитраты, аммонийные соли) и органических соединений (в составе нуклеиновых кислот, белков и продуктов их распада, включая еще не полностью разложившиеся остатки флоры и фауны).
Растения отлично усваивают азот из грунта в виде органических и неорганических соединений. В природных условиях большое значение имеют особые почвенные микроорганизмы (аммонификаторы), которые способны минерализировать органический N почвы до солей аммония.
Нитратный азот грунта образуется в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий, открытых С. Виноградским в 1890 году. Они окисляют аммонийные соли и аммиак до нитратов. Часть усвояемого флорой и фауной вещества теряется из-за воздействия денитрифицирующих бактерий.
Микроорганизмы и растения отлично усваивают как нитратный, так и аммонийный N. Они активно превращают неорганический материал в различные органические соединения — аминокислоты и амиды (глутамин и аспарагин). Последние входят в состав многих белков микроорганизмов, растений и животных. Синтез аспарагина и глутамина путем амидирования (ферментативного) аспарагиновой и глутаминовой кислот осуществляется многими представителями флоры и фауны.
Производство аминокислот происходит при помощи восстановительного аминирования ряда кетокислот и альдегидокислот, возникающих путем ферментативного переаминирования, а также в результате окисления различных углеводов. Конечными продуктами усвоения аммиака (NH₃) растениями и микроорганизмами являются белки, которые входят в состав ядра клеток, протоплазмы, а также откладываются в виде так называемых запасных белков.
Человек и большинство животных могут синтезировать аминокислоты лишь в довольно ограниченной мере. Они не способны производить восемь незаменимых соединений (лизин, валин, фенилаланин, триптофан, изолейцин, лейцин, метионин, треонин), и потому для них главным источником азота являются потребляемые с пищей белки, то есть, в конечном счете, — собственные белки микроорганизмов и растений.
- https://wika.tutoronline.ru/himiya/class/8/himicheskie-i-fizicheskie-svojstva-azota
- https://www.syl.ru/article/454904/jidkiy-azot-temperatura-kipenie-agregatnyie-sostoyaniya
- https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=N
- https://scienceforyou.ru/teorija-dlja-podgotovki-k-egje/himicheskie-svojstva-azota-i-fosfora
- https://obrazovaka.ru/himiya/svoystva-azota-himicheskie-fizicheskie.html
- https://www.vseznaika.org/chemiks/chto-takoe-azot-i-dlya-chego-ispolzuetsya/
- https://www.niikm.ru/articles/element_articles/nitrogenium/
Ваша оценка?