Азот: что это такое, молярная масса, строение атома, характеристика

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.

Читайте также:  Бутан, структурная формула, химические, физические свойства

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.

Атом азота
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.

Читайте также:  CH4 - молярная и относительная молекулярная масса метана

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
Читайте также:  H2SO4 - физико-химические свойства, молярная и относительная молекулярная масса серной кислоты

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

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.

Источники
  • 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?

Петр Иваныч
Петр Иваныч
Возможно этот человек ответит на ваши вопросы
Задать вопрос
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Всё о химии
Adblock
detector