НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - : Азот

: Азот

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.

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 г. 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.

Распространенность 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).

Атом, 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 NH

3 ). В обычных условиях в свободном состоянии азот образует молекулу N

2, 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%.

Физические и химические свойства.

Азот немного легче воздуха; плотность 1,2506 кг/м3 ( при 00

С и 101325 н/м2 или 760 мм. рт. ст. ), tпл-209,860

С, tкип-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 N2

O, 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 N8H

14 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 NO2

CI. 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 15000

С может быть получен цианистый водород HCN. Взаимодействие азота с металлами при

высоких температурах приводит к образованию нитридов (например, Mg3N

2 ).

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. ).

Получение и применение.

В лаборатории азот легко может быть получен при нагревании концентрированного

нитрита аммония: NH4NO2 ® N2 + 2H2

O. 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 + N

2 ® 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.