• Обозначение - N (Nitrogen);
• Период - II;
• Группа - 15 (Va);
• Атомная масса - 14,00674;
• Атомный номер - 7;
• Радиус атома = 92 пм;
• Ковалентный радиус = 75 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 3 ;
• t плавления = -209,86°C;
• t кипения = -195,8°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 3,04/3,07;
• Степень окисления: +5, +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3;
• Плотность (н. у.) = 0,808 г/см 3 (-195,8°C);
• Молярный объем = 17,3 см 3 /моль.

Соединения азота :

• Уравнения окислительно-восстановительных реакций азота...

Однозначано назвать ученого, который первым открыл азот не представляется возможным по той простой причине, что это практически одновременно сделали в 1772 году сразу трое - Генри Кавендиш, Джозеф Пристли и Даниэль Резерфорд (еще к этому списку можно причислить и Карла Шееле). Однако, ни один из ученых в свое время так и не понял до конца своего открытия. Многие "пальму первенства" отдают шотландцу Даниэлю Резерфорду, поскольку он первым опубликовал магистерскую диссертацию, в которой описал основные свойства "испорченного воздуха".

Собственно название было предложено в 1787 году А. Лавуазье.

Азот является четвертым самым распространенным химическим элементом Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода). Азот является одним из самых распространенных элементов на Земле:

• в земной атмосфере азота содержится 3,87·10 18 кг - 75,6% (по массе) или 78,08% (по объему);
• в земной коре азота содержится (0,7-1,5)·10 18 кг;
• в земной мантии азота содержится 1,3·10 19 кг;
• в гидросфере азота содержится 2·10 16 кг (7·10 14 кг в виде соединений).

Азот играет важнейшую роль в жизнедеятельности организмов - он присутствует в белках, аминокислотах, аминах, нуклеиновых кислотах.

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14 N - 99,635% и 15 N - 0,365%.

Атом азота содержит 7 электронов, которые располагаются на двух орбиталях (s и p) (см. Электронная структура атомов). На внутренней орбитали расположены 2 электрона; на внешней - 5 (одна свободная электронная пара + три неспаренных электрона, которые могут образовывать три ковалентные связи; см. Ковалентная связь).

Вступая в реакции с другими химическими элементами, атом азота может проявлять степень окисления от +5 до -3 (кроме трех валентных электронов еще одна связь может образовываться по донорно-акцепторному механизму за счет свободной электронной пары с атомом, имеющим свободную орбиталь).

Степени окисления азота :

• +5 - HNO 3 ;
• +4 - NO 2 ;
• +3 - HNO 2 ;
• +2 - NO;
• +1 - N 2 O;
• -1 - NH 2 OH;
• -2 - N 2 H 4 ;
• -3 (самая распространенная) - NH 3 .

N 2

Три неспаренных р-электрона атома азота, лежащие на его внешнем энергетическом уровне, имеют форму равноплечей восьмерки, располагаясь перпендикулярно друг к другу:

При образовании молекулы азота (N 2) p-орбиталь, расположенная по оси X, одного атома, перекрывается с аналогичной p x -орбиталью другого атома - в месте пересечения орбиталей образуется повышенная электронная плотность с формирование ковалентной связи (σ-связь ).

Две другие орбитали одного атома, расположенные по осям Y и Z, перекрываются боковыми поверхностями со своими "собратьями" другого атома, образуя еще две ковалентные связи (π-связи ).

В итоге, в молекуле азота (N 2) образуются 3 ковалентные связи (две π-связи + одна σ-связь), т. е., возникает очень прочная тройная связь (см. Множественные связи).

Молекула азота очень прочная (энергия диссоциации 940 кДж/моль), обладает низкой реакционной способностью.

Свойства молекулярного азота

В нормальных условиях азот является малоактивным веществом, что объясняется достаточно прочными межатомарными связями в его молекуле, поскольку образованы они аж тремя парами электронов. По этой причине, обычно азот вступает в реакции при высоких температурах.

• газ без запаха и цвета;
• плохо растворим в воде;
• растворим в органических растворителях;
• может реагировать с металлами и неметаллами при нагревании в присутствии катализатора (под воздействием ионизирующего облучения);
• азот вступает в реакции как окислитель (исключение составляют кислород и фтор):
  • при нормальных условиях азот реагирует только с литием:
    6Li + N 2 = 2Li 3 N;
  • при нагревании азот реагирует с металлами:
    2Al + N 2 = 2AlN;
  • при температуре 500°C и при высоком давлении в присутствии железа азот реагирует с водородом:
    N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 ;
  • при температуре 1000°C азот реагирует с кислородом, бором, кремнием:
    N 2 + O 2 ↔ 2NO.
• азот взаимодействует, как восстановитель:
  • с кислородом:
    N 2 0 +O 2 0 ↔ 2N +2 O -2 (оксид азота II)
  • с фтором:
    N 2 0 +3F 2 0 = 2N+3F 3 -1 (фторид азота III)

Получение и применение азота

Получение азота:

• промышленным способом азот получают сжижением воздуха с последующим отделением азота путем испарения;
• лабораторные способы получения азота:
  • разложением нитрита аммония:
    NH 4 NO 2 = N 2 + 2H 2 O;
  • восстановлением азотной кислоты активными металлами:
    36HNO 3 + 10Fe = 10Fe(NO 3) 3 + 3N 2 + 18H 2 O;
  • разложением азидов металлов (чистый азот):
    2NaN 3 → (t) 2Na + 3N 2 ;
  • атмосферный азот получают реагированием воздуха с раскаленным коксом:
    O 2 + 4N 2 + 2C → 2CO + 4N 2 ;
  • пропусканием аммиака над оксидом меди (II) при t=700°C:
    2NH 3 + 3CuO → N 2 + 3H 2 O + 3Cu.

Применение азота:

• создание инертных сред в металлургии;
• синтез аммиака и азотной кислоты;
• производство взрывчатых веществ;
• для создания низких температур;
• производство минеральных удобрений: калийная селитра (KNO 3); натриевая селитра (NaNO 3); аммонийная селитра (NH 4 NO 3); известковая селитра (Ca(NO 3) 2).

Азот — элемент 2-го периода V А-группы Периодической системы, порядковый номер 7. Электронная формула атома [ 2 He]2s 2 2p 3 , характерные степени окисления 0,-3, +3 и +5, реже +2 и +4 и др. состояние N v считается относительно устойчивым.

Шкала степеней окисления у азота:
+5 — N 2 O 5 , NO 3 , NaNO 3 , AgNO 3

3 – N 2 O 3 , NO 2 , HNO 2 , NaNO 2 , NF 3

3 — NH 3 , NH 4 , NH 3 * H 2 O, NH 2 Cl, Li 3 N, Cl 3 N.

Азот обладает высокой электроотрицательностью (3,07), третий после F и O. Проявляет типичные неметаллические (кислотные) свойства, образуя при этом различные кислородсодержащие кислоты, соли и бинарные соединения, а так же катион аммония NH 4 и его соли.

В природе – семнадцатый по химической распространенности элемент (девятый среди неметаллов). Жизненно важный элемент для всех организмов.

N 2

Простое вещество. Состоит из неполярных молекул с очень устойчивой ˚σππ-связью N≡N, этим объясняется химическая инертность элемента при обычных условиях.

Бесцветный газ без вкуса и запаха, конденсируется в бесцветную жидкость (в отличие от O 2).

Главная составная часть воздуха 78,09% по объему, 75,52 по массе. Из жидкого воздуха азот выкипает раньше, чем кислород. Малорастворим в воде (15,4 мл/1 л H 2 O при 20 ˚C), растворимость азота меньше, чем у кислорода.

При комнатной температуре N 2 , реагирует с фтором и в очень малой степени – с кислородом:

N 2 + 3F 2 = 2NF 3 , N 2 + O 2 ↔ 2NO

Обратимая реакция получения аммиака протекает при температуре 200˚C, под давлением до 350 атм и обязательно в присутствии катализатора (Fe, F 2 O 3 , FeO, в лаборатории при Pt)

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 + 92 кДж

В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение выхода аммиака должно происходить при повышении давления и понижении температуры. Однако скорость реакции при низких температурах очень мала, поэтому процесс ведут при 450-500 ˚C, достигая 15%-ного выхода аммиака. Непрориагировавшие N 2 и H 2 возвращают в реактор и тем самым увеличивают степень протекания реакции.

Азот химически пассивен по отношению к кислотам и щелочам, не поддерживает горения.

Получение в промышленности – фракционная дистилляция жидкого воздуха или удаление из воздуха кислорода химическим путем, например по реакции 2C(кокс) + O 2 = 2CO при нагревании. В этих случаях получают азот, содержащий так же примеси благородных газов (главным образом аргон).

В лаборатории небольшие количества химически чистого азота можно получить по реакции конмутации при умеренном нагревании:

N -3 H 4 N 3 O 2(T) = N 2 0 + 2H 2 O (60-70)

NH 4 Cl(p) + KNO 2 (p) = N 2 0 + KCl +2H 2 O (100˚C)

Применяется для синтеза аммиака. Азотной кислоты и других азотсодержащих продуктов, как инертная среда проведения химических и металлургических процессов и хранения огнеопасных веществ.

NH 3

Бинарное соединение, степень окисления азота равна – 3. Бесцветный газ с резким характерным запахом. Молекула имеет строение незавершенного тетраэдра [: N(H) 3 ] (sp 3 -гибридизация). Наличие у азота в молекуле NH 3 донорской пары электронов на sp 3 -гибридной орбитали обуславливает характерную реакцию присоединения катиона водорода, при этом образуется катион аммония NH 4 . Сжижается под избыточным давлением при комнатной температуре. В жидком состоянии ассоциирован за счет водородных связей. Термически неустойчив. Хорошо растворим в воде (более 700 л/1 л H 2 O при 20˚C); доля в насыщенном растворе равна 34% по массе и 99% по объему, pH= 11,8.

Весьма реакционноспособный, склонен к реакциям присоединения. Сгорает в кислороде, реагирует с кислотами. Проявляет восстановительные (за счет N -3) и окислительные (за счет H +1) свойства. Осушается только оксидом кальция.

Качественные реакции – образование белого «дыма» при контакте с газообразным HCl, почернение бумажки, смоченной раствором Hg 2 (NO3) 2 .

Промежуточный продукт при синтезе HNO 3 и солей аммония. Применяется в производстве соды, азотных удобрений, красителей, взрывчатых веществ; жидкий аммиак – хладагент. Ядовит.
Уравнения важнейших реакций:

2NH 3(г) ↔ N 2 + 3H 2
NH 3(г) + H 2 O ↔ NH 3 * H 2 O (р) ↔ NH 4 + + OH —
NH 3(г) + HCl (г) ↔ NH 4 Cl (г) белый «дым»
4NH 3 + 3O 2 (воздух) = 2N 2 + 6 H 2 O (сгорание)
4NH 3 + 5O 2 = 4NO+ 6 H 2 O (800˚C, кат. Pt/Rh)
2 NH 3 + 3CuO = 3Cu + N 2 + 3 H 2 O (500˚C)
2 NH 3 + 3Mg = Mg 3 N 2 +3 H 2 (600 ˚C)
NH 3(г) + CO 2(г) + H 2 O = NH 4 HCO 3 (комнатная температура, давление)
Получение. В лаборатории – вытеснение аммиака из солей аммония при нагревании с натронной известью: Ca(OH) 2 + 2NH 4 Cl = CaCl 2 + 2H 2 O +NH 3
Или кипячение водного раствора аммиака с последующим осушением газа.
В промышленности аммиак получают из азота с водородом. Выпускается промышленностью либо в сжиженном виде, либо в виде концентрированного водного раствора под техническим названием аммиачная вода .

Гидрат аммиака NH 3 * H 2 O . Межмолекулярное соединение. Белый, в кристаллической решетке – молекулы NH 3 и H 2 O, связанные слабой водородной связью. Присутствует в водном растворе аммиака, слабое основание (продукты диссоциации – катион NH 4 и анион OH). Катион аммония имеет правильно-тетраэдрическое строение (sp 3 -гибридизация). Термически неустойчив, полностью разлагается при кипячении раствора. Нейтрализуется сильными кислотами. Проявляет восстановительные свойства (за счет N -3) в концентрированном растворе. Вступает в реакцию ионного обмена и комплексообразования.

Качественная реакция – образование белого «дыма» при контакте с газообразным HCl. Применяется для создания слабощелочной среды в растворе, при осаждении амфотерных гидроксидов.
В 1 М растворе аммиака содержится в основном гидрат NH 3 *H 2 O и лишь 0,4% ионов NH 4 OH (за счет диссоциации гидрата); таким образом, ионный «гидроксид аммония NH 4 OH» практически не содержится в растворе, нет такого соединения и в твердом гидрате.
Уравнения важнейших реакций:
NH 3 H 2 O (конц.) = NH 3 + H 2 O (кипячение с NaOH)
NH 3 H 2 O + HCl (разб.) = NH 4 Cl + H 2 O
3(NH 3 H 2 O) (конц.) + CrCl 3 = Cr(OH) 3 ↓ + 3 NH 4 Cl
8(NH 3 H 2 O) (конц.) + 3Br 2(p) = N 2 + 6 NH 4 Br + 8H 2 O (40-50˚C)
2(NH 3 H 2 O) (конц.) + 2KMnO 4 = N 2 + 2MnO 2 ↓ + 4H 2 O + 2KOH
4(NH 3 H 2 O) (конц.) + Ag 2 O = 2OH + 3H 2 O
4(NH 3 H 2 O) (конц.) + Cu(OH) 2 + (OH) 2 + 4H 2 O
6(NH 3 H 2 O) (конц.) + NiCl 2 = Cl 2 + 6H 2 O
Разбавленный раствор аммиака (3-10%-ный) часто называют нашатырным спиртом (название придумано алхимиками), а концентрированный раствор (18,5 – 25%-ный) – аммиачный раствор (выпускается промышленностью).

Оксиды азота

Монооксид азота NO

Несолеобразующий оксид. Бесцветный газ. Радикал, содержит ковалентную σπ-связь (N꞊O) , в твердом состоянии димер N 2 О 2 со связью N-N. Чрезвычайно термически устойчив. Чувствителен к кислороду воздуха (буреет). Малорастворим в воде и не реагирует с ней. Химически пассивен по отношению к кислотам и щелочам. При нагревании реагирует с металлами и неметаллами. весьма реакционноспособная смесь NO и NO 2 («нитрозные газы»). Промежуточный продукт в синтезе азотной кислоты.
Уравнения важнейших реакций:
2NO + O 2 (изб.) = 2NO 2 (20˚C)
2NO + C(графит) = N 2 + CО 2 (400- 500˚C)
10NO + 4P(красный) = 5N 2 + 2P 2 O 5 (150- 200˚C)
2NO + 4Cu = N 2 + 2 Cu 2 O (500- 600˚C)
Реакции на смеси NO и NO 2:
NO + NO 2 +H 2 O = 2HNO 2 (p)
NO + NO 2 + 2KOH(разб.) = 2KNO 2 + H 2 O
NO + NO 2 + Na 2 CO 3 = 2Na 2 NO 2 + CО 2 (450- 500˚C)
Получение в промышленности : окисление аммиака кислородом на катализаторе, в лаборатории — взаимодействие разбавленной азотной кислоты с восстановителями:
8HNO 3 + 6Hg = 3Hg 2 (NO 3) 2 + 2NO + 4 H 2 O
или восстановлении нитратов:
2NaNO 2 + 2H 2 SO 4 + 2NaI = 2NO + I 2 ↓ + 2 H 2 O + 2Na 2 SO 4

Диоксид азота NO 2

Кислотный оксид, условно отвечает двум кислотам — HNO 2 и HNO 3 (кислота для N 4 не существует). Бурый газ, при комнатной температуре мономер NO 2 , на холоду жидкий бесцветный димер N 2 О 4 (тетраоксид диазота). Полностью реагирует с водой, щелочами. Очень сильный окислитель, вызывает коррозию металлов. Применяется для синтеза азотной кислоты и безводных нитратов, как окислитель ракетного топлива, очиститель нефти от серы и катализатор окисления органических соединений. Ядовит.
Уравнение важнейших реакций:
2NO 2 ↔ 2NO + O 2
4NO 2 (ж) + H 2 O = 2HNO 3 + N 2 О 3 (син.) (на холоду)
3 NO 2 + H 2 O = 3HNO 3 + NO
2NO 2 + 2NaOH(разб.) = NaNO 2 + NaNO 3 + H 2 O
4NO 2 + O 2 + 2 H 2 O = 4 HNO 3
4NO 2 + O 2 + KOH = KNO 3 + 2 H 2 O
2NO 2 + 7H 2 = 2NH 3 + 4 H 2 O (кат. Pt, Ni)
NO 2 + 2HI(p) = NO + I 2 ↓ + H 2 O
NO 2 + H 2 O + SO 2 = H 2 SO 4 + NO (50- 60˚C)
NO 2 + K = KNO 2
6NO 2 + Bi(NO 3) 3 + 3NO (70- 110˚C)
Получение: в промышленности — окислением NO кислородом воздуха, в лаборатории – взаимодействие концентрированной азотной кислоты с восстановителями:
6HNO 3 (конц.,гор.) + S = H 2 SO 4 + 6NO 2 + 2H 2 O
5HNO 3 (конц.,гор.) + P (красный) = H 3 PO 4 + 5NO 2 + H 2 O
2HNO 3 (конц.,гор.) + SO 2 = H 2 SO 4 + 2 NO 2

Оксид диазота N 2 O

Бесцветный газ с приятным запахом («веселящий газ»), N꞊N꞊О, формальная степень окисления азота +1, плохо растворим в воде. Поддерживает горение графита и магния:

2N 2 O + C = CO 2 + 2N 2 (450˚C)
N 2 O + Mg = N 2 + MgO (500˚C)
Получают термическим разложением нитрата аммония:
NH 4 NO 3 = N 2 O + 2 H 2 O (195- 245˚C)
применяется в медицине, как анастезирующее средство.

Триоксид диазота N 2 O 3

При низких температурах –синяя жидкость, ON꞊NO 2 , формальная степень окисления азота +3. При 20 ˚C на 90% разлагается на смесь бесцветного NO и бурого NO 2 («нитрозные газы», промышленный дым – «лисий хвост»). N 2 O 3 – кислотный оксид, на холоду с водой образует HNO 2 , при нагревании реагирует иначе:
3N 2 O 3 + H 2 O = 2HNO 3 + 4NO
Со щелочами дает соли HNO 2, например NaNO 2 .
Получают взаимодействием NO c O 2 (4NO + 3O 2 = 2N 2 O 3) или с NO 2 (NO 2 + NO = N 2 O 3)
при сильном охлаждении. «Нитрозные газы» и экологически опасны, действуют как катализаторы разрушения озонового слоя атмосферы.

Пентаоксид диазота N 2 O 5

Бесцветное, твердое вещество, O 2 N – O – NO 2 , степень окисления азота равна +5. При комнатной температуре за 10 ч разлагается на NO 2 и O 2 . Реагирует с водой и щелочами как кислотный оксид:
N 2 O 5 + H 2 O = 2HNO 3
N 2 O 5 + 2NaOH = 2NaNO 3 + H 2
Получают дегидротацией дымящейся азотной кислоты:
2HNO 3 + P 2 O 5 = N 2 O 5 + 2HPO 3
или окислением NO 2 озоном при -78˚C:
2NO 2 + O 3 = N 2 O 5 + O 2

Нитриты и нитраты

Нитрит калия KNO 2 . Белый, гигроскопичный. Плавится без разложения. Устойчив в сухом воздухе. Очень хорошо растворим в воде (образуя бесцветный раствор), гидролизуется по аниону. Типичный окислитель и восстановитель в кислотной среде, очень медленно реагирует в щелочной среде. Вступает в реакции ионного обмена. Качественные реакции на ион NO 2 — обесцвечивание фиолетового раствора MnO 4 и появление черного осадка при добавлении ионов I. Применяется в производстве красителей, как аналитический реагент на аминокислоты и йодиды, компонент фотографических реактивов.
уравнение важнейших реакций:
2KNO 2 (т) + 2HNO 3 (конц.) = NO 2 + NO + H 2 O + 2KNO 3
2KNO 2 (разб.)+ O 2 (изб.) → 2KNO 3 (60-80 ˚C)
KNO 2 + H 2 O + Br 2 = KNO 3 + 2HBr
5NO 2 — + 6H + + 2MnO 4 — (фиол.) = 5NO 3 — + 2Mn 2+ (бц.) + 3H 2 O
3 NO 2 — + 8H + + CrO 7 2- = 3NO 3 — + 2Cr 3+ + 4H 2 O
NO 2 — (насыщ.) + NH 4 + (насыщ.)= N 2 + 2H 2 O
2NO 2 — + 4H + + 2I — (бц.) = 2NO + I 2 (черн.) ↓ = 2H 2 O
NO 2 — (разб.) + Ag + = AgNO 2 (светл.желт.)↓
Получение в промышленности – восстановлением калийной селитры в процессах:
KNO 3 + Pb = KNO 2 + PbO (350-400˚C)
KNO 3 (конц.) + Pb(губка) + H 2 O = KNO 2 + Pb(OH) 2 ↓
3 KNO 3 + CaO + SO 2 = 2 KNO 2 + CaSO 4 (300 ˚C)

H итрат калия KNO 3
Техническое название калийная, или индийская соль, селитра. Белый, плавится без разложения при дальнейшем нагревании разлагается. Устойчив на воздухе. Хорошо растворим в воде (с высоким эндо -эффектом, = -36 кДж), гидролиза нет. Сильный окислитель при сплавлении (за счет выделения атомарного кислорода). В растворе восстанавливается только атомарным водородом (в кислотной среде до KNO 2 , в щелочной среде до NH 3). Применяется в производстве стекла, как консервант пищевых продуктов, компонент пиротехнических смесей и минеральных удобрений.

2KNO 3 = 2KNO 2 + O 2 (400- 500 ˚C)

KNO 3 + 2H 0 (Zn, разб. HCl) = KNO 2 + H 2 O

KNO 3 + 8H 0 (Al, конц. KOH) = NH 3 + 2H 2 O + KOH (80 ˚C)

KNO 3 + NH 4 Cl = N 2 O + 2H 2 O + KCl (230- 300 ˚C)

2 KNO 3 + 3C (графит) + S = N 2 + 3CO 2 + K 2 S (сгорание)

KNO 3 + Pb = KNO 2 + PbO (350 — 400 ˚C)

KNO 3 + 2KOH + MnO 2 = K 2 MnO 4 + KNO 2 + H 2 O (350 — 400 ˚C)

Получение : в промышленности
4KOH (гор.) + 4NO 2 + O 2 = 4KNO 3 + 2H 2 O

и в лаборатории:
KCl + AgNO 3 = KNO 3 + AgCl↓

Электронная конфигурация 2s 2 2p 3 Химические свойства Ковалентный радиус 75 пм Радиус иона 13 (+5e) 171 (-3e) пм Электроотрицательность
(по Полингу) 3,04 Электродный потенциал — Степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -3 Термодинамические свойства простого вещества Плотность 0,808 (−195,8 °C) /см ³ Молярная теплоёмкость 29,125 (газ N 2) Дж /( ·моль) Теплопроводность 0,026 Вт /( ·) Температура плавления 63,29 Теплота плавления (N 2) 0.720 кДж /моль Температура кипения 77,4 Теплота испарения (N 2) 5.57 кДж /моль Молярный объём 17,3 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая Параметры решётки 5,661 Отношение c/a — Температура Дебая n/a

N	7
14,00674
2s 2 2p 3
Азот

Азот, в форме двухатомных молекул N 2 составляет большую часть атмосферы, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму), то есть около 3,87·10 15 т.

Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2·10 13 т, кроме того примерно 7·10 11 т азота содержатся в гидросфере в виде соединений.

Биологическая роль

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле — около 2,5 % (четвертое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9·10 11 т. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.

Круговорот азота в природе

Круговорот азота в природе

Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям — абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000 °C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).

Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4·10 8 т/год) фиксируется биотическим путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium , клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium , цианобактерии Anabaena , Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубнях ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH 4 +). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий — первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» — глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.

Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и в конце концов попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5—8·10 7 т/год).

Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.

Токсикология азота и его соединений

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.

Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны.

Получение

В лабораториях его можно получать по реакции разложения нитрита аммония:

NH 4 NO 2 → N 2 + 2H 2 O

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:

K 2 Cr 2 O 7 + (NH 4) 2 SO 4 = (NH 4) 2 Cr 2 O 7 + K 2 SO 4

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 →(t) Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O

Самый чистый азот можно получить разложением азидов металлов:

2NaN 3 →(t) 2Na + 3N 2

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

O 2 + 4N 2 + 2C → 2CO + 4N 2

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:

2NH 3 + 3CuO → N 2 + 3H 2 O + 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.

Свойства

Физические свойства

Оптический линейчатый эмиссионный спектр азота

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 (темп. 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 - 63,29 К существует фаза β-N 2 с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P6 3 /mmc , параметры решётки a=3,93 Å и c=6,50 Å. При температуре ниже 36,61 К устойчива фаза α-N 2 с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P2 1 3 и период a=5,660 Å. Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83 K образуется гексагональная фаза γ-N 2 .

Химические свойства, строение молекулы

Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N 2 , электронная конфигурация которых описывается формулой σ s ²σ s *2 π x, y 4 σ z ², что соответствует тройной связи между молекулами азота N≡N (длина связи d N≡N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N 2 ↔ 2N удельная энтальпия образования ΔH° 298 =945 кДж, константа скорости реакции К 298 =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 N 2 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 N 2 . В лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N 2 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, со .

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 + N 2 → 2Li 3 N,

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

3Mg + N 2 → Mg 3 N 2 ,

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 N 2 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:

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3

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 было испробовано 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:

CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + C.

Реакция экзотермична, её тепловой эффект 293 кДж.

Ежегодно из атмосферы Земли промышленным путём отбирается примерно 1·10 6 т азота. Подробно процесс получения азота изложен здесь ГРАСИС

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.

Использование и применение

Слабокипящий жидкий азот в металлическом стакане.

Жидкий азот применяется как хладагент и 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. Станислав Лем, фантазируя на эту тему в книге «Фиаско», придумал экстренную систему заморозки азотом, в которой шланг с азотом, выбивая зубы, вонзался в рот астронавта и внутрь его подавался обильный поток азота.

Маркировка баллонов

Баллоны с азотом окрашены в чёрный цвет, должны иметь надпись жёлтого цвета и коричневую полосу(нормы

Знакомьтесь – азот и его круговорот

В предлагаемом цикле статей рассматривается логическая химия азота – предсказание физических и химических свойств веществ, исходя из строения атомов и молекул. Приводится дополнительная информация в цифрах, выходящая за рамки школьного курса. Экологическая химия азота содержит сведения о том, как живая и неживая природа реагирует на конкретные вещества. Даются рекомендации по уменьшению вредного воздействия этих веществ.

«Отрицающий жизнь»

История открытия азота тесно переплетена с историей развития химии вообще. С XVII в. ученых начали интересовать газы, были придуманы приборы для их собирания и исследования. Естественно, что они заинтересовались воздухом – газом, который всегда под рукой. Изучением воздуха занимались примерно в одно и то же время и Карл Шееле, и Джозеф Пристли, и Даниэль Резерфорд, и Генри Кавендиш. Вскоре они выделили из воздуха азот. Собственно говоря, азот выделился сам.

Например, анализ газовой смеси, образующейся при сжигании свечи под колпаком (рис. 1), показывает следующее. Кислород воздуха расходуется при горении, углекислый газ реагирует с известью, пары воды поглощаются прокаленным хлоридом кальция. Остается азот (и «букет» инертных газов в количестве около одного процента по объему). Выделить газ азот было несложно даже в то время. Открыть новое простое вещество было гораздо сложнее.

Рис. 1. Возможно, именно так получали азот и проверяли его свойства

Процессы взаимодействия веществ с воздухом объясняла теория флогистона. Предполагали, что флогистон – это горючее начало, которое выделяется из веществ при горении и рассеивается в воздухе. Эта теория очень похожа на современные теории горения с точностью до наоборот, как бы вверх ногами. Именно флогистон мешал опознать азот как простое вещество. Перевернул теорию с головы на ноги, избавил науку от флогистона Антуан Лоран Лавуазье. Попутно он убедил ученых, что азот – простое вещество, а не соединение чего-то с флогистоном.

В атмосфере чистого азота животные и растения погибают. Лавуазье об этом знал и назвал азот «отрицающим жизнь» (от греч. a – отрицательная частица и Zoos – живой). Такое название элемент № 7 имеет во французском и русском языках. Немецкое название обладает похожим смыслом: Stickstoff – удушающее вещество. Англичане пошли по другому пути, приняв название Nitrogen – селитру рождающий.

Вещество, без которого невозможна жизнь, назвали «жизнь отрицающим» (без азота жизнь невозможна хотя бы потому, что он разбавляет кислород в воздухе, ибо в чистом кислороде жизнь так же невозможна, как и в чистом азоте). Даже в названии проявилась уникальность элемента № 7.

Круговорот азота

Азот – один из элементов, активно используемых природой для построения веществ. Элемент азот содержится в нас с вами и почти во всех объектах фауны и флоры. Роль фауны и флоры в круговороте азота различна. Фауна поедает и переделывает те вещества, которые смастерила флора из «кирпичиков» неживой природы. Сами «кирпичики» – это воздух и водные растворы различных веществ. Подобное «разделение труда» – очень мудрое творение природы. Оно позволяет создавать более сложные и динамичные организмы.

Круговорот азота в животных – это область биохимии, а мы займемся неорганической химией в зеленой травинке и вокруг нее.

В растение азот попадает в виде растворенных в воде ионов. Это могут быть ионы аммония, которые сразу используются по назначению, или нитрат-ионы, которые для усвоения организмом должны превратиться в ионы аммония. Главное направление перестройки азотсодержащих соединений в растении: нитраты ® нитриты ® ионы аммония ® амины ® аминокислоты ® белки (рис. 2). Природой предусмотрена возможность и обратного хода, если какого-то из веществ окажется в избытке. Подробнее об этом будет рассказано при обсуждении экологических свойств соединений азота.

Рис. 2. Круговорот азота в зеленой травинке и вокруг нее (знаком показаны органические соединения – амины и белки)

В почве с помощью бактерий осуществляется превращение попавших в нее белков через аминокислоты и амины в нитрат ионы как наименее ядовитые и наиболее устойчивые. В этот круг задействован и атмосферный азот. Некоторые бактерии превращают молекулы N 2 в ионы аммония, другие бактерии возвращают азот N 2 в атмосферу, восстанавливая его из нитрат-ионов. Часть атмосферного азота превращается в соединения с помощью молний во время грозы. Природа в отличие от человека очень экономно и рационально расходует азот атмосферы.

Человек активно вмешивается в круговорот всех веществ и элементов, в том числе и азота. Сейчас изменился баланс: простое вещество азот – соединения азота. Многие азотистые соединения вместо выполнения полезных функций расходуются только на отравление окружающей среды.

Главным образом, это соединения, содержащиеся в выбросах различных предприятий и образующиеся при горении топлива.

Кроме того, что человек выбрасывает многие соединения «на ветер», он еще и разделил две половинки круговорота азота. Цепочка «нитрат ® белок» осуществляется на полях, а цепочка «белок ® нитрат» – в городах и поселках. Поэтому возникла потребность вносить азот в почву, удобрять ее, делать «доброй» и плодородной (рис. 3). Это непростая задача. Нельзя просто высыпать пакет нитрата аммония на грядку. Прежде надо тщательнейшим образом выяснить, в чем именно нуждается конкретная почва. Необходимо любить и знать свою землю. И не важно, бескрайние ли это поля или клумба под окнами.

Рис. 3. Разделенный круговорот азота:

– соединения азота, выбрасываемые в атмосферу двигателями автомобилей, заводами и т. п. (кислородсодержащие соединения и бескислородные, аммиак, дициан и т. п.);
– разделенные расстоянием соединения азота, включенные в круговорот только с помощью техники;
– обыкновенные машины, перевозящие азотсодержащие соединения

Конечно, представление об основных соединениях в «круге превращений» азота (см. рис. 2) получилось весьма схематичным. Помимо ионов аммония и нитрат-ионов растение впитывает и перерабатывает другие соединения азота. Интересны и сложны превращения одних белков в другие. Но невозможно объять необъятное.

Особенности строения атома азота

Адрес азота в периодической системе химических элементов – второй период, пятая группа, главная подгруппа. Основа уникальности элемента азота заложена в строении второго электронного слоя. Этот слой может разместить максимально восемь электронов на четырех атомных орбиталях (одна s и три p).

Отличие второго слоя от третьего и более удаленных от ядра атома электронных слоев в том, что он не имеет запасных d-орбиталей. Поэтому максимальное число химических связей для элементов второго периода равно четырем. (Для перехода электрона на третий слой необходима гораздо большая энергия, чем может выделиться при образовании химической связи. Именно поэтому в природе не существует пятивалентного азота.)

У элементов второго периода есть и еще одна особенность: предвнешний слой у них занят только двумя электронами. А это значит, что при сближении двух атомов при образовании одинарных и двойных связей их электронные оболочки будут меньше отталкивать друг друга.

Мы рассмотрели, как влияет пребывание элемента во 2-м периоде периодической системы на строение его атома. Теперь рассмотрим, к чему обязывает пребывание в V группе. У элементов группы Vа – пять электронов на внешнем электронном слое. До октета (до восьми) не хватает трех электронов. Можно предположить, что простое вещество азот имеет молекулярное строение. Действительно, молекулы N 2 (NєN) состоят из двух атомов, соединенных тройной связью.

Вещества с молекулярной кристаллической решеткой имеют относительно низкие температуры плавления и кипения, силы межмолекулярного притяжения на несколько порядков слабее химической ковалентной связи. Вдобавок ко всему молекула азота очень легкая. Напрашивается вывод, что температуры плавления и кипения азота даже не относительно, а значительно низкие. (Действительно, воздух в Антарктиде не сжижается сам по себе, хотя температуры там бывают до –80 °C.)

Молекула азота образована одинаковыми атомами и, следовательно, неполярна. Поэтому азот слабо растворяется в воде. Следует, однако, помнить про увеличение растворимости азота в воде с ростом внешнего давления. Именно поэтому водолазам с больших глубин, где давление выше, приходится подниматься медленно. Иначе растворившийся в крови азот, выделяясь, как бы вскипает, образуя пузырьки в кровеносных сосудах.

Знания о строении молекулы азота могут посодействовать и в предсказании химических свойств этого вещества. При химических реакциях разрываются имеющиеся между атомами связи и образуются новые. Понятно, что разорвать тройную связь намного сложнее, чем двойную и одинарную (крученую веревку разорвать сложнее, чем одну из нитей). Скорее всего простое вещество азот должно неохотно вступать во взаимодействие с другими веществами.

Так оно и есть на самом деле. При обычных условиях и даже при небольшом нагревании азот практически ни с чем не реагирует. И это замечательно, потому что иначе нас не было бы на этой голубой планете и планета, возможно, не была бы голубой.

Вопросы. Выскажите предположения о жизни на Земле, если бы азот был твердым веществом, как углерод, фосфор, кремний. А что случится, если азот станет таким же активным, как кислород и фтор?

Физические свойства азота в цифрах

Молярная масса – 28 г/моль. Температура плавления равна –210 °С, температура кипения составляет –195,8 °С. Плотность газообразного азота при нормальных условиях (1 атм, 0 °С) – 1,251 г/л. (Для справки: плотность воздуха при нормальных условиях составляет 1,293 г/л, азот немного легче воздуха.) Плотность жидкого азота (при –196 °С) – 0,808 г/см3. Растворимость при 1 атм и 0 °С – 2,35 мл газа на 100 г воды, при 20 °С – 1,54 мл N 2 на 100 г воды.

Химические свойства азота

1. Реакции с металлами.

При обычных условиях азот реагирует с литием:

При нагревании идут реакции с Nа, Са, Мg, Мn. Марганец, например, соединяется с азотом при 1200 °С:

3Mn + N 2 = Mn 3 N 2 .

Иными словами, азот реагирует только с наиболее активными металлами, да и то с неохотой.

2. Реакции с неметаллами.

При нагревании до 1200 °С азот начинает реагировать с кислородом. Однако в этих условиях оксида азота получается мало. При 3000 °С равновесие в реакции устанавливается мгновенно и оксид азота образуется в ощутимых количествах:

Такая температура возможна в канале молнии, поэтому именно при грозах растения естественным путем пополняют свой запас соединениями азота.

При нагревании под давлением (500 °С, 300 атм) в присутствии катализатора (например, железо, активизированное оксидами кальция и алюминия) азот реагирует с водородом. Даже при таких жестких условиях выход аммиака не превышает 30%, но этого достаточно для промышленного использования этой реакций:

3. Реакции со сложными веществами.

При нагревании карбида кальция до 1000 °С в наглухо закрытой печи с подачей туда под давлением азота между ними протекает реакция:

Экологические свойства простого вещества азота

Азот – «жизнь отрицающий элемент» – на самом деле элемент, жизнь утверждающий. И в первую очередь азот утверждает жизнь своей инертностью. Разбавляя кислород, он дает возможность реакциям окисления органических веществ протекать сравнительно медленно и останавливаться на «полустанках» – промежуточных степенях окисления углерода. Для всего живого азот безвреден в любых количествах (при наличии, однако, необходимых количеств кислорода и углекислого газа).

В то же время азот может быть носителем вредного и просто опасного. Например, азот спокойно может снести крышу дома во время урагана. Ведь воздушные массы – и ураган, и муссон, и просто ветер – это все на три четверти азот. И экологическая химия азота превращается в экологию воздуха – тему весьма обширную. А посему пора поставить точку.

МОБУСОШ №2

Реферат по химии на тему:

“Характеристика элементов подгруппы азота”

Подготовил: Насертдинов К.

Проверил (а):

Агидель-2008

1. Характеристика элементов подгруппы азота

2. Строение и характеристика атомов

2.1 Азот

2.1.1 Свойства азота

2.1.2 Применение азота

2.2 Аммиак

2.2.1 Свойства аммиака

2.2.2 Применение аммиака

2.2.3 Оксиды азота

2.3 Азотная кислота

2.3.1 Свойства азотной кислоты

2.3.2 Соли азотной кислоты и их свойства

2.3.3 Применение азотной кислоты и ее солей

2.4 Фосфор

2.4.1 Соединения фосфора

2.4.2 Применение фосфора и его соединений

2.5 Минеральные удобрения

Литература

1. Характеристика элементов подгруппы азота

Азот - важнейшая составная часть атмосферы (78% ее объема). В природе встречается в белках, в залежах нитрата натрия. Природный азот состоит из двух изотопов: 14 N (99,635% массы) и 15 N (0,365% массы).

Фосфор входит в состав всех живых организмов. В природе встречается в виде минералов. Фосфор широко применяется в медицине, сельском хозяйстве, авиации, при добыче драгметаллов.

Мышьяк, сурьма и висмут распространены достаточно широко, в основном в виде сульфидных руд. Мышьяк - один из элементов жизни, способствующий росту волос. Соединения мышьяка ядовиты, но в малых дозах могут оказывать лечебное свойства. Мышьяк применяется в медицине и ветеринарии.

2. Строение и характеристика атомов

Элементы подгруппы на внешнем электрослое имеют пять электронов. Они могут отдавать их, и могут притягивать к себе еще три электрона от других атомов. Поэтому степень окисления у них от - 3 до +5. Их летучие водородные и высшие кислородные соединения имеют кислотный характер и обозначаются общими формулами: RH 3 и R 2 O 5 .

У элементов подгруппы неметаллические свойства, а вместе с тем и способность к притягиванию электронов меньше, чем у элементов подгрупп галогенов и кислорода.

В подгруппе азота в периодической системе при переходе элементов сверху вниз металлические свойства увеличиваются.

Азот и фосфор - неметаллы, у мышьяка и сурьмы наблюдаются свойства металлов, висмут - металл.

Название вещества	Молекулярная формула	Строение	Физические свойства	Плот ность, г/см 3	Темпера тура, о С
	N 2	Молекулярное	Газ без цвета, запаха, вкуса, растворим в воде
Фосфор белый	P 4	Тетраэдрическая молекула. Молекулярная кристаллическая решетка.	Твердое мягкое вещество, без цвета, малорастворимо в воде, растворимо в серо углероде
Мышьяк серый	As 4		Хрупкое кристаллическое вещество с металл. блеском на свежем изломе. Нерастворим в воде. Очень слабый проводник электричества		Сублимирует ся, переходит из твердого состояния в газообразное (пар) при 615 о С
	Sb 4		Серебристо-белое кристаллическое вещество, хрупкое, плохой проводник тепла и электричества
	Bi n	Молекулярный кристалл, в котором каждый атом связан с тремя соседними.	Розово-белое, хрупкое кристаллическое вещество, напоминающее внешне металл, электропроводность незначительна

Таблица свойств простых веществ элементов подгруппы азота.

2.1 Азот

Азот является начальным и важнейшим элементом подгруппы. Азот - типичный неметаллический элемент. В отличие от других элементов подгруппы, азот не имеет возможности увеличения валентности. Электронная структура представлена семью электронами, расположенными на двух энергетических уровнях. Электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 3 . Степени окисления азота: - 3,+5,-2,-1,+1,+2,+3,+4. Атом азота имеет высокую химическую активность, он присоединяет электроны активнее атомов серы и фосфора.

2.1.1 Свойства азота

Азот при нормальных условиях - молекулярное, газообразное, малоактивное вещество, молекула состоит из двух атомов; бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде, немного легче воздуха, не реагирует с кислородом, при - 196 о С сжимается, при - 210 о С превращается в снегоподобную массу.

Азот химически малоактивен. Он не поддерживает ни дыхания, ни горения. При комнатной температуре реагирует только с литием, образуя Li 3 N . Для разрыва молекулы азота следует затратить 942 кДж/моль энергии. Реакции, в которые вступает азот, являются окислительно-восстановительными, где азот проявляет свойства как окислителя, так и восстановителя.

При повышенной температуре азот соединяется со многими металлами, при комнатной - только с литием. С неметаллами азот взаимодействует при еще большей температуре. Благодаря этому, возможна жизнь на нашей планете, так как если бы азот вступал бы в реакцию при небольших температурах, то он среагировал с кислородом, вместе с которым входит в состав воздуха, и живые существа не смогли бы дышать этой смесью газов.

2.1.2 Применение азота

Азот в промышленности получают из воздуха, используя различие температур кипения азота и кислорода.

Азот применяют в химической промышленности для получения аммиака, мочевины и проч.; в электротехнике при создании электроламп, перекачке горючих жидкостей, сушке взрывчатых веществ и проч.

2.2 Аммиак

Аммиак - одно из важнейших водородных соединений азота. Он имеет огромное практическое значение. Жизнь на Земле во многом обязана некоторым бактериям, которые могут перерабатывать азот воздуха в аммиак.

2.2.1 Свойства аммиака

Молекула аммиака образуется за счет спаривания трех p -электронов атома азота с тремя s -электронами атомов водорода. Степень окисления: - 3. Молекула аммиака сильно полярна.

Аммиак - бесцветный газ с резким запахом, почти в два раза легче воздуха. При охлаждении до - 33 о С он сжимается. Аммиак хорошо растворяется в воде.

Аммиак - химически активное соединение, вступающее в реакцию со многими веществами. Чаще всего это реакции окисления и соединения. В окислительно-восстановительных реакциях аммиак выступает только в качестве восстановителя. Аммиак горит в кислороде, активно соединяется с водой и кислотами.

2.2.2 Применение аммиака

Аммиак используют для производства азотной кислоты и азотосодержащих минеральных удобрений, солей, соды. В жидком виде его применяют в холодильном деле. Аммиак применяют в медицине для создания нашатырного спирта; в быту в составе пятновыводящих средств, а также в химических лабораториях. Соли аммония применяют для производства взрывчатых веществ, удобрений, электробатарей, для обработки и сварки металлов.

2.2.3 Оксиды азота

Для азота известны оксиды, отвечающие всем его положительным степеням окисления (+1,+2,+3,+4,+5): N 2 O , NO , N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 4 , N 2 O 5 . При обычных условиях азот с кислородом не взаимодействует, только при пропускании через их смесь электрического разряда.

NO 2	Оксид азота (IV ) - диоксид азота	Солеобразующие	Бурый газ со специфическим запахом, растворим в воде, легко димеризуется
N 2 O 5	Оксид азота (V ) - азотный ангидрид		Белое кристал- лическое вещество. t пл =32,3 о С,раст-воримо в воде.		Проявляет свойства кислотных оксидов, термически неустойчив, ядовит

Таблица свойств оксидов азота.

2.3 Азотная кислота

2.3.1 Свойства азотной кислоты

Молекула азотной кислоты HNO 3 состоит из трех элементов, соединенных между собой ковалентными связями. Это молекулярное вещество, содержащее предельно окисленный атом азота. Однако валентность азота в кислоте равна четырем вместо обычной степени окисления азота.

Чистая азотная кислота - бесцветная жидкость, дымящаяся на воздухе, с едким запахом. Концентрированная азотная кислота окрашена в желтый цвет. Плотность азотной кислоты равна 1,51 г/см 3 , температура кипения 86 о С, а при температуре - 41,6 о С она затвердевает в виде прозрачной кристаллической массы. Кислота растворяется в воде и водном растворе является электролитом.

Разбавленная азотная кислота проявляет свойства, общие для всех кислот. Она является сильным окислителем. При комнатной температуре кислота разлагается на оксид азота (IV ), кислород и воду, поэтому ее хранят в темных бутылях в прохладе. Она реагирует с металлами (кроме золота и платины), как с активными, так и с малоактивными.

Многие неметаллы окисляются азотной кислотой. Азотная кислота, особенно концентрированная, окисляет органические вещества. Животные и растительные ткани быстро разрушаются при попадании на них азотной кислоты.

2.3.2 Соли азотной кислоты и их свойства

Соли азотной кислоты, нитраты, образуются при взаимодействии кислоты с металлами, оксидами металлов, основаниями, аммиаком, а также с некоторыми солями.

Нитраты - твердые кристаллические вещества, хорошо растворяются в воде, сильные электролиты. При нагревании разлагаются с выделением кислорода. Имеет ряд специфических свойств как окислителя. В зависимости от характера металла, реакция разложения протекает по-разному.

Качественную реакцию на нитрат-ион (растворы азотной кислоты и ее соли) проводят так: в пробирку с исследуемым веществом добавляют медные стружки, доливают концентрат серной кислоты и нагревают. Выделение бурого газа свидетельствует о наличии нитрат-иона.

Качественная реакция на твердые нитраты: щепотку соли бросают в огонь горелки, и если соль является нитратом, то произойдет яркая вспышка вследствие разложения соли с выделением кислорода.

2.3.3 Применение азотной кислоты и ее солей

Азотная кислота является одним из крупнотоннажных и важных продуктов химической промышленности. Ее широко применяют для производства удобрений, бездымного пороха, взрывчатых веществ, лекарств, красителей, пластмасс. Ее соли применяют в пиротехнике; для производства удобрений, взрыввеществ, некоторых оксидов металлов.

2.4 Фосфор

Фосфор относится к элементам-неметаллам. По числу электронов и по электронной конфигурации (3s 2 3p 3) атом фосфора является аналогом азота. Но по сравнению с атомом азота атом фосфора имеет больший радиус, меньшую энергию ионизации и ОЭО, поэтому у фосфора неметаллические свойства проявляются слабее. Степени окисления: - 3,+3,+5.

У фосфора в свободном состоянии образуются аллотропные модификации: белый, красный и черный фосфор. Аллотропные видоизменения взаимосвязаны и могут переходить друг в друга. Фосфор в реакциях может быть как восстановителем, так и окислителем. В реакциях с активными металлами фосфор приобретает степень окисления - 3.

Продуктами реакции являются фосфиды (непрочные соединения, легко разлагаются водой с образованием PH 3 .

Аллотропные формы	Обозначение состава	Тип кристаллической решетки	Характеристики важнейших свойств
Белый фосфор	P 4	Молекулярная решетка	Кристаллическое вещество белого цвета с желтоватым оттенком и чесночным запахом; t пл =44 o C , t кип =280 о С,t воспл =40 о С (в измельченном виде). Хорошо растворим в сероуглероде. Светится в темноте. Ядовит!
Красный фосфор		Атомная решетка	Красно-бурый порошок, без запаха, в воде и сероуглероде нерастворим; t воспл =260 о С, t пл. не имеет, т. к. до плавления переходит в пары белого фосфора. Не светится. Не ядовит, нелетуч.
Черный фосфор		Атомная решетка	Вещество, похожее на графит. Черное, жирное на ощупь, тяжелее белого и красного фосфора; t воспл >490 о С. Нерастворим в воде и серо углероде. Полупроводник. Не светится. Не ядовит, нелетуч

Таблица аллотропных форм фосфора.

2.4.1 Соединения фосфора

Соединения фосфора с водородом представляет собой газообразный фосфористый водород, или фосфин PH 3 (бесцветный ядовитый газ с чесночным запахом, воспламеняется на воздухе).

У фосфора несколько оксидов: оксид фосфора (III ) P 2 O 3 (белое кристаллическое вещество, образуется при медленном окислении фосфора в условиях недостатка кислорода, ядовит) и оксид фосфора (V ) P 2 O 5 (образуется из P 2 O 3 при его нагревании, растворим в воде с образованием фосфористой кислоты средней силы) наиболее важные. Наиболее характерный свойством второго является гигроскопичность (поглощение паров воды из воздуха), при этом он расплывается аморфную массу HPO 3 . При кипячении P 2 O 5 образуется фосфорная кислота H 3 PO 4 (белое кристаллическое вещество, расплывается на воздухе, t пл =42,35 о С,не ядовита, растворима в воде, электролит, получают, окисляя 32%-ую азотную кислоту). Фосфаты почти всех металлов (кроме щелочных) нерастворимы в воде. Дигидрофосфаты хорошо растворимы в воде.

2.4.2 Применение фосфора и его соединений

Большое количество фосфора идет на производство спичек, белый фосфор широко используется при создании зажигательных снарядов, дымовых шашек, снарядов и бомб, соли фосфорной кислоты применяются в сельском хозяйстве как фосфорные удобрения.

2.5 Минеральные удобрения

Вид и название	Хим. состав	Состояние и внешний вид	Питательный элемент и его содержание, %
Азотные удобрения
Нитрат натрия (чилийская селитра)	NaNo 3	Бело-серое кристаллическое вещество, гигроскопичное, растворим в H 2 O
Нитрат аммония	NH 4 NO 3	Белое кристаллическое, очень гигроскопичное вещество
Сульфат аммония	(NH 4 ) 2 SO 4	Бело-серый кристаллический порошок, слабо гигроскопичен
Карбамид (мочевина)	(NH 2 ) 2 CO	Белое мелкокристаллическое гигроскопичное вещество
Жидкий концентрированный аммиак	NH 3	Жидкость с резким запахом, хорошо растворима в воде
Аммиачная вода	NH 3 +H 2 O	Раствор аммиака в воде
Аммиакаты	NH 4 NO 3 +NH 3 + H 2 O	Водный раствор аммиачной селитры и аммиака
Фосфорные удобрения			P 2 O 5
Суперфосфат простой	Ca (H 2 PO 4 ) 2 х х CaSO 4	Серое порошкообразное вещество, растворимо в воде с балластом CaSO 4
Двойной суперфосфат	Ca (H 2 PO 4 ) 2	Сходен с просты суперфосфатом, но без балласта.
Преципитат	CaHPO 4 x x 2H 2 O	Бело-серое порошкообразное вещество, хорошо растворимое в воде
Калийные удобрения			K 2 O
Хлорид калия		Белое мелкокристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде
Сульфат калия	K 2 SO 4	Белое кристаллическое негигроскопичное вещество
Комплексные удобрения
Нитрат калия	KNO 3	Белое кристаллическое хорошо растворимое в воде вещество	Двойное удобрение K и N
	NH 4 H 2 PO 4		P 2 O 5 -46-50%
Диаммофос	(NH 4 ) 2 HPO 4		N-21%,P 2 O 5 -53%
Аммофоска	(NH 4 ) 2 HPO 4 + NH азота в природе Общая характеристика элементов подгруппы азота СВОЙСТВА АЗОТА Изотопы, ... воде кислород . Общая характеристика элементов подгруппы азота Азот фосфор Мышьяк Сурьма Висмут Строение... Металлы побочной подгруппы I группы Курсовая работа >> Химия Каления медь подвергается воздействию оксидов азота : N2O и NO взаимодействуют... , и различными физико-химическими характеристиками . Соединения серебра имеют значительное... этом отношении несколько ближе других элементов подгруппы меди стоит к щелочным металлам... Периодическая система элементов Менделеева Реферат >> Химия ... элементов могут меняться в широком диапазоне от неметаллических к металлическим (например, в главной подгруппе V группы азот ... и др.). Итак, главной характеристикой атома является не атомная масса... и точная характеристика атома, а значит, и элемента . От... Химические элементы , их связи и валентность Контрольная работа >> Химия Из важнейших характеристик элемента . Известно более 110 химических Элементов , они, ... электроотрицателъностью. Различают химические элементы главных подгрупп , или непереходные элементы , в которых... числами: Закись азота N2O Окись азота NO Азотистый ангидрид... Химический элемент - Скандий Реферат >> Химия Fe3+, Mn3+), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы , вместе с которыми... (450 °С) образуется гидрид ScH2, с азотом (600-800 °С) - нитрид ScN, ... с бериллием, обладающие уникальными характеристиками по прочности и жаростойкости. Так...