Азот
Азот | ||||
---|---|---|---|---|
← Углерод | Кислород → | ||||
| ||||
Внешний вид простого вещества | ||||
Свойства атома | ||||
Название, символ, номер | Азо́т / Nitrogenium (N), 7 | |||
период , блок |
15 (устар. 5), 2, p-элемент |
|||
Атомная масса (молярная масса) |
[14,00643; 14,00728][комм 1][1] а. е. м. (г/моль) | |||
Электронная конфигурация |
[He] 2s22p3 1s22s22p3 |
|||
Радиус атома | 75 пм | |||
Химические свойства | ||||
Ковалентный радиус | 75 пм | |||
Радиус иона | 13 (+5e) 171 (−3e) пм | |||
Электроотрицательность | 3,04[2] (шкала Полинга) | |||
Степени окисления | −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 | |||
Энергия ионизации (первый электрон) |
1401,5 (14,53) кДж/моль (эВ) | |||
Термодинамические свойства простого вещества | ||||
Плотность (при н. у.) | 0,808 г/см³ (−195,8 °C); 1,1649 кг/м³ в стандартных условиях по ГОСТ 2939-63; при н. у. 0,001251 г/см³ | |||
Температура плавления | 63,29 K (−209,86 °C) | |||
Температура кипения | 77,4 K (−195,75 °C) | |||
Мол. теплота плавления | (N2) 0,720 кДж/моль | |||
Мол. теплота испарения | (N2) 5,57 кДж/моль | |||
Молярная теплоёмкость | 29,125[3] (газ N2) Дж/(K·моль) | |||
Молярный объём | 22,4⋅103 см³/моль | |||
Кристаллическая решётка простого вещества | ||||
Структура решётки | Кубическая | |||
Параметры решётки |
5,661 Å | |||
Прочие характеристики | ||||
Теплопроводность | (300 K) 0,026 Вт/(м·К) | |||
Номер CAS | 7727-37-9 |
7 | Азот
|
1s² 2s² 2p³ |
Азо́т (
Как
.Один из самых распространённых элементов на Земле. Основной компонент воздуха: 78 % объёма.
Химически весьма инертен, однако реагирует с комплексными соединениями переходных металлов. Применяется как инертная среда для множества технологических процессов; жидкий азот — хладагент.
Азот — один из основных
.История открытия
В 1772 году
Интересен тот факт, что он сумел связать азот с кислородом при помощи разрядов
Джозеф Пристли в это же время проводил серию экспериментов, в которых также связывал кислород воздуха и удалял полученный углекислый газ, то есть также получал азот, однако, будучи сторонником господствующей в те времена теории флогистона, также неверно истолковал полученные результаты — он решил, что выделил флогистированный (то есть насыщенный флогистоном) воздух[5]:41.
В сентябре 1772 года
В том же году азот выделил шведский химик Карл Шееле: летом 1772 года он получил азот по методу Кавендиша и исследовал его в течение пяти лет, затем опубликовал результаты своих исследований. В этой публикации Шееле первым описал атмосферный воздух как смесь отдельных газов: «огненного воздуха» (кислорода) и «грязного воздуха» (азота). Таким образом, точно установить первооткрывателя азота не представляется возможным[5]:41.
Происхождение названия
Название азо́т (
Само слово азот (без связи с газом) известно с древности и употреблялось философами и алхимиками средневековья для обозначения «первичной материи металлов», так называемого . Однако отсутствуют данные о связи этого алхимического термина с назанием для газа, предложенным Лавуазье.
Многие современники Лавуазье считали название элемента неудачным, в частности, Жан-Антуан Шапталь предложил название nitrogène («рождающий селитру») и использовал это название в своей книге «Элементы химии»[9]. Поныне соединения азота называют нитраты, нитриты и нитриды[5]:42.
Во французском языке название нитроген не прижилось, зато в английском, испанском, венгерском и норвежском используется производное от этого слова. В португальском языке в разговорной речи преимущественно используется как название нитрогениу (порт.-браз. nitrogênio, европ. порт. nitrogénio), в научных работах, особенно в Португалии и Макао, преобладает название azoto.
В немецком языке используется название Stickstoff, что означает «удушающее вещество», аналогично в нидерландском и шведском; схожие по значению названия используются в некоторых славянских языках, например, хорв. и словен. dušik [ˈduʃik][5]:42, a также в ивр. חַנְקָן [hanˈkan].
Название «азот», помимо французского и русского, принято в итальянском, турецком и ряде славянских языков, а также во многих языках народов России и бывшего СССР.
До принятия символа в России, Франции и других странах использовался символ , который можно видеть, например, в статье А. М. Бутлерова об аминах 1864 года[10][5]:42.
Азот в природе
Изотопы
Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14N — 99,635 % и 15N — 0,365 %.
Искусственно получены четырнадцать радиоактивных изотопов азота с массовыми числами от 10 до 13 и от 16 до 25. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13N имеет период полураспада 10 мин.
Спин ядер стабильных изотопов азота: 14N — 1; 15N — 1/2.
Распространённость
Азот — один из самых распространённых элементов на
Азот в форме двухатомных молекул N2 составляет большую часть атмосферы Земли, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму), то есть около 3,87⋅1015 т.
Содержание азота в земной коре, по данным разных авторов, составляет (0,7—1,5)⋅1015 т (причём в
Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2⋅1013 т, кроме того, примерно 7⋅1011 т азота содержатся в гидросфере в виде соединений.
Биологическая роль
Азот является химическим элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав
Химия гидридов азота при давлениях порядка 800 ГПа (около 8 миллионов атмосфер) более разнообразна, чем химия углеводородов при нормальных условиях [12]. Отсюда появилась гипотеза, что азот может быть основой пока неоткрытой жизни на таких планетах, как Уран и Нептун[13][5]:43.
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 25 000 °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⋅108 т/год)
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 вымываются водой и в результате попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5—8⋅107 т/год).
Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается
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 слишком инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает
Получение
Разложение нитрита аммония
В лаборатории азот можно получать по реакции разложения нитрита аммония:
Реакция экзотермическая, идёт с выделением 80 ккал (335 кДж) тепла на 1 моль вступившего в неё нитрита, 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
Нагревание дихромата калия с сульфатом аммония
Ещё один лабораторный способ получения азота — нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция описывается уравнениями:
Разложение азидов
Наиболее чистый азот можно получить разложением азидов металлов:
Реакция воздуха с раскалённым коксом
Так называемый «воздушный», или «атмосферный» азот, то есть смесь азота с
Перегонка воздуха
Молекулярный азот в промышленности получают
Пропускание аммиака над оксидом меди (II)
Один из лабораторных способов — пропускание аммиака над оксидом меди(II) при температуре ~700 °C:
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) (~700 °C), затем сушат концентрированной серной кислотой и сухой щёлочью. Реакция протекает достаточно медленно, но обеспечивает получение азота высокой чистоты.
Свойства
Физические свойства
При нормальных условиях азот — это бесцветный газ, не имеет запаха, малорастворим в воде (2,3 мл/100 г при 0 °C, 1,5 мл/100 г при 20 °C, 1,1 мл/100 г при 40 °C, 0,5 мл/100 г при 80 °C[14]), плотность 1,2506 кг/м³ (при н. у.).
В жидком состоянии (темп. кипения −195,8 °C) — бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. Плотность жидкого азота 808 кг/м³. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.
При −209,86 °C азот переходит в твёрдое 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-N2 с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P63/mmc, параметры решётки a=3,93 Å и c=6,50 Å. При температуре ниже 36,61 К устойчива фаза α-N2 с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P213 и период a=5,660 Å. Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83 K образуется гексагональная фаза γ-N2.
Фазовая диаграмма
Фазовая диаграмма азота показана на рисунке.
Химические свойства, строение молекулы
Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N2, электронная конфигурация которых описывается формулой σs²σs*2πx, y4σz², что соответствует тройной связи между атомами азота N≡N (длина связи dN≡N = 0,1095 нм). Связь обладает исключительно высокой прочностью: для реакции диссоциации N2 ↔ 2 N изменение энтальпии составляет ΔH°298 = 945 кДж/моль[15], константа скорости реакции К298 = 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
Вследствие большой прочности молекулы азота некоторые его соединения эндотермичны (многие галогениды, азиды, оксиды), то есть энтальпия их образования положительна, 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:
при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды:
Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак) NH3, получаемый взаимодействием водорода с азотом (см. ниже).
Под действием электрического разряда реагирует с кислородом, образуя оксид азота(II) NO:
Описано несколько десятков комплексов с молекулярным азотом.
Промышленное связывание атмосферного азота
Соединения азота чрезвычайно широко используются в различных областях химии: производства индустрия удобрений, взрывчатых веществ, красителей, лекарств и многих других продуктов химической промышленности. Хотя колоссальным природным источником азота является атмосферный воздух, инертность азота долгое время служила причиной отсутствия эффективных методов превращения N2 в другие азотсодержащие соединения; большая часть соединений азота ранее производилась из его минералов, в частности, чилийской селитры. Прогресс в этой области стал возможен после создания технологии получения водорода путем переработки природного газа в синтез-газ. Именно реакция азота и водорода, приводящая к образованию аммиака, обеспечивает большую часть потребностей населения в азотсодержащих соединениях:
Синтез аммиака является экзотермической (тепловой эффект 92 кДж/моль) и обратимой реакцией, протекающей с уменьшением объёма, поэтому для смещения равновесия в сторону образования аммиака в соответствии с
В таких случаях используется катализ, так как подходящий катализатор позволяет увеличить скорость реакции без смещения равновесия. Наибольшую эффективность по совокупности факторов (каталитическая активность, стойкость к отравлению, стоимость) проявил катализатор на основе металлического железа с добавками оксидов алюминия и калия. Процесс ведут при температуре 400—600 °C и давлениях 10—1000 атмосфер.
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 %.
Другой метод промышленного связывания атмосферного азота — цианамидный метод — основан на реакции карбида кальция с азотом при 1000 °C:
Реакция экзотермична, её тепловой эффект составляет 293 кДж/моль.
Ежегодно из атмосферы Земли промышленным путём отбирается примерно 1⋅106 т азота.
Соединения азота
Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5.
- Соединения азота в степени окисления −3 представлены нитридами, из которых наибольшую практическую ценность представляет аммиак, а также нитрид урана — перспективное ядерное топливо для атомных реакторов нового поколения[16];
- Соединения азота в степени окисления −2 менее характерны, представлены пернитридами, наиболее известен пернитрид водорода N2H4, или гидразин и диметилгидразин (ракетное топливо). 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), азотноватистая кислота;
- Соединения азота в степени окисления +2: оксид азота(II) NO (монооксид азота), азотноватая кислота;
- Соединения азота в степени окисления +3: трифторид азотаNF3;
- Соединения азота в степени окисления +4: оксид азота(IV) NO2 (диоксид азота, бурый газ);
- Соединения азота в степени окисления +5: оксид азота(V) N2O5 (пентаоксид диазота), азотная кислота, её соли — нитраты, тетрафтораммоний NF4+ и его соли.
Применение
В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). |
Газообразный азот
Промышленное применение газообразного азота обусловлено его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению. В нефтедобывающей промышленности газообразный азот применяется для обеспечения безопасного бурения, используется в процессе капитального и текущего ремонта скважин. Кроме того, газообразный азот высокого давления используют в газовых методах повышения нефтеотдачи пласта. В нефтехимии азот применяется для продувки резервуаров и трубопроводов, проверки работы трубопроводов под давлением, увеличения выработки месторождений. В горнодобывающей промышленности азот используется для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы, тушения эндогенных пожаров. В производстве электроники и ряде других производств азот применяется для создания бескислородной инертной атмосферы.
Газообразным азотом заполняют камеры шин шасси летательных аппаратов. Кроме того, в последнее время заполнение шин азотом стало популярно и среди автолюбителей, хотя однозначных доказательств эффективности использования азота вместо воздуха для наполнения автомобильных шин нет.
В пищевой промышленности азот зарегистрирован в качестве пищевой добавки E941, используемой как пропеллент (газ, предназначенный для выталкивания пищевого продукта из ёмкости и контейнера[17]), а также газовая среда для упаковки и хранения[18].
Жидкий азот
Жидкий азот применяется как
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.
При комнатной температуре жидкий азот активно испаряется. По этой причине его хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных ёмкостях под давлением.
Жидкий азот используется в качестве средства пожаротушения: при испарении азот вытесняет из очага возгорания кислород, необходимый для горения, и пожар прекращается. Ввиду инертности азота и простоте его удаления, азотное пожаротушение, наряду с использованием фторированных углеводородов, является самым эффективным способом тушения пожаров с точки зрения сохранения ценностей (таких как элетроника, серверы для хранения данных), подверженных повреждениям при использовании других средств пожаротушения (вода, углекислота и др).
Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. При этом заморозка жидким азотом живых существ с возможностью последующей их разморозки — широко распространённое заблуждение. Проблема заключается в невозможности заморозить (и разморозить) существо достаточно быстро, чтобы неоднородность заморозки не сказалась на его жизненных функциях. Это связано в том числе с довольно низкой теплоёмкостью азота.
Станислав Лем в своем научно-фантастическом романе «Фиаско», описал способ экстренной заморозки астронавта жидким азотом.
Маркировка баллонов
Выпущенные в России баллоны с азотом, согласно требованиям ПБ 03-576-03, должны быть окрашены в чёрный цвет с коричневой полосой и надписью жёлтого цвета[19]. ГОСТ 26460-85 не требует полосы, но надпись должна содержать сведения о чистоте азота (особой чистоты, высокой чистоты, повышенной чистоты)[20].
Опасность для здоровья
В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). |
В обычных условиях азот не токсичен, однако при повышенном атмосферном давлении способен вызывать азотное отравление. Большинство соединений азота представляют сильную опасность для здоровья. Азот относится ко 3-му классу опасности.
Комментарии
- ↑ Указан диапазон значений атомной массы в связи с неоднородностью распространения изотопов в природе.
Примечания
- 5 февраля 2014 года.
- ↑ Nitrogen: electronegativities (англ.). WebElements. Дата обращения: 5 августа 2010. Архивировано 29 марта 2016 года.
- ↑ Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 58. — 623 с. — 100 000 экз.
- ↑ 1 2 Азот // Казахстан. Национальная энциклопедия . — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2004. — Т. I. — ISBN 9965-9389-9-7. (CC BY-SA 3.0)
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Рулёв, Александр. Парадоксальный тривиальный азот // Наука и жизнь. — 2019. — № 3. — С. 40—43.
- ↑ Guyton de Morveau L. B., Lavoisier A. L., Berthollet C. L., de Fourcroy A. F. Méthode de nomenclature chimique (фр.). — Paris, 1787. — С. 36.
- ↑ Малина, И. К. Безжизненный ли азот? // Книга для чтения по неорганической химии : Пособие для учащихся — М. : Просвещение, 1975. — Ч. II. — С. 42—52.
- ↑ Фигуровский, Н. А. Азот, Nitrogenium, N (7) // Открытие элементов и происхождение их названий. — М. : Наука, 1970. — 207 с.
- ↑ Chaptal, J. A. Élémens de chimie (фр.). — 1790. — Т. 1. — С. 126.
- ↑ Sur les explications différentes de quelques cas d’Isomérie, par M. A. Boutlerow (фр.) // Bulletin de la Société chimique de Paris, Nouvelle Série. — 1864. — Vol. I. — P. 112.
- .
- .
- .
- ↑ Справочник по растворимости / Отв. ред. Кафаров В. В.. — М-Л: Издательство Академии наук СССР, 1961. — Т. 1 Кн. 1. — 960 с.
- ↑ Nitrogen atom.
- ↑ Почему нитрид лучше оксида для быстрых реакторов . Дата обращения: 25 апреля 2024.
- ↑ ГОСТ Р 54299–2005 Пищевые добавки. Термины и определения. Раздел. 2.19.
- ↑ Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 029/2012 Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств (с изменениями на 29 августа 2023 года). Приложение 2.
- ↑ Табл. 17. Окраска и нанесение надписей на баллоны // ПБ 03-576-03 : Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением : Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. — М. : НТЦ «Промышленная безопасность», 2008. — С. 103. — 186 с. — (Серия 03. Документы межотраслевого применения по вопросам промышленной безопасности и охраны недр ; вып. 24).
- ↑ Скачать ГОСТ 26460-85 Продукты разделения воздуха. Газы. Криопродукты. Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение . files.stroyinf.ru. Дата обращения: 26 мая 2023. Архивировано 26 мая 2023 года.
Литература
- Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т. 1. — М.: Химия, 1973;
- Химия: Справ. изд. / В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.; Пер. с нем. — 2-е изд., стереотип. — М.: Химия, 2000. — ISBN 5-7245-0360-3 (рус.), ISBN 3-343-00208-9 (нем.);
- Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — 5-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2003. — ISBN 5-06-003363-5;
- Гусакова Н. В. Химия окружающей среды. — Ростов н/Д: Феникс, 2004. — ISBN 5-222-05386-5. — (Высшее образование).
- Исидоров В. А. Экологическая химия. — СПб: Химиздат, 2001. — ISBN 5-7245-1068-5;
- Трифонов Д. Н., Трифонов В. Д. Как были открыты химические элементы. — М.: Просвещение, 1980;
- Справочник химика. — 2-е изд. — Т. 1. — М.: Химия, 1966.
Ссылки
- Азот, химический элемент // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- Азот на Webelements
- Азот в Популярной библиотеке химических элементов