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 NH3 ). В обычных условиях в свободном состоянии
азот образует молекулу N2, 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 00С и 101325 н/м2 или 760 мм. рт. ст. ), tпл-209,860С, 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.
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 + 2H2O.
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 + N2
® 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.