Азот

Содержание:

  1. Историческая справка

  2. Распространенность в природе

  3. Атом и молекула

  4. Физические и химические свойства

  5. Получение и применение

  6. Азотная кислота

  7. Окислительные свойства азотной кислоты

  8. Нитраты

  9. Промышленное получение азотной кислоты

10. Круговорот азота в природе


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.


1.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 году 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.

2.Распространяемость 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).

3.Атом и 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%.

4.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.

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 N2O 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 N8H14 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 NO2CI. 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 15000С может быть получен цианистый водород HCN. Взаимодействие азота с металлами при высоких температурах приводит к образованию нитридов (например Mg3N2 ).

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. ).

5.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.

6. Азотная кислота. Чистая азотная кислота HNO—бесцвет­ная жидкость плотностью 1 51 г/см при - 42 °С застывающая в прозрачную кристаллическую массу. На воздухе она подобно кон­центрированной соляной кислоте «дымит» так как пары ее обра­зуют с 'влагой воздуха мелкие капельки тумана

Азотная кислота не отличается прочностью Уже под влиянием света она постепенно разлагается:

Чем выше температура и чем концентрированнее кислота тем быстрее идет разложение. Выделяющийся диоксид азота растворяется в кислоте и придает ей бурую окраску.

Азотная кислота принадлежит к числу наиболее сильных кис­лот; в разбавленных растворах она полностью распадается на ионы Н и- NO.

7. Окислительные свойства азотной кислоты. Характерным свойством азотной кислоты является ее ярко выраженная окислительная способность. Азотная кислота—один из энергичнейших окислителей. Многие неметаллы легко окисляются ею превращаясь в соответствующие кислоты. Так сера при кипячении с азотной кислотой постепенно окисляется в серную кислоту фосфор — в фосфорную. Тлеющий уголек погруженный в концентрированную HNO ярко разгорается.

Азотная кислота действует почти на все металлы (за исключением золота платины тантала родия иридия) превращая их в нитраты а некоторые металлы—в оксиды.

Концентрированная HNO пассивирует некоторые металлы. Еще Ломоносов открыл что железо легко растворяющееся в разбавленной азотной кислоте не растворяется в холодной концентрированной HNO. Позже было установлено что аналогичное действие азотная кислота оказывает на хром и алюминий. Эти металлы переходят под действием концентрированной азотной кислоты в пассивное состояние.

Степень окисленности азота в азотной кислоте равна 4-5. Выступая в качестве окислителя НNО может восстанавливаться до различных продуктов:

Какое из этих веществ образуется т. е. насколько глубоко восстанавливается азотная кислота в том или ином случае зависит от природы восстановителя и от условий реакции прежде всего от концентрации кислоты. Чем выше концентрации HNO тем менее глубоко она восстанавливается. При реакциях с концентрированной кислотой чаще всего выделяется . При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами например с медью выделяется NO. В случае более активных ме­таллов — железа цинка — образуется. Сильно разбавленная азотная кислота взаимодействует с активными металлами—--цинком магнием алюминием—с образованием иона аммония даю­щего с кислотой нитрат аммония. Обычно одновременно образуют­ся несколько продуктов.

Для иллюстрации приведем схемы реакций окисления некото­рых металлов азотной кислотой;

При действии азотной кислоты на металлы водород как пра­вило не выделяется.

При окислении неметаллов концентрированная азотная кисло­та как и в случае металлов восстанавливается до например

Более разбавленная кислота обычно восстанавливается до NO например:

Приведенные схемы иллюстрируют наиболее типичные случаи взаимодействия азотной кислоты с металлами и неметаллами. Вообще же окислительно-восстановительные реакции идущие с участием протекают сложно.

Смесь состоящая из 1 объема азотной и 3—4 объемов концен­трированной соляной кислоты называется царской водкой. Царская водка растворяет некоторые металлы не взаимодействующие с азотной кислотой в том числе и «царя металлов»—золото. Дей­ствие ее объясняется тем что азотная кислота окисляет соляную с выделением свободного хлора и образованием хлороксида азота(III) или хлорида нитрозила :

Хлорид нитрозила является промежуточным продуктом реакции и разлагается:

Хлор в момент выделения состоит из атомов что и обусловли­вает высокую окислительную способность царской водки. Реакции окисления золота и платины протекают в основном согласно сле­дующим уравнениям.

С избытком соляной кислоты хлорид золота(III) и хлорид пла­тины (IV) образуют комплексные соединения

На многие органические вещества азотная кислота действует так что один или несколько атомов водорода в молекуле органического соединения замещаются нитрогруппами . Этот про­цесс называется нитрованием и имеет большое значение в органической химии.

Азотная кислота — одно из важнейших соединений азота: в больших количествах она расходуется в производстве азотных удобрений взрывчатых веществ и органических красителей слу­жит окислителем во многих химических процессах используется в производстве серной кислоты по нитрозному способу применяется для изготовления целлюлозных лаков кинопленки.

7. Нитраты. Соли азотной кислоты называются нитратами. Все они хо­рошо растворяются в воде а при нагревании разлагаются с выде­лением кислорода. При этом нитраты наиболее активных металлов переходят в нитриты:

Нитраты большинства остальных металлов при нагревании распадаются на оксид металла кислород и диоксид азота. Например:

Наконец нитраты наименее активных металлов (например се­ребра золота) разлагаются при нагревании до свободного ме­талла:

Легко отщепляя кислород нитраты при высокой температуре являются энергичными окислителями. Их водные растворы напро­тив почти не проявляют окислительных свойств.

Наиболее важное значение имеют нитраты натрия калия ам­мония и кальция которые на практике называются селитрами.

Нитрат натрия или натриевая селитра иногда назы­ваемая также чилийской селитрой встречается в большом количе­стве в природе только в Чили.

Нитрат калия или калийная селитра в небольших ко­личествах также встречается в природе но главным образом полу­чается искусственно при взаимодействии нитрата натрия с хлори­дом калия.

Обе эти соли используются в качестве удобрений причем нит­рат калия содержит два необходимых растениям элемента: азот и калий. Нитраты натрия и калия применяются также при стекло­варении и в пищевой промышленности для консервирования про­дуктов.

Нитрат кальция или кальциевая селитра получается в больших количествах нейтрализацией азотной кислоты известью; применяется как удобрение.

8. Промышленное получение азотной кислоты. Современные промышленные способы получения азотной кислоты основаны на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха. При« описании свойств аммиака было указано что он горит в кислороде причём продуктами реакции являются вода и свободный азот. Но в присутствии катализаторов - окисление аммиака кислородом может протекать иначе. Если пропускать смесь аммиака с воздухом над катализатором то при 750 °С и определен­ном составе смеси происходит почти полное превращение

Образовавшийся легко переходит в который с водой в присутствии кислорода воздуха дает азотную кислоту.

В качестве катализаторов при окислении аммиака используют сплавы на основе платины.

Получаемая окислением аммиака азотная кислота имеет концентрацию не превышающую 60%. При необходимости ее концен­трируют

Промышленностью выпускается разбавленная азотная кислота концентрацией 55 47 и 45% а концентрированная—98 и 97% Концентрированную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах разбавленную — в цистернах из кислотоупорной стали.

9. Круговорот азота в природе. При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превра­щается в аммиак который под влиянием живущих в почве ни­трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кис­лоту. Последняя вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами например с карбонатом кальция образует нитраты:

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ при сжигании дров каменного угля торфа. Кроме того существуют бактерии которые при недо­статочном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) пере­ходит в недоступную (свободный азот). Таким образом далеко не весь азот входивший в состав погибших растений возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Страницы: 1 2