Азот

Азот 

Происходит от греческого слова azoos - безжизненный, по-латыни Nitrogenium. Химический знак элемента - N. Азот - химический элемент V группы периодической системы  Менделеева, порядковый номер 7, относительная  атомная масса 14,0067; бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса. 

Историческая справка. 

Соединения азота - селитра, азотная кислота, аммиак - были известны задолго до получения  азота в свободном состоянии. В 1772 г. Д. Резерфорд, сжигая фосфор и  другие вещества в стеклянном колоколе, показал, что остающийся после сгорания газ, названный им "удушливым воздухом", не поддерживает дыхания и горения. В 1787 г. А. Лавуазье установил, что "жизненный" и "удушливый" газы, входящие в  состав воздуха, это простые вещества, и предложил название "азот". В 1784 г. Г. Кавендиш показал, что азот входит в состав селитры; отсюда и  происходит латинское название азота (от позднелатинского nitrum - селитра  и греческого gennao - рождаю, произвожу), предложенное в 1790 году Ж. А. Шапталем. К началу ХIX в. были выяснены химическая инертность азота в свободном  состоянии и исключительная роль его в соединениях с другими  элементами в качестве связанного азота.  

Распространенность  в природе. 

Азот - один из самых  распространенных элементов на Земле, причем основная его масса (около 4*1015 т.)сосредоточена в свободном  состоянии в атмосфере. В воздухе  свободный азот (в виде молекул N2 ) составляет 78,09% по объему ( или 75,6% по массе ), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и окислов. Среднее содержание азота в литосфере 1,9*10-3% по массе. Природные соединения азота - хлористый аммоний NH4CI и различные  нитраты. Крупные скопления селитры  характерны для сухого пустынного климата ( Чили, Средняя Азия ). Долгое время  селитры были главным поставщиком  азота для промышленности ( сейчас основное значение для связывания азота  имеет промышленный синтез аммиака  из азота воздуха и водорода ). Небольшие количества связанного азота находятся в каменном угле    ( 1 - 2,5% ) и нефти ( 0,02 - 1,5% ), а также в водах рек, морей и океанов. Азот накапливается в почвах      ( 0,1% ) и в живых организмах ( 0,3% ).  

Хотя название "азот" означает "не поддерживающий жизни", на самом деле это - необходимый для  жизнедеятельности элемент. В белке  животных и человека  содержится 16 - 17% азота. В организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся  в организмах травоядных животных и  в растениях. Растения синтезируют  белок, усваивая содержащиеся в почве  азотистые вещества, главным образом  неорганические. Значительные количества азота поступают в почву благодаря  азотфиксирующим микроорганизмам, способным переводить свободный  азот воздуха в соединения азота. 

В природе осуществляется круговорот азота, главную роль в  котором играют микроорганизмы - нитрофицирующие, денитрофицирующие, азотфиксирующие  и др. Однако в результате извлечения из почвы растениями огромного количества связанного азота ( особенно при интенсивном  земледелии ) почвы оказываются обедненными. Дефицит азота характерен для  земледелия почти всех стран, наблюдается  дефицит азота и в животноводстве ( "белковое голодание" ). На почвах, бедных доступным азотом, растения плохо развиваются. Хозяйственная  деятельность человека нарушает круговорот азота. Так, сжигание топлива обогащает  атмосферу азотом, а заводы, производящие удобрения, связывают азот из воздуха. Транспортировка удобрений и  продуктов сельского хозяйства  перераспределяет азот на поверхности  земли. 

Азот - четвертый  по распространенности элемент Солнечной  системы ( после водорода, гелия и  кислорода).    

Атом, молекула.   

Внешняя электронная  оболочка атома азота состоит  из 5 электронов ( одной неподеленной пары и трех неспаренных - конфигурация 2s22p3 ). Чаще всего азот в соединениях 3-ковалентен за счет неспаренных электронов ( как в аммиаке NH3 ). Наличие неподеленной пары электронов может приводить к образованию еще одной ковалентной связи, и азот становится 4-ковалентным ( как в ионе аммония NH4+ ). Степени окисления азота меняются от +5 ( в N2O5 ) до -3  ( в 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. 

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. ).  

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.