відкриття Правити
У 1777 році Генрі Кавендіш провів наступний досвід: він багато разів пропускав повітря над розпеченим вугіллям, потім обробляв його лугом, в результаті виходив залишок, який Кавендіш назвав задушливим (або мефітіческім) повітрям. З позицій сучасної хімії ясно, що в реакції з розпеченим вугіллям кисень повітря пов'язувався у вуглекислий газ. який потім реагував з лугом. При цьому залишок газу був здебільшого азот. Таким чином, Кавендіш виділив азот, але не зумів зрозуміти, що це нове проста речовина (хімічний елемент). У тому ж році Кавендіш повідомив про цей досвід Джозефу Прістлі.
Прістлі в цей час проводив серію експериментів, в яких також пов'язував кисень повітря і видаляв отриманий вуглекислий газ, тобто також отримував азот, проте, будучи прихильником панівної в ті часи теорії флогістону. абсолютно невірно витлумачив отримані результати (на його думку, процес був протилежним - не киснем віддалявся з газової суміші, а навпаки, в результаті випалу повітря насичується флогистоном; повітря, що залишилося (азот) він і назвав насиченим флогистоном, тобто флогістрованого). Очевидно, що і Прістлі, хоча і зміг виділити азот, не зміг зрозуміти суть свого відкриття, тому і не вважається першовідкривачем азоту.
Одночасно схожі експерименти з тим же результатом проводив і Карл Шеєле.
Надалі азот був вивчений Генрі Кавендіш (цікавий той факт, що він зумів зв'язати азот з киснем за допомогою розрядів електричного струму, а після поглинання оксидів азоту в залишку отримав невелику кількість газу, абсолютно інертного, тобто інертні гази. Хоча, як і в випадку з азотом, не зміг зрозуміти, що виділив нові хімічні елементи). Однак і Резерфорд був прихильником флогистонной теорії, тому також не зміг зрозуміти, що ж він виділив. Таким чином, чітко визначити першовідкривача азоту неможливо.
Походження назви Правити
Назва «азот», що означає «неживий», замість попередніх назв ( «флогістрованого», «мефітіческій» і «зіпсований» повітря) запропонував в 1787 році Антуан Лавуазьє. який в той час в складі групи інших французьких вчених розробляв принципи хімічної номенклатури. Як показано вище, в той час вже було відомо, що азот не підтримує ні горіння, ні дихання. Це властивість і визнали найбільш важливим. Хоча згодом з'ясувалося, що азот, навпаки, вкрай необхідний для всіх живих істот, назва збереглася у французькій і російській мовах.
Існує і інша версія. Слово «азот» придумане не Лавуазьє і не його колегами по номенклатурної комісії; воно увійшло в алхімічну літературу вже в ранньому середньовіччі і вживалося для позначення «первинної матерії металів», яку вважали «альфою і омегою» всього сущого. Цей вислів запозичене з Апокаліпсису. «Я єсмь Альфа і Омега, початок і кінець». Слово складено з початкових і кінцевих літер алфавітів трьох мов - латинської. грецького і староєврейського. - вважалися «священними», оскільки, згідно з Євангеліями. напис на хресті при розп'ятті Христа була зроблена на цих мовах (а. альфа. алеф і зет. омега. тав - АAAZОТH). Укладачі нової хімічної номенклатури добре знали про існування цього слова; ініціатор її створення Гитонья де Морво відзначав у своїй «Методичної енциклопедії" (1786) алхимическое значення терміна.
На латині азот називається «Nitrogenium», тобто «що породжує селітру»; англійська назва виробляється від латинського. У німецькій мові використовується назва Stickstoff, що означає «задушлива матерія».
Азот в природі Правити
Природний азот складається з двох стабільних ізотопів 14 N - 99,635% і 15 N - 0,365%.
поширеність Правити
Поза межами Землі азот виявлений в газових туманностях, сонячної атмосфері, на Урані. Нептуні. міжзоряному просторі та ін. Азот - четвертий за поширеністю елемент Сонячної системи (після водню. гелію і кисню).
Маса розчиненого в гідросфері азоту, враховуючи, що одночасно відбуваються процеси розчинення азоту атмосфери в воді і виділення його в атмосферу, становить близько 2 × 10 13 т, крім того приблизно 7 × 10 11 т азоту містяться в гідросфері у вигляді сполук.
Біологічна роль Правити
Азот є елементом, необхідним для існування тварин і рослин, він входить до складу білків (16-18% по масі), амінокислот. нуклеїнових кислот. нуклеопротеидов, хлорофілу. гемоглобіну і ін. В зв'язку з цим значна кількість пов'язаного азоту міститься в живих організмах, «мертвої органіки» і дисперсному речовині морів і океанів. Ця кількість оцінюється приблизно в 1,9 × 10 11 т. В результаті процесів гниття і розкладання азотовмісних органіки, за умови сприятливих факторів навколишнього середовища, можуть утворитися природні поклади корисних копалин, що містять азот, наприклад, «чилійська селітра» (нітрат натрію з домішками інших сполук), норвезька, індійська селітри.
Кругообіг азоту в природі Правити
Фіксація атмосферного азоту в природі відбувається за двома основними напрямками - абіогенному і біогенного. Перший шлях включає головним чином реакції азоту з киснем. Так як азот хімічно дуже інертний, для окислення потрібні великі кількості енергії (високі температури). Ці умови досягаються при розрядах блискавок. коли температура досягає 25000 ° C і більше. При цьому відбувається утворення різних оксидів азоту. Існує також ймовірність, що абиотическая фіксація відбувається в результаті фотокаталітичних реакцій на поверхні напівпровідників або широкосмугових діелектриків (пісок пустель).
Однак основна частина молекулярного азоту (близько 1,4 × 10 8 т / рік) фіксується біотичних шляхом. Довгий час вважалося, що пов'язувати молекулярний азот можуть тільки невелика кількість (хоча і широко поширених на поверхні Землі) мікроорганізмів: бактерії Azotobacfer і Clostridium. бульбочкові бактерії бобових рослин Rhizobium. синьо-зелені водорості Anabaena. Nostoc і ін. Зараз відомо, що цією здатністю володіють багато інших організмів у воді та грунті, наприклад актиноміцети в бульбах вільхи та інших дерев (всього 160 видів). Всі вони перетворюють молекулярний азот в сполуки амонію (NH4 +). Цей процес вимагає значних витрат енергії (для фіксації 1 г атмосферного азоту бактерії в бульбах бобових витрачають близько 167,5 кДж, тобто окислюють приблизно 10 г глюкози. Таким чином, видно взаємна користь від симбіозу рослин і азотфіксуючих бактерій - перші надають другим «місце для проживання »і постачають отриманими в результаті фотосинтезу паливом - глюкозою, другі забезпечують необхідний рослинам азот в засвоювання для них формі.
Азот у формі аміаку і з'єднань амонію, що виходить в процесах біогенної азотфіксації, швидко окислюється до нітратів і нітритів (цей процес носить назву нітрифікації). Останні, не пов'язані тканинами рослин (і далі по харчовому ланцюгу травоїдними і хижаками), ніколи не залишається в грунті. Більшість нітратів і нітритів добре розчинні, тому вони змиваються водою і в кінці кінців потрапляють в світовий океан (цей потік оцінюється в 2,5-8 х 10 7 т / рік).
Азот, включений в тканини рослин і тварин, після їх загибелі піддається аммонификации (розкладання містять азот складних з'єднань з виділенням аміаку і іонів амонію) і денітрифікації - виділення атомарного азоту, а також його оксидів. Ці процеси цілком відбуваються завдяки діяльності мікроорганізмів в аеробних і анаеробних умовах.
За відсутності діяльності людини процеси зв'язування азоту і нітрифікації практично повністю врівноважені протилежними реакціями денітрифікації. Частина азоту надходить в атмосферу з мантії з виверженнями вулканів, частина міцно фіксується в грунтах і глинистих мінералах, крім того, постійно йде витік азоту з верхніх шарів атмосфери в міжпланетний простір.
Токсикологія азоту та його сполук Правити
Сам по собі атмосферний азот досить інертний, щоб не надавати безпосереднього впливу на організм людини і ссавців. Проте, при підвищеному тиску він викликає наркоз. сп'яніння або задуха (при нестачі кисню); при швидкому зниженні тиску азот викликає кесонну хвороба.
Багато сполуки азоту дуже активні і нерідко токсичні.
отримання Правити
У лабораторіях його можна отримувати по реакції розкладання нітриту амонію:
Реакція екзотермічна, йде з виділенням 80 ккал (335 кДж), тому потрібне охолоджування судини при її протіканні (хоча для початку реакції потрібно нагрівання нітриту амонію).
Практично цю реакцію виконують, додаючи по краплях насичений розчин нітриту натрію в нагрітий насичений розчин сульфату амонію, при цьому утворюється в результаті обмінної реакції нітрит амонію миттєво розкладається.
Виділяється при цьому газ забруднений аміаком, оксидом азоту (I) і киснем, від яких його очищають, послідовно пропускаючи через розчини сірчаної кислоти, сульфату заліза (II) і над розпеченій міддю. Потім азот осушують.
Ще один лабораторний спосіб отримання азоту - нагрівання суміші дихромата калію і сульфату амонію (в співвідношенні 2: 1 по масі). Реакція йде за рівнянням:
Найчистіше азот можна отримати розкладанням азидів металів:
Так званий «повітряний», або «атмосферне» азот, тобто суміш азоту з благородними газами. отримують шляхом реакції повітря з розпеченим коксом:
При цьому виходить так званий «генераторний», або «повітряний», газ - сировина для хімічних синтезів і паливо. При необхідності з нього можна виділити азот, поглинувши монооксид вуглецю.
Молекулярний азот в промисловості отримують фракційної перегонкою рідкого повітря. Цим методом можна отримати і «атмосферне азот».
Один з лабораторних методів - пропускання аміаку над оксидом міді (II) при температурі
Аміак беруть з його насиченого розчину при нагріванні. Кількість CuO в 2 рази більше розрахункового. Безпосередньо перед застосуванням азот очищають від домішки кисню та аміаку пропусканням над міддю і її оксидом (II) (теж
700 ° C), потім сушать концентрованої сірчаної кислотою і сухий лугом. Процес відбувається досить повільно, але він того вартий: газ виходить вельми чистий.
властивості Правити
Фізичні властивості Правити
При атмосферному тиску азот існує в трьох аллотропних модифікаціях, точка переходу між якими -238 ° C (теплота переходу 250 Дж / моль), і -186 ° C (теплота переходу 199,3 кДж / кг). Основні фізичні властивості азоту перераховані в таблиці.
Хімічні властивості, будова молекули Правити
Азот у вільному стані існує у формі двоатомних молекул N2. електронна конфігурація яких описується формулою σs ²σs * 2 πx, y 4 σz ², що відпо потрійний зв'язку між молекулами азоту N≡N (довжина зв'язку dN≡N = 0,1095 нм). Внаслідок цього молекула азоту вкрай міцна, для реакції дисоціації N2 ↔ 2N питома ентальпія освіти ΔH ° 298 = 945 кДж, константа швидкості реакції К298 = 10 -120. тобто дисоціація молекул азоту при нормальних умовах практично не відбувається (рівновага практично повністю зрушено вліво). Молекула азоту неполярна і слабо поляризується. сили взаємодії між молекулами дуже слабкі, тому в звичайних умовах азот газообразующую.
Навіть при 3000 ° C ступінь термічної дисоціації N2 становить всього 0,1%, і лише при температурі близько 5000 ° C досягає декількох відсотків (при нормальному тиску). У високих шарах атмосфери відбувається фотохімічна дисоціація молекул N2. У лабораторних умовах можна отримати атомарний азот, пропускаючи газоподібний N2 при сильному розрядження через поле високочастотного електричного розряду. Атомарний азот набагато активніше молекулярного: зокрема, при звичайній температурі він реагує з сіркою. фосфором. миш'яком і з рядом металів. наприклад, зі ртуттю.
Унаслідок великої міцності молекули азоту багато його сполуки ендотермічну, ентальпія їх утворення негативна, а сполуки азоту термічно малостійкі і досить легко розкладаються при нагріванні. Саме тому азот на Землі перебуває здебільшого у вільному стані.
Зважаючи на свою значну інертність азот при звичайних умовах реагує тільки з літієм.
при нагріванні він реагує з деякими іншими металами і неметалами, також утворюючи нітриди:
Найбільше практичне значення має нітрид водню (аміак):
Промислове зв'язування атмосферного азоту Правити
Сполуки азоту надзвичайно широко використовуються в хімії, неможливо навіть перелічити всі області, де знаходять застосування речовини, що містять азот: це індустрія добрив, вибухових речовин, барвників, медикаментів та ін. Хоча колосальні кількості азоту доступні в прямому сенсі слова «з повітря», через описаної вище міцності молекули азоту N2 довгий час залишалася невирішеною завдання отримання сполук, що містять азот, з повітря; велика частина сполук азоту добувалася з його мінералів, таких, як чилійська селітра. Однак скорочення запасів цих корисних копалин, а також зростання потреби в з'єднаннях азоту змусив форсувати роботи з промислового зв'язування атмосферного азоту.
Найбільш поширений аміачний спосіб зв'язування атмосферного азоту. Оборотна реакція синтезу аміаку:
екзотермічна (парниковий ефект 92 кДж) і йде зі зменшенням обсягу, тому для зсуву рівноваги вправо відповідно до принципу Ле Шательє - Брауна необхідно охолодження суміші і високі тиску. Однак з кінетичної точки зору зниження температури невигідно, так як при цьому сильно знижується швидкість реакції - вже при 700 ° C швидкість реакції дуже мала для її практичного використання.
У таких випадках використовується каталіз. так як відповідний каталізатор дозволяє збільшити швидкість реакції без зсуву рівноваги. У процесі пошуку відповідного каталізатора було випробувано близько двадцяти тисяч різних з'єднань. За сукупністю властивостей (каталітична активність, стійкість до отруєння, дешевизна) найбільше застосування отримав каталізатор на основі металевого заліза з домішками оксидів алюмінію і калію. Процес ведуть при температурі 400-600 ° С і тиску 10-1000 атмосфер.
Існує і ще один, менш поширений спосіб промислового зв'язування атмосферного азоту - ціанамідний метод, заснований на реакції карбіду кальцію з азотом при 1000 ° C. Реакція відбувається за рівнянням:
Реакція екзотермічна, її тепловий ефект 293 кДж.
Щорічно з атмософери Землі промисловим шляхом відбирається приблизно 1 · 10 6 т азоту.
Сполуки азоту Правити
- Сполуки азоту в ступені окислення -3 представлені нитридами. з яких практично найбільш важливий аміак;
- Сполуки азоту в ступені окислення -2 менш характерні, представлені пернітрідамі. з яких найважливіший пернітрід водню N2 H4 або гідразин (існує також вкрай нестійкий пернітрід водню N2 H2. діімід);
- Сполуки азоту в ступені окислення -1 NH2 OH (гідроксиламін) - нестійке підставу, що застосовується, поряд з солями гидроксиламмония, в органічному синтезі;
- Сполуки азоту в ступені окислення +1 оксид азоту (I) N2 O (закис азоту, звеселяючий газ). Див. Оксиди азоту;
- Сполуки азоту в ступені окислення +2 оксид азоту (II) NO. Див. Оксиди азоту;
- Сполуки азоту в ступені окислення +3 оксид азоту (III) N2 O3 (див. Оксиди азоту), похідні аніону NO2 -. фторид азоту NF3;
- Сполуки азоту в ступені окислення +4 оксид азоту (IV) (діоксид азоту). Див. Оксиди азоту.
- Сполуки азоту в ступені окислення +5 - азотна кислота і її солі - нітрати. оксид азоту (V) N2 O5 та інші.
застосування Правити
Рідкий азот застосовується як холодоагент і для кріотерапії. Газоподібний використовується для створення нейтральної атмосфери, іноді для закачування в автомобільні шини.
Однак головною сферою застосування азоту є його використання для подальшого синтезу найрізноманітніших сполук, що містять азот, таких, як аміак, азотні добрива, вибухові речовини, барвники і т. П. Великі кількості азоту використовуються в коксовому виробництві ( «сухе гасіння коксу») при вивантаженню коксу з коксових батарей, а також для «передавливания» палива в ракетах з баків в насоси або двигуни.
Маркування балонів Правити
Балони з азотом пофарбовані в чорний колір, повинні мати напис жовтого кольору і коричневу смугу.