Dušik

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Dušik
Ugljik | Kisik
7 N

P
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонPeriodni sustav elemenata
7 N
Heksagonalno.svg
Elektronska školjka 007 Dušik.svg
Izgled jednostavne tvari
kod n. na. - plin bez boje, okusa i mirisa
Tekući dušik.jpg
Svojstva atoma
Ime, simbol, broj Dušik / dušik (N), 7
Atomska masa
( molarna masa )
[14,00643; 14,00728] [kom 1] [1] a. e.m. ( g / mol )
Elektronička konfiguracija [ On ] 2s 2 2p 3
Radijus atoma 75 sati
Kemijska svojstva
Kovalentni polumjer 75 sati
Ionski radijus 13 (+ 5e) 171 (−3e) popodne
Elektronegativnost 3,04 [2] (Paulingova skala)
Oksidacijska stanja 5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −2, −3
Energija ionizacije
(prvi elektron)
1401,5 (14,53) kJ / mol ( eV )
Termodinamička svojstva jednostavne tvari
Gustoća (na br. ) 0,808 g/cm³ (-195,8°C); 1,1649 kg / m³ pod standardnim uvjetima u skladu s GOST 2939-63; kod n. na. 0,001251 g / cm³
Temperatura taljenja 63,29 K (−209,86 °C )
Temperatura vrenja 77,4 K (−195,75 °C )
Ud. toplina fuzije (N2) 0.720 kJ / mol
Ud. toplina isparavanja (N2) 5.57 kJ / mol
Molarni toplinski kapacitet 29,125 [3] (plin N 2 ) J / (K · mol)
Molarni volumen 22,4⋅10 3 cm ³ / mol
Kristalna rešetka jednostavne tvari
Rešetkasta struktura kubični
Parametri rešetke 5.661 Å
Ostale karakteristike
Toplinska vodljivost (300 K) 0,026 W / (m K)
CAS broj 7727-37-9
7
Dušik
N
14,007
2s 2 2p 3

Dušik ( N , latinski nitrogenium ) je kemijski element 15. skupine (prema zastarjelom kratkom obliku periodnog sustava pripada glavnoj podskupini skupine V, odnosno skupini VA), drugog razdoblja periodnog sustava s atomskim brojem 7.

Odnosi se na pniktogene .

Kao jednostavna tvar, to je dvoatomski plin bez boje, okusa i mirisa.

Jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji.

Kemijski je vrlo inertan, ali reagira sa složenim spojevima prijelaznih metala.

Glavna komponenta zraka (78% volumena), čije se odvajanje koristi za dobivanje industrijskog dušika (više od ¾ ide na sintezu amonijaka ).

Koristi se kao inertni medij za mnoge tehnološke procese; tekući dušik je rashladno sredstvo .

Dušik je jedan od glavnih biogenih elemenata koji čine proteine i nukleinske kiseline [4] .

Povijest otkrića

Godine 1772. Henry Cavendish je proveo pokus: više puta je propuštao zrak preko vrućeg ugljena, a zatim ga tretirao lužinom, rezultat je bio talog koji je Cavendish nazvao zagušljivim (ili mefitičnim) zrakom. Sa stajališta moderne kemije jasno je da je u reakciji s vrućim ugljenom kisik u zraku bio vezan u ugljični dioksid , koji je zatim apsorbirala lužina. U ovom slučaju, ostatak plina bio je uglavnom dušik. Tako je Cavendish izolirao dušik, ali nije uspio shvatiti da je to nova jednostavna tvar (kemijski element), te ga je opisao kao mefitski zrak (od engleskog mephitic - "štetan"). Iste godine Cavendish je ovo iskustvo izvijestio Josephu Priestleyju [5] : 41 .

Zanimljiva je činjenica da je pomoću električnih pražnjenja uspio vezati dušik s kisikom, a nakon apsorpcije dušikovih oksida u ostatku dobio je malu količinu plina, apsolutno inertnog, iako, kao u slučaju dušika, nije mogao razumjeti da izolirao je novi kemijski element - inertni plin argon . [ izvor neodređen 853 dana ]

Joseph Priestley je u to vrijeme proveo niz eksperimenata u kojima je također vezao kisik u zraku i uklanjao nastali ugljični dioksid, odnosno primao i dušik, međutim, kao pristaša teorije flogistona koja je u to vrijeme prevladavala, on je također pogrešno protumačio dobivene rezultate – odlučio je da je imao izolirani flogistonski zrak (odnosno zasićen flogistonom) [5] : 41 .

U rujnu 1772., škotski kemičar Daniel Rutherford objavio je svoj magistarski rad "O takozvanom fiksnom i mefitskom zraku", u kojem je opisao dušik kao štetan, otrovan zrak i sugerirao da je to novi kemijski element [5] : 41 , i također su opisana glavna svojstva dušika (ne reagira s lužinama , ne podržava izgaranje, nije prozračna). Rutherford je također bio pobornik teorije flogistona, pa također nije mogao razumjeti što je identificirao. Dakle, nije moguće jasno definirati otkrivača dušika. [ izvor neodređen 853 dana ]

U isto vrijeme, dušik je izolirao Karl Scheele : u ljeto 1772. dobio je dušik Cavendishovom metodom i proučavao ga pet godina, a zatim objavio rezultate svojih istraživanja. Scheele je u ovoj publikaciji prvi opisao zrak kao mješavinu odvojenih plinova: "vatrenog zraka" (kisika) i "prljavog zraka" (dušika). Zbog činjenice da je Scheele kasnio s objavom svog istraživanja, još uvijek se vodi rasprava o otkrivaču dušika [5] : 41 .

porijeklo imena

Naziv "dušik" ( fr. Azote, prema najčešćoj verziji starogrčkog. Ἄζωτος - beživotan), umjesto prethodnog naziva ("flogisticirani", "mefitički" i "pokvareni" zrak) predložio je 1787. Antoine Lavoisier , koji je u to vrijeme, kao dio grupe drugih francuskih znanstvenika, razvio principe kemijske nomenklature , iste je godine ovaj prijedlog objavljen u djelu "Metoda kemijske nomenklature" [6] [5] : 41 . Kao što je gore prikazano, već je tada bilo poznato da dušik ne podržava izgaranje ili disanje. Ovo svojstvo smatralo se najvažnijim. Iako se kasnije pokazalo da je dušik, naprotiv, iznimno neophodan za sva živa bića, naziv je sačuvan u francuskom i ruskom jeziku. Ova verzija imena konačno je fiksirana na ruskom nakon objavljivanja knjige Hermanna Hessa "Temelji čiste kemije" 1831. [7] .

Sama riječ "dušik" (bez veze s plinom) poznata je od antike i koristili su je filozofi i alkemičari srednjeg vijeka za označavanje "primarne materije metala", takozvane "žive" među filozofima, "dvostrukog živa" među alkemičarima. Alkemičari su smatrali da je "primarna tvar metala" " alfa i omega " svega što postoji. A riječ za njegovu oznaku bila je sastavljena od početnih i završnih slova abecede triju svetih jezika - latinskog , grčkog i hebrejskog : a , alfa , aleph i zet , omega , tov - AAAZOT. Inicijator stvaranja nove kemijske nomenklature, Guiton de Morveaux, zabilježio je u svojoj "Metodičkoj enciklopediji" (1786.) alkemijsko značenje pojma [8] .

Mnogi Lavoisierovi suvremenici smatrali su naziv elementa nesretnim, posebice je Jean-Antoine Chaptal predložio ime fr. nitrogène - "rađanje salitre " (i koristio je ovaj naziv u svojoj knjizi "Elementi kemije" [9] ). Do sada su se dušikovi spojevi nazivali "nitrati", "nitriti" i "nitridi" [5] : 42 .

U francuskom se naziv "dušik" nije ukorijenio, ali u engleskom, španjolskom, mađarskom i norveškom jeziku koristi se izvedenica ove riječi. U portugalskom se koristi i naziv ( port. Nitrogé (ê) nio) i (osobito u Portugalu) ( port. Azoto ).

Na njemačkom se koristi naziv . Stickstoff , što znači "gušenje", slično je na nizozemskom; imena slična po značenju koriste se u nekim slavenskim jezicima, na primjer, hrvatski i slovenski dušik (pr. “dusik”) [5] : 42 , kao i u hebrejskom (חנקן, “khankan”).

Naziv "dušik", osim francuskog i ruskog, usvojen je u talijanskom, turskom i nizu slavenskih jezika, kao i u mnogim jezicima naroda bivšeg SSSR-a.

Prije usvajanja simbola N u Rusiji, Francuskoj i drugim zemljama, korišten je simbol Az , što se može vidjeti, na primjer, u članku A. M. Butlerova o aminima iz 1864. [5] : 42 [10] .

Dušik u prirodi

Izotopi

Prirodni dušik se sastoji od dva stabilna izotopa 14 N - 99,635% i 15 N - 0,365%.

Umjetno dobiveno četrnaest radioaktivnih izotopa dušika s masenim brojevima od 10 do 13 i od 16 do 25. Svi su izotopi vrlo kratkog vijeka. Najstabilniji od njih, 13 N, ima poluživot od 10 min.

Spin jezgri stabilnih izotopa dušika: 14 N - 1; 15 N - 1/2.

Prevalencija

Dušik je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji [4] . Izvan Zemlje, dušik se nalazi u plinovitim maglicama, sunčevoj atmosferi, na Uranu , Neptunu , međuzvjezdanom prostoru, itd. Atmosfere satelitskih planeta kao što su Titan , Triton i patuljasti planet Pluton uglavnom se sastoje od dušika. Dušik je četvrti najzastupljeniji element u Sunčevom sustavu (poslije vodika , helija i kisika ).

Dušik u obliku dvoatomskih molekula N 2 čini većinu Zemljine atmosfere , gdje je njegov sadržaj 75,6% (po masi) ili 78,084% (po volumenu), odnosno oko 3,87⋅10 15 tona.

Sadržaj dušika u zemljinoj kori, prema različitim autorima, iznosi (0,7-1,5) ⋅10 15 tona (štoviše, u humusu - oko 6⋅10 10 tona), au plaštu Zemlje - 1,3⋅10 16 tona Ovaj omjer mase sugerira da je glavni izvor dušika gornji dio plašta, odakle ulazi u druge ljuske Zemlje s vulkanskim erupcijama .

Masa dušika otopljenog u hidrosferi, uzimajući u obzir da se procesi otapanja atmosferskog dušika u vodi i njegovog ispuštanja u atmosferu odvijaju istovremeno, iznosi oko 2⋅10 13 tona, osim toga, oko 7⋅10 11 tona dušika sadržani su u hidrosferi u obliku spojeva.

Biološka uloga

Dušik je kemijski element neophodan za egzistenciju životinja i biljaka, dio je bjelančevina (16-18% mase), aminokiselina , nukleinskih kiselina , nukleoproteina , klorofila , hemoglobina itd. U sastavu živih stanica, broj atoma dušika je oko 2%, po masenom udjelu - oko 2,5% (četvrto mjesto nakon vodika, ugljika i kisika). S tim u vezi, značajna količina vezanog dušika sadržana je u živim organizmima, "mrtvoj organskoj tvari" i raspršenoj tvari mora i oceana. Ta se količina procjenjuje na oko 1,9⋅10 11 tona. Kao rezultat procesa propadanja i razgradnje organske tvari koja sadrži dušik, pod uvjetima povoljnih okolišnih čimbenika, dolazi do prirodnih naslaga minerala koji sadrže dušik, na primjer, "čileanski nitrat " ( natrijev nitrat s nečistoćama drugih spojeva), norveški, indijski nitrat.

Kemija dušikovih hidrida pri tlakovima reda 800 GPa (oko 8 milijuna atmosfera) je raznolikija od kemije ugljikovodika u normalnim uvjetima. Stoga se pojavila hipoteza da bi dušik mogao biti temelj još neotkrivenog života na planetima kao što su Uran i Neptun [11] [5] : 43 .

Kruženje dušika u prirodi

Fiksacija atmosferskog dušika u prirodi odvija se u dva glavna smjera: abiogenom i biogenom. Prvi put uglavnom uključuje reakcije dušika s kisikom. Budući da je dušik kemijski vrlo inertan, za oksidaciju su potrebne velike količine energije (visoke temperature). Ovi se uvjeti postižu tijekom udara groma kada temperatura dosegne 25 000 °C ili više. U tom slučaju dolazi do stvaranja različitih dušikovih oksida . Također postoji mogućnost da se abiotička fiksacija dogodi kao rezultat fotokatalitičkih reakcija na površini poluvodiča ili širokopojasnih dielektrika (pustinjski pijesak).

Međutim, glavni dio molekularnog dušika (oko 1,4⋅10 8 t/god) je fiksiran biotski . Dugo se vjerovalo da samo mali broj vrsta mikroorganizama (iako široko rasprostranjenih na površini Zemlje) može vezati molekularni dušik: bakterije Azotobacter i Clostridium , kvržice mahunarki Rhizobium , cijanobakterije Anabaena , Nostoc itd. Sada je poznato da tu sposobnost posjeduju i mnogi drugi organizmi u vodi i tlu, na primjer, aktinomiceti u kvržicama johe i drugih stabala (ukupno 160 vrsta). Svi oni pretvaraju molekularni dušik u amonijeve spojeve (NH 4 + ). Ovaj proces zahtijeva značajnu potrošnju energije (za fiksiranje 1 g atmosferskog dušika bakterije u kvržicama mahunarki troše oko 167,5 kJ, odnosno oksidiraju oko 10 g glukoze ). Dakle, vidljiva je obostrana korist od simbioze biljaka i bakterija koje fiksiraju dušik - prve osiguravaju drugim "mjesto za život" i opskrbljuju "gorivo" dobiveno kao rezultat fotosinteze - glukozu, druge osiguravaju dušik. nužni za biljke u obliku koji asimiliraju.

Dušik u obliku amonijaka i amonijevih spojeva, dobivenih u procesima biogene fiksacije dušika, brzo se oksidira u nitrate i nitrite (ovaj proces se naziva nitrifikacija ). Potonji, koji nisu vezani biljnim tkivima (i dalje duž lanca ishrane biljojedima i grabežljivcima), ne ostaju dugo u tlu. Većina nitrata i nitrita je lako topiva, pa se ispiru vodom i na kraju završavaju u svjetskom oceanu (ovaj tok se procjenjuje na 2,5-8⋅10 7 tona godišnje).

Dušik uključen u tkiva biljaka i životinja, nakon njihove smrti, prolazi kroz amonizaciju (razgradnju kompleksnih spojeva koji sadrže dušik uz oslobađanje amonijaka i amonijevih iona) i denitrifikaciju , odnosno oslobađanje atomskog dušika, kao i njegovih oksida. . Ovi procesi su u potpunosti posljedica aktivnosti mikroorganizama u aerobnim i anaerobnim uvjetima.

U nedostatku ljudske aktivnosti, procesi fiksacije i nitrifikacije dušika gotovo su potpuno uravnoteženi suprotnim reakcijama denitrifikacije. Dio dušika ulazi u atmosferu iz plašta vulkanskim erupcijama, dio je čvrsto fiksiran u tlima i glinenim mineralima, osim toga, dušik neprestano curi iz gornje atmosfere u međuplanetarni prostor.

Toksikologija dušika i njegovih spojeva

Sam po sebi, atmosferski dušik je previše inertan da bi imao izravan učinak na ljude i sisavce. Međutim, s povećanim tlakom, uzrokuje anesteziju , opijenost ili gušenje (s nedostatkom kisika); uz brzo smanjenje tlaka, dušik uzrokuje dekompresijsku bolest .

Mnogi dušikovi spojevi su vrlo aktivni i često toksični.

Primanje

Razgradnja amonijevog nitrita

В лабораториях его можно получать по реакции разложения нитрита аммония :

Реакция экзотермическая, идёт с выделением 80 ккал (335 кДж), 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 аммиаком , оксидом азота (I) и кислородом , от которых его очищают, последовательно пропуская через растворы серной кислоты , сульфата железа(II) и над раскалённой медью . Затем азот осушают.

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 благородными газами , получают путём реакции воздуха с раскалённым коксом, при этом образуется так называемый « генераторный », или «воздушный», газ — сырьё для химических синтезов и топливо. При необходимости из него можно выделить азот, поглотив монооксид углерода .

Перегонка воздуха

Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Этим методом можно получить и «атмосферный азот». Также широко применяются азотные установки и станции , в которых используется метод адсорбционного и мембранного газоразделения.

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) (тоже ~700 °C ), затем сушат концентрированной серной кислотой и сухой щёлочью. Процесс происходит довольно медленно, но он того стоит: газ получается весьма чистый.

Свойства

Физические свойства

Оптический эмиссионный спектр азота

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 [12] ), 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-N 2 с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P6 3 /mmc , параметры решётки a=3,93 Å и c=6,50 Å. При температуре ниже 36,61 К устойчива фаза α-N 2 с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P2 1 3 и период a=5,660 Å. Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83 K образуется гексагональная фаза γ-N 2 .

Фазовая диаграмма

Фазовая диаграмма азота

Фазовая диаграмма азота показана на рисунке.

Химические свойства, строение молекулы

Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N 2 , электронная конфигурация которых описывается формулой σ s ²σ s *2 π x, y 4 σ z ², что соответствует тройной связи между атомами азота N≡N (длина связи d N≡N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N 2 ↔ 2 N изменение энтальпии в реакции Δ H ° 298 = 945 кДж/моль [13] , константа скорости реакции К 298 = 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 термической диссоциации N 2 составляет всего 0,1 %, и лишь при температуре около 5000 °C достигает нескольких процентов (при нормальном давлении). В высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N 2 . В лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N 2 при сильном разрежении через поле высокочастотного электрического разряда. Атомарный азот намного активнее молекулярного: в частности, при обычной температуре он реагирует с серой , фосфором , мышьяком и с рядом металлов , например, со ртутью .

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 :

( Нитрид магния )
( Нитрид бора )

Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода ( аммиак ) NH 3 , получаемый взаимодействием водорода с азотом (см. ниже).

В электрическом разряде 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 химии, невозможно даже перечислить все области, где находят применение вещества, содержащие азот: это индустрия удобрений, взрывчатых веществ, красителей, медикаментов и прочее. Хотя колоссальные количества азота доступны в прямом смысле слова «из воздуха», из-за описанной выше прочности молекулы азота N 2 долгое время оставалась нерешённой задача получения соединений, содержащих азот, из воздуха; большая часть соединений азота добывалась из его минералов, таких, как чилийская селитра. Однако сокращение запасов этих полезных ископаемых, а также рост потребности в соединениях азота заставил форсировать работы по промышленному связыванию атмосферного азота.

Наиболее распространён аммиачный способ связывания атмосферного азота. Обратимая реакция синтеза аммиака :

Она экзотермическая (тепловой эффект 92 кДж) и идёт с уменьшением объёма, поэтому для сдвига равновесия вправо в соответствии с принципом Ле Шателье — Брауна необходимо охлаждение смеси и высокие давления. Однако с кинетической точки зрения снижение температуры невыгодно, так как при этом сильно снижается скорость реакции — уже при 700 °C скорость реакции слишком мала для её практического использования.

В таких случаях используется катализ , так как подходящий катализатор позволяет увеличить скорость реакции без сдвига равновесия. В процессе поиска подходящего катализатора было испробовано около двадцати тысяч различных соединений. По совокупности свойств (каталитическая активность, стойкость к отравлению, дешевизна) наибольшее применение получил катализатор на основе металлического железа с примесями оксидов алюминия и калия . Процесс ведут при температуре 400—600 °C и давлениях 10—1000 атмосфер.

Следует отметить, что 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 %.

Существует и ещё один, менее распространённый способ промышленного связывания атмосферного азота — цианамидный метод, основанный на реакции карбида кальция с азотом при 1000 °C. Реакция происходит по уравнению:

Реакция экзотермична, её тепловой эффект 293 кДж.

Ежегодно из атмосферы Земли промышленным путём отбирается примерно 1⋅10 6 т азота.

Соединения азота

Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5.

Применение

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 горнодобывающем деле азот может использоваться для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы, тушения эндогенных пожаров. В производстве электроники азот применяется для продувки областей, не допускающих наличия окисляющего кислорода. Если в процессе, традиционно проходящем с использованием воздуха, окисление или гниение являются негативными факторами, азот может успешно заместить воздух.

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.

Жидкий азот

Слабокипящий жидкий азот в металлическом стакане

Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии .

Важной областью применения азота является его использование для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, содержащих азот, таких, как аммиак , азотные удобрения , взрывчатые вещества , красители и т. п. Более 3/4 промышленного азота идёт на синтез аммиака [4] .

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.

В пищевой промышленности азот зарегистрирован в качестве пищевой добавки E941 , как газовая среда для упаковки и хранения, хладагент , а жидкий азот применяется при разливе масел и негазированных напитков для создания избыточного давления и инертной среды в мягкой таре.

Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённое заблуждение. Даже для замораживания цветка необходимо достаточно продолжительное время. Это связано отчасти с весьма низкой теплоёмкостью азота. По этой же причине весьма затруднительно охлаждать, скажем, замки до −196 °C и раскалывать их одним ударом.

Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. По этой причине жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных ёмкостях под давлением. На этом же факте основан принцип тушения пожаров жидким азотом. Испаряясь, азот вытесняет кислород, необходимый для горения, и пожар прекращается. Так как азот, в отличие от воды, пены или порошка, просто испаряется и выветривается, азотное пожаротушение — самый эффективный с точки зрения сохранности ценностей механизм тушения пожаров.

Заморозка жидким азотом живых существ с возможностью последующей их разморозки проблематична. Проблема заключается в невозможности заморозить (и разморозить) существо достаточно быстро, чтобы неоднородность заморозки не сказалась на его жизненных функциях. Станислав Лем, фантазируя на эту тему в книге «Фиаско», придумал экстренную систему заморозки азотом, в которой шланг с азотом, выбивая зубы, вонзался в рот астронавта и внутрь его подавался обильный поток азота.

В качестве легирующей добавки к кремнию, образует высокопрочное соединение (керамику) нитрид кремния , обладающее высокой вязкостью и прочностью.

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 [14] . ГОСТ 26460-85 не требует полосы, но надпись должна содержать сведения о чистоте азота (особой чистоты, высокой чистоты, повышенной чистоты) [ источник не указан 3028 дней ] .

Опасность для здоровья

NFPA 704
Огнеопасность 0: Негорючее веществоОпасность для здоровья 3: Кратковременное воздействие может привести к серьёзным временным или умеренным остаточным последствиям (например, хлор, серная кислота)Реакционноспособность 0: Стабильно даже при действии открытого пламени и не реагирует с водой (например, гелий)Специальный код: отсутствуетNFPA 704 four-colored diamond
0
3
0

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 2-му классу опасности.

Комментарии

  1. Указан диапазон значений атомной массы в связи с неоднородностью распространения изотопов в природе.

Примечания

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry . — 2013. — Vol. 85 , no. 5 . — P. 1047—1078 . — doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
  2. Nitrogen: electronegativities (англ.) . WebElements. Дата обращения: 5 августа 2010.
  3. Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 58. — 623 с. — 100 000 экз.
  4. 1 2 3 Азот // Казахстан. Национальная энциклопедия . — Алматы: Қазақ энциклопедиясы , 2004. — Т. I. — ISBN 9965-9389-9-7 .
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Рулёв, Александр. Парадоксальный тривиальный азот // Наука и жизнь . — 2019. — № 3. — С. 40—43.
  6. Guyton de Morveau LB, Lavoisier AL, Berthollet CL, de Fourcroy AF Méthode de nomenclature chimique (фр.) . — Paris, 1787. — С. 36.
  7. Малина, И. К. Безжизненный ли азот? // Книга для чтения по неорганической химии : Пособие для учащихся — М. : Просвещение , 1975. — Ч. II. — С. 42—52.
  8. Фигуровский, Н. А. Азот, Nitrogenium, N (7) // Открытие элементов и происхождение их названий. — М. : Наука, 1970. — 207 с.
  9. Chaptal, JA Élémens de chimie (фр.) . — 1790. — Т. 1. — С. 126.
  10. Sur les explications différentes de quelques cas d'Isomérie, par MA Boutlerow (фр.) // Bulletin de la Société chimique de Paris, Nouvelle Série. — 1864. — Vol. I. — P. 112.
  11. Qian, G.-R. et al. Diverse Chemistry of Stable Hydronitrogens, and Implications for Planetary and Materials Sciences (англ.) // Scientific Reports (англ.) : journal. — 2016. — Vol. 6 . — doi : 10.1038/srep25947 .
  12. Справочник по растворимости / Отв. ред. Кафаров В. В.. — М-Л: Издательство Академии наук СССР, 1961. — Т. 1 Кн. 1. — 960 с.
  13. Nitrogen atom .
  14. 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).

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