Происхождение названия азот кратко

Обновлено: 25.06.2024

Откуда взялся азот? Он образуется в звезде, в так называемом углерод-азотном цикле. Углерод-12 получает протон и становится нестабильным азотом-123. Тот испускает позитрон и переходит в углерод-13. Получив новый протон, он становится стабильным азотом-14 — это основной изотоп азота на Земле. Однако на этом процесс не останавливается. Получив очередной протон, азот-14 переходит в кислород-15. Он нестабилен и, испустив позитрон, переходит в тяжелый азот-15 — второй распространенный изотоп этого элемента. Столкнувшись с новым протоном, азот-15 испускает альфа-частицу, и все возвращается к началу — ядру углерода-12. Видимо, этот цикл все-таки не замкнут, и часть азота избегает печальной участи породить гелий и обратиться в исходный углерод. В противном случае этот элемент не был бы столь распространенным — на Земле он составляет более 75% атмосферы по массе.

Откуда живые существа берут азот? Основная часть азота на Земле теперь находится в молекулярном виде, а поскольку сила связи в молекуле N ₂ очень велика, этот азот практически недоступен для живых существ. Молекулярный азот из атмосферы могут усваивать немногочисленные виды почвенных бактерий. Основная же масса бактерий и растения используют уже кем-то усвоенный азот, разлагая органику, либо тот, что производят молнии. В первом случае азот преобразуется в усваиваемые соединения аммония или нитраты, во втором он и так попадает на землю в виде нитратов. А вот животные получают азот только с пищей.

Характерная черта заводов по производству аммиака — высокие колонны, в которых проходит синтез этого вещества

Каковы важнейшие соединения азота? Полезные — это аммиак NH ₃ , аммоний NH ₄ + , азотная кислота HNO ₃ и ее соли — различные селитры, мочевина (NH ₂ ) ₂ CO и сам молекулярный азот. Вредные — оксиды азота NO и NO ₂ : образуясь при горении топлива (прежде всего в автомобилях), они могут запускать каскад реакций, приводящих к образованию приземного озона, который совсем нехорошо действует на живые существа, и других опасных соединений. Да и сам диоксид азота вызывает заболевания легких.

Как человек начал использовать азот? Азотные соединения в составе навоза и мочи с незапамятных времен используют для удобрения почвы, однако древние земледельцы, конечно, не знали, что главное в этих веществах — азот. И когда человек стал смешивать селитру с углем и серой, получая дымный порох, он также не догадывался, что и здесь все дело в азоте. А когда узнал, что он делает селитру и взрывоопасной, и полезной для растений, тогда и задумался: как бы научиться извлекать азот из атмосферы? Ведь запасы гуано в Чили — а в XIX веке это был основной источник селитры — не бесконечны.

Первый подход к переводу атмосферного азота в менее прочное химическое соединение совершили все те же Пристли и Кавендиш — Пристли заметил, что объем воздуха над водой при пропускании электрической искры уменьшается и в воде появляется кислота, а Кавендиш прямо обнаружил, что при добавлении в такую воду щелочи получается селитра. Из этого сложился электродуговой способ фиксации азота, и в начале XX века с появлением гидроэлектростанций возникли производства селитры — первое возле Ниагарской электростанции в 1902 году, а второе — три года спустя в Норвегии; авторами процесса были специалист по изучению северного сияния Христиан Биркеланд и инженер Самюэль Эйде. Такую селитру называли норвежской.

Как используют азот в промышленности? Азот входит в число массовых промышленных газов и находится на втором месте после кислорода. В РФ в 2014 году он составил 32% от всего годового объема продаж газов в 20,7 млрд м 3 . Получают азот двумя основными методами — сжижением воздуха и отделением его от воздуха с помощью мембран. Первый метод требует больших затрат энергии, но дает огромные объемы продукции, при этом азот оказывается побочным продуктом многотоннажного производства жидкого кислорода. Второй требует меньше энергии, однако не способен обеспечить промышленные масштабы — как правило, мембранные установки обслуживают потребителей с небольшими запросами.

Главное качество, которое нужно потребителям азота, — его неспособность вступать в реакции при нормальных условиях: разве что с литием, калием и магнием азот реагирует при относительно небольшом нагреве. Поэтому его используют для создания инертной атмосферы, и в первую очередь — для вытеснения кислорода из различных сосудов. Так делают металлурги, чтобы защитить металл от окисления, нефтяники при продувании скважин — чтобы из-за случайной электрической искры углеводороды не вспыхнули, а экспериментаторы в лабораториях продувают азотом приборы или защищают образцы от кислорода. Азотом тушат кокс, азотом, закачанным в вакуумную упаковку, предохраняют продукты от гниения.

Как используют азот в материаловедении? Соединения азота — нитриды — обладают очень высокой прочностью и твердостью. Поэтому нитридными частицами наряду с карбидными издавна упрочняют сплавы. Для образования нитридов внутри изделия никаких особых мер принимать не надо — достаточно добавить в ту же сталь нитрид-образующий элемент, и растворенного в металле азота окажется достаточно для выделения мелких твердых частиц по всему объему. Если же нужно сделать поверхность тверже, то ее насыщают азотом в течение нескольких часов при высокой температуре, например в атмосфере аммиака, а затем, после снижения температуры и термической обработки, получают насыщенный твердыми частицами верхний слой, под которым находится мягкая сердцевина.

Что такое азотная вакансия? Это возможный элемент квантового компьютера. Сверхчистый алмаз облучают высокоэнергетическими частицами, которые нарушают его кристаллическое строение — создают вакансии, а затем имплантируют ионы азота. Заняв место в решетке алмаза, азот притягивает ближайшую вакансию, и получается так называемый вакансионный центр. В нем у азота три валентных электрона связаны с атомами углерода, а два принадлежат вакансии. Они притягивают еще один электрон, и вот он оказывается главным при получении кубита (элемента для хранения одного бита квантовой информации): спином этого электрона можно манипулировать с помощью лазера и так менять квантовое состояние. В азотной вакансии квантовое состояние электрона сохраняется очень долго, но трудно создавать так называемые спутанные состояния из нескольких кубитов, а именно они обеспечивают невероятные возможности квантовым вычислениям.

Что такое азотный эндофуллерен? Если нагревать фуллерены С ₆₀ в плазме азота, то внутри углеродных сфер окажется по одному атому азота. Атом этот, в отличие от молекулы, чрезвычайно агрессивен, однако он никак не реагирует с внутренностью фуллерена, то есть его агрессивность остается потенциальной. Если бы азот вышел наружу и встретился с другим атомом азота, то при их соединении выделилась бы гигантская энергия — 33,75 МДж/кг. А рекордсменом по тепловому эффекту на вес компонентов сейчас считается реакция горения бериллия в озоне — 25,45 МДж/кг. Есть мнение, что, если придумать способ освобождения эндоазота из углеродной клетки, в руках человека окажется вещество, обладающее чрезвычайно большой энергонасыщенностью.

Что такое азотный наркоз? Это опасность, которая преследует водолазов наряду с кессонной болезнью. При погружении давление повышается и азот лучше растворяется в крови. Если быстро подняться, давление резко упадет, азот выделится в виде пузырьков и закупорит сосуды — это кессонная болезнь. Но когда в крови оказалось много азота, растет и его концентрация в липидных оболочках клеток. Когда это происходит в клетках мозга, связи между нейронами нарушаются и человек теряет сознание без всяких видимых причин.

Азот — элемент главной подгруппы пятой группы второго периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 7. Обозначается символом N (лат. Nitrogenium). Простое вещество азот (CAS-номер: 7727-37-9) — достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха (формула N2), из которого на три четверти состоит земная атмосфера.

История открытия.

В 1772 году Генри Кавендиш провёл следующий опыт: он многократно пропускал воздух над раскалённым углём, затем обрабатывал его щёлочью, в результате получался остаток, который Кавендиш назвал удушливым (или мефитическим) воздухом. С позиций современной химии ясно, что в реакции с раскалённым углём кислород воздуха связывался в углекислый газ, который затем поглощался щёлочью. При этом остаток газа представлял собой по большей части азот. Таким образом, Кавендиш выделил азот, но не сумел понять, что это новое простое вещество (химический элемент). В том же году Кавендиш сообщил об этом опыте Джозефу Пристли.

Пристли в это время проводил серию экспериментов, в которых также связывал кислород воздуха и удалял полученный углекислый газ, то есть также получал азот, однако, будучи сторонником господствующей в те времена теории флогистона, совершенно неверно истолковал полученные результаты (по его мнению, процесс был противоположным — не кислород удалялся из газовой смеси, а наоборот, в результате обжига воздух насыщался флогистоном; оставшийся воздух (азот) он и назвал насыщенным флогистоном, то есть флогистированным). Очевидно, что и Пристли, хотя и смог выделить азот, не сумел понять сути своего открытия, поэтому и не считается первооткрывателем азота.

В дальнейшем азот был изучен Генри Кавендишем (интересен тот факт, что он сумел связать азот с кислородом при помощи разрядов электрического тока, а после поглощения оксидов азота в остатке получил небольшое количество газа, абсолютно инертного, хотя, как и в случае с азотом, не смог понять, что выделил новый химический элемент — инертный газ аргон)

Жидкий азот. При н.у. — газ без цвета, вкуса и запаха.

Азот / Nitrogenium (N), 7

3,04 [1] (шкала Полинга)

5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −3

0,808 г/см³ (−195,8 °C); при н.у. 0,001251 г/см³

(300 K) 0,026 Вт/(м·К)

Азо́т — элемент 15-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы пятой группы) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 7. Обозначается символом N (лат. Nitrogenium ). Простое вещество азот (CAS-номер: 7727-37-9) — достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха (формула N₂), из которого на три четверти состоит земная атмосфера.

Содержание

История открытия

Одновременно схожие эксперименты с тем же результатом проводил и Карл Шееле.

Происхождение названия

Азот в природе

Изотопы

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14 N — 99,635 % и 15 N — 0,365 %.

Искусственно получены четырнадцать радиоактивных изотопов азота с массовыми числами от 10 до 13 и от 16 до 25. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13 N имеет период полураспада 10 мин.

Спин ядер стабильных изотопов азота: 14 N — 1; 15 N — 1/2.

Распространённость

Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, межзвёздном пространстве и др. Азот — четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).

Азот, в форме двухатомных молекул N₂ составляет большую часть атмосферы, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму), то есть около 3,87·10 15 т.

Содержание азота в земной коре, по данным разных авторов, составляет (0,7—1,5)·10 15 т (причём в гумусе — порядка 6·10 10 т), а в мантии Земли — 1,3·10 16 т. Такое соотношение масс заставляет предположить, что главным источником азота служит верхняя часть мантии, откуда он поступает в другие оболочки Земли с извержениями вулканов.

Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2·10 13 т, кроме того примерно 7·10 11 т азота содержатся в гидросфере в виде соединений.

Биологическая роль

Круговорот азота в природе

Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям — абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000 °C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).

Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и в конце концов попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5—8·10 7 т/год).

Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации, то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.

Токсикология азота и его соединений

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.

Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны.

Получение

В лабораториях его можно получать по реакции разложения нитрита аммония:

$\mathsf<NH_4NO_2 \rightarrow N_2 \uparrow + 2H_2O > $

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.

Ещё один лабораторный способ получения азота — нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция идёт по уравнениям:

" width="" height="" />
" width="" height="" />

Наиболее чистый азот можно получить разложением азидов металлов:

$\mathsf<2NaN_3 \ \xrightarrow[]<^ot> \ 2Na + 3N_2 \uparrow>$

Один из лабораторных способов — пропускание аммиака над оксидом меди (II) при температуре ~700 °C:

$\mathsf<3CuO + 2NH_3 \rightarrow N_2 \uparrow + 3Cu + 3H_2O> $

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

При нормальных условиях азот это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде (2,3 мл/100г при 0 °C, 0,8 мл/100 г при 80 °C), 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 твердое 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-N₂ с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P6₃/mmc, параметры решётки a=3,93 Å и c=6,50 Å. При температуре ниже 36,61 К устойчива фаза α-N₂ с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P2₁3 и период a=5,660 Å. Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83 K образуется гексагональная фаза γ-N₂.

Химические свойства, строение молекулы

Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N₂, электронная конфигурация которых описывается формулой σ_s²σ_s *2 π_{x, y} 4 σ_z², что соответствует тройной связи между молекулами азота N≡N (длина связи d_N≡N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N₂ ↔ 2N изменение энтальпии в реакции ΔH°₂₉₈=945 кДж/моль [4] , константа скорости реакции К₂₉₈=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 N₂ 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 N₂. В лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N₂ при сильном разряжении 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:

$\mathsf<6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N> $

при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды:

" width="" height="" />
" width="" height="" />

Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак) NH₃, 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

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

$\mathsf<N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3> $

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:

$\mathsf<CaC_2 + N_2 \rightarrow CaCN_2 + C> $

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.

Соединения азота в степени окисления −3 представлены нитридами, из которых практически наиболее важен аммиак;
Соединения азота в степени окисления −2 менее характерны, представлены пернитридами, из которых самый важный пернитрид водорода N₂H₄ или гидразин (существует также крайне неустойчивый пернитрид водорода N₂H₂, диимид);
Соединения азота в степени окисления −1 NH₂OH (гидроксиламин) — неустойчивое основание, применяющееся, наряду с солями гидроксиламмония, в органическом синтезе;
Соединения азота в степени окисления +1оксид азота(I) N₂O (закись азота, веселящий газ);
Соединения азота в степени окисления +2оксид азота(II) NO (монооксид азота);
Соединения азота в степени окисления +3оксид азота(III) N₂O₃, азотистая кислота, производные аниона NO₂ − , трифторид азота (NF₃);
Соединения азота в степени окисления +4оксид азота(IV) NO₂ (диоксид азота, бурый газ);
Соединения азота в степени окисления +5оксид азота(V) N₂O₅, азотная кислота, её соли — нитраты и другие производные, а также тетрафтораммоний NF₄ + и его соли.

Применение

Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии.

Промышленные применения газообразного азота обусловлены его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению. 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. 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 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.

Маркировка баллонов

Баллоны с азотом окрашены в чёрный цвет, должны иметь надпись жёлтого цвета и коричневую полосу (согласно нормам РФ).

Интересные факты

Азот в сложении с капитализмом — это война, разрушение, смерть. Азот в сложении с социализмом — это высокий урожай, высокая производительность труда, высокий материальный и культурный уровень трудящихся.

Как простое вещество (при н. у.) азот — двухатомный газ (химическая формула — N₂) без цвета, вкуса и запаха.

Один из самых распространённых элементов на Земле. Основной компонент воздуха: 78 % объёма.

Химически весьма инертен, однако реагирует с комплексными соединениями переходных металлов. Применяется как инертная среда для множества технологических процессов; жидкий азот — хладагент.

Азот — один из основных биогенных элементов, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот [4] .

Читайте также: