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.
|