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*10 ¹⁵ т.) сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный азот (в виде молекул N ₂ ) 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 NH ₄ CI 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 2s ² 2p ³ ) . Чаще всего азот в соединениях 3-ковалентен за счет неспаренных электронов (как в аммиаке NH ₃ ) . Наличие неподеленной пары электронов может приводить к образованию еще одной ковалентной связи, и азот становится 4-ковалентным (как в ионе аммония NH ₄ ⁺ ) . Степени окисления азота меняются от +5 (в N ₂ O ₅ ) до -3 (в NH ₃ ) . В обычных условиях в свободном состоянии азот образует молекулу N ₂ , 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 3300 ⁰ С степень диссоциации азота составляет лишь около 0,1%.
Физические и химические свойства
Азот немного легче воздуха; плотность 1,2506 кг/м ³ (при 0 ⁰ С и 101325 н/м ² или 760 мм. рт. ст.) , t _пл -209,86 ⁰ С, t _кип -195,8 ⁰ С. Азот сжижается с трудом: его критическая температура довольно низка (-147,1 ⁰ С) , а критическое давление высоко 3,39 Мн/м ² (34,6 кгс/см ² ) ;плотность жидкого азота 808 кг/м ³ . В воде азот менее растворим, чем кислород: при 0 ⁰ С в 1 м ³ H ₂ O 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 N ₂ O, NO, N ₂ O ₃ , NO ₂ и N ₂ O ₅ . Из них при непосредственном взаимодействии элементов (4000 ⁰ С) образуется окись NO, которая при охлаждении легко окисляется далее до двуокиси NO ₂ . 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 N ₂ O ₃ и азотного N ₂ O ₅ ангидридов соответственно получаются азотистая кислота НNO ₂ и азотная кислота НNO ₃ , образующие соли - нитриты и нитраты. С водородом азот соединяется только при высокой температуре и в присутствии катализаторов, при этом образуется аммиак NH ₃ . Кроме аммиака, известны и другие многочисленные соединения азота с водородом, например гидразин H ₂ N-NH ₂ , диимид HN-NH, азотистоводородная кислота HN ₃ (H-N=N=N) , октазон N ₈ H ₁₄ 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 NF ₃ - при взаимодействии фтора с аммиаком. Как правило, галогениды азота - малостойкие соединения (за исключением NF ₃ ) ; более устойчивы оксигалогениды азота - NOF, NOCI, NOBr, NO ₂ F и NO ₂ CI. С серой также не происходит непосредственного соединения азота; азотистая сера N ₄ S ₄ получается в результате реакции жидкой серы с аммиаком. При взаимодействии раскаленного кокса с азотом образуется циан (СN) ₂ . Нагреванием азота с ацетиленом С ₂ Н ₂ до 1500 ⁰ С может быть получен цианистый водород HCN. Взаимодействие азота с металлами при высоких температурах приводит к образованию нитридов (например, Mg ₃ N ₂ ) .
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: NH ₄ NO ₂ ® N ₂ + 2H ₂ O. 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 1000 ⁰ С карбид кальция (получаемый накаливанием смеси известии угля в электрической печи) реагирует со свободным азотом: CaC ₂ + N ₂ ® CaCN ₂ + C. Образующийся цианамид кальция при действии перегретого водяного пара разлагается с выделением аммиака: CaCN ₂ + 3H ₂ O ® CaCO ₃ + 2NH ₃ .
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.