dušik

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
dušik
Ogljik | Kisik
7 N

P
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонPeriodični sistem elementov
7 N
Hexagonal.svg
Elektronska lupina 007 Nitrogen.svg
Videz preproste snovi
pri n. pri - plin brez barve, okusa in vonja
Liquidnitrogen.jpg
Lastnosti atoma
Ime, simbol, številka Dušik / dušik (N), 7
Atomska masa
( molarna masa )
[14,00643; 14,00728] [ kom. 1] [1] a. e.m. ( g / mol )
Elektronska konfiguracija [ On ] 2s 2 2p 3
Polmer atoma 75 zvečer
Kemijske lastnosti
Kovalentni polmer 75 zvečer
Ionski polmer 13 (+ 5e) 171 (−3e) popoldan
Elektronegativnost 3,04 [2] (Paulingova lestvica)
Oksidacijska stanja 5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −2, −3
Ionizacijska energija
(prvi elektron)
1401,5 (14,53) kJ / mol ( eV )
Termodinamične lastnosti preproste snovi
Gostota (na št. ) 0,808 g / cm³ (-195,8 °C); 1,1649 kg / m³ pod standardnimi pogoji v skladu z GOST 2939-63; pri n. pri 0,001251 g / cm³
Temperatura taljenja 63,29 K (−209,86 °C )
Temperatura vrelišča 77,4 K (−195,75 °C )
Ud. fuzijska toplota (N 2 ) 0,720 kJ / mol
Ud. toplota izhlapevanja (N 2 ) 5,57 kJ/mol
Molarna toplotna zmogljivost 29,125 [3] (plin N 2 ) J / (K · mol)
Molarni volumen 22,4⋅10 3 cm ³ / mol
Kristalna mreža preproste snovi
Rešetkasta struktura kubični
Parametri rešetke 5,661 Å
Druge značilnosti
Toplotna prevodnost (300 K) 0,026 W / (m K)
Številka CAS 7727-37-9
7
dušik
N
14.007
2s 2 2p 3

Dušik ( N , latinsko nitrogenium ) je kemični element 15. skupine (po zastareli kratki obliki periodnega sistema spada v glavno podskupino skupine V oz. v skupino VA), drugo obdobje periodnega sistema z atomsko številko 7.

Nanaša se na pniktogene .

Kot preprosta snov je brezbarven dvoatomski plin brez okusa in vonja.

Eden najpogostejših elementov na Zemlji.

Kemično je zelo inerten, vendar reagira s kompleksnimi spojinami prehodnih kovin.

Glavna sestavina zraka (78 % prostornine), katere ločevanje se uporablja za pridobivanje industrijskega dušika (več kot ¾ gre za sintezo amoniaka ).

Uporablja se kot inerten medij za številne tehnološke procese; tekoči dušik je hladilno sredstvo .

Dušik je eden glavnih biogenih elementov, ki sestavljajo beljakovine in nukleinske kisline [4] .

Zgodovina odkritij

Leta 1772 je Henry Cavendish izvedel poskus: večkrat je spustil zrak čez vroč premog, nato ga obdelal z alkalijo, rezultat je bil ostanek, ki ga je Cavendish imenoval zadušljiv (ali mefitični) zrak. S stališča sodobne kemije je jasno, da se je v reakciji z vročim premogom kisik v zraku vezal v ogljikov dioksid , ki ga je nato absorbirala alkalija. V tem primeru je bil preostanek plina večinoma dušik. Tako je Cavendish izoliral dušik, vendar ni razumel, da gre za novo preprosto snov (kemični element), in ga opisal kot mefitski zrak (iz angleškega mephitic - "škodljiv"). Istega leta je Cavendish o tej izkušnji poročal Josephu Priestleyju [5] : 41 .

Zanimivo dejstvo je, da je lahko z električnimi razelektritvami vezal dušik s kisikom in je po absorpciji dušikovih oksidov v ostanku prejel majhno količino plina, popolnoma inertnega, čeprav, tako kot v primeru dušika, ni mogel razumeti, da izoliral je nov kemični element - inertni plin argon . [ vir ni določen 853 dni ]

Joseph Priestley je v tistem času izvedel vrsto poskusov, v katerih je tudi vezal kisik v zrak in odstranil nastali ogljikov dioksid, torej je prejel tudi dušik, vendar je kot zagovornik takrat prevladujoče teorije flogistona tudi napačno razlagal pridobljene rezultate - odločil se je, da ima izoliran flogističen zrak (torej nasičen s flogistonom) [5] : 41 .

Septembra 1772 je škotski kemik Daniel Rutherford objavil magistrsko nalogo "O tako imenovanem fiksnem in mefitskem zraku", v kateri je dušik opisal kot škodljiv, strupen zrak in predlagal, da gre za nov kemični element [5] : 41 in opisal tudi glavne lastnosti dušika (ne reagira z alkalijami , ne podpira izgorevanja, ni diha). Rutherford je bil tudi zagovornik teorije flogistona, zato tudi ni mogel razumeti, kaj je identificiral. Tako ni mogoče jasno opredeliti odkritelja dušika. [ vir ni določen 853 dni ]

Hkrati je dušik izoliral Karl Scheele : poleti 1772 je po Cavendishevi metodi pridobil dušik in ga preučeval pet let, nato pa objavil rezultate svojih raziskav. Scheele je v tej publikaciji prvi opisal zrak kot mešanico ločenih plinov: "ognjenega zraka" (kisika) in "umazanega zraka" (dušika). Zaradi dejstva, da je Scheele zamujal z objavo svoje raziskave, še vedno poteka razprava o odkritelju dušika [5] : 41 .

izvor imena

Ime "dušik" ( fr. Azote, po najpogostejši različici starogrščine. Ἄζωτος - brez življenja), namesto prejšnjega imena ("flogističen", "mefitični" in "pokvarjen" zrak) je leta 1787 predlagal Antoine. Lavoisier , ki je v tistem času kot del skupine drugih francoskih znanstvenikov razvil načela kemijske nomenklature , je bil istega leta ta predlog objavljen v delu "Metoda kemijske nomenklature" [6] [5] : 41 . Kot je prikazano zgoraj, je bilo že takrat znano, da dušik ne podpira izgorevanja ali dihanja. Ta lastnost je veljala za najpomembnejšo. Čeprav se je pozneje izkazalo, da je dušik, nasprotno, izjemno potreben za vsa živa bitja, se je ime ohranilo v francoščini in ruščini. Ta različica imena je bila dokončno določena v ruščini po objavi knjige Hermanna Hessa "Osnove čiste kemije" leta 1831 [7] .

Sama beseda "dušik" (brez povezave s plinom) je poznana že od antike in so jo uporabljali filozofi in alkimisti srednjega veka za označevanje "primarne snovi kovin", tako imenovanega "živega srebra" med filozofi, "dvojnega živo srebro" med alkimisti. Alkimisti so smatrali, da je "primarna snov kovin" " alfa in omega " vsega, kar obstaja. In beseda za njeno označbo je bila sestavljena iz začetnih in končnih črk abeced treh jezikov, ki veljajo za svete - latinščine , grščine in hebrejščine : a , alfa , aleph in zet , omega , tov - AAAZOT. Pobudnik oblikovanja nove kemijske nomenklature Guiton de Morveaux je v svoji "Metodični enciklopediji" (1786) opozoril na alkemični pomen izraza [8] .

Številni Lavoisierjevi sodobniki so menili, da je ime elementa nesrečno, zlasti Jean-Antoine Chaptal je predlagal ime fr. nitrogène - "roditi salitro " (in to ime uporabil v svoji knjigi "Elementi kemije" [9] ). Do sedaj se dušikove spojine imenujejo »nitrati«, »nitriti« in »nitridi« [5] : 42 .

V francoščini se ime "dušik" ni ukoreninilo, v angleščini, španščini, madžarščini in norveščini pa se uporablja izpeljanka te besede. V portugalščini se uporabljata tako ime ( port. Nitrogé (ê) nio) in (zlasti na Portugalskem) ( port. Azoto ).

V nemščini se uporablja ime . Stickstoff , kar pomeni "zadušljiv", je podobno v nizozemščini; imena, podobna po pomenu, se uporabljajo v nekaterih slovanskih jezikih, na primer v hrvaškem in slovenskem dušik (pr. “dusik”) [5] : 42 , pa tudi v hebrejščini (חנקן, “khankan”).

Ime "dušik" je poleg francoščine in ruščine sprejeto v italijanščini, turščini in številnih slovanskih jezikih, pa tudi v mnogih jezikih ljudstev nekdanje ZSSR.

Pred sprejetjem simbola N v Rusiji, Franciji in drugih državah je bil uporabljen simbol Az , kar lahko vidimo na primer v članku A. M. Butlerova o aminih iz leta 1864 [5] : 42 [10] .

Dušik v naravi

Izotopi

Naravni dušik je sestavljen iz dveh stabilnih izotopov 14 N - 99,635 % in 15 N - 0,365 %.

Umetno pridobljenih štirinajst radioaktivnih dušikovih izotopov z masnimi števili od 10 do 13 in od 16 do 25. Vsi so zelo kratkoživi izotopi. Najbolj stabilen od njih, 13 N, ima razpolovno dobo 10 minut.

Spin jeder stabilnih izotopov dušika: 14 N - 1; 15 N - 1/2.

Razširjenost

Dušik je eden najpogostejših elementov na Zemlji [4] . Zunaj Zemlje se dušik nahaja v plinastih meglicah, sončnem ozračju, na Uranu , Neptunu , medzvezdnem prostoru itd. Atmosfere satelitskih planetov, kot so Titan , Triton in pritlikavi planet Pluton, so v glavnem sestavljene iz dušika. Dušik je četrti najbolj razširjen element v sončnem sistemu (za vodikom , helijem in kisikom ).

Dušik v obliki dvoatomskih molekul N 2 predstavlja večino zemeljske atmosfere , kjer je njegova vsebnost 75,6 % (po masi) ali 78,084 % (v prostornini), to je približno 3,87⋅10 15 ton.

Vsebnost dušika v zemeljski skorji je po mnenju različnih avtorjev (0,7-1,5) ⋅10 15 ton (poleg tega v humusu - približno 6⋅10 10 ton) in v plašču Zemlje - 1,3⋅10 16 ton To masno razmerje nakazuje, da je glavni vir dušika zgornji del plašča, od koder z vulkanskimi izbruhi vstopi v druge lupine Zemlje.

Masa dušika, raztopljenega v hidrosferi, ob upoštevanju, da se procesi raztapljanja atmosferskega dušika v vodi in njegovega sproščanja v ozračje dogajajo hkrati, je približno 2⋅10 13 ton, poleg tega pa približno 7⋅10 11 ton dušika so v hidrosferi v obliki spojin.

Biološka vloga

Dušik je kemični element, potreben za obstoj živali in rastlin, je del beljakovin (16-18 mas. %), aminokislin , nukleinskih kislin , nukleoproteinov , klorofila , hemoglobina itd. V sestavi živih celic, število dušikovih atomov je približno 2 %, po masnem deležu - približno 2,5 % (četrto mesto za vodikom, ogljikom in kisikom). V zvezi s tem je znatna količina vezanega dušika vsebovana v živih organizmih, "mrtvi organski snovi" in razpršeni snovi morij in oceanov. Ta količina je ocenjena na približno 1,9⋅10 11 ton. Kot posledica procesov razpadanja in razgradnje organske snovi, ki vsebuje dušik, pod pogojem ugodnih okoljskih dejavnikov, so naravna nahajališča mineralov, ki vsebujejo dušik, na primer "čilski nitrat " ( natrijev nitrat z nečistočami drugih spojin), norveški, indijski nitrat.

Kemija dušikovih hidridov pri tlakih reda 800 GPa (približno 8 milijonov atmosfer) je bolj raznolika kot kemija ogljikovodikov v normalnih pogojih. Zato se je pojavila hipoteza, da bi dušik lahko bil osnova za še neodkrito življenje na planetih, kot sta Uran in Neptun [11] [5] : 43 .

Kroženje dušika v naravi

Fiksacija atmosferskega dušika v naravi poteka v dveh glavnih smereh: abiogena in biogena. Prva pot vključuje predvsem reakcije dušika s kisikom. Ker je dušik kemično zelo inerten, so za oksidacijo potrebne velike količine energije (visoke temperature). Ti pogoji so doseženi med udarom strele, ko temperatura doseže 25.000 ° C ali več. V tem primeru pride do tvorbe različnih dušikovih oksidov . Obstaja tudi možnost, da se abiotska fiksacija pojavi kot posledica fotokatalitičnih reakcij na površini polprevodnikov ali širokopasovnih dielektrikov (puščavski pesek).

Vendar pa je glavni del molekularnega dušika (približno 1,4⋅10 8 t/leto) fiksiran biotski . Dolgo časa je veljalo, da lahko le majhno število vrst mikroorganizmov (čeprav razširjenih na površini Zemlje) veže molekularni dušik: bakterije Azotobacter in Clostridium , nodusne bakterije stročnic Rhizobium , cianobakterije Anabaena , Nostoc itd. Zdaj je znano, da imajo to sposobnost številni drugi organizmi v vodi in zemlji, na primer aktinomiceti v vozlih jelše in drugih dreves (skupaj 160 vrst). Vsi pretvarjajo molekularni dušik v amonijeve spojine (NH 4 + ). Ta proces zahteva veliko porabo energije (za fiksiranje 1 g atmosferskega dušika bakterije v vozličkih stročnic porabijo približno 167,5 kJ, torej oksidirajo približno 10 g glukoze ). Tako je vidna obojestranska korist simbioze rastlin in bakterij, ki vežejo dušik - prve zagotavljajo drugim "kraj za življenje" in oskrbujejo "gorivo", pridobljeno kot rezultat fotosinteze - glukozo, druge zagotavljajo dušik. potrebne za rastline v obliki, ki jo asimilirajo.

Dušik v obliki amoniaka in amonijevih spojin, pridobljenih v procesih biogene fiksacije dušika, se hitro oksidira v nitrate in nitrite (ta proces se imenuje nitrifikacija ). Slednji, ki niso vezani na rastlinska tkiva (in dalje po prehranjevalni verigi rastlinojedi in plenilci), ne ostanejo dolgo v tleh. Večina nitratov in nitritov je zlahka topnih, zato jih voda spere in na koncu končajo v svetovnem oceanu (ta tok je ocenjen na 2,5-8⋅10 7 ton / leto).

Dušik, ki je vključen v tkiva rastlin in živali, se po njihovi smrti podvrže amonifikaciji (razpad kompleksnih spojin, ki vsebujejo dušik s sproščanjem amoniaka in amonijevih ionov) in denitrifikaciji , to je sproščanju atomskega dušika, pa tudi njegovih oksidov. . Ti procesi so v celoti posledica delovanja mikroorganizmov v aerobnih in anaerobnih pogojih.

V odsotnosti človekove dejavnosti sta procesa fiksacije in nitrifikacije dušika skoraj popolnoma uravnotežena z nasprotnimi reakcijami denitrifikacije. Del dušika vstopi v atmosfero iz plašča z vulkanskimi izbruhi, del je trdno fiksiran v tleh in glinenih mineralih, poleg tega dušik nenehno uhaja iz zgornje atmosfere v medplanetarni prostor.

Toksikologija dušika in njegovih spojin

Atmosferski dušik je sam po sebi preveč inerten, da bi lahko neposredno vplival na ljudi in sesalce. Vendar pa s povečanim pritiskom povzroči anestezijo , zastrupitev ali zadušitev (s pomanjkanjem kisika); s hitrim znižanjem tlaka dušik povzroči dekompresijsko bolezen .

Mnoge dušikove spojine so zelo aktivne in pogosto strupene.

Prejemanje

Razpad amonijevega 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