Азот


                                 Содержание:

  1. Историческая справка
  2. Распространенность в природе
  3. Атом и молекула
  4. Физические и химические свойства
  5. Получение и применение
  6. Азотная кислота
  7. Окислительные свойства азотной кислоты
  8. Нитраты
9. Промышленное получение азотной кислоты
  10. Круговорот азота в природе



   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.

1.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 году 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.

2.Распространяемость 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).

3.Атом и 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%.
4.    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. ).

5.    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.

6.    Азотная кислота. Чистая азотная кислота HNO[pic]—бесцветная жидкость
  плотностью 1,51 г/см[pic] при - 42 °С застывающая в прозрачную
  кристаллическую массу. На воздухе она, подобно концентрированной соляной
  кислоте, «дымит», так как пары ее образуют с 'влагой воздуха мелкие
  капельки тумана,
  Азотная кислота не отличается прочностью, Уже под влиянием света она
  постепенно разлагается:

                                    [pic]
Чем выше температура и чем концентрированнее кислота, тем быстрее идет
разложение. Выделяющийся диоксид азота растворяется в кислоте и придает ей
бурую окраску.

Азотная кислота принадлежит к числу наиболее сильных кислот; в разбавленных
растворах она полностью распадается на ионы Н[pic] и- NO[pic].

7.    Окислительные свойства азотной кислоты. Характерным свойством азотной
  кислоты является ее ярко выраженная окислительная способность. Азотная
  кислота—один из энергичнейших окислителей. Многие неметаллы легко
  окисляются ею, превращаясь в соответствующие кислоты. Так, сера при
  кипячении с азотной кислотой постепенно окисляется в серную кислоту,
  фосфор — в фосфорную. Тлеющий уголек, погруженный в концентрированную
  HNO[pic], ярко разгорается.
  Азотная кислота действует почти на все металлы (за исключением золота,
  платины, тантала, родия, иридия), превращая их в нитраты, а некоторые
  металлы—в оксиды.

Концентрированная HNO[pic] пассивирует некоторые металлы. Еще Ломоносов
открыл, что железо, легко растворяющееся в разбавленной азотной кислоте, не
растворяется в холодной концентрированной HNO[pic]. Позже было установлено,
что аналогичное действие азотная кислота оказывает на хром и алюминий. Эти
металлы переходят под действием концентрированной азотной кислоты в
пассивное состояние.

Степень окисленности азота в азотной кислоте равна 4-5. Выступая в качестве
окислителя, НNО[pic] может восстанавливаться до различных продуктов:

                                    [pic]
Какое из этих веществ образуется, т. е. насколько глубоко восстанавливается
азотная кислота в том или ином случае, зависит от природы восстановителя и
от условий реакции, прежде всего от концентрации кислоты. Чем выше
концентрации HNO[pic], тем менее глубоко она восстанавливается. При
реакциях с концентрированной кислотой чаще всего выделяется [pic]. При
взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами,
например, с медью, выделяется NO. В случае более активных металлов —
железа, цинка, — образуется[pic]. Сильно разбавленная азотная кислота
взаимодействует с активными металлами—--цинком, магнием, алюминием—с
образованием иона аммония, дающего с кислотой нитрат аммония. Обычно
одновременно образуются несколько продуктов.

Для иллюстрации приведем схемы реакций окисления некоторых металлов азотной
кислотой;

                                    [pic]
При действии азотной кислоты на металлы водород, как правило, не
выделяется.

При окислении неметаллов концентрированная азотная кислота, как и в случае
металлов, восстанавливается до [pic], например

                                    [pic]
Более разбавленная кислота обычно восстанавливается до NO, например:

                                    [pic]
Приведенные схемы иллюстрируют наиболее типичные случаи взаимодействия
азотной кислоты с металлами и неметаллами. Вообще же, окислительно-
восстановительные реакции, идущие с участием [pic], протекают сложно.

Смесь, состоящая из 1 объема азотной и 3—4 объемов концентрированной
соляной кислоты, называется царской водкой. Царская водка растворяет
некоторые металлы, не взаимодействующие с азотной кислотой, в том числе и
«царя металлов»—золото. Действие ее объясняется тем, что азотная кислота
окисляет соляную с выделением свободного хлора и образованием хлороксида
азота(III), или хлорида нитрозила, [pic]:


                                    [pic]
Хлорид нитрозила является промежуточным продуктом реакции и разлагается:

                                    [pic]
Хлор в момент выделения состоит из атомов, что и обусловливает высокую
окислительную способность царской водки. Реакции окисления золота и платины
протекают в основном согласно следующим уравнениям.

                                    [pic]
С избытком соляной кислоты хлорид золота(III) и хлорид платины (IV)
образуют комплексные соединения [pic]

На многие органические вещества азотная кислота действует так, что один или
несколько атомов водорода в молекуле органического соединения замещаются
нитрогруппами [pic]. Этот процесс называется нитрованием и имеет большое
значение в органической химии.

Азотная кислота — одно из важнейших соединений азота: в больших количествах
она расходуется в производстве, азотных удобрений, взрывчатых веществ и
органических красителей, служит окислителем во многих химических процессах,
используется в производстве серной кислоты по нитрозному способу,
применяется для изготовления целлюлозных лаков, кинопленки.

7. Нитраты. Соли азотной кислоты называются нитратами. Все они хорошо
растворяются в воде, а при нагревании разлагаются с выделением кислорода.
При этом нитраты наиболее активных металлов переходят в нитриты:

                                    [pic]
Нитраты большинства остальных металлов при нагревании распадаются на оксид
металла, кислород и диоксид азота. Например:

                                    [pic]
Наконец, нитраты наименее активных металлов (например, серебра, золота)
разлагаются при нагревании до свободного металла:

                                    [pic]
  Легко  отщепляя  кислород,  нитраты  при  высокой  температуре   являются
энергичными окислителями. Их водные растворы, напротив, почти  не  проявляют
окислительных свойств.
Наиболее важное значение имеют нитраты натрия, калия, аммония и кальция,
которые на практике называются селитрами.

Нитрат натрия [pic]или натриевая селитра, иногда называемая также чилийской
селитрой, встречается в большом количестве в природе только в Чили.

Нитрат калия[pic], или калийная селитра, в небольших количествах также
встречается в природе, но главным образом получается искусственно при
взаимодействии нитрата натрия с хлоридом калия.

Обе эти соли используются в качестве удобрений, причем нитрат калия
содержит два необходимых растениям элемента: азот и калий. Нитраты натрия и
калия применяются также при стекловарении и в пищевой промышленности для
консервирования продуктов.

Нитрат кальция [pic]или кальциевая селитра, получается в больших
количествах нейтрализацией азотной кислоты известью; применяется как
удобрение.

8.    Промышленное получение азотной кислоты. Современные промышленные
  способы получения азотной кислоты основаны на каталитическом окислении
  аммиака кислородом воздуха. При« описании свойств аммиака было указано,
  что он горит в кислороде, причём продуктами реакции являются вода и
  свободный азот. Но в присутствии катализаторов - окисление аммиака
  кислородом может протекать иначе. Если пропускать смесь аммиака с
  воздухом над катализатором, то при 750 °С и определенном составе смеси
  происходит почти полное превращение
                                    [pic]
Образовавшийся [pic] легко переходит в[pic], который с водой в присутствии
кислорода воздуха дает азотную кислоту.

В качестве катализаторов при окислении аммиака используют сплавы на основе
платины.

Получаемая окислением аммиака азотная кислота имеет концентрацию, не
превышающую 60%. При необходимости ее концентрируют,

Промышленностью выпускается разбавленная азотная кислота концентрацией 55,
47 и 45%, а концентрированная—98 и 97%, Концентрированную кислоту перевозят
в алюминиевых цистернах, разбавленную — в цистернах из кислотоупорной
стали.

9.    Круговорот азота в природе. При гниении органических веществ
  значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак,
  который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется
  затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в
  почве карбонатами, например с карбонатом кальция[pic], образует нитраты:
                                    [pic]
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в
атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических
веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют
бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород
от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих
денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной
для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный
азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших
растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в
свободном виде.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы
привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не
существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам
относятся прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при
которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с
водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. 'Другим
источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность
так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот.
Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства
бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они
и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот,
клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения,
в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако
ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части
растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения,
возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

Изучение вопросов питания растений и повышения урожайности последних путем
применения удобрений является предметом специальной отрасли химия,
получившей название агрохимии.