Азот

Молекулярный  азот в промышленности получают фракционной  перегонкой жидкого воздуха. Этим методом  можно получить и «атмосферный азот». Также широко применяются азотные  установки, в которых используется метод адсорбционного и мембранного  газоразделения. 

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

2NH3 + 3CuO → N2↑ + 3H2O + 3Cu 

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  линейчатый эмиссионный спектр азота  

 Схема электронных оболочек атома азота 
 

При нормальных условиях азот это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в  воде (2,3 мл/100г при 0 °C, 0,8 мл/100г при 80 °C). 

В жидком состоянии (темп. кипения -195,8 °C) – бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. 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 σs²σs*2πx, y4σz², что соответствует тройной связи между молекулами азота N≡N (длина связи dN≡N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N2 ↔ 2N удельная энтальпия образования ΔH°298=945 кДж, 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  многие его соединения эндотермичны, энтальпия их образования отрицательна, 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:

6Li + N2 → 2Li3N, 

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

3Mg + N2 → Mg3N2,

2B + N2 →2BN, 

Наибольшее  практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак): 

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 проч. Хотя колоссальные количества азота доступны в прямом смысле слова «из воздуха», из-за описанной выше прочности молекулы азота N2 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:

3H2 + N2 ↔ 2NH3 

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°С 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:

CaC2 + N2 → CaCN2 + C. 

Реакция экзотермична, её тепловой эффект 293 кДж. 

Ежегодно из атмосферы Земли промышленным путём  отбирается примерно 1·106 т азота. Подробно процесс получения азота изложен  здесь ГРАСИС

[править]

Соединения  азота

Основная статья: Соединения азота 

Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, +1, +2, +3, +4, +5.

Соединения  азота в степени окисления  −3 представлены нитридами, из которых  практически наиболее важен аммиак; 
 
 

Соединения  азота

-Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, +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 +1 оксид азота (I) N2O (закись азота, веселящий газ);

-Соединения азота в степени окисления +2 оксид азота (II) NO (монооксид азота);

-Соединения азота в степени окисления +3 оксид азота (III) N2O3, азотистая кислота, производные аниона NO2-, трифторид азота NF3;

-Соединения азота в степени окисления +4 оксид азота (IV) NO2 (диоксид азота, бурый газ);

-Соединения азота в степени окисления +5 — оксид азота (V) N2O5, азотная кислота и её соли — нитраты, и др. 
 
 

Применение 

Слабокипящий жидкий азот в металлическом стакане.

 

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. 

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. 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 розливе 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 распространённая ошибка. 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. 

Азот / Nitrogenium (N)

Атомный номер 7

Внешний вид простого вещества Газ без цвета вкуса и запаха,

химически весьма инертен

Свойства атома

Атомная масса

(молярная масса) 14,00674 а. е. м. (г/моль)

Радиус атома 92 пм

Энергия ионизации

(первый электрон) 1401,5 (14,53) кДж/моль (эВ)

Электронная конфигурация [He] 2s2 2p3

Химические свойства

Ковалентный радиус 75 пм

Радиус иона 13 (+5e) 171 (-3e) пм

Электроотрицательность

(по Полингу) 3,04

Электродный потенциал —

Степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -3

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность 0,808 (−195,8 °C) г/см³

Молярная теплоёмкость 29,125[1] (газ N2) Дж/(K·моль)

Теплопроводность 0,026 Вт/(м·K)

Температура плавления 63,29 K

Теплота плавления (N2) 0.720 кДж/моль

Температура кипения 77,4 K

Теплота испарения (N2) 5.57 кДж/моль

Молярный объём 17,3 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества

Структура решётки кубическая

Параметры решётки 5,661 Å

Отношение c/a —

Температура Дебая n/a K 

Пользовалась сайтами: 

www.schoolchemistry.by.ru

http://ru.wikipedia.org/wiki/Азот