Азот

Содержание:

1. Историческаясправка

2. Распространенностьв природе

3. Атоми молекула

4. Физическиеи химическиесвойства

5. Получениеи применение

6. Азотнаякислота

7. Окислительныесвойства азотнойкислоты

8. Нитраты

9. Промышленноеполучениеазотной кислоты

10. Круговоротазота в природе

Происходитот греческогослова azoos- безжизненный,по-латыниNitrogenium. Химическийзнак элемента- N.Азот - химическийэлемент Vгруппы периодическойсистемы Менделеева,порядковыйномер 7, относительнаяатомная масса14,0067; бесцветныйгаз, не имеющийзапаха и вкуса.

1.Историческаясправка.Соединенияазота - селитра,азотная кислота,аммиак - былиизвестны задолгодо полученияазота в свободномсостоянии. В1772 г. Д. Резерфорд,сжигая фосфори другие веществав стеклянномколоколе, показал,что остающийсяпосле сгораниягаз, названныйим “удушливымвоздухом”, неподдерживаетдыхания и горения.В 1787 году А. Лавуазьеустановил, что“жизненный”и “удушливый”газы, входящиев состав воздуха,это простыевещества, ипредложилназвание “азот”.В 1784 г. Г. Кавендишпоказал, чтоазот входитв состав селитры;отсюда и происходитлатинскоеназвание азота(от позднелатинскогоnitrum - селитраи греческогоgennao - рождаю,произвожу),предложенноев 1790 году Ж. А. Шапталем.К началу ХIXв. быливыяснены химическаяинертностьазота в свободномсостоянии иисключительнаяроль его всоединенияхс другими элементамив качествесвязанногоазота.

2.Распространяемостьв природе.Азот - один изсамых распространенныхэлементов наЗемле, причемосновная егомасса (около4*10¹⁵т.)сосредоточенав свободномсостоянии ватмосфере. Ввоздухе свободныйазот (в видемолекул N₂) составляет78,09% по объему (или 75,6% по массе), не считаянезначительныхпримесей егов виде аммиакаи окислов. Среднеесодержаниеазота в литосфере1,9*10^-3% помассе. Природныесоединенияазота - хлористыйаммоний NH₄CIи различныенитраты. Крупныескопленияселитры характерныдля сухогопустынногоклимата ( Чили,Средняя Азия). Долгое времяселитры былиглавным поставщикомазота дляпромышленности( сейчас основноезначение длясвязыванияазота имеетпромышленныйсинтез аммиакаиз азота воздухаи водорода ).Небольшиеколичествасвязанногоазота находятсяв каменном угле ( 1 - 2,5% ) и нефти ( 0,02 -1,5% ), а также в водахрек, морей иокеанов. Азотнакапливаетсяв почвах ( 0,1% ) ив живых организмах( 0,3% ).

Хотяназвание “азот”означает “неподдерживающийжизни”, на самомделе это - необходимыйдля жизнедеятельностиэлемент. В белкеживотных ичеловека содержится16 - 17% азота. В организмахплотоядныхживотных белокобразуетсяза счет потребляемыхбелковых веществ,имеющихся ворганизмахтравоядныхживотных и врастениях.Растения синтезируютбелок, усваиваясодержащиесяв почве азотистыевещества, главнымобразом неорганические.Значительныеколичестваазота поступаютв почву благодаряазотфиксирующиммикроорганизмам,способнымпереводитьсвободный азотвоздуха в соединенияазота.

В природеосуществляетсякруговоротазота, главнуюроль в которомиграют микроорганизмы- нитрофицирующие,денитрофицирующие,азотфиксирующиеи др. Однако врезультатеизвлеченияиз почвы растениямиогромногоколичествасвязанногоазота ( особеннопри интенсивномземледелии) почвы оказываютсяобедненными.Дефицит азотахарактерендля земледелияпочти всехстран, наблюдаетсядефицит азотаи в животноводстве( “белковоеголодание”). На почвах, бедныхдоступнымазотом, растенияплохо развиваются.Хозяйственнаядеятельностьчеловека нарушаеткруговоротазота. Так, сжиганиетоплива обогащаетатмосферуазотом, а заводы,производящиеудобрения,связывают азотиз воздуха.Транспортировкаудобрений ипродуктовсельскогохозяйства

перераспределяетазот на поверхностиземли.

Азот- четвертый пораспространенностиэлемент Солнечнойсистемы ( послеводорода, гелияи кислорода).

3.Атом и молекула.Внешняя электроннаяоболочка атомаазота состоитиз 5 электронов( одной неподеленнойпары и трехнеспаренных- конфигурация2s²2p³). Чаще всегоазот в соединениях3-ковалентенза счет неспаренныхэлектронов( как в аммиакеNH₃). Наличиенеподеленнойпары электроновможет приводитьк образованиюеще одной ковалентнойсвязи, и азотстановится4-ковалентным( как в ионе аммонияNH₄⁺). Степениокисления азотаменяются от+5 ( в N₂O₅) до-3 ( в NH₃). В обычных условияхв свободномсостоянии азотобразует молекулуN₂,где атомы азотасвязаны тремяковалентнымисвязями. Молекулаазота оченьустойчива:энергия диссоциацииее на атомысоставляет942,9 кдж/моль, поэтомудаже при температуре3300⁰Сстепень диссоциацииазота составляетлишь около0,1%.

4.Физическиеи химическиесвойства.Азот немноголегче воздуха;плотность1,2506 кг/м³( при 0⁰Си 101325 н/м²или 760 мм. рт. ст.), t_пл-209,86⁰С,t_кип-195,8⁰С.Азот сжижаетсяс трудом: егокритическаятемпературадовольно низка (-147,1⁰С),а критическоедавление высоко3,39 Мн/м² (34,6 кгс/см²);плотностьжидкого азота808 кг/м³.В воде азотменее растворим,чем кислород:при 0⁰Св 1 м³H₂Oрастворяется23,3 г азота. Лучше,чем в воде, азотрастворим внекоторыхуглеводородах.

Толькос такими активнымиметаллами, каклитий, кальций,магний, азотвзаимодействуетпри нагреваниидо сравнительноневысокихтемператур.С большинствомдругих элементовазот реагируетпри высокойтемпературеи в присутствиикатализаторов.Хорошо изученысоединенияазота с кислородомN₂O,NO, N₂O₃,NO₂и N₂O₅.Из них принепосредственномвзаимодействииэлементов (4000⁰С )образуетсяокись NO,которая приохлаждениилегко окисляетсядалее до двуокисиNO₂.В воздухеокислы азотаобразуютсяпри атмосферныхразрядах. Ихможно получитьтакже действиемна смесь азотас кислородомионизирующихизлучений. Прирастворениив воде азотистогоN₂O₃и азотного N₂O₅ангидридовсоответственнополучаютсяазотистаякислота НNO₂и азотнаякислота НNO₃,образующиесоли - нитритыи нитраты. Сводородом азотсоединяетсятолько привысокой температуреи в присутствиикатализаторов,при этом образуетсяаммиак NH₃.Кроме аммиака,известны идругие многочисленныесоединенияазота с водородом,например гидразинH₂N-NH₂,диимидHN-NH, азотистоводороднаякислотаHN₃(H-N=N=N), октазонN₈H₁₄и др.; большинствосоединенийазота с водородомвыделено тольков виде органическихпроизводных.С галогенамиазот непосредственноне взаимодействует,поэтому всегалогенидыазота получаюткосвеннымпутем, напримерфтористый азотNF₃- при взаимодействиифтора с аммиаком.Как правило,галогенидыазота - малостойкиесоединения( за исключениемNF₃); более устойчивыоксигалогенидыазота - NOF,NOCI, NOBr, NO₂Fи NO₂CI.С серойтакже не происходитнепосредственногосоединенияазота; азотистаясера N₄S₄получаетсяв результатереакции жидкойсеры с аммиаком.При взаимодействиираскаленногококса с азотомобразуетсяциан (СN)₂.Нагреваниемазота с ацетиленомС₂Н₂до 1500⁰Сможет бытьполучен цианистыйводород HCN.Взаимодействиеазота с металламипри высокихтемпературахприводит кобразованиюнитридов (например,Mg₃N₂).

Придействии наобычный азотэлектрическихразрядов илипри разложениинитридов бора,титана, магнияи кальция, атакже приэлектрическихразрядах ввоздухе можетобразоватьсяактивный азот,представляющийсобой смесьмолекул и атомовазота, обладающихповышеннымзапасом энергии.В отличие отмолекулярного,активный азотвесьма энергичновзаимодействуетс кислородом,водородом,парами серы,фосфором инекоторымиметаллами.

Азотвходит в составочень многихважнейшихорганическихсоединений( амины, аминокислоты,нитросоединенияи др. ).

5.Получениеи применение.В лабораторииазот легкоможет бытьполучен принагреванииконцентрированногонитрита аммония:NH₄NO₂ N₂ +2H₂O.Техническийспособ полученияазота основанна разделениипредварительносжиженноговоздуха, которыйзатем подвергаетсяразгонке.

Основнаячасть добываемогосвободногоазота используетсядля промышленногопроизводствааммиака, которыйзатем в значительныхколичествахперерабатываетсяна азотнуюкислоту, удобрения,взрывчатыевещества и т.д. Помимо прямогосинтеза аммиакаиз элементов,промышленноезначение длясвязыванияазота воздухаимеет разработанныйв 1905 цианамидныйметод, основанныйна том, что при1000⁰Скарбид кальция(получаемыйнакаливаниемсмеси известииугля в электрическойпечи) реагируетсо свободнымазотом: CaC₂+ N₂CaCN₂+ C. Образующийсяцианамид кальцияпри действииперегретоговодяного параразлагаетсяс выделениемаммиака: CaCN₂+ 3H₂OCaCO₃ +2NH₃.

Cвободныйазот применяютво многих отрасляхпромышленности:как инертнуюсреду приразнообразныххимическихи металлургическихпроцессах, длязаполнениясвободногопространствав ртутныхтермометрах,при перекачкегорючих жидкостейи т. д. Жидкийазот находитприменениев различныххолодильныхустановках.Его хранят итранспортируютв стальныхсосудах Дьюара,^{газообразныйазот в сжатомвиде - в баллонах.Широко применяютмногие соединенияазота. Производствосвязанногоазота сталоусиленно развиватьсяпосле 1-й мировойвойны и сейчасдостигло огромныхмасштабов.}

6.Азотнаякислота.Чистая азотнаякислота HNO—бесцвет­наяжидкость плотностью1,51 г/смпри - 42 °С застывающаяв прозрачнуюкристаллическуюмассу. На воздухеона, подобнокон­центрированнойсоляной кислоте,«дымит», таккак пары ееобра­зуют с'влагой воздухамелкие капелькитумана,

Азотнаякислота неотличаетсяпрочностью,Уже под влияниемсвета она постепенноразлагается:

Чем вышетемператураи чем концентрированнеекислота, тембыстрее идетразложение.Выделяющийсядиоксид азотарастворяетсяв кислоте ипридает ейбурую окраску.

Азотнаякислота принадлежитк числу наиболеесильных кис­лот;в разбавленныхрастворах онаполностьюраспадаетсяна ионы Ни- NO.

7.Окислительныесвойства азотнойкислоты.Характернымсвойствомазотной кислотыявляется ееярко выраженнаяокислительнаяспособность.Азотная кислота—одиниз энергичнейшихокислителей.Многие неметаллылегко окисляютсяею, превращаясьв соответствующиекислоты. Так,сера при кипячениис азотной кислотойпостепенноокисляетсяв серную кислоту,фосфор — в фосфорную.Тлеющий уголек,погруженныйв концентрированнуюHNO,ярко разгорается.

Азотнаякислота действуетпочти на всеметаллы (заисключениемзолота, платины,тантала, родия,иридия), превращаяих в нитраты,а некоторыеметаллы—воксиды.

КонцентрированнаяHNOпассивируетнекоторыеметаллы. ЕщеЛомоносовоткрыл, чтожелезо, легкорастворяющеесяв разбавленнойазотной кислоте,не растворяетсяв холоднойконцентрированнойHNO.Позже былоустановлено,что аналогичноедействие азотнаякислота оказываетна хром и алюминий.Эти металлыпереходят поддействиемконцентрированнойазотной кислотыв пассивноесостояние.

Степеньокисленностиазота в азотнойкислоте равна4-5. Выступая вкачестве окислителя,НNОможет восстанавливатьсядо различныхпродуктов:

Какое из этихвеществ образуется,т. е. насколькоглубоко восстанавливаетсяазотная кислотав том или иномслучае, зависитот природывосстановителяи от условийреакции, преждевсего от концентрациикислоты. Чемвыше концентрацииHNO,тем менее глубокоона восстанавливается.При реакцияхс концентрированнойкислотой чащевсего выделяется.При взаимодействииразбавленнойазотной кислотыс малоактивнымиметаллами,например, смедью, выделяетсяNO. В случаеболее активныхме­таллов —железа, цинка,— образуется.Сильно разбавленнаяазотная кислотавзаимодействуетс активнымиметаллами—--цинком,магнием, алюминием—собразованиемиона аммония,даю­щего скислотой нитратаммония. Обычноодновременнообразуют­сянесколькопродуктов.

Дляиллюстрацииприведем схемыреакций окислениянекото­рыхметаллов азотнойкислотой;

При действииазотной кислотына металлыводород, какпра­вило, невыделяется.

Приокислениинеметалловконцентрированнаяазотная кисло­та,как и в случаеметаллов,восстанавливаетсядо ,например

Болееразбавленнаякислота обычновосстанавливаетсядо NO, например:

Приведенныесхемы иллюстрируютнаиболее типичныеслучаи взаимодействияазотной кислотыс металламии неметаллами.Вообще же,окислительно-восстановительныереакции, идущиес участием ,протекаютсложно.

Смесь, состоящаяиз 1 объема азотнойи 3—4 объемовконцен­трированнойсоляной кислоты,называетсяцарскойводкой.Царская водкарастворяетнекоторыеметаллы, невзаимодействующиес азотной кислотой,в том числе и«царя металлов»—золото.Дей­ствие ееобъясняетсятем, что азотнаякислота окисляетсоляную с выделениемсвободногохлора и образованиемхлороксидаазота(III), илихлориданитрозила, :

Хлорид нитрозилаявляетсяпромежуточнымпродуктомреакции иразлагается:

Хлор в моментвыделениясостоит изатомов, что иобусловли­ваетвысокую окислительнуюспособностьцарской водки.Реакции окислениязолота и платиныпротекают восновном согласносле­дующимуравнениям.

Сизбытком солянойкислоты хлоридзолота(III) и хлоридпла­тины (IV) образуюткомплексныесоединения

На многиеорганическиевещества азотнаякислота действуеттак, что одинили несколькоатомов водородав молекулеорганическогосоединениязамещаютсянитрогруппами.Этот про­цессназываетсянитрованиеми имеет большоезначение ворганическойхимии.

Азотнаякислота — одноиз важнейшихсоединенийазота: в большихколичествахона расходуетсяв производстве,азотных удобрений,взрывчатыхвеществ иорганическихкрасителей,слу­жит окислителемво многих химическихпроцессах,используетсяв производствесерной кислотыпо нитрозномуспособу, применяетсядля изготовленияцеллюлозныхлаков, кинопленки.

7. Нитраты.Соли азотнойкислоты называютсянитратами. Всеони хо­рошорастворяютсяв воде, а принагреванииразлагаютсяс выде­лениемкислорода. Приэтом нитратынаиболее активныхметаллов переходятв нитриты:

Нитратыбольшинстваостальныхметаллов принагреваниираспадаютсяна оксид металла,кислород идиоксид азота.Например:

Наконец,нитраты наименееактивных металлов(например, се­ребра,золота) разлагаютсяпри нагреваниидо свободногоме­талла:

Легко отщепляякислород, нитратыпри высокойтемпературеявляются энергичнымиокислителями.Их водные растворы,напро­тив, почтине проявляютокислительныхсвойств.

Наиболееважное значениеимеют нитратынатрия, калия,ам­мония икальция, которыена практикеназываютсяселитрами.

Нитрат натрияилинатриеваяселитра, иногданазы­ваемаятакже чилийскойселитрой, встречаетсяв большомколиче­ствев природе тольков Чили.

Нитрат калия,или калийнаяселитра,в небольшихко­личествахтакже встречаетсяв природе, ноглавным образомполу­чаетсяискусственнопри взаимодействиинитрата натрияс хлори­домкалия.

Обе эти солииспользуютсяв качествеудобрений,причем нит­раткалия содержитдва необходимыхрастениямэлемента: азоти калий. Нитратынатрия и калияприменяютсятакже пристекло­варениии в пищевойпромышленностидля консервированияпро­дуктов.

Нитраткальцияиликальциеваяселитра,получаетсяв больших количествахнейтрализациейазотной кислотыизвестью; применяетсякак удобрение.

8.Промышленноеполучениеазотной кислоты.Современныепромышленныеспособы полученияазотной кислотыоснованы накаталитическомокисленииаммиака кислородомвоздуха. При«описании свойстваммиака былоуказано, чтоон горит в кислороде,причём продуктамиреакции являютсявода и свободныйазот. Но в присутствиикатализаторов- окислениеаммиака кислородомможет протекатьиначе. Еслипропускатьсмесь аммиакас воздухом надкатализатором,то при 750 °С иопределен­номсоставе смесипроисходитпочти полноепревращение

Образовавшийсялегко переходитв,который с водойв присутствиикислородавоздуха даетазотную кислоту.

В качествекатализаторовпри окисленииаммиака используютсплавы на основеплатины.

Получаемаяокислениемаммиака азотнаякислота имеетконцентрацию,не превышающую60%. При необходимостиее концен­трируют,

Промышленностьювыпускаетсяразбавленнаяазотная кислотаконцентрацией55, 47 и 45%, а концентрированная—98и 97%, Концентрированнуюкислоту перевозятв алюминиевыхцистернах,разбавленную— в цистернахиз кислотоупорнойстали.

9.Круговоротазота в природе.При гниенииорганическихвеществ значительнаячасть содержащегосяв них азотапревра­щаетсяв аммиак, которыйпод влияниемживущих в почвени­трифицирующихбактерий окисляетсязатем в азотнуюкис­лоту. Последняя,вступая в реакциюс находящимисяв почве карбонатами,например скарбонатомкальция,образует нитраты:

Некотораяже часть азотавсегда выделяетсяпри гниениив свободномвиде в атмосферу.Свободный азотвыделяетсятакже при горенииорганическихвеществ, присжигании дров,каменного угля,торфа. Крометого, существуютбактерии, которыепри недо­статочномдоступе воздухамогут отниматькислород отнитратов, разрушаяих с выделениемсвободногоазота. Деятельностьэтих денитрифицирующихбактерий приводитк тому, что частьазота из доступнойдля зеленыхрастений формы(нитраты) пере­ходитв недоступную(свободныйазот). Такимобразом, далеконе весь азот,входивший всостав погибшихрастений,возвращаетсяобратно в почву;часть его постепенновыделяетсяв свободномвиде.

Непрерывнаяубыль минеральныхазотных соединенийдавно должнабыла бы привестик полному прекращениюжизни на Земле,если бы в природене существовалипроцессы,возмещаю­щиепотери азота.К таким процессамотносятсяпрежде всегопро­исходящиев атмосфереэлектрическиеразряды, прикоторых все­гдаобразуетсянекотороеколичествооксидов азота;последние сводой даютазотную кислоту,превращающуюсяв почве в нитраты.'Другим источникомпополненияазотных соединенийпочвы являетсяжизнедеятельностьтак называемыхазотобактерий,спо­собныхусваиватьатмосферныйазот. Некоторыеиз этих бактерийпоселяютсяна корнях растенийиз семействабобовых, вызываяобразованиехарактерныхвздутий —«клубеньков»,почему они иполучили названиеклубеньковыхбактерий. Усваиваяат­мосферныйазот, клубеньковыебактерииперерабатываютего в азотныесоединения,а растения, всвою очередь,превращаютпоследние вбелки и другиесложные вещества.

Такимобразом, в природесовершаетсянепрерывныйкругово­ротазота. Однакоежегодно сурожаем с полейубираютсянаибо­лее богатыебелками частирастений, напримерзерно. Поэтомув почву необходимовносить удобрения,возмещающиеубыль в нейважнейшихэлементовпитания растений.

Изучениевопросов питаниярастений иповышенияурожайностипоследних путемпримененияудобренийявляется предметомспециальнойотрасли химия,получившейназвание агрохимии.

Жизньи творчествоАзота.

Жил-былникому не известныйхимическийэлемент. Никтодаже не знал,как его зовут.Однажды Д. Резерфорд,сжигая фосфори другие вещества,увидел, что вколбе остаётсякакой-то “удушливыйвоздух”не поддерживающийдыхания и горения.В 1790 году добрыйдядя Шаптальпридумал имяэтому веществу– Азот.

Получивназвание, Азот,стал самымраспространеннымна Земле. Онвылез в литосферу,атмосферу.Получив огромнуюизвестность,Азот стал понтоватьсяу себя в Vгруппе.И став самымкрутым, он решилзавоевать всеМенделеевку, но ничего унего не вышло.Первые пятьгрупп он завоевал,а остальныене получилось.Разочаровавшихв своих силахАзот решилпожить спокойнои завести себеподругу. Долгоон выбиралспутницу жизни,потому чтовыбирал помногим критериям:чтоббыла так жесильно распространена,как и он;чтобимела такоеже важное значениедля жизни людей;чтоб былатакой же сильной,а можно дажесильнее. И остановилон свой выборна Кислороде,которую в народекликали Кислая.Выбрать товыбрал, но уКислой тожимелся друг,посильнее Азота– Ваван-водород.И решил тогдаАзот с помощьюсвоего корешаМихи-Молниивстретитьсяс Кислой. Договорившисьна первый дождливыйдень, Азот сталждать встречус Кислой. И наконецэтот день наступил.И вот летят двакорефана Миха-молнияи Азот. Увиделих Вован и понял,что летят к еговозлюбленной.Рассердилсяон и полетелк Кислой. Подоспелон как раз вовремя.Но это его ипогубило:сначалаон ничего непонял. В головеего понеслосьсразу же многомыслей:”Гдеэто я? Что сомной? Почемуя такой тяжелыйи жидкий? ГдеКислая?”Носо временемего головапроясниласьи он подумал:“Наверносо мной произошлото, о чём рассказывалаЛюбовь Николаевнана уроках. Скореевсего я вступилв химическуюреукцию иликак то так.”Но так как Вованплохо училхимию он некогдаи не узнал, чтостал водой.

В этовремя Азот иКислая сталикакими тонеразрывными,рыжими и воздушными.“Лисийхвост,”-подумал Азот.“Борода,”-подумала Кислая.Но прийти кболее существеннымвыводам онине успели, лисийхвост соединилсяс водой. И получиласьАзотная кислота.

Стех пор Вован,Азот и Кислая живут дружнойсемьёй. Вованс Азотом померились,а Кислая сталауделять одинаковоеколичествовнимания, чтоАзоту, что Вовану.

Посленесколькихдней спокойнойжизни, уговорилАзот Вованапойти поваевать.Ну пошли он,стали однимииз сильнейшихмира сего, нобыл у них одиннедостаток:боялись светаи при виде егоначанали трястисьот страха иразлагаться.

Выполнил:

Ученик9’Б’класса

БеловАндрей.