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*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).
Атом,
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%.
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. ).
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.