ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Азот - седьмой элемент Периодической таблицы. Обозначение - N от латинского «nitrogenium». Расположен во втором периоде, VА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 7.
Большая часть азота находится в свободном состоянии. Свободный азот является главной составной частью воздуха, который содержит 78,2% (об.) азота. Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру NaNO 3 , образующую мощные пласты на побережье Тихого океана в Чили. Почва содержит незначительные количества азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты. Но в виде сложных органических соединений - белков - азот входит в состав всех живых организмов.
В виде простого вещества азот - это бесцветный газ, не имеющий запаха и весьма мало растворимый в воде. Он немного легче воздуха: масса 1 л азота равна 1,25 г.
Атомная и молекулярная масса азота
Относительной атомной массой элемента называют отношение массы атома данного элемента к 1/12 массы атома углерода. Относительная атомная масса безразмерна и обозначается A r (индекс «r» — начальная буква английского слова relative, что в переводе означает «относительный»). Относительная атомная масса атомарного азота равна 14,0064 а.е.м.
Массы молекул, также как массы атомов выражаются в атомных единицах массы. Молекулярной массой вещества называется масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Относительной молекулярной массой вещества называют отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода, масса которого равна 12 а.е.м. Известно, что молекула азота двухатомна - N 2 . Относительная молекулярная масса молекулы азота будет равна:
M r (N 2) = 14,0064× 2 ≈ 28.
Изотопы азота
В природе азот существует в виде двух стабильных изотопов 14 N (99,635%) и 15 N (0,365%). Их массовые числа равны 14 и 15 соответственно. Ядро атома изотопа азота 14 N содержит семь протонов и семь нейтронов, а изотопа 15 N - такое же количество протонов и шесть нейтронов.
Существует четырнадцать искусственных изотопов азота с массовыми числами от 10-ти до 13-ти и от 16-ти до 25-ти, из которых наиболее стабильным является изотоп 13 Nс периодом полураспада равным 10 минут.
Ионы азота
На внешнем энергетическом уровне атома азота имеется пять электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 3 .
Схема строения атома азота представлена ниже:
В результате химического взаимодействия азот может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженные ионы или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженные ионы:
N 0 -5e → N 2+ ;
N 0 -4e → N 4+ ;
N 0 -3e → N 3+ ;
N 0 -2e → N 2+ ;
N 0 -1e → N 1+ ;
N 0 +1e → N 1- ;
N 0 +2e → N 2- ;
N 0 +3e → N 3- .
Молекула и атом азота
Молекула азота состоит из двух атомов - N 2 . Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу азота:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Для образования хлорида аммония было взято 11,2 л (н.у.) газообразного аммиака и 11,4 л (н.у.) хлороводорода. Какова масса образовавшегося продукта реакции? |
| Решение | Запишем уравнение реакции получения хлорида аммония из аммиака и хлороводорода:
NH 3 + HCl = NH 4 Cl. Найдем количество молей исходных веществ: n(NH 3) = V(NH 3) / V m ; n(NH 3) = 11,2 / 22,4 = 0,5 моль. n(HCl) = V(NH 3) / V m ; n(HCl) = 11,4 / 22,4 = 0,51 моль. n(NH 3) n(NH 4 Cl) = n(NH 3) = 0,5 моль. Тогда, масса хлорида аммония будет равна: M(NH 4 Cl) = 14 + 4×1 + 35,5 = 53,5г/моль. m(NH 4 Cl) = n(NH 4 Cl) × M(NH 4 Cl); m(NH 4 Cl) = 0,5×53,5 = 26,75 г. |
| Ответ | 26,75 г |
ПРИМЕР 2
| Задание | 10,7 г хлорида аммония смешали с 6 г гидроксида кальция и смесь нагрели. Какой газ и сколько его по массе и объему выделилось (н.у.)? |
| Решение | Запишем уравнение реакции взаимодействия хлорида аммония с гидроксидом кальция:
2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + 2NH 3 - + 2H 2 O. Определим, какое из двух реагирующих веществ находится в избытке. Для этого рассчитаем их количество молей: M(NH 4 Cl) = A r (N) + 4×A r (H) + A r (Cl); M(NH 4 Cl) = 14 + 4×1 + 35,5 = 53,5 г/моль. n(NH 4 Cl) = m (NH 4 Cl) / M(NH 4 Cl); n(NH 4 Cl) = 10,7 / 53,5 = 0,1 моль. M(Ca(OH) 2) = A r (Ca) + 2×A r (H) + 2×A r (O); M(Ca(OH) 2) = 40 + 2×1 + 2×16 = 42 + 32 = 74 г/моль. n(Ca(OH) 2) = m (Ca(OH) 2) / M(Ca(OH) 2); n(Ca(OH) 2) = 6 / 74 = 0,08 моль. n(Ca(OH) 2) n(NH 3) = 2×n(Ca(OH) 2) = 2×0,08 = 0,16 моль. Тогда, масса аммиака будет равна: M(NH 3) = A r (N) + 3×A r (H) = 14 + 3×1 = 17 г/моль. m(NH 3) = n(NH 3) ×M(NH 3) = 0,16 × 17 = 2,72 г. Объем аммиака равен: V(NH 3) = n(NH 3) ×V m ; V(NH 3) = 0,16× 22,4 = 3,584 л. |
| Ответ | В результате реакции образовался аммиак объемом 3,584 л и массой 2,72 г. |
Азот - он же в таблице Менделеева N (он же - первая буква в аббревиатуре NPK на многочисленных упаковках с удобрениями).
Прежде чем подробно разобрать роль и формы азота в удобрениях, нужно напомнить, что он относится к группе МАКРОэлементов . Это категория жизненно необходимых абсолютно всем растениям элементов, куда помимо азота входит фосфор P и калий K. МИКРОэлементы (железо, сера, цинк, марганец и другие) также играют важную роль, но они необходимы в дозировках в сотни раз меньше, чем макроэлементы (отсюда и название «микро»). Азот как и фосфор и калий напрямую участвуют в формировании основных тканей растения, отвечают за фазы развития (рост, вегетация, цветение, плодоношение) и скорость роста.
Зачем растению азот?
Если бы художник захотел нарисовать картинку благоухающего сада из элементов таблицы Менделеева, то вместо зелени листвы, стеблей и молодых побегов была бы буква N - азот. Именно этот летучий газ участвует через различные соединения в формировании хлорофилла - того самого белка, который принимает участие в фотосинтезе и дыхании растения. Если азота достаточно - листва имеет насыщенный изумрудный цвет, который вкупе с хорошим поливом может отливать глянцем. Как только азота становится мало, растение бледнеет вплоть до чахлой желтизны, а новые побеги растут медленно или практически прекращают рост.
НА ФОТО:
Разница между растениями, получавшими азот в процессе выращивания и теми, что росли на бедных почвах - очевидна
Также принято считать, что за плодоношение отвечает фосфор, и именно его присутствие будет влиять на урожай. Это действительно так, но в большей степени в вопросе качества урожая. За количество будет отвечать азот. Чем больше вегетативной массы наберет растение, тем больше цветочных почек появится на стеблях или в пазухах. У некоторых растений азот напрямую влияет на формирование цветочных почек, особенно у двудомных с женскими и мужскими цветками (конопля, ива, лимонник, облепиха и многие другие).
Как понять, что растению не хватает азота?
Первый признак нехватки азота - чахлый, желтушный, вплоть до бледно-желтого, цвет листвы. Пожелтение начинается с краев листа по направлению к центру. При этом листовая пластинка утончается, становится мягкой, даже если соблюдается полив. Очень похожие симптомы наблюдаются при нехватке серы (S), однако в случае с азотом нижние листья желтеют первыми. В запущенных случаях они высыхают и опадают - растение «вытягивает» все питательные вещества из них, чтобы отдать верхним побегам или плодам, если они имеются. При нехватке серы опадения листвы снизу не наблюдается.
Причин нехватки может быть, как правило, две: или растение забыли подкормить (когда и как подкармливать - ниже) или грунт сильно закислен, и кислая реакция среды нарушает всасываемость азота. Также в кислой среде нехватка азота может мимикрировать под хлороз - недостаток железа или магния. Однако в данном случае это непринципиально - грунт требует решительной замены или обновления.
Какой азот продают в магазинах и какой из них лучше?
Для каждого садовода этот вопрос, пожалуй, самый главный. Однако давайте для начала разберемся, а какой в принципе азот бывает? Без этого будет трудно понять, что написано на упаковке.
Аммиачный или аммонийный азот (NH 4)
Этот азот еще называют органическим азотом. Его действительно много в органических остатках разлагающегося вещества будто то навоз или опавшая листва. Растения очень любят аммоний, так как он легко проникает в корни и в них же может превращаться с аминокислоты, которые и будут формировать листья и побеги растения. Однако есть существенный минус: несмотря на все механизмы сопротивления, аммоний может проникать в клетку растения и оказывать на нее токсичный эффект.
В природе передозировка аммонием довольно редка, т.к. он довольно быстро «преобразуется» бактериями до нитратов NO 3 (процесс нитрификации) и далее до нитритов (NO 2) и вплоть до чистого азота, который быстро улетучивается из почвы. В саду или огороде аммиачный азот также быстро покидает почву, если только владелец участка не применил чистый, свежий навоз в большом количестве. В этом случае и происходит т.н. «сжигание» корней или всего растения. В комнатных условиях органический азот следует использовать по-минимуму, т.к. проконтролировать нужную дозировку довольно сложно.
ВАЖНО : на упаковках удобрений для комнатных растений аммиачный азот крайне редко указывается формулой (NH 4) или формулировкой. Как правило, используется органическая форма: некий экстракт (например, экстракт водорослей) или жидкая форма чистого органического удобрения («биогумус»), или гелеобразная масса («сапропель» - донный ил) и т.д.
Для сада и огорода применяется минеральная форма - сульфат аммония (NH 4) 2 SO 4 . Большое преимущество этого удобрения в том, что оно также содержит серу. Вместе с азотом она участвует в синтезе важных аминокислот, включая незаменимые. Сульфат аммония входит в состав популярной сегодня марки удобрения «Акварин» (номера 6 и 7 подходят для сада и огорода). Это удобрение содержит приблизительно 25% аммонийного и 75% нитратного азота.
Нитратный азот (NO 3)
Если органический азот растение старается сразу пустить в дело, не затрачивая энергии, то с нитратом картина совершенно противоположная. Практически любая культура жадно запасает нитраты в тканях в количествах порой превышающих допустимые пределы! А всему виной - высокая подвижность азота в биосфере. Сегодня коровка плюхнула лепешку, на нее тут же набрасываются бактерии (а чуть позже и насекомые), которые переводят азот из органической в минеральную форму NO 3 . Но и эта форма долго не задерживается: то, что не успели забрать растения, уже другие бактерии доводят до нитритной NO 2 формы, а потом и до азота. Плюс нитрата - безвредность для растения. Минус - необходимость света и тепла, благодаря которым нитрат в листьях восстанавливается до аммония (точнее различных аминов NH 2) и далее - до аминокислот и белков. Как итог: в неблагоприятных условиях растение будет стремиться накапливать нитраты, чтобы использовать их, когда ситуация наладится.
В комнатных условиях нитратный азот - настоящее решение. Он указывается формулой на упаковке NO 3 и сопровождается соответствующим текстом. Дозировки рассчитаны заранее для периодов покоя и активного роста. Ошибиться невозможно.
В саду и огороде
нитратный азот используется сразу
после начала сокодвижения (что соответствует температуре почвы около +15°С). Важно не упустить этот момент и обеспечить растение элементом, из которого уже в самые ближайшие дни начнут строиться новые побеги и листья. Заканчивают применение азотных удобрений в июле, а точнее - сразу после завершения периода вегетации (деревья и кустарники замедляют рост, начинается плодоношение). В зиму сад отправляют без азотной подкормки или делают это поздней осенью, перед заморозками и органической формой, которая задержится в почве подольше. Также не забываем, что зимы в последнее время теплеют, что не лучшим образом сказывается на удержании азота в почве.
В обиходе нитратный азот известен как селитра , из которой наиболее популярна в России - калийная (или «калиевая») селитра. Эта форма нитратного азота подходит как для садовых, так и для комнатных растений. Обеспечивает легкоусвояемым азотом и калием.
Амидный азот CO(NH 2) 2 , карбамид или просто мочевина
Богатое, биогенное (то есть полученное в том числе органическим путем) удобрение, которое может содержать до 46% азота. Для использования в грунте в последнее время используется редко, т.к. вездесущие «уреазные» бактерии быстро переводят драгоценную мочевину в карбонат аммония более известный в пищевой промышленности как разрыхлитель теста. Вот таким «разрыхлителем» в советские годы «удобряли» поля, пока не осознали потери азота. Сегодня мочевина используется в растворах для опрыскивания. Разумеется, лучшее ее применение – на полях и в больших садах. В частной практике применяется редко, поэтому и на полках обычных магазинов практически не встречается.
Мочевина - прекрасное средство против парши и некоторых других патогенных грибков.
Подведем итог
- Азот - один из важнейших элементов, который постоянно необходим растению для здорового роста и развития.
- В комнатной культуре азотные удобрения добавляют в период активного роста. За месяц-полтора до покоя азотное питание прекращают, чтобы не вызвать избыточный рост и нарушение периода покоя.
- В садовой и огородной культуре азот добавляют весной, как только температура прогреется до +15°С (корни начинают впитывать влагу). Конец периода применения: середина лета; начало августа - только в случае холодной весны/лета.
- В комнатной культуре необходимо использовать нитратный азот: на упаковке будет написано NO 3 , возможно встретится только слово «нитрат».
- В садовой культуре, как правило, используются готовые марки удобрений, в которых смешаны нитратные и аммонийные формы азота. Оба указываются на упаковке формулами сульфата аммония и нитрата калия (чаще всего).
- Если вам попадется мочевина (карбамид), то используйте ее для опрыскивания растений. Период использования аналогичен другим формам азота.
Химические свойства азота
Из-за наличия прочной тройной связи молекулярный азот малоактивен, а соединения азота термически малоустойчивы и относительно легко разлагаются при нагревании с образованием свободного азота.
Взаимодействие с металлами
При обычных условиях молекулярный азот реагирует лишь с некоторыми сильными восстановителями, например, литием:
6Li + N 2 = 2Li 3 N.
Для образования нитрида магния из простых веществ требуется нагревание до 300 °С:
3Mg + N 2 = Mg 3 N 2 .
Нитриды активных металлов представляют собой ионные соединения, которые гидролизуются водой с образованием аммиака.
Взаимодействие с кислородом
Только под действием электрического разряда азот реагирует с кислородом:
O 2 + N 2 = 2NO.
Взаимодействие с водородом
Реакция с водородом протекает при температуре порядка 400 °С и давлении 200 атм в присутствии катализатора – металлического железа:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 .
Взаимодействие с другими неметаллами
При высоких температурах реагирует с другими неметаллами, например, с бором:
Азот непосредственно не взаимодействует с галогенами и серой, но галогениды и сульфиды могут быть получены косвенным путем. С водой, кислотами и щелочами азот не взаимодействует.
Нитриды - соединения азота с менее электроотрицательными элементами, например, с металлами (AlN;TiN x ;Na 3 N;Ca 3 N 2 ;Zn 3 N 2 ; и т. д.) и с рядом неметаллов (NH3,BN, Si3N4).
Строение.
В зависимости от типа химической связи между атомами нитриды подразделяются на ионные, ковалентные и ионно-ковалентно-металлические Атомы азота в нитридах могут принимать электроны менее электроотрицательного элемента, при этом образуя стабильную электронную конфигурацию s 2 p 6 или отдавать электрон партнеру с образованием устойчивой конфигурации sp 3
Получение
Нитриды ионного типа получаются при взаимодействии металлов с азотом при температурах 700-1200 °C. Другие нитриды можно получить взаимодействием металла с азотом или аммиаком или восстановлением оксидов, хлоридов металла углеродом в присутствии азота или аммиака при высоких температурах. Нитриды образуются также в плазме в дуговых, высокочастотных и сверхвысокочастотных плазмотронах. В последнем случае нитриды образуются как ультрадисперсные порошки с размером частиц 10-100 нм.
Химические свойства
Нитриды ионного типа легко разлагаются водой и кислотами, проявляя основные свойства:
Нагревание нитридов элементов V, VI и VIII групп приводит к их разложению с выделением азота, низших нитридов и твердых растворов азота в металлах. Нитриды бора, кремния, алюминия, индия, галлия и переходных металлов IV группы при нагревании в вакууме не разлагаются.
Окисление нитридов кислородом приводит к образованию оксидов металлов и азота. Взаимодействие нитридов с углеродом приводит к карбидам и карбонитридам.
14.Что Вы знаете о химических свойствах аммиака и его производных? В чем суть процесса каталитического окисления аммиака?
· Благодаря наличию неподеленной электронной пары во многих реакциях аммиак выступает как основание Бренстеда или комплексообразователь (не следует путать понятия «нуклеофил» и «основание Бренстеда». Нуклеофильность определяется сродством к положительно заряженной частице. Основание имеет сродство к протону. Понятие «основание» является частным случаем понятия «нуклеофил»). Так, он присоединяет протон, образуя ион аммония:
Водный раствор аммиака («нашатырный спирт») имеет слабощелочную реакцию из-за протекания процесса:
K o =1,8·10 −5
Взаимодействуя с кислотами, даёт соответствующие соли аммония:
Аммиак также является очень слабой кислотой (в 10 000 000 000 раз более слабой, чем вода), способен образовывать с металлами соли - амиды. Соединения, содержащие ионы NH 2 − , называются амидами, а N 3− - нитридами. Амиды щелочных металлов получают, действуя на них аммиаком:
· При нагревании аммиак разлагается, проявляет восстановительные свойства. Так, он горит в атмосфере кислорода, образуя воду и азот. Окисление аммиака воздухом на платиновом катализаторе даёт оксиды азота, что используется в промышленности для получения азотной кислоты:
(реакция обратима)
(без катализатора, при повышенной температуре)
(в присутствии катализатора, при повышенной температуре)
На восстановительной способности NH 3 основано применение нашатыря NH 4 Cl для очистки поверхности металла от оксидов при их пайке:
Окисляя аммиак гипохлоритом натрия в присутствии желатина, получают гидразин:
· Галогены (хлор, йод) образуют с аммиаком опасные взрывчатые вещества - галогениды азота (хлористый азот, иодистый азот).
· С галогеноалканами аммиак вступает в реакцию нуклеофильного присоединения, образуя замещённый ион аммония (способ получения аминов):
(гидрохлорид метиламмония)
· С карбоновыми кислотами, их ангидридами, галогенангидридами, эфирами и другими производными даёт амиды. С альдегидами и кетонами - основания Шиффа, которые возможно восстановить до соответствующих аминов (восстановительное аминирование).
· При 1000 °C аммиак реагирует с углём, образуя синильную кислоту HCN и частично разлагаясь на азот и водород. Также он может реагировать с метаном, образуя ту же самую синильную кислоту:
Производные аммиака; . Амины по количеству содержащихся в их составе аммиачных остатков разделяются на одноатомные или моно-, двухатомные, или ди-, и многоатомные, или полиамины; так, известны, напр., C 2 H 5 NH 2 , C 2 H 4 (NH 2) 2 , CH(C 6 H 4 NH 2) 3 и т. п. По числу вступающих в частицу аммиака радикалов, а также и атомности последних амины разделяются на 1) первичные, в которых всегда присутствует одноатомный аммиачный остаток (NH 2), напр. метиламин CH 3 NH 2 , фениламин, или анилин, C 6 H 5 NH 2 , и т. д. 2) вторичные, происходящие замещением 2-х атомов водорода в аммиаке двумя одноатомными радикалами или одним двухатомным (в последнем случае амины называются иминами, см. это сл.), и для них - характерен двухатомный остаток (NH), напр. диметиламин NH(CH 3) 2 , метилэтиламин NH(CH 3)(C 2 H 5), метиланилин NH(C 6 H 5)(СН 3); пиперидин, или пентаметиленимин, C 5 H 10 =NH и т. д. 3)третичные, происходящие заменою всех трех атомов водорода в аммиаке тремя одноатомными радикалами, или двухатомным и одноатомным, или одним трехатомным, напр. триметиламинN(CH 3) 3 , диметиланилин C 6 H 5 N(CH 3) 2 , пропилпиперидин C 5 H 10 N(C 3 H 7), пиридин C 5 H 5 N и т. п. Все амины по своим химическим превращениям чрезвычайно напоминают аммиак; они способны присоединять элементы кислот, причем переходят в соли аммонийного типа, напр. (CH 3)NH 3 Cl, C 5 H 5 NHCl и проч.; простейшие из них, метил- и диметиламины, сходны с аммиаком даже по запаху и другим физическим свойствам
Каталитическое окисление аммиака является в настояще время основным методом получения азотной кислоты.
Способ относится к получению оксидов азота и переработке их в азотную кислоту. Сущность способа: процесс каталитического окисления молекулярного азота осуществляют под давлением, одинаковым со стадией абсорбции полученных оксидов азота водой, а энергию для эндотермического процесса каталитического окисления молекулярного азота подводят с потоком газов непосредственно в зону реакции. Процесс каталитического окисления молекулярного азота проводится при температурах ниже 1000 o C и при содержании окислителя в газовой фазе перед катализатором ниже 10 об.% паров HNO 3 + NO x и давлении в системе до 25 атм. Катализаторами окисления молекулярного азота используются сплавы платины с металлами платиновой группы или катализаторы на основе оксидов железа, кобальта, хрома, алюминия с промотирующими добавками тугоплавких металлов. Для образования потока газа с окислителем может быть использован не только атмосферный воздух, но и газовая смесь, получающаяся при отдуве продукционной кислоты. Технический результат - сокращение энергетических и капитальных затрат, а также упрощение технологической схемы производства азотной кислоты.
15.Расскажите об известных Вам аллотропных формах углерода. Что Вам известно об истории открытия фуллеренов?
Алмаз является одним из наиболее известных аллотропов углерода, чья твёрдость и высокая степеньрассеивания света делает его полезным в промышленном применении и в ювелирных изделиях. Алмаз -самый твёрдый известный природный минерал, что делает его отличным абразивом и позволяетиспользовать для шлифовки и полировки. В природной среде нет ни одного известного вещества, способногопоцарапать даже мельчайший фрагмент алмаза.
Рынок алмазов промышленного класса несколько отличен от рынков других драгоценных камней.Используемые в промышленности алмазы ценятся главным образом за их твёрдость и теплопроводность, из-за чего другие геммологические характеристики алмазов, в том числе чистота и цвет, по большей частиизлишни
Каждый атом углерода в алмазе ковалентен с четырьмя другими атомами углерода в тетраэдре. Этитетраэдры вместе образуют трёхмерную сеть из слоёв шестичленных колец атомов. Эта устойчивая сетьковалентных связей и трёхмерное распределение связей является причиной такой твёрдости алмазов.
Графит
Графит (назван Абрахамом Готтлобом Вернером в 1789 г, (с греческого графен - «тянуть/писать»,использовался в карандашах) - один из самых обычных аллотропов углерода. Характеризуетсягексагональной слоистой структурой. Встречается в природе. Твердость по шкале Мооса 1. Его плотность -2.3, она меньше чем у алмаза. Приблизительно при 700 °C горит в кислороде, образовывая углекислый газ.По химической активности более реакционен чем алмаз. Это связано с проникновением реагентов междугексагональными слоями атомов углерода в графите. Не взаимодействует с обычными растворителями,кислотами или расплавленными щелочами. Однако, хромовая кислота окисляет его до углекислого газа.Получают нагреванием смеси пека и кокса при 2800 °C; из газообразных углеводородов при 1400-1500 °Cпри пониженных давлениях с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода при 2500−3000 °Cи давлении около 50 МПа с образованием пирографита. В отличие от алмаза, графит обладаетэлектропроводностью и широко применяется в электротехнике. Графит является самой устойчивой формойуглерода при стандартных условиях
В отличие от алмаза, в котором все четыре внешних электрона каждогоатома углерода "локализованы" между атомами в ковалентной связи, в графите, каждый атом связанковалентной связью только с 3 из его 4 внешних электронов. Поэтому каждый атом углерода вносит одинэлектрон в делокализованную систему электронов. Эти электроны находятся в зоне проводимости. Однакоэлектропроводность графита ориентирована по поверхности слоев. Поэтому графит проводит электричествопо плоскости слоя атомов углерода, но не проводит в направлении под прямым углом к плоскости.
16.Что Вам известно о физико-химических свойствах углекислого газа (CO 2) ? Расскажите о роли углекислого газа и карбонатов в процессах, протекающих в природе
АЗОТ, N (лат. Nitrogenium * а. nitrogen; н. Stickstoff; ф. azote, nitrogene; и. nitrogeno), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Открыт в 1772 английским исследователем Д. Резерфордом.
Свойства азота
При обычных условиях азот — газ без цвета и запаха. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов: 14 N (99,635%) и 15 N (0,365%). Молекула азота двухатомная; атомы связаны ковалентной тройной связью NN. Диаметр молекулы азота, определённый разными способами, 3,15-3,53 А. Молекула азота очень устойчива — энергия диссоциации 942,9 кДж/моль.
Молекулярный азот
Константы молекулярного азота: f плавления — 209,86°С, f кипения — 195,8°С; плотность газообразного азота 1,25 кг/ м 3 , жидкого — 808 кг/м 3 .
Характеристика азота
В твёрдом состоянии азот существует в двух модификациях: кубической а-форме с плотностью 1026,5 кг/м 3 и гексагональной b-форме с плотностью 879,2 кг/м 3 . Теплота плавления 25,5 кДж/кг, теплота испарения 200 кДж/кг. Поверхностное натяжение жидкого азота в контакте с воздухом 8,5.10 -3 Н/м; диэлектрическая проницаемость 1,000538. Растворимость азота в воде (см 3 на 100 мл Н 2 О): 2,33 (0°С), 1,42 (25°С) и 1,32 (60°С). Внешняя электронная оболочка атома азота состоит из 5 электронов. Степени окисления азота меняются от 5 (в N 2 О 5) до -3 (в NH 3).
Соединение азота
Азот при нормальных условиях может реагировать с соединениями переходных металлов (Ti, V, Mo и др.), образуя комплексы либо восстанавливаясь с образованием аммиака и гидразина. С такими активными металлами, как , 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 : N 2 О, NO, N 2 О 5 . С азот соединяется только при высокой температуре и в присутствии катализаторов; при этом образуется аммиак NH 3 . С галогенами азот непосредственно не взаимодействует; поэтому все галогениды азота получают только косвенным путём, например фтористый азот NF 3 — при взаимодействии с аммиаком. С серой также не происходит непосредственного соединения азота. При взаимодействии раскалённого с азотом образуется циан (CN) 2 . При действии на обычный азот электрических разрядов, а также при электрических разрядах в воздухе может образоваться активный азот, представляющий собой смесь молекул и атомов азота, обладающих повышенным запасом энергии. Активный азот весьма энергично взаимодействует с кислородом, водородом, парами , и некоторыми металлами.
Азот — один из самых распространённых элементов на Земле, причём основная его масса (около 4.10 15 т) сосредоточена в свободном состоянии в . Ежегодно при вулканической деятельности в атмосферу выделяется 2.10 6 т азота. Незначительная часть азота концентрируется в (среднее содержание в литосфере 1,9.10 -3 %). Природные соединения азота — хлористый аммоний и различные нитраты (селитры). Нитриды азота могут образовываться только при высоких температурах и давлениях, что, по-видимому, имело место на самых ранних стадиях развития Земли. Крупные скопления селитры встречаются только в условиях сухого пустынного климата ( , и др.). Небольшие количества связанного азота находятся в (1-2,5%) и (0,02-1,5%), а также в водах рек, морей и океанов. Азот накапливается в почвах (0,1 %) и живых организмах (0,3%). Азот входит в состав белковых молекул и многих естественных органических соединений.
Круговорот азота в природе
В природе осуществляется круговорот азота, который включает цикл молекулярного атмосферного азота в биосфере, цикл в атмосфере химически связанного азота, круговорот захоронённого с органическим веществом поверхностного азота в литосфере с возвратом его обратно в атмосферу. Азот для промышленности ранее добывался целиком из месторождений природных селитр, число которых в мире весьма ограничено. Особенно крупные залежи азота в виде азотнокислого натрия находятся в Чили; добыча селитры в отдельные годы составляла более 3 млн. т.
АЗОТ (Nitrogenium, N) - химический элемент V группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, атом, номер 7, атомная масса 14,0067. Открыт Резерфордом (D. Rutherford) в 1772 году. Известны следующие изотопы азота (табл.).
В различных соединениях азота обладает переменной валентностью, которая может быть равна - 3, +1, +2, +3, +4 и +5.
Распространение в природе. Общее содержание азота в земной коре составляет около 0,016 вес. %. Основная его масса находится в воздухе в свободном, молекулярном виде - N 2 . Сухой воздух содержит в среднем 78,09% по объему (или 75,6% по весу) свободного азота. В относительно малых количествах свободный азот находится в растворенном состоянии в водах океанов. Азот в виде соединений с другими элементами (связанный азот) входит в состав всех растительных и животных организмов.
Жизнь неразрывно связана со свойствами легко изменяющихся сложных азотистых веществ - белков. В состав белков в среднем входит 15-17% азота. При отмирании организмов сложные азотистые соединения их в процессе круговорота азота превращаются в более простые соединения: аммиак, аммонийные соли, нитриты и нитраты. Все соединения азота, как органические, так и неорганические, содержащиеся в почве, объединяются под названием «азот почвы».
Получение азота
В лабораториях чистый азот получают обычно нагреванием концентрированного водного раствора азотисто-кислого аммония или раствора смеси хлористого аммония с азотистокислым натрием:
NH 4 Cl + NaNO 2 = N 2 + NaCl + 2H 2 O.
В технике азота с примесью до 3% аргона получают фракционированной перегонкой жидкого воздуха.
Свойства азота
В свободном состоянии азот представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, состоящий из двухатомных молекул - N 2 . Вес 1 л его при t° 0° и давлении 760 мм рт. ст. равен 1,2506 г, t° кип - 195,8°, t° пл - 209,86°; плотность жидкого А. 0,808 (при t° - 195,8°), твердого - 1,026 (при t ° - 255°). В 1 мл воды при t° 0°, 20° и 38° и парциальном давлении азота, равном 760 мм, растворяется соответственно 0,0235, 0,0154 и 0,0122 мл азота.
Растворимость азота в крови меньше; она составляет при t° 38° 0,0110 мл А. При малых парциальных давлениях азота его растворимость в крови несколько больше, чем в воде.
В обычных условиях азот физиологически инертен, но при вдыхании воздуха, сжатого до 2-2,5 атм, наступает состояние, называемое азотным наркозом, сходное с опьянением алкоголем. Это явление может иметь место при водолазных работах (см.) на глубине нескольких десятков метров. Для предупреждения возникновения подобного состояния иногда пользуются искусственными газовыми смесями, в которых азот заменен гелием или каким-либо другим инертным газом. При резком и значительном снижении парциального давления азота растворимость его в крови и тканях настолько снижается, что часть его выделяется в виде пузырьков, что является одной из причин возникновения кессонной болезни, наблюдающейся у водолазов при быстром их подъеме на поверхность и у летчиков при больших скоростях взлета самолетов в верхние слои атмосферы (см. Декомпрессионная болезнь).
Применение азота
Свободный азот как химически неактивный газ применяется в лабораторной практике и технике во всех случаях, когда наличие в окружающей атмосфере кислорода недопустимо или нежелательно, например при проведении биологического эксперимента в анаэробных условиях, при переливании больших количеств горючих жидкостей (для предотвращения пожаров) и так далее. Основная же масса свободного азота используется в промышленности для синтеза аммиака, цианамида кальция и азотной кислоты, которые являются исходными веществами для получения азотных удобрений, взрывчатых веществ, красок, лаков, фармацевтических препаратов и другое.
Соединения азота
Свободный азот при обычных температурах химически инертен; при высокой температуре вступает в соединение со многими элементами.
С водородом азот образует ряд соединений, основными из которых являются следующие:
3. Азотистоводородная кислота (HN 3) - бесцветная, кипящая при t° 37° жидкость с резким запахом. Взрывается с большой силой при нагревании. В водных растворах устойчива и проявляет свойства слабой кислоты. Соли ее - азиды - неустойчивы и взрываются при нагревании или ударе. Азид свинца Pb(N 3) 2 применяется в качестве детонатора. Вдыхание паров HN3 вызывает сильную головную боль и раздражение слизистых оболочек.
С кислородом азот образует пять окислов.
1. Закись азота, или веселящий газ (N 2 O), - бесцветный газ, получают при нагревании (выше 190°) азотнокислого аммония:
NH 4 NO 3 = N 2 O + 2H 2 O. В смеси с кислородом закись азота применяют как слабый наркотик, вызывающий состояние опьянения, эйфории, притупление болевой чувствительности. Применяется для ингаляционного наркоза (см.).
2. Окись азота (NO) - бесцветный газ, плохо растворимый в воде; в лабораториях получают действием азотной кислоты средней концентрации на медь:
8HNO 3 + 3Cu = 2NO + 3Cu (NO 3) 2 + 4H 2 O, в технике - продуванием воздуха через пламя электрической дуги. На воздухе мгновенно окисляется, образуя красно-бурые пары двуокиси азота; вместе с последней вызывает отравления организма (см. ниже - Профессиональные вредности соединений азота).
3. Двуокись азота (NO 2) - красно-бурый газ, имеющий характерный запах и состоящий из собственно двуокиси А. и ее бесцветного полимера - четырехокиси азота (N 2 O 4) - азотноватого ангидрида. Двуокись азота легко сгущается в красно-бурую жидкость, кипящую при t° 22,4° и затвердевающую при t° - 11° в бесцветные кристаллы. Растворяется в воде с образованием азотистой и азотной кислот:
2NO 2 + H 2 O = HNO 2 + HNO 3 .
Является сильным окислителем и опасным ядом. Двуокись азота образуется при получении азотной кислоты, при реакциях нитрования, травлении металлов и тому подобное и поэтому представляет собой профессиональный яд.
4. Трехокись азота, ангидрид азотистой к-ты (N 2 O 3), - темно-синяя жидкость, затвердевающая при t° - 103° в голубые кристаллы. Устойчива лишь при низких температурах. С водой образует слабую и непрочную азотистую кислоту, со щелочами - соли азотистой кислоты - нитриты.
5. Пятиокись азота, ангидрид азотной к-ты (N 2 O 5), - бесцветные призматические кристаллы, имеющие плотность 1,63, плавящиеся при t° 30° в желтую, слегка разлагающуюся жидкость; разложение усиливается при нагревании и при действии света. Температура кипения около 50°. С водой образует сильную, довольно устойчивую азотную кислоту, со щелочами - соли этой кислоты - нитраты.
При нагревании азот непосредственно соединяется со многими металлами, образуя нитриды металлов, например Li3N, Mg 3 N 2 , AlN и др. Многие из них разлагаются водой с образованием аммиака, например
Mg 3 N 2 + 6H 2 O = 2NH 3 + 3Mg(OH) 2 .
Азот входит в состав большого числа органических соединений, среди которых особое значение имеют алкалоиды, аминокислоты, амины, нитросоединения, цианистые соединения и наиболее сложные природные соединения - белки.
Фиксация атмосферного азота. В течение долгого времени исходными веществами для получения разнообразных соединений азота, необходимых для сельского хозяйства, промышленности и военного дела, служили природная чилийская селитра и аммиак, получаемый при сухой перегонке каменного угля. С истощением залежей чилийской селитры человечеству грозил «азотный голод». Проблема азотного голода была разрешена в конце 19 и начале 20 века путем разработки ряда промышленных методов фиксации атмосферного азота. Наиболее важным из них является синтез аммиака по схеме:
Определение азота
Для определения свободного азота анализируемый газ приводят в контакт с нагретым магнием; при наличии азота образуется нитрид магния, который с водой дает аммиак.
Круговорот азота
Азот является важнейшим биогенным элементом, необходимым для построения белков и нуклеиновых кислот. Однако азот атмосферы недоступен для животных и большей части растений. Поэтому в круговороте азота первостепенное значение имеет процесс его биологической фиксации (фиксация молекулярного азота атмосферы). Азотфиксация осуществляется азотфиксирующими микроорганизмами, например бактериями из рода Rhizobium, или клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе (см.) с бобовыми растениями (горох, люцерна, соя, люпин и другие), на корнях которых образуются клубеньки, содержащие бактерии, способные усваивать молекулярный азот. К симбиотическим азотфиксаторам относятся также некоторые актиномицеты, живущие в корневых клубеньках ольхи, лоха, облепихи и так далее. Активными азотфиксаторами являются также некоторые свободноживущие микроорганизмы, обитающие в почве, пресных и соленых водоемах. Это анаэробная спороносная бактерия клостридиум (Clostridium pasteurianum), открытая С. Н. Виноградским, аэробная бактерия - азотобактер (см. Azotobacter). Способностью усваивать молекулярный азот обладают, кроме того, микобактерии, некоторые виды сине-зеленых водорослей (Nostoc, Anabaena и др.), а также фотосинтезирующие бактерии.
Наибольшее значение в обогащении почвы азотом имеют клубеньковые бактерии. В результате деятельности этих бактерий в почву вносится 100-250 кг/га за сезон; сине-зеленые водоросли на рисовых полях фиксируют до 200 кг/га азота в год. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии связывают несколько десятков килограммов азота на один гектар почвы.
С. Н. Виноградский впервые (1894) высказал предположение о том, что первоначальным продуктом процесса биологической азотфиксации является аммиак. В настоящее время это предположение полностью подтверждено. Доказано, что превращение N 2 в NH 3 представляет собой ферментативный процесс. Фермент, осуществляющий этот процесс (нитрогеназа), состоит из двух белковых компонентов, активен только в отсутствие кислорода, а сам процесс происходит за счет энергии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Растения, а также микроорганизмы затем превращают неорганический аммонийный азот в его органические соединения (аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты и так далее), и в таком виде он становится доступным для животных и человека, включаясь в обменные процессы, протекающие в их организмах. Органический азот животных и растений попадает в почву (с выделениями животных или продуктами их разложения) и перерабатывается обитающими там различными червями, моллюсками, нематодами, насекомыми, а также микроорганизмами. Микроорганизмы почвы - аммонификаторы (гнилостные бактерии, некоторые актиномицеты и грибы) - минерализуют в свою очередь органический азот почвы (тела животных и растений, органические удобрения, гумус) до аммония. Аммонификация - комплекс ферментативных процессов, протекающих в основном в два этапа: гидролиз белков и нуклеиновых кислот до аминокислот и азотистых оснований и последующее разложение этих соединений до аммиака. Образовавшийся аммиак нейтрализуется, реагируя с содержащимися в почве органическими и неорганическими кислотами. При этом происходит образование аммонийных солей. Аммонийные соли и аммиак в свою очередь подвергаются нитрификации под воздействием нитрифицирующих бактерий (открытых в 1890 году С. Н. Виноградским) с образованием нитратов и нитритов.
Процессы нитрификации и аммонификации обеспечивают растения легко усваиваемыми соединениями азота. Аммонийные соли и нитраты усваиваются растениями и микроорганизмами, превращаясь в азотные органических соединений. Однако часть азота превращается в почве в молекулярный азот в результате процесса денитрификации, осуществляемого живущими в почве микроорганизмами - денитрификаторами (рис.). Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе, встречаясь в большом количестве в почве, навозе и в меньшем - в воде рек, озер и морей. Наиболее типичные денитрификаторы - подвижные, грамотрицательные палочки. К ним относятся Bacterium fluorescens, В. denitrificans, В. pyocyaneum и другое.
Процесс денитрификации приводит к потере доступного растениям азота, однако постоянно идущий процесс азотфиксации в какой-то степени компенсирует эти потери, а в известных условиях (в частности, при богатстве почвы безазотистыми органическими веществами) и значительно обогащает почву связанным азотом.
В целом совокупное действие процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации имеет большое биогеохимическое значение, способствуя сохранению динамического равновесия между содержанием молекулярного азота в атмосфере и связанного азота почвы, растительного и животного мира.
Круговорот азота, таким образом, играет важнейшую роль в поддержании жизни на Земле.
Профессиональные вредности соединений азота
К числу наиболее вредных в профессиональном отношении соединений азота относятся азотная кислота (см.), аммиак (см.), аминосоединения (см. Амины) и амидосоединения (см. Амиды), а также смеси окислов азота, или нитрогазов (N 2 O, NO, NO 2 , N 2 O 4 и N 2 O 5). Последние образуются при производстве и применении азотной кислоты (в процессе взаимодействия ее с различными металлами или органическими веществами), в процессе термического окисления азота воздуха при электро- и газосварке, работе дизельных и карбюраторных двигателей, сжигании топлива в мощных котельных, а также при взрывных работах и так далее. Общий характер действия нитрогазов на организм зависит от содержания в газовой смеси различных окислов азота. В основном отравление протекает по раздражающему, или нитритному,типу действия. При контакте окислов азота с влажной поверхностью легких образуются азотная и азотистая кислоты, которые поражают легочную ткань, вызывая отек легких. Одновременно в крови образуются нитраты (см.) и нитриты (см.), непосредственно действующие на кровеносные сосуды, расширяя их и вызывая снижение кровяного давления. Нитриты, взаимодействуя с оксигемоглобином, превращают его в метгемоглобин, вызывая метгемоглобинемию (см.). Общим следствием действия окислов азота является кислородная недостаточность.
В производственных условиях возможны случаи воздействия отдельных окислов азота (см. ниже).
Закись азота. Большие ее концентрации вызывают шум в ушах, асфиксию, потерю сознания. Смерть наступает от паралича дыхательного центра.
Окись азота действует на центральную нервную систему, воздействует на гемоглобин (переводит оксигемоглобин в метгемоглобин).
При легком отравлении окисью азота наблюдается общая слабость, сонливость, головокружение (симптомы обратимы).
При более тяжелом отравлении начальные симптомы усиливаются, к ним присоединяется тошнота, иногда рвота, наступает полуобморочное состояние. При отравлениях средней тяжести резкая слабость и головокружение продолжаются много часов, нередко наблюдается синюшность слизистых оболочек и кожи, учащение пульса. При тяжелых отравлениях начальные явления нередко стихают, но после 1-3-дневной ремиссии появляются слабость и головокружение, наблюдаются снижение кровяного давления, серо-синяя окраска слизистых оболочек и кожи, увеличение и болезненность печени; границы сердца расширены, тоны глухие, пульс замедлен. Возникают полиневриты, полиневралгии. Кровь шоколадно-бурого цвета, повышенной вязкости. Последствия тяжелого отравления могут длиться более года: нарушение ассоциативных способностей, ослабление памяти и мышечной силы, общая слабость, головная боль, головокружение, быстрая утомляемость.
Двуокись азота. Острое отравление начинается с легкого кашля, в более тяжелых случаях - с сильного кашля, чувства стеснения в груди, головной боли, иногда рвоты, саливации. Период относительно удовлетворительного состояния длится 2-18 час. Затем появляются признаки нарастающего отека легких: сильная слабость, увеличивающийся кашель, боли в груди, цианоз, в легких много влажных хрипов, учащенное сердцебиение, иногда озноб, повышение температуры. Нередки значительные расстройства со стороны желудочно-кишечного тракта: тошнота, рвота, понос, сильные боли в верхней части живота. Отек легких характеризуется тяжелым состоянием (резкий цианоз, сильная одышка, учащенный пульс, кашель с пенистой мокротой, иногда с кровью). Кровяное давление в норме, в крови - увеличение количества эритроцитов и гемоглобина, лейкоцитоз, замедленная РОЭ. Рентгенологически - пониженная прозрачность легочных полей, в обоих легких большое количество хлопьевидных затемнений различной величины. Токсический отек легких сопровождается «синим» типом гипоксемии, при осложнении коллапсом наблюдается «серый» тип (см. Гипоксия). Нередки осложнения пневмонией. Возможен смертельный исход. На секции - отек легких, кровоизлияния в них, темная жидкая кровь в сердце и сосудах. Состояние отравленных и прогноз ухудшается, если пострадавшие до отравления страдали заболеваниями сердца или легких.
При хронических отравлениях - хронические воспалительные заболевания верхних дыхательных путей, хронические бронхиты, эмфизема, понижение кровяного давления, зеленоватый налет на зубах, разрушение коронок резцов.
Ангидрид азотистой кислоты действует на организм аналогично окиси азота и другим низшим его окислам.
Первая помощь при отравлениях соединениями азота - перенести пострадавшего на свежий воздух; обеспечить полный покой, вдыхание кислорода. По показаниям - сердечные средства, при остановке дыхания - лобелин. Затем обязательная транспортировка пострадавшего в лежачем положении в стационар. При признаках начинающегося отека легких - внутривенно 10-20 мл 10% раствора хлорида кальция, 20 мл 40% раствора глюкозы с аскорбиновой к-той (500 мг), кислородная терапия.
Лечение развившегося отека легких зависит от типа гипоксемии. При «синем» типе - прерывистое введение кислорода (карбоген противопоказан), кровопускание (200-300 мл), при необходимости - повторение его через 6-8 час.; рекомендуются средства, понижающие кровяное давление, сердечные средства. При «сером» типе аноксемии - стимуляция дыхательного и вазомоторного центра путем прерывистого вдыхания карбогена, кофеин, эфедрин, внутривенно 50-100 мл 40% раствора глюкозы. Кровопускание противопоказано.
В целях профилактики и лечения пневмоний - раннее назначение сульфаниламидов и антибиотиков.
Профилактика: индивидуальная защита - фильтрующие противогазы марок В, М, KB, кислотозащитные перчатки и сапоги, герметичные очки, специальная одежда. Необходима полная герметизация производственного оборудования, где могут образоваться и выделяться нитрогазы, укрытие фиксированных источников выделения этих газов, местная вентиляционная система.
Предельно допустимая концентрация для окислов азота в воздухе рабочих помещений 5 мг/м 3 (в пересчете на NО 2), в атмосферном воздухе населенных пунктов 0,085 мг/м 3 или 0,4 мг/м 3 (для азотной кислоты).
Определение в воздухе окислов азота основано на поглощении двуокиси и четырехокиси азота раствором йодида калия и колориметрическом определении образовавшейся азотистой кислоты с реактивом Грисса-Илошваи.
Библиография: Некрасов Б. В. Основы общей химии, т. 1, с. 377, М., 1969; Реми Г. Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, с. 560, М., 1972.
Круговорот А. - Виноградский С. Н. Микробиология почвы, М., 1952; Кретович В. Л. Обмен азота в растениях, М., 1972, библиогр.; Мишустин Е. Н. и Шильникова В. К. Биологическая фиксация атмосферного азота, М., 1968, библиогр.
Профессиональные вредности соединений А. - Вредные вещества в промышленности, под ред. Н. В. Лазарева, ч. 2, с. 136, Л., 1971; Гигиена труда в химической промышленности, под ред. З. А. Волковой и др., с. 373, М., 1967; Гуртовой Ю. А. Отравление парами азотной кислоты, Суд.-мед. экспертиза, т. 12, № 3, с. 45, 1969; Неймарк Е. З. и Зингер Ф. X. Профессиональные отравления рабочих угольных шахт, их лечение и профилактика, с. 34, М., 1961; Перегуд Е. А., Быховская М. С. и Гернет Е. В. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе, с. 67, М., 1970; Сафронов В. А. Особенности клинического течения отека легких при комбинированных поражениях азотной кислотой, Воен.-мед. журн., № 7, с. 32, 1966; Air quality criteria for nitrogen oxides, Washington, 1971, bibliogr.
В. П. Мишин; З. Г. Евстигнеева, В. Л. Кретович (круговорот А.); Е. Н. Марченко (проф.).
