По важности для человека и его деятельности азот стоит на третьем месте после кислорода и водорода. Его невозможно увидеть, если газ не заморожен или не сжижен, однако, каждый год специалисты получают несколько тонн рассматриваемого газа и его производных. Газ используется во многих сферах деятельности человека, начиная от медицины и заканчивая взрывчаткой. А сегодня любой желающий житель Москвы и Московской области может приобрести баллон закиси азота по доступной цене на сайте www.zakisazot.ru.
Невозможно рассказать все об этом газе. Приведем лишь некоторые факты про него:
1. Впервые газ был обнаружен в конце 1777 года тремя химиками – Дэниэлом Резерфордом, Генри Кавендиш и Джозефом Пристли. Однако ни один из них не смог открыть свойства азота, что не позволило полноценно открыть его как новый газ. Первоначало Пристли подумал, что это кислород. Дэниэл Резерфорд последовательно открывал свойства газа, который не реагирует с другими веществами и не горит. Именно поэтому считается, что азот был открыт именно этим ученым.
2. Название «Азот» происходит от древнегреческого слова «безжизненный». Так назвал газ Антуан Лавуазье.
3. В атмосфере Земли азот содержится в процентном отношении – 75,51%. Основная масса этого газа находится в земной коре и в пространстве между ней и ядром. Отличительно, что в последнем его намного больше, чем в коре.
4. В состав массы живых организмов входит азот в процентном отношении 2,5%.
5. Без примесей рассматриваемое вещество не имеет ни цвета, ни запаха, является абсолютно безвредным. Однако большая концентрация газа вызывает опасные для жизни последствия – удушье и смерть. Также азот опасен при кессонной болезни – когда подводники быстро поднимаются с глубины на поверхность, пузырьки газа закупоривают кровеносные сосуды. В результате, человек может остаться живым, потеряв, например, конечность, но были случаи, когда подводники умирали через несколько часов после подъема на поверхность.
6. Первоначально рассматриваемый газ получали из различных природных объектов с определенным химическим составом и кристаллической структурой, однако, на сегодняшний день его добывают напрямую из атмосферы Земли.
7. Во второй части киноленты «Терминатор» он замерз в жидком азоте. Это является чистой выдумкой – даже на замораживание предмета, имеющего малую площадь, потребуется не менее 10-15 минут, что и говорить о Терминаторе.
8. Благодаря своим уникальным свойствам, жидкий азот можно использовать в качестве хладагента в специальных охлаждающих приборах, а также применять его в криотерапии. Лечение холодом активно используется при травме спортсменов.
9. Азот также широко применяется в пищевой промышленности. Поместив продукты питания в атмосферу из жидкого азота, можно надолго сохранить свежеть продуктов.
10. В некоторых случаях при производстве пива применяется азот. Его редкое использование в пивной промышленности связано с тем, что пузырьки газа подходят не для всех сортов этого напитка.
11. В колеса авиалайнеров помещают азот, что необходимо для обеспечения пожарной безопасности.
12. Рассматриваемый газ эффективен при тушении пожаров. В стандартных условиях при возгорании его не применяют, так как он быстро улетучивается на открытых пространствах. Однако в шахтах при возникновении пожара азот используется довольно часто.
13. В медицинской сфере закись азота, или по-другому оксид азота I, применяется в качестве наркоза при проведении оперативного вмешательства. Также закись азота применяется в автомобильной сфере – улучшение работы мотора. Сам по себе газ не горит, однако, хорошо поддерживает процесс возгорания.
14. Оксид азота II является опасным для человека. В каждом организме он содержится в малых количествах. В человеческом теле его называют окись азота. Она необходима для поддержания нормального функционирования сердца, что предохраняет от повышенного давления и инфаркта. Если у пациента обнаружены проблемы с сердцем, ему назначают продукты, богатые окисью азота – шпинат, свекла.
15. Соединение глицерина и азотной кислоты носит название нитроглицерин. Это вещество входит в состав не только таблеток от стенокардии, но и в состав взрывоопасного вещества.
16. Практически все взрывоопасные вещества изготавливаются с азотом.
17. Немаловажную роль азот играет в сельскохозяйственной сфере. Из него изготавливают удобрения, что во многом повышает урожайность.
18. В состав градусника для измерения температуры входит не только ртуть, но и азот.
19. Рассматриваемый газ входит не только в состав атмосферы Земли. Практически все планетные системы имеют в своем составе большое количество азота.
20. В начале 2017 года в Америке женщине подсадили эмбриона, который 24 года хранился в жидком азоте. Беременность и роды прошли успешно.
Дальнейшее исследование азота специалистами идет быстрыми темпами. Не исключено, что в дальнейшем, сфера его применения значительно расширится.
Несмотря на то, что азот невозможно заметить, если он не сжижен или заморожен, важность этого газа для человека и цивилизации уступает лишь кислороду и водороду. Азот применяется в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности от медицины до производства взрывчатки. Ежегодно в мире производят сотни миллионов тонн азота и его производных. Вот лишь немногие факты о том, как открыли, исследовали, производят и используют азот:
1. В конце 17-го века сразу три химика — Генри Кавендиш, Джозеф Пристли и Дэниэл Резерфорд — сумели получить азот. Однако ни один из них не разобрался в свойствах полученного газа настолько, чтобы открыть новое вещество. Пристли даже перепутал его с кислородом. Резерфорд был наиболее последователен в описании свойств газа, который не поддерживает горение и не реагирует с другими веществами, поэтому лавры первооткрывателя достались ему.
Дэниэл Резерфорд
2. Собственно «азотом» газ назвал Антуан Лавуазье, использовав древнегреческое слово «безжизненный».
3. По объёму азот составляет 4/5 земной атмосферы. Значительные количества азота содержат мировой океана, земная кора и мантия, причём в мантии его на порядок больше, чем в коре.
4. 2,5% массы всех живых организмов на Земле приходится на азот. По массовой доле в биосфере этот газ уступает лишь кислороду, водороду и углероду.
5. Собственно чистый азот как газ безвреден, не имеет запаха и вкуса. Опасность азот представляет только в высокой концентрации — может вызвать опьянение, удушье и смерть. Страшен азот и при кессонной болезни, когда кровь подводников при быстром подъёме со значительной глубины как бы вскипает, а пузырьки азота разрывают кровеносные сосуды. Человек, подвергшийся такой болезни, может подняться на поверхность живым, но в лучшем случае потерять конечности, а в худшем — умереть через несколько часов.
6. Ранее азот получали из различных минералов, сейчас же примерно миллиард тонн азота в год добывают прямо из атмосферы.
7. Второй Терминатор замёрз в жидком азоте, однако эта кинематографическая сцена — чистая выдумка. Жидкий азот действительно имеет очень низкую температуру, но и теплоёмкость этого газа настолько низка, что время замораживания даже небольших предметов исчисляется десятками минут.
8. Жидкий азот активнее всего используется в различных охлаждающих агрегатах (инертность к другим веществам делает азот идеальным хладагентом) и в криотерапии — лечении холодом. В последние годы криотерапия активно применяется и в спорте.
9. Инертность азота активно используется и в пищевой промышленности. В хранилищах и упаковках с атмосферой из чистого азота продукты могут храниться очень долго.
Установка по созданию азотной атмосферы на продовольственном складе
10. Иногда азот используется при разливе пива вместо традиционной углекислоты. Однако специалисты говорят, что его пузырьки меньше, и такое газирование подходит не всем сортам пива.
11. В камеры самолётных шасси в целях пожарной безопасности закачивают азот.
12. Азот — эффективнейшее средство пожаротушения. Обычные пожары им тушат очень редко — газ сложно оперативно доставить к месту пожара в городе, и он быстро испаряется на открытой местности. А вот в шахтах метод тушения пожара вытеснением кислорода азотом из горящей выработки используется часто.
13. Оксид азота I, более известный как закись азота, используется и как средство для наркоза, и как вещество, улучшающее работу двигателя автомобиля. Он не горит сам, но хорошо поддерживает горение.
Можно ускориться…
14. Оксид азота II — это очень ядовитое вещество. Тем не менее, в небольших количествах он присутствует во всех живых организмах. В теле человека окись азота (так чаще называют это вещество) вырабатывается для нормализации работы сердца и предотвращения гипертонии и инфарктов. В ходе этих болезней для стимуляции выработки окиси азота используют диеты, включающие в себя свёклу, шпинат, рукколу и другую зелень.
15. Нитроглицерин (сложное соединение азотной кислоты с глицерином), таблетки которого сердечники кладут под язык, и сильнейшая взрывчатка с таким же названием, это действительно одно и то же вещество.
16. Вообще подавляющее большинство современных взрывчатых веществ изготавливается с использованием азота.
17. Азот также критически важен для производства удобрений. Азотные удобрения, в свою очередь, имеют огромное значение для урожайности растениеводства.
18. В трубочке ртутного термометра находятся серебристая ртуть и бесцветный азот.
19. Азот обнаружен не только не Земле. Атмосфера Титана — самого большого спутника — почти полностью состоит из азота. Водород, кислород, гелий и азот — вот четвёрка самых распространённых во Вселенной химических элементов.
Толщина азотной атмосферы Титана превышает 400 км
20. В ноябре 2017 года в США в результате весьма необычной процедуры родилась девочка. Её матери подсадили эмбрион, хранившийся замороженным в жидком азоте в течение 24 лёт. Беременность и роды прошли хорошо, девочка родилась здоровой.
Жидкий азот (ЖА, англ. Liquid nitrogen, LIN, LN2) - жидкость прозрачного цвета. Является одним из четырёх агрегатных состояний азота. Жидкий азот обладает удельной плотностью 0,808 г/см³, и имеет точку кипения 77,4 K (−195,75 °C). Не взрывоопасен и не ядовит.
Общие сведения об азоте
Азот является самым распространенным газом в составе атмосферы Земли. Иными словами, окружающий нас воздух на три четверти состоит именно из азота, а не из кислорода. В периодической системе химических элементов Менделеева азот обозначается символом N (от латинского Nitrogenium), имеет атомный номер 7 и занимает место в 15-ой группе. В нормальных условиях азот представляет собой двухатомный и весьма инертный газ. Он не обладает цветом, вкусом и запахом, следовательно, не ощутим для человека. Формула газа азота N2; именно в таком молекулярном состоянии он на три четверти заполняет атмосферу нашей планеты.
История открытия
В конце XVIII столетия сразу несколько ученых вплотную подошли к открытию нового химического элемента, свойства которого наукой еще не были изучены. Так, Генри Кавендиш в 1772 году осуществил следующий эксперимент: он неоднократно пропустил воздух над раскалённым углём, обработал уголь щелочным раствором и в конечном счете получил остаток нового вещества. Химик назвал этот остаток «удушливым воздухом». Кавендиш по факту получил азот – новый химический элемент, но догадаться об этом он не смог. В том же году эксперименты по получению «удушливого воздуха» продолжил друг Кавендиша профессор Пристли. Он также многократно получал в ходе своих опытов азот, но ошибочно предполагал, что этот газ кислород. Поэтому ни один из двух ученых первооткрывателями азота не считаются.
Параллельно с этими опытами свои собственные эксперименты поставил в том же 1772 году Даниэль Резерфорд. Именно он в магистерской работе правильно описал основные свойства азота. В частности, то, что он не пригоден для дыхания, не вступает в реакцию с щелочами и не поддерживает процесс горения. Чаще всего именно Резерфорда называют открывателем азота.
Свойства азота
Физические свойства азота в нормальных условиях характеризуют его как бесцветный газ, не имеющий запаха и не ощутимый органами чувств человека. Азот слабо растворим в воде, обладает плотностью 1,2506 кг/м 3 . В жидком состоянии азот представляет собой бесцветную и подвижную жидкость, визуально похожую на воду. При температуре −195,8 °C закипает. Плотность жидкого азота уменьшается до 808 кг/м 3 . При −209,86 °C азот переходит в твердое агрегатное состояние, приобретая вид ярко-белых кристаллов больших размеров.
Свободное состояние азота представляет собой двухатомную молекулу N2 с тройной связью между молекулами. Эта связь делает молекулу азота чрезвычайно прочной, и в обычных условиях диссоциации молекул практически не отмечается. В результате азот является очень инертным газом: практически не вступает в химические реакции с другими веществами и в нормальных условиях находится в свободно состоянии. Силы межмолекулярного взаимодействия крайне слабые, вот почему при нормальных условиях азот представляет собой газ, а не жидкость или твердое вещество.
Интересные факты об азоте
Название азот, что значит «лишенный жизни», появилось с легкой руки Антуана Лавуазье в конце XVIII века, когда экспериментально было установлено, что азот не может поддерживать дыхание и горение. Теперь же мы знаем, что, будучи «безжизненным» по названию, азот чрезвычайно важен для поддержания жизни всех существ. Латинское название азота «нитрогениум» переводится как «селитру рождающий» и напоминает о важнейшем значении этого элемента для промышленности.
Все живые организмы усваивать азот в чистом виде не могут. Необходимое его количество мы усваиваем через белковую пищу. Когда человек дышит, то вдыхает содержащийся в воздухе азот. Он никак не усваивается легкими (в отличие от кислорода), поэтому в нашем выдохе в основном присутствует азот. Удивительно, но как раз обилие азота в атмосфере помогает нам не потреблять кислород в количествах, смертельных для организма человека.
В фантастике распространен сюжет о заморозке азотом живых существ, дабы сохранить их для будущих поколений. В реальности современные ученые этого сделать не могут, поскольку заморозка жидким азотом происходит медленно, и организм погибает раньше, чем успевает «правильно» замерзнуть.
Применение азота
Применение азота в промышленном производстве обуславливается его высокими инертными свойствами. Жидкий азот используется в качестве промышленного хладагента. Азот в газообразном состоянии используют как антиокислитель. Поскольку чистым газообразным азотом можно заместить воздух (в составе которого окислитель — кислород), то азотом продувают полости в электротехнической промышленности и в машиностроении как таковом. С его помощью продувают резервуары и трубопроводы, контролируют их работу при большом давлении внутри резервуара.
Азот является сырьем для синтеза важных азотосодержащих соединений. К таким относятся азотные удобрения, которые вместе с фосфорными и калийными удобрениями незаменимы в растениеводстве. Азот является составной частью аммиака, который используется в холодильном оборудовании, в качестве промышленного растворителя, в медицине и вообще является важнейшим химическим сырьем. Производство большинства взрывчатых веществ на планете базируется на химических свойствах кислорода и азота.
Азот можно встретить и в пищевой промышленности как пищевую добавку E941. Газообразный азот необходим для заполнения шинных камер для шасси самолетов. Сейчас стало модным заполнять шины азотом и в среде автолюбителей, хотя научных доказательств эффективности такого использования пока не приведено. Азот и другие газы нашли широкое применение в медицине: как в области создания новых лекарственных препаратов и методик, так и при изготовлении высокоточного медицинского оборудования.
Компания ООО «Спецсервис» осуществляет доставку жидкого азота в любой город России.
Исходя из условий поставки и необходимого объема продукции мы сможем предложить Вам оптимальную цену.
азотная кислота, азотАзот / Nitrogenium (N), 7
(молярная масса)
а. е. м. (г/моль)
13 (+5e) 171 (-3e) пм
3,04 (шкала Полинга)
5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −2, −3
(первый электрон)
1401,5 (14,53) кДж/моль (эВ)
0,808 г/см³ (−195,8 °C); при н. у. 0,001251 г/см³
63,29 K (-209,86 °C)
77,4 K (-195,75 °C)
(N2) 0,720 кДж/моль
(N2) 5,57 кДж/моль
29,125 (газ N2) Дж/(K·моль)
17,3 см³/моль
кубическая
(300 K) 0,026 Вт/(м·К)
| 7 | Азот |
| N 14,007 | |
| 2s22p3 | |
Азо́т
- элемент 15-й группы (по устаревшей классификации - главной подгруппы пятой группы) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 7. Относится к пниктогенам. Обозначается символом N
(лат. Nitrogenium). Простое вещество азот
- двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Один из самых распространённых элементов на Земле. Химически весьма инертен, однако реагирует с комплексными соединениями переходных металлов. Основной компонент воздуха (78,09 % объёма), разделением которого получают промышленный азот, (более ¾ идёт на синтез аммиака). Применяется как инертная среда для множества технологических процессов; жидкий азот - хладагент. Азот - один из основных биогенных элементов, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот.
- 1 История открытия
- 2 Происхождение названия
- 3 Азот в природе
- 3.1 Изотопы
- 3.2 Распространённость
- 3.3 Биологическая роль
- 3.4 Круговорот азота в природе
- 3.5 Токсикология азота и его соединений
- 4 Получение
- 5 Свойства
- 5.1 Физические свойства
- 5.2 Химические свойства, строение молекулы
- 5.2.1 Промышленное связывание атмосферного азота
- 6 Соединения азота
- 7 Применение
- 8 Маркировка баллонов
- 9 Интересные факты
- 10 См. также
- 11 Комментарии
- 12 Примечания
- 13 Литература
- 14 Ссылки
История открытия
В 1772 году Генри Кавендиш провёл следующий опыт: он многократно пропускал воздух над раскалённым углём, затем обрабатывал его щёлочью, в результате получался остаток, который Кавендиш назвал удушливым (или мефитическим) воздухом. С позиций современной химии ясно, что в реакции с раскалённым углём кислород воздуха связывался в углекислый газ, который затем поглощался щёлочью. При этом остаток газа представлял собой по большей части азот. Таким образом, Кавендиш выделил азот, но не сумел понять, что это новое простое вещество (химический элемент). том же году Кавендиш сообщил об этом опыте Джозефу Пристли.
Интересен тот факт, что он сумел связать азот с кислородом при помощи разрядов электрического тока, а после поглощения оксидов азота в остатке получил небольшое количество газа, абсолютно инертного, хотя, как и в случае с азотом, не смог понять, что выделил новый химический элемент - инертный газ аргон.
Пристли в это время проводил серию экспериментов, в которых также связывал кислород воздуха и удалял полученный углекислый газ, то есть также получал азот, однако, будучи сторонником господствующей в те времена теории флогистона, совершенно неверно истолковал полученные результаты (по его мнению, процесс был противоположным - не кислород удалялся из газовой смеси, а наоборот, в результате обжига воздух насыщался флогистоном; оставшийся воздух (азот) он и назвал насыщенным флогистоном, то есть флогистированным). Очевидно, что и Пристли, хотя и смог выделить азот, не сумел понять сути своего открытия, поэтому и не считается первооткрывателем азота.
Одновременно схожие эксперименты с тем же результатом проводил и Карл Шееле.
В 1772 году азот (под названием «испорченного воздуха») как простое вещество описал Даниэль Резерфорд, он опубликовал магистерскую диссертацию, где указал основные свойства азота (не реагирует со щелочами, не поддерживает горения, непригоден для дыхания). Именно Даниэль Резерфорд и считается первооткрывателем азота. Однако и Резерфорд был сторонником флогистонной теории, поэтому также не смог понять, что же он выделил. Таким образом, чётко определить первооткрывателя азота невозможно.
Происхождение названия
Название «азо́т» (фр. azote, по наиболее распространённой версии, от др.-греч. ἄζωτος - безжизненный), вместо предыдущих названий («флогистированный», «мефитический» и «испорченный» воздух) предложил в 1787 году Антуан Лавуазье, который в то время в составе группы других французских учёных разрабатывал принципы химической номенклатуры, в том же году это предложение опубликовано в труде «Метод химической номенклатуры». Как показано выше, в то время уже было известно, что азот не поддерживает ни горения, ни дыхания. Это свойство и сочли наиболее важным. Хотя впоследствии выяснилось, что азот, наоборот, крайне необходим для всех живых существ, название сохранилось во французском и русском языках. Окончательно в русском языке этот вариант названия закрепился после выхода в свет книги Г. Гесса «Основания чистой химии» в 1831 году.
Существует и иная версия. Слово «азот» придумано не Лавуазье и не его коллегами по номенклатурной комиссии; оно вошло в алхимическую литературу уже в раннем средневековье и употреблялось для обозначения «первичной материи металлов», которую считали «альфой и омегой» всего сущего. Это выражение заимствовано из Апокалипсиса: «Я есмь Альфа и Омега, начало и конец» (Откр. 1:8-10). Слово составлено из начальных и конечных букв алфавитов трёх языков - латинского, греческого и древнееврейского, - считавшихся «священными», поскольку, согласно Евангелиям, надпись на кресте при распятии Христа была сделана на этих языках (а, альфа, алеф и зет, омега, тав - AAAZOTH). Составители новой химической номенклатуры хорошо знали о существовании этого слова; инициатор её создания Гитон де Морво отмечал в своей «Методической энциклопедии» (1786) алхимическое значение термина.
Возможно, слово «азот» произошло от одного из двух арабских слов - либо от слова «аз-зат» («сущность» или «внутреннюю реальность»), либо от слова «зибак» («ртуть»).
Название «азот», помимо французского и русского, принято в итальянском, турецком и ряде славянских языков, а также во многих языках народов бывшего СССР.
На латыни азот называется nitrogenium, то есть «рождающий селитру», отсюда символ N . Это название во французской форме nitrogène предложил французский химик Ж. Шапталь в 1790 году в своей книге «Элементы химии», однако во французском языке оно не прижилось, в отличие от многих других языков (в частности, английского, испанского, венгерского, норвежского), где название производно от этого слова. немецком языке используется название Stickstoff, что означает «удушающее вещество», аналогично в нидерландском; схожие по значению названия используются в некоторых славянских языках (например, хорватское dušik).
Азот в природе
Изотопы
Основная статья: Изотопы азотаПриродный азот состоит из двух стабильных изотопов 14N - 99,635 % и 15N - 0,365 %.
Искусственно получены четырнадцать радиоактивных изотопов азота с массовыми числами от 10 до 13 и от 16 до 25. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13N имеет период полураспада 10 мин.
Спин ядер стабильных изотопов азота: 14N - 1; 15N - 1/2.
Распространённость
Азот - один из самых распространённых элементов на Земле. Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, межзвёздном пространстве и др. Атмосферы спутников Титан, Тритон и карликовой планеты Плутон тоже в основном состоят из азота. Азот - четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).
Азот в форме двухатомных молекул N2 составляет большую часть атмосферы Земли, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму), то есть около 3,87·1015 т.
Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2·1013 т, кроме того, примерно 7·1011 т азота содержатся в гидросфере в виде соединений.
Биологическая роль
Азот является химическим элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16-18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле - около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода). связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9·1011 т. результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.
Круговорот азота в природе
Основная статья: Круговорот азотаФиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям - абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000 °C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).
Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4·108 т/год) фиксируется биотическим путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium, цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубнях ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH4+). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий - первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» - глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.
Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и, в конце концов, попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5-8·107 т/год).
Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации, то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.
В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.
Токсикология азота и его соединений
Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.
Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны.
Получение
В лабораториях его можно получать по реакции разложения нитрита аммония:
Реакция экзотермическая, идёт с выделением 80 ккал (335 кДж), поэтому требуется охлаждение сосуда при её протекании (хотя для начала реакции требуется нагревание нитрита аммония).
Практически эту реакцию выполняют, добавляя по каплям насыщенный раствор нитрита натрия в нагретый насыщенный раствор сульфата аммония, при этом образующийся в результате обменной реакции нитрит аммония мгновенно разлагается.
Выделяющийся при этом газ загрязнён аммиаком, оксидом азота (I) и кислородом, от которых его очищают, последовательно пропуская через растворы серной кислоты, сульфата железа (II) и над раскалённой медью. Затем азот осушают.
Ещё один лабораторный способ получения азота - нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция идёт по уравнениям:
Наиболее чистый азот можно получить разложением азидов металлов:
Так называемый «воздушный», или «атмосферный» азот, то есть смесь азота с благородными газами, получают путём реакции воздуха с раскалённым коксом, при этом образуется так называемый «генераторный», или «воздушный», газ - сырьё для химических синтезов и топливо. При необходимости из него можно выделить азот, поглотив монооксид углерода.
Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Этим методом можно получить и «атмосферный азот». Также широко применяются азотные установки и станции, в которых используется метод адсорбционного и мембранного газоразделения.
Один из лабораторных способов - пропускание аммиака над оксидом меди (II) при температуре ~700 °C:
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 эмиссионный спектр азотаПри нормальных условиях азот - это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде (2,3 мл/100 г при 0 °C, 1,5 мл/100 г при 20 °C, 1,1 мл/100 г при 40 °C, 0,5 мл/100 г при 80 °C), плотность 1,2506 кг/м³ (при н. у.).
В жидком состоянии (темп. кипения −195,8 °C) - бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. Плотность жидкого азота 808 кг/м³. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.
При −209,86 °C азот переходит в твёрдое 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. 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 атомами азота N≡N (длина связи dN≡N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N2 ↔ 2N изменение энтальпии в реакции ΔH°298=945 кДж/моль, 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). высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N2. лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N2 при сильном разрежении 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 некоторые его соединения эндотермичны (многие галогениды, азиды, оксиды), то есть энтальпия их образования положительна, 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:
при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды:
Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак) NH3, получаемый взаимодействием водорода с азотом (см. ниже).
В электрическом разряде реагирует с кислородом, образуя оксид азота(II) NO.
Описано несколько десятков комплексов с молекулярным азотом.
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:
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. 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 °C 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:
Реакция экзотермична, её тепловой эффект 293 кДж.
Ежегодно из атмосферы Земли промышленным путём отбирается примерно 1·106 т азота.
Соединения азота
Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, 0, +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, её соли - нитраты и другие производные, а также тетрафтораммоний NF4+ и его соли.
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. нефтехимии азот применяется для продувки резервуаров и трубопроводов, проверки работы трубопроводов под давлением, увеличения выработки месторождений. горнодобывающем деле азот может использоваться для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы. 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. Более ¾ промышленного азота идёт на синтез аммиака. 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 разливе масел и негазированных напитков для создания избыточного давления и инертной среды в мягкой таре.
Газообразным азотом заполняют камеры шин шасси летательных аппаратов. Кроме того, в последнее время заполнение шин азотом стало популярно и среди автолюбителей, хотя однозначных доказательств эффективности использования азота вместо воздуха для наполнения автомобильных шин нет.
Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённое заблуждение. 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.
В качестве легирующей добавки к кремнию, образует высокопрочное соединение (керамику) нитрид кремния, обладающее высокой вязкостью и прочностью.
Маркировка баллонов
Основная статья: Окраска и маркировка баллонов с газамиБаллоны с азотом окрашены в чёрный цвет, должны иметь надпись жёлтого цвета и коричневую полосу (согласно ПБ 03-576-03), при этом ГОСТ 26460-85 не требует полосы, но надпись должна содержать сведения о чистоте азота (особой чистоты, высокой чистоты, повышенной чистоты).
Цитата из Большой Советской Энциклопедии издания 1952 г. (том 1, стр. 452, статья «Азот»):
Азот в сложении с капитализмом - это война, разрушение, смерть. Азот в сложении с социализмом - это высокий урожай, высокая производительность труда, высокий материальный и культурный уровень трудящихся.
См. также
- Азотистый обмен почвы
- Криогенная резка
- Азотное правило
- Азотная станция
- Транспортные средства на жидком азоте
По важности для человека и его деятельности азот стоит на третьем месте после кислорода и водорода. Его невозможно увидеть, если газ не заморожен или не сжижен, однако, каждый год специалисты получают несколько тонн рассматриваемого газа и его производных. Газ используется во многих сферах деятельности человека, начиная от медицины и заканчивая взрывчаткой.
Почитайте некоторые интересные факты про него:
1. Впервые газ был обнаружен в конце 1777 года тремя химиками – Дэниэлом Резерфордом, Генри Кавендиш и Джозефом Пристли. Однако ни один из них не смог открыть свойства азота, что не позволило полноценно открыть его как новый газ. Первоначало Пристли подумал, что это кислород. Дэниэл Резерфорд последовательно открывал свойства газа, который не реагирует с другими веществами и не горит. Именно поэтому считается, что азот был открыт именно этим ученым.