РАЗДЕЛ II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

9. Неметаллические элементы и их соединения. Неметаллы

9.4. Элементы VA группы

9.4.2. Нитроген

Азот - 7-й элемент периодической таблицы (заряд ядра +7. Химический символ - N. Относительная атомная масса - 14, молярная масса 28 г/моль. Известно две стабильные природные изотопы Азота: ¹⁴N (99,64%), ¹⁵N. Образует простое вещество азот N₂.

Электроотрицательности по Полингом - 3,04. Характерная валентность - III. Атом Азота может присоединять 3 электроны, которых ему не хватает до завершения внешнего энергетического уровня:

Образуется нитрид-ион, который входит в состав бинарных соединений Азота с типичными металлическими элементами: K₃N, Ca₃N₂.

Однако известные соединения Азота, в которых он имеет валентность IV: HNO₃, ион аммония NH₄⁺, N₂О₅. Самый низкий степень окисления - 3, а самый высокий (в соединениях с електронегативнішими элементами Флуором и Оксигеном) - +5. Известны также соединения с промежуточными степенями окисления Азота:

Распространенность Азота в природе

В природе Азот существует в свободном состоянии в виде простого вещества азота N₂. Объемная доля азота в атмосферном воздухе составляет 78,1 %. Связанный Азот встречается в виде солей азотной кислоты, которые традиционно называют селітрами: чилийской - NaNO₃, натриевой - NaNO₃, калийной - KNO₃.

Азот входит в состав органических соединений, биологически активных веществ: витаминов, гормонов, антибиотиков, содержится в растительных и животных организмах (белки, аминокислоты). Массовая доля Азота в организме человека составляет 3 %.

Физические свойства азота

Азот - бесцветный газ без запаха и цвета, плохо растворяется в воде, немного легче воздуха. При охлаждении до температуры -196 °С превращается в бесцветную жидкость, а при -210 °С затвердевает. Молекула азота N₂ состоит из двух атомов Азота, соединенных прочным тройным неполярным ковалентной связью. Степень окисления Азота в азоте - 0, а валентность - III. Кристаллические решетки твердого азота молекулярные. Электронная формула - ₇N 1s^-22s²2p³:

Добывание азота

В лаборатории азот получают нагреванием кристаллического натрий нитрита с аммоний хлоридом:

Аммоний нитрит термически неустойчив и сразу же разлагается:

В промышленности азот получают из воздуха, его фракционированием (см. Добыча кислорода). Воздух очень охлаждают до превращения его в жидкость, а затем постепенно начинают повышать температуру. Первым из жидкого воздуха испаряется азот, поскольку температура его кипения составляет -196 °С.

Химические свойства азота

Азот N₂ имеет чрезвычайно низкую реакционную способность. Это объясняется особой стойкостью его молекулы, которая начинает распадаться на атомы при температуре 4 000 °С. Структурная формула азота - N ≡ N, атомы соединяются тремя ковалентними связями:

Азот не горит и не поддерживает горения. Не реагирует с водой, кислотами, щелочами, солями. При нагревании азот взаимодействует с некоторыми простыми веществами, проявляя преимущественно свойства окисника:

1. 3 металлами:

При стандартных условиях взаимодействует только с литием:

Нитриды щелочных и щелочноземельных металлических элементов - это йонни соединения, которые разлагаются водными растворами кислот и водой (гидролизуют):

2. Азот взаимодействует с водородом при особых условиях (катализатор - Fe, температура - 500 °С, давление - ≥ 200 атм):

3. Азот проявляет восстановительные свойства в реакции с кислородом, что происходит за очень высокой температуры (электрическая дуга, 2000-3000 °С):

Применение азота и биологическое значение Азота

В основном азот используют для извлечения аммиака.

Другое применение обусловлено его инертными свойствами:

• в энергетике им продувают охлаждающие части турбогенераторов ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и электролизеры от водорода и воздуха, а в нефтехимии - резервуары и трубопроводы (для проведения ремонтно-восстановительных работ), используют для обеспечения взрыво - и пожаробезопасности при добыче, перевозке, хранении, переработке нефтепродуктов и химических веществ;

• в угольной промышленности, при дегазации выработок и тушении пожаров, а также для обеспечения пожарной безопасности жилых, промышленных зданий, офисов;

• освоение скважин в нефтегазодобывающей промышленности;

• в современных химико-технологических процессах, где необходимо применение инертной среды;

• азотом наполняют электрические лампочки;

• для длительного и безотходного хранения сельскохозяйственной продукции, в частности фруктов, зерна и семян в регулируемой газовой среде;

• в пищевой промышленности, при производстве масла, жиров, упаковке продуктов.

Жидкий азот используется как хладагент для быстрого замораживания продуктов, для хранения крови в медицине.

Азот - один из основных химических элементов живой природы, но ни растения, ни животные не могут усваивать атмосферного азота. Эту функцию в природе выполняют некоторые прокариоты (бактерии, архее).

Фиксация азота (азотфиксация, или діазотрофія) - процесс связывания азота в химические соединения (аммиак, нитраты, азот(ИV) диоксид), которые могут используются растениями для других биохимических процессов. Микроорганизмы, фиксирующие азот, называют діазотрофами (азотфиксувальними микроорганизмами). Некоторые растения, грибы и животные формируют с ними симбиотические ассоциации.

Самыми активными фиксаторами атмосферного азота являются клубеньковые бактерии в ассоциации с бобовыми растениями. За год они могут накопить на площади 1 га до 60-300 кг азота. Также до 30-60 кг/га азота в год связывает вільноживуча аэробная почвенная бактерия Azotobacter и до 20-40 кг/га - анаэробная маслянокисла бактерия Clostridium. Источником энергии и углеродного питания для азотфиксаторов являются корневые выделения растений, продукты разложения клетчатки и других органических остатков. Для повышения азотфіксувальної способности почвы вносят бактериальные удобрения.