Азот

7 Углерод ← Азот → Кислород N ↓ P 7N
Внешний вид простого вещества
Жидкий азот
Свойства атома
Имя, символ, номер	Азо́т / Nitrogenium (N), 7
Группа, период, блок	15 (устар. 5), 2, p-элемент
Атомная масса (молярная масса)	[14,00643; 14,00728] Указан диапазон значений атомной массы в связи с неоднородностью распространения изотопов в природе. а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[He] 2s22p3 1s22s22p3
Радиус атома	75 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	75 пм
Радиус иона	13 (+5e) 171 (−3e) пм
Электроотрицательность	3,04 (шкала Полинга)
Степени окисления	-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5
Энергия ионизации (первый электрон)	1401,5 (14,53) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	0,808 г/см³ (-195,8 °C); 1,1649 кг/м³ в стандартных условиях по ГОСТ 2939-63; при н. у. 0,001251 г/см³
Температура плавления	63,29 K (−209,86 °C)
Температура кипения	77,4 K (−195,75 °C)
Теплота плавления	(N2) 0,720 кДж/моль
Теплота испарения	(N2) 5,57 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	29,125 (газ N2) Дж/(K·моль)
Молярный объём	22,4⋅103 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Кубическая
Параметры решётки	5,661 Å
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 0,026 Вт/(м·К)
Номер CAS	7727-37-9

7	Азот
N 14,007
2s22p3

Азо́т (химический символ — N, от греч. ζωός — живой; лат. Nitrogeniumот) — химический элемент с порядковым атомным номером № 7, атомной массой 14,007, неметалл находится во втором периоде главной подгруппы VA — группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Электронная конфигурация атома ― 1s²2s²2p³. В составе воздуха содержится в количестве 78 %. Относится к макротрофным элементам, входит в состав живых организмов. Входит в состав белков, являющихся важной частью живых организмов. Температура кипения азота составляет 195,8 °C, теплоемкость газообразного азота составляет 29, 125 кДж/моль·К. Имеет два природных стабильных изотопа ―¹⁴N (99,635 %) и ¹⁵N (0,365 %)..

История открытия

Впервые азот был описан английским учёным Д. Резерфордом в 1772 году. В своей работе Д. Резерфорд описал свойства газообразного азота, обратив внимание на то, что это вещество не поддерживает процессы горения и дыхания. Учёным было дано название азоту как «ядовитый воздух» («удушливый газ»). Также в 1772 году Д. Пристли получил «ядовитый воздух», назвав его «флогистированный воздух». В 1773 году шведский аптекарь из города Штральзунда К. Шееле установил состав воздуха, как газа, состоящего из двух газов, один из которых не поддерживает дыхание и горение. Этот газ получил название — «дурной или испорченный воздух».

В 1776 году французский учёный А. Л. Лавуазье, исследовав все открытые газообразные вещества — «ядовитый воздух», «флогистированный воздух» и «дурной или испорченный воздух», установил, что речь идёт об одном и том же газе. В 1787 году было предложено назвать эту часть воздуха — «азот», что в переводе с греческого языка означает «безжизненный». В настоящее время «безжизненный» азот — это элемент, входящий в состав белков, является элементом жизни.

В 1784 году Г. Кавендишем было установлено содержание азота в составе селитры. В 1790 году элемент под номером 7 получил латинское название — азот (от позднелат. nitrum — «селитра» и греч. γεννάω — «рождать») и введён как термин Ж. Шапталом в химическую науку. В начале XIX века было обосновано понятие о химической инертности азота, находящегося в свободном состоянии, и важная роль связанного азота.

Нахождение в природе

Азот — это четвёртый элемент по распространению в природе после водорода (Н₂), гелия (Не) и кислорода (О₂), является самым распространённым элементом Солнечной системы. Азот обнаружен в кометах, метеоритах, солнечном ветре, в фотосфере Солнца. Азот входит в состав атмосферы Венеры, Марса. В остальных космических объектах азот находится в восстановленном состоянии.

Азот в атмосфере Земли содержится в количестве — около 3,9•10¹⁵ т. Азот в атмосфере может находится в свободном и связанном состоянии. Но основная его часть находится в свободном состоянии. В воздухе находится азота — 78,09 % по объёму, 75,6 % по массе. В связанном состоянии азот присутствует в виде незначительного количества аммиака (NH₃) и оксидов. В земной коре азота содержится — 1•10^-2 % по массе, в том числе, в связанном состоянии азот встречается главным образом в виде селитры (нитратов) и аммониевых соединений.

В нижних слоях стратосферы изотоп ¹⁴N превращается в радионуклид углерода ¹⁴C под воздействием нейтронного космического излучения. Азот принимает участие в углеродно-азотном цикле в термоядерных реакциях в космических звёздах.

Также азот в природе может встречаться в виде следующих соединений:

• азот — элемент, входящий в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белков;
• индийская селитра, калиевая селитра KNO₃;
• чилийская селитра, натриевая селитра NaNO₃.

Биохимический цикл азота в природе

Круговорот азота в природе — замкнутый цикл обмена химическими элементами живых организмов с абиотической средой. Биохимический цикл циркуляции азота в природе состоит из следующих стадий.

Цикл азота в природе

1. Азот, содержащийся в атмосфере в форме молекулярного азота N₂, доступен лишь для клубеньковых бактерий, почвенных бактерий родов азотобактер и клостридиум, цианобактерий. Эти батерии способны преращать молекулярный азот в в ионы аммония (NH₄⁺). Затем это связанный азот входит в состав аминокислот и белков, образующих живые организмы. После их гибели аминокислоты и белки превращаются в аммиак (NH₃).
2. С помощью почвенных бактерий в почве происходит процесс окисления аммония в нитриты → нитраты.
3. 

   Биохимический цикл азота
   Нитраты и аммоний из почвы с помощью корневой системы попадают в растения, восстановливаются аммония. Аммоний входит в состав аминокислот и белков, которые выполняют функцию пищи для животных. Животные используют эти вещества, синтезируя соственные белки. Частично образовавшиеся белки окисляются, при этом, образовавшиеся аммиак, мочевина, мочевая кислота (в зависимости от группы животных), выводятся в окружающую среду. Часть аммония в почве денитрифицирующими бактериями окисляется до молекулярного N₂.

Во время этого цикла азота в природе возможны: потери азота и их компенсация в результате извержения вулканов и других видов геологической активности.

Строение

Электронное строение атома азота

Электронное строение

Азот

Азот — химический элемент второго периода главной подгруппы VA — группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с электронной конфигурацией атома ― 1s²2s²2p³. Так как у атома азота нет свободных (вакантных) d-орбиталей), то он может образовывать не более трёх химических связей (быть 3-х валентным атомом) благодаря своим неспаренным электронам. При это его валентность может быть равной трём. Выступая в роли «донора» пары электронов s-оболочки, атом азота способен образовывать по донорно-акцепторному механизму четвёртую химическую связь.

Ион N⁺способен образовывать четыре связи в состоянии положительно заряженного (ионизированного) состояния с четырьмя неспаренными электронами. То есть, азот, как все элементы второго периода, относится к предельно четырёхвалентным элементам. Ион азота N⁻² в состоянии отрицательного заряженного ионизированного состояния может быть двухвалентным. Согласно методу валентных связей и молекулярных орбиталей в молекуле азота N₂ имеет место тройная химическая связь — N≡N, одна из которой σ-сигма и две π-пи связи. В соответствие с этим, в пространстве взаимно перпендикулярно — по соответствующим осям координат располагаются три p-орбитали каждого атома азота. Орбитали разных атомов азота, оказавшиеся ориентированными по одной и той же оси, образуют σ-связь, а взаимно параллельные расположенные орбитали орбитали образуют π-связь.

В соединениях атомы азота могут находится:

• в состоянии sp³-гибридизации атомных орбиталей, если образуются только σ-связи;
• в состоянии sp²-гибридизации, если оразуются одна π-связь;
• в состоянии sp-гибридизации, если в имеется две π-связи.

Электроотрицательность атома азота достаточно высокая и составляет 3,04 по шкале Полинга. В связях с атомами кислорода O и фтора F, имеющих большую электроотрицательность, атом азота N положительно поляризован. Соединения азота с хлором, бромом и некоторыми другими элементами можно отнести к ковалентным неполярным. В соединениях с остальными элементами атом азота поляризован отрицательно. В своих соединениях азоту характерны степени окисления: от низшей −3 до высшей +5.

Физические свойства

При нормальных условиях по физическим свойствам азот — двухатомный газ без запаха, вкуса и цвета, обладающий слабой растворимостью в воде — 0,0291 кг на 1 м³ (при 0 °C), в таких углеводородах, как гексан и гептан, его растворимость выше чем в воде, химически инертный. Немного легче воздуха. Не поддерживает горения и дыхания. Температура плавления азота t_пл составляет минус 209,86 °C, температура кипения t_кип = −195,75 °C, в твёрдом агрегатном состоянии при температуре 252,15 °C плотность равна 1026 кг/м³, в жидком при температуре = −195,75 °C — 808 кг/м³ , в газообразном при 0 °C —1,2506 кг/м³. Критическая параметры состояния азота: температура = −146,95 °C, критическое давление = 3,9 МПа, критическая плотность = 304 кг/м³.

Азот с плотностью 1026,5 кг/м³ обладает устойчивой α-формой с кубической кристаллической решёткой, находясь в твёрдом состоянии при нормальном давлении и температуре ниже минус 238,15 °C. β-форма с гексагональной кристаллической решёткой характерна для азота с плотностью 879,2 кг/м³ при температуре выше минус 238,15 °C. Третью модификацию с тетрагональной кристаллической решёткой азот имеет при давлении выше 350 МПа.

Химические свойства азота

Азот, обладая прочной внутримолекулярной химической связью, имея небольшой размер и неполярность молекулы, характеризуется слабым межмолекулярным взаимодействием. Это объясняет низкие температуры кипения и плавления. Контактируя с воздухом, азот из него поглощает кислород.

Азот переходит в твердое состояние при температуре −209,86 °. По внешнему виду — это снегоподобная масса или белоснежные кристаллы больших размеров. Взаимодействует с воздухом, поглощая кислород, образует раствор кислорода в азоте, при этом плавится.

Молекулярный азот обладает очень низкой реакционной способностью, что обусловлено наличием в молекуле N₂ тройной связи, а также неполярностью молекулы. Так как молекула азота неполярна и слабо поляризуется, силы взаимодействия между молекулами очень слабые, поэтому в обычных условиях азот газообразен. Азот проявляет свойства окислителя при взаимодействии с элементами, расположенными ниже и левее в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, и может быть восстановителем в реакциях с элементами, расположенными выше и правее в системе элементв. Поэтому азот способен реагировать и с металлами и неметаллами.

• В обычных условиях не реагирует с кислотами, щелочами, галогенами, серой. При комнатной температуре азот реагирует лишь с некоторыми сильными восстановителями, например литием, являясь окислителем:

6Li + N₂ = 2Li₃N (в присутствии влаги).

Аналогичным образом азот взаимодействует с цезием.

• При воздействии электрического разряда при температуре выше 1000 °С (например, во время грозы) молекулярный азот взаимодействует с кислородом c поглощением теплоты и образованием оксида азота (II), проявляя свойства восстановителя:

N₂ + O₂ ↔ 2NO — Q

N₂ + 3F₂ ↔ 2NF₃

• При нагревании до 3000 °С — 5000 °С или действие электрического разряда атомарный азот реагирует с углеродом с образованием бинарных соединений:

2С + N₂ → N≡C-C≡N

• Реакция с водородом протекает при повышенной температуре (500 ºС) и давлении (350 атм.) в присутствии катализатора (Fe):

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃

• При нагревании азот реагирует с Mg, Ca, Al и другими металлами, проявляя свойства окислителя:

N₂ + 3Mg = Mg₃N₂ (на воздухе, 700—800 ºС);

N₂ + 2Al (порошок) = 2AlN (800—1200 ºС)

Способы получения азота

Промышленный способ

Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Получают азот методом низкотемпературного фракционного разделения жидкого воздуха. Криогенный процесс называется ректификацией, который основан на разных температурах кипения жидкого азота и кислорода, которые соответственно равны минус 196 °С и минус 183 °С. Так как температура кипения жидкого азота ниже температуры кипения жидкого кислорода, то дистиллятом (продукт), отбираемым с верхней части ректификационной колонны, является жидкий азот, а кубовым остатком — жидкий кислород. Этот метод используется для получения «атмосферного азота». Для получения азота также применяют методы мембранного и адсорбционного газоразделения.

Лабораторный способ

В лабораторных условиях чистый азот получают, нагревая до 70 °C концентрированный водный раствор нитрита аммония NH₄NO₂ или смеси растворов хлорида аммония NH₄Cl и нитрита натрия NaNO₂:

NH₄NO₂ → N₂↑ + H₂O, или суммарно: (NH₄)₂SO₄ + 2NaNO₂ → N₂↑ + Na₂SO₄ + H₂O.

Эта реакция протекает при следующих условиях:

• насыщенный раствор нитрита натрия по каплям добавляют в насыщенный раствор хлорида (или сульфата) аммония;
• затем полученную смесь нагревают, образующийся в результате обменной реакции нитрит аммония начинает мгновенно разлагаться;
• азот, выделяющийся в ходе реакции, собирают в сосуд с водой с помощью газотводной трубки. Выделяющийся азот, вытесняя воду, заполняет ёмкость. Так как азот не поддерживает горения, то внесённая в сосуд горящяя лучина гаснет, тем самым доказывая образование азота.

Пропуская аммиак NH₃ над оксидом меди(II) СиО при нагревании до 700 °С, также выделяется газообразный азот и образуется медь:

NH₃ + 3CuO → N₂↑ + 3H₂O + 3Cu↓

При разложении дихромата аммония при нагревании выделяется газообразный азот и образуется оксид хрома (III) Cr₂O₃. Эта реакция носит название «Химический вулкан»:

(NH₄)₂Cr₂O₇ = N₂↑ + Cr₂O₃ + 4H₂O

При горении аммиака выделяется чистый азот:

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂↑ + 6H₂O

При наревании азида натрия NaN₃ до 300 °С, азид разлагается с образованием чистого азота (условия реакции строго контролируюся):

2NaN₃ → 2Na + 3N₂

Применение

Широкое применение в промышленности газообразного азота объясняется его инертными свойствами: газообразный азот — взрыво- и пожаробезопасное вещество, препятствующее процессам окисления и гниения.

Газообразный азот применяется:

• является сырьём для получения аммиака, азотной кислоты, азотных удобрений, взрывчатых веществ, красителей;
• в химических и металлургических процессах, при перемещении горючих жидкостей он используется в качестве инертной среды;
• в больших количествах используется в коксохимическом производстве для «сухого тушения кокса» во время выгрузки кокса из коксовых батарей;
• в космической промышленности при помощи азота «передавливают» топливо в ракетах из баков в насосы или двигатели;
• в нефтедобывающей промышленности применяют с целью обеспечения безопасного бурения, капитального и текущего ремонта скважин;
• в нефтехимической промышленности — для продувки резервуаров и трубопроводов, для проверки работы трубопроводов под давлением;
• в горнодобывающей промышленности — для создания взрывобезопасной среды в шахтах, для распирания пластов породы;
• для тушения эндогенных пожаров как газообразным так и жидким азотом;
• в производстве электроники — для продувки с целью удаления кислорода;
• в пищевой промышленности — для упаковки и хранения в качестве газовой среды, пищевая добавка E941.

Жидкий азот применяют:

• в медицине;
• в вакуумных установках, криостатах как хладоагент для глубокого охлаждения;
• при разливе масел и негазированных напитков для создания избыточного давления и инертной среды в мягкой таре.

Уровень опасности и меры предосторожности

При не соблюдении правил техники безопасности, при использовании или хранении, азот может быть опасным для жизнедеятельности человека и окружающей среды. Азот — вредное вещество, оказывающее вредное воздействие на дыхательную систему человека, вызывает удушье, может привести к развитию хронических заболеваний. В определённых условиях азот может стать источником пожара и взрыва.

Азот относится ко 2 классу опасности (ГОСТ Р 50597-93) в соответствии с Государственным стандартом России ГОСТ 19433-88 «Единая система определения и классификации опасных веществ». 2 класс опасности указывает, что это вещества, способные вызывать замерзание тканей и при длительном воздействии на организм человека токсически воздействовать на органы дыхания.

Поэтому при работе с азотом должны выполняться следующие нормативы безопасности (согласно ГОСТ 19433-88).

1. Хранить и транспортировать азот необходимо вдали от источников открытого огня, высоких температур и в хорошо проветриваемом помещении.
2. При взаимодействии с азотом работники должны использовать защитное снаряжение, к которым относится специальная спецодежда, защитные очки и противогазы.
3. Максимально допустимая концентрация азота в воздухе рабочей зоны не должна быть более 20 %.
4. Не допускать случайного выброса азота в атмосферу. Если это произошло, то необходимо принять меры по предотвращению возможности образования взрывоопасных веществ.
5. Учитывать особенности конкретных условий для обеспечения безопасной работы с азотом.

Литература

1. Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для СПО. — М.: КноРус, 2019. — 360 c.
2. Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для вузов / под ред. А. И. Ермакова. — М.: Интеграл-Пресс, 2003. — 728 с.
3. Карапетьянц М. Х. Общая и неорганическая химия: учебник / под ред. М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин. — М.: Ленанд, 2018. — 600 c.
4. Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 58. — 623 с. — 100 000 экз.
5. Общая химия. Учебник / под ред. С. Ф. Дунаева. — М.: Academia, 2017. — 160 c.
6. Общая и неорганическая химия: учебное пособие / под ред. В. В. Денисова, В. М. Таланова. — Рн/Д: Феникс, 2018. — 144 c.

Ссылки

• Азот, химический элемент // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!