Давам селитра - така се превежда думата Nitrogenium от латински. Това е името на азота - химичен елемент с атомен номер 7, оглавяващ 15-та група в дългата версия на периодичната таблица. Под формата на просто вещество, той се разпространява във въздушната обвивка на Земята - атмосферата. Разнообразие от азотни съединения се намират в земната кора и живите организми и се използват широко в индустриите, военните дела, селското стопанство и медицината.
Защо азотът беше наречен "задушаващ" и "безжизнен"
Както предполагат историците на химията, Хенри Кавендиш (1777) е първият, получил това просто вещество. Ученият прекарва въздух над горещи въглища, използвайки алкали, за да абсорбира продуктите на реакцията. В резултат на експеримента изследователят открива безцветен газ без мирис, който не реагира с въглищата. Кавендиш го нарече „задушаващ въздух“, тъй като не може да поддържа дишането, както и изгарянето.
Съвременен химик би обяснил, че кислородът реагира с въглерода, за да образува въглероден диоксид. Останалата "задушаваща" част от въздуха се състоеше предимно от N2 молекули. Кавендиш и други учени по това време все още не са знаели за това вещество, въпреки че тогава съединенията на азота и селитрата са били широко използвани в икономиката. Ученият съобщава за необичайния газ на своя колега, който провежда подобни експерименти, Джоузеф Пристли.
В същото време Карл Шееле привлече вниманието към неизвестна съставка на въздуха, но не успя да обясни правилно произхода му. Единствено Даниел Ръдърфорд през 1772 г. осъзнава, че „задушаващият“„развален“газ, присъстващ в експериментите, е азот. Кой учен трябва да се счита за неговия откривател - историците на науката все още спорят за това.
15 години след експериментите на Ръдърфорд, известният химик Антоан Лавоазие предложи да се промени терминът "развален" въздух, отнасящ се до азот, с друг - азот. По това време беше доказано, че това вещество не гори, не поддържа дишането. В същото време се появява и руското име "азот", което се тълкува по различни начини. Терминът най-често се казва, че означава „безжизнен“. Следващата работа опроверга широко разпространеното мнение за свойствата на материята. Азотните съединения - протеини - са най-важните макромолекули в състава на живите организми. За да ги изградят, растенията усвояват необходимите елементи на минерално хранене от почвата - йони NO32- и NH4+.
Азотът е химичен елемент
Периодичната система (PS) помага да се разбере структурата на атома и неговите свойства. По позицията на химичен елемент в периодичната таблица може да се определиядрен заряд, брой протони и неутрони (масово число). Необходимо е да се обърне внимание на стойността на атомната маса - това е една от основните характеристики на елемента. Номерът на периода съответства на броя на енергийните нива. В кратката версия на периодичната таблица номерът на групата съответства на броя на електроните във външното енергийно ниво. Нека обобщим всички данни в общите характеристики на азота по позицията му в периодичната система:
- Това е неметален елемент, разположен в горния десен ъгъл на PS.
- Химически знак: N.
- Номер на поръчка: 7.
- Относителна атомна маса: 14,0067.
- Формула на летливо водородно съединение: NH3 (амоняк).
- Произвежда най-високия оксид N2O5, в който валентността на азота е V.
Структурата на азотния атом:
- Основно зареждане: +7.
- Брой протони:7; брой неутрони: 7.
- Брой енергийни нива: 2.
- Общ брой електрони: 7; електронна формула: 1s22s22p3.
Стабилните изотопи на елемент №7 са подробно проучени, масовите им числа са 14 и 15. Съдържанието на атоми на по-лекия от тях е 99,64%. В ядрата на краткоживеещите радиоактивни изотопи има също 7 протона, а броят на неутроните варира значително: 4, 5, 6, 9, 10.
Азот в природата
Въздушната обвивка на Земята съдържа молекули от просто вещество, чиято формула е N2. Съдържанието на газообразен азот в атмосферата е обемнооколо 78,1%. Неорганичните съединения на този химичен елемент в земната кора са различни амониеви соли и нитрати (нитрати). Формули на съединения и имена на някои от най-важните вещества:
- NH3, амоняк.
- NO2, азотен диоксид.
- NaNO3, натриев нитрат.
- (NH4)2SO4, амониев сулфат.
Валентност на азота в последните две съединения - IV. Въглищата, почвата, живите организми също съдържат свързани N атоми. Азотът е неразделна част от макромолекулите на аминокиселините, нуклеотидите на ДНК и РНК, хормоните и хемоглобина. Общото съдържание на химичен елемент в човешкото тяло достига 2,5%.
Проста субстанция
Азотът под формата на двуатомни молекули е най-голямата част от атмосферния въздух по обем и маса. Вещество, чиято формула е N2 няма мирис, цвят или вкус. Този газ съставлява повече от 2/3 от въздушната обвивка на Земята. В течна форма азотът е безцветно вещество, наподобяващо вода. Кипи при -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Простото вещество азот е малко по-леко от кислорода, неговата плътност във въздуха е близка до 1.
Атомите в една молекула здраво свързват 3 общи електронни двойки. Съединението проявява висока химическа стабилност, което го отличава от кислорода и редица други газообразни вещества. За да може една азотна молекула да се разпадне на съставните си атоми, е необходимо да се изразходва енергия от 942,9 kJ / mol. Връзката от три двойки електрони е много силна.разпада се при нагряване над 2000 °C.
При нормални условия дисоциацията на молекулите на атоми практически не се случва. Химическата инертност на азота се дължи и на пълната липса на полярност в неговите молекули. Те взаимодействат много слабо помежду си, което е причината за газообразното състояние на материята при нормално налягане и температура, близка до стайна. Ниската реактивност на молекулния азот намира приложение в различни процеси и устройства, където е необходимо да се създаде инертна среда.
Дисоциация на молекули N2 може да настъпи под въздействието на слънчевата радиация в горните слоеве на атмосферата. Образува се атомен азот, който при нормални условия реагира с някои метали и неметали (фосфор, сяра, арсен). В резултат на това се получава синтез на вещества, които се получават индиректно при земни условия.
Валентност на азота
Външният електронен слой на атома се формира от 2 s и 3 p електрона. Тези отрицателни частици азот могат да се откажат при взаимодействие с други елементи, което съответства на неговите редукционни свойства. Прикрепвайки липсващите 3 електрона към октета, атомът проявява окислителни способности. Електроотрицателността на азота е по-ниска, неговите неметални свойства са по-слабо изразени от тези на флуора, кислорода и хлора. Когато взаимодейства с тези химични елементи, азотът отдава електрони (окислява се). Редукцията до отрицателни йони е придружена от реакции с други неметали и метали.
Типичната валентност на азота е III. В такъв случайхимичните връзки се образуват поради привличането на външни p-електрони и създаването на общи (свързващи) двойки. Азотът е способен да образува донорно-акцепторна връзка поради своята самотна двойка електрони, както се случва в амониевия йон NH4+.
Лабораторно и промишлено производство
Един от лабораторните методи се основава на окислителните свойства на медния оксид. Използва се азотно-водородно съединение - амоняк NH3. Този газ с неприятна миризма реагира с прахообразен черен меден оксид. В резултат на реакцията се отделя азот и се появява метална мед (червен прах). Капки вода, друг продукт от реакцията, се утаяват по стените на тръбата.
Друг лабораторен метод, който използва комбинация от азот с метали, е азидът, като NaN3. Оказва се газ, който не трябва да се пречиства от примеси.
Амониевият нитрит се разлага на азот и вода в лабораторията. За да започне реакцията, е необходимо нагряване, след което процесът протича с отделяне на топлина (екзотермично). Азотът е замърсен с примеси, така че се пречиства и суши.
Производство на азот в индустрията:
- фракционна дестилация на течен въздух - метод, който използва физичните свойства на азота и кислорода (различни точки на кипене);
- химическа реакция на въздуха с нажежени въглища;
- отделяне на адсорбционния газ.
Взаимодействие с метали и водород - окисляващи свойства
Инертност на силните молекулине позволява получаването на някои азотни съединения чрез директен синтез. За активиране на атомите е необходимо силно нагряване или облъчване на веществото. Азотът може да реагира с литий при стайна температура, с магнезий, калций и натрий реакцията протича само при нагряване. Образуват се съответните метални нитриди.
Взаимодействието на азота с водорода се случва при високи температури и налягания. Този процес също изисква катализатор. Оказва се, амоняк - един от най-важните продукти на химичния синтез. Азотът, като окислител, проявява три отрицателни степени на окисление в своите съединения:
- −3 (амоняк и други водородни съединения на азота са нитриди);
- −2 (хидразин N2H4);
- −1 (хидроксиламин NH2OH).
Най-важният нитрид - амонякът - се произвежда в големи количества в промишлеността. Химическата инертност на азота остава голям проблем за дълго време. Селитра беше неговият източник на суровини, но запасите от минерали започнаха бързо да намаляват с увеличаването на производството.
Голямо постижение на химическата наука и практика беше създаването на амонячен метод за азотна фиксация в промишлен мащаб. Директният синтез се извършва в специални колони - обратим процес между азот, получен от въздуха, и водород. При създаване на оптимални условия, които изместват равновесието на тази реакция към продукта, с помощта на катализатор, добивът на амоняк достига 97%.
Взаимодействие с кислород - редуциращи свойства
За да започне реакцията на азот и кислород, е необходимо силно нагряване. Електрическата дъга и разрядът на мълния в атмосферата имат достатъчно енергия. Най-важните неорганични съединения, в които азотът е в положителните си окислителни състояния:
- +1 (азотен оксид (I) N2O);
- +2 (азотен монооксид NO);
- +3 (азотен оксид (III) N2O3; азотна киселина HNO2, неговите соли са нитрити);
- +4 (азот (IV) диоксид NO2);
- +5 (азотен пентоксид (V) N2O5, азотна киселина HNO3, нитрати).
Значение в природата
Растенията абсорбират амониеви йони и нитратни аниони от почвата, използват за химични реакции синтеза на органични молекули, непрекъснато протичащи в клетките. Атмосферният азот може да се абсорбира от нодулни бактерии - микроскопични същества, които образуват израстъци върху корените на бобовите растения. В резултат на това тази група растения получава необходимия хранителен елемент, обогатява почвата с него.
По време на тропически валежи се появяват реакции на окисление на атмосферния азот. Оксидите се разтварят, за да образуват киселини, тези азотни съединения във водата влизат в почвата. Поради циркулацията на елемента в природата, неговите запаси в земната кора и въздуха непрекъснато се попълват. Сложните органични молекули, съдържащи азот, се разграждат от бактериите до неорганични компоненти.
Практическа употреба
Най-важните връзкиазотът за селското стопанство са силно разтворими соли. Урея, селитра (натрий, калий, калций), амониеви съединения (воден разтвор на амоняк, хлорид, сулфат, амониев нитрат) се усвояват от растенията.нитрати. Части от растителния организъм са в състояние да съхраняват макроелементи "за бъдещето", което влошава качеството на продуктите. Излишъкът от нитрати в зеленчуците и плодовете може да причини отравяне при хората, растеж на злокачествени новообразувания. В допълнение към селското стопанство, азотните съединения се използват в други индустрии:
- за получаване на лекарства;
- за химичен синтез на макромолекулни съединения;
- в производството на експлозиви от тринитротолуен (TNT);
- за производството на багрила.
NO оксид се използва в хирургията, веществото има аналгетичен ефект. Загубата на усещания при вдишване на този газ е забелязана още от първите изследователи на химичните свойства на азота. Ето как се появи тривиалното име "газ за смях".
Проблем с нитратите в селскостопанските продукти
Соли на азотната киселина - нитрати - съдържат еднозареден анион NO3-. Досега се използва старото название на тази група вещества - селитра. Нитратите се използват за торене на ниви, в оранжерии, овощни градини. Прилагат се рано напролет преди сеитба, през лятото - под формата на течни превръзки. Самите вещества не представляват голяма опасност за хората, нов тялото те се превръщат в нитрити, след това в нитрозамини. Нитритните йони NO2- са токсични частици, те причиняват окисляване на двувалентното желязо в молекулите на хемоглобина в тривалентни йони. В това състояние основното вещество на кръвта на хората и животните не е в състояние да пренася кислород и да отстранява въглеродния диоксид от тъканите.
Каква е опасността от замърсяване на храните с нитрати за човешкото здраве:
- злокачествени тумори, които се появяват, когато нитратите се превръщат в нитрозамини (канцерогени);
- развитие на улцерозен колит,
- хипотония или хипертония;
- сърдечна недостатъчност;
- нарушение на съсирването на кръвта
- черен дроб, панкреас, развитие на диабет;
- развитие на бъбречна недостатъчност;
- анемия, нарушена памет, внимание, интелигентност.
Едновременната консумация на различни храни с високи дози нитрати води до остро отравяне. Източници могат да бъдат растения, питейна вода, приготвени месни ястия. Накисването в чиста вода и готвенето могат да намалят съдържанието на нитрати в храните. Изследователите откриха, че по-високи дози опасни съединения са открити в незрели и парникови растителни продукти.
Фосфорът е елемент от подгрупата на азота
Атоми на химични елементи, които са в една и съща вертикална колона на периодичната система, проявяват общи свойства. Фосфорът се намира в третия период, принадлежи към 15-та група, подобно на азота. Структурата на атомитеелементите са сходни, но има разлики в свойствата. Азотът и фосфорът показват отрицателна степен на окисление и валентност III в техните съединения с метали и водород.
Много реакции на фосфора протичат при обикновени температури, той е химически активен елемент. Той взаимодейства с кислорода, за да образува по-висок оксид P2O5. Водният разтвор на това вещество има свойствата на киселина (метафосфорна). При нагряване се получава ортофосфорна киселина. Той образува няколко вида соли, много от които служат като минерални торове, като суперфосфати. Съединенията на азота и фосфора са важна част от кръговрата на веществата и енергията на нашата планета, те се използват в промишлени, селскостопански и други области на дейност.
