Азот – это газ с химической формулой в виде «N2», являющийся одним из самых известных веществ. В статье вы найдете все основные физические, химические и биологические характеристике азота. Для вас мы подобрали полезные фото и видеоматериалы.
- История открытия
- Происхождение названия
- Азот в природе
- Распространенность
- Изотопы
- Круговорот азота в природе
- Биологическая роль
- Опасность для здоровья
- Получение
- Разложение нитрита аммония
- Нагревание дихромата калия с сульфатом аммония
- Разложение азидов
- Реакция воздуха с раскаленным коксом
- Перегонка воздуха
- Пропускание аммиака над оксидом меди II
- Свойства
- Физические свойства
- Фазовая диаграмма
- Химические свойства и строение молекулы
- Промышленное связывание атмосферного азота
- Применение
- Газообразный азот
- Жидкий азот
- Маркировка баллонов
История открытия
Впервые обнаружили его в начале 1770-х годов в Шотландии и Англии. Небезызвестный Резерфорд пытался понять, что такое воздух. Он пропускал его через уголь и щёлочи – в результате был получен газ, в среде которого не горело пламя.
Параллельно ему британец Кавендиш сжигал некоторые вещества – в остаточной среде дыхание было невозможно. Опыты привели к открытию нового вещества. Его начали называть воздухом удушливым» и «воздухом испорченным».
Привычное название химический элемент получил устами француза Лавуазье. В своих опытах он установил, что грызуны, помещаемые в колбы только с этим газом, неотвратимо погибают. Он и «ввёл в оборот» известное слово.
Происхождение названия
Открыватели вещества обнаруживали, что живые организмы умирают в среде азота. Соответственно, само собой напрашивалось следующее:
- «а» — приставка, обозначающая отсутствие чего-то;
- «зоо» — термин, отражающий наличие жизни;
- а + зоо -> «азот», относительно безжизненный.
Именно этим именем химический элемент называется сегодня в таблице имени великого русского учёного Д.И. Менделеева.
Азот в природе
Он является одним из наиболее распространённых химических элементов на планете. Большое его количество присутствует в атмосфере, в частях растений и живых организмов – в форме нитратов, окисей, нуклеиновых кислотах, аминокислотах, белках и прочих.
В качестве ископаемого слабо распространён, больше всего – как селитра и хлористый аммоний.
Для науки и техники особый интерес представляет высший гидроксид азота, точнее – азотная кислота. Её запах, специфический нашатырный, известен каждому.
Распространенность
Подсчитано, что только в атмосфере Земли имеется примерно 3,8 х 10 в 15-й степени тонн азота. Ещё до 1,5 х 10 в 15-й степени тонн содержится в поверхностных слоях нашей планеты, а в мантии – примерно 1,3 х 10 в 16-й степени тонн.
Последнее рассчитано с учётом фактических данных по количеству и составу лавы, извергающейся из вулканов: в ней содержится колоссальное количество азота.
Богат на него и космос: он обнаружен на нескольких планетах Солнечной системы и их спутниках, в газовых скоплениях. Это – многие миллиарды тонн.
Изотопы
Химия азота отличается разнообразием, известен целый ряд оксидов. Все они интересны широким спектром степени окисления N и образуют «свои» кислоты и соли:
- N2O (степень окисления молекулы азота равна +1, низшая из возможных), сладковатый на запах газ, применяемый для наркоза: образует гипоазотистую кислоту и гипонитрит (название производной соли);
- NO (+2), отличается ядовитостью при высокой концентрации: нитроксиловая кислота и нитроксилат;
- N2O3 (+3), существует в чистом виде только при отрицательной температуре: нитрит;
- NO2 или N2O4 (+4), бесцветный при нормальных условиях и коричневый – если вводить сопутствующий подогрев;
- N2O5 (+5), летучие кристаллы, отличающиеся гигроскопичностью.
Непосредственно изотопы (как электронная конфигурация атома азота) интересны для химиков и работников атомной промышленности – при генерировании новых соединений и при исследованиях. Отличие заключается в количестве нейтронов ядра атома и фактических степенях окисления азота.
Типовая природная форма – всего 2 изотопа. Они обозначаются записями 14N и 15N, отличаются стабильностью. Остальные (известно 15 единиц) различаются собственной энергией и продолжительностью существования.
А вы знаете какое давление в кислородном баллоне
Круговорот азота в природе
Интересно, что чистый N2 не знали долгое время – хотя и использовали значительное количество его соединений. Их добывали и синтезировали, производили и очищали десятками и сотнями лет, что даже кое-где вошло в культуру.
Так, аммиак, селитра и азотная кислота обладают повсеместной известностью. У отдельных веществ есть даже свои названия:
- KNO3 – селитра «индийская», калиевая, в большом объёме добывается в Индии;
- NaNO3 – селитра «чилийская», натриевая, много месторождений находится в Чили.
Более известная аммиачная селитра (NH4NO3) является продуктом химической промышленности. Это удобрение синтезируется специально. Степень окисления аммиака равна «-3».
Биологическая роль
Несмотря на название вещество крайне важно для жизни.
Растения генерируют его в ходе переработки азотсодержащих соединений и фотосинтеза. Завершают эту работу особые микроорганизмы, преобразующие вещество в свободный газ.
Процессы роста «зелени» зависят от содержания его соединений в почве. Полезная хозяйственная деятельность снижает количество элемента – что приводит к ухудшению питательной среды. Подкормка внесением удобрений – основной способ поддержания растениеводства.
Жизнь животных и человека во многом зависит от имеющихся в организме 15-16 процентов азота. Накапливается он при питании – поэтому важно потреблять полноценный рацион.
Опасность для здоровья
На живой организм азот чистый и в соединениях воздействует таким образом:
- накапливается в жировых тканях, растворяясь в них и отравляя весь организм;
- поражает нервную систему и головной мозг, снижая скорость реакций и нарушая мыслительные способности;
- нарушает работу дыхательной и сердечно-сосудистой систем.
Проявляется работа «веселящего» газа (одно из названий вещества) в следующем: начинается кашель, чувствуется эйфория, обнаруживаются боли в груди, тело ощущается будто расторможенным, однако вскоре начинается апатия, кожа может посинеть, температура тела повышается, может развиться удушье.
Может даже наступить гибель: при дыхании инертным веществом в концентрации 90% и выше. Причины – от тяжелой интоксикации до обычного кислородного голодания.
При недостатке этого неметалла возможно следующее:
- дистрофия различной степени;
- задержка умственного и физического развития;
- нарушение иммунитета.
Причинами выступают недополучение питательных компонентов (в первую очередь – белков), нарушение работы пищеварительной системы и сбои в обмене веществ.
Полезная статья — УЗК сварных швов
Получение
Атом и молекулу чистого азота оптимально вычленять в лабораторных условиях. Для этого применяют такие химические реакции:
- сведение нитрита натрия с хлоридом аммония даёт воду и азот;
- сжигание аммиака;
- термическое разложение некоторых соединений щелочных металлов;
- аммиачное восстановление окисленной меди, а также ряд других.
В условиях промышленных задействуются мембранный, криогенный и адсорбционный способы. Каждый из них нуждается в оборудовании и особых условиях выполнения.
При дальнейшей обработке производится высший гидроксид азота – азотная кислота (HNO3), которая способна реагировать с широким спектром веществ.
Разложение нитрита аммония
Экзотермическая реакция распада нитрита нуждается в охлаждении – тепловыделение составляет около 330 кДж. Интересен начальный период – для активации реакции необходим кратковременный подогрев продукта.
В сосуд с нитритом аммония в малых количествах добавляется сульфат аммония. В результате выделяются азот и вода, загрязнённые небольшими количествами кислорода и аммиака.
Избавиться от них возможно с помощью последовательного проведения продуктов реакции через серную кислоту, сульфат железа и медь.
Нагревание дихромата калия с сульфатом аммония
Если смешать сульфат аммония и дихромат калия, а потом начать их нагревать, в результатах реагирования компонентов продуктов будет присутствовать и газообразный азот.
Разложение азидов
Нагревание азидов щелочных металлов позволяет получить наиболее химически чистый азот. Процесс заключается в обычном разложении на более простые компоненты без остатка.
Реакция воздуха с раскаленным коксом
Если подогреть кокс до определённой температуры и начать пропускать через него обычный воздух (без предварительной подготовки), на выходе образуется «генераторная» газовая смесь. Выделение N2 из неё возможно при удалении СО.
Перегонка воздуха
В промышленных условиях наиболее часто задействуется перегонка с мембранной или адсорбционной обработкой.
Для этого получают сжиженный воздух (собирая его в ёмкость под давлением), после чего фракционируют. Выполняется это силами специальной азотной станции.
Пропускание аммиака над оксидом меди II
Двухвалентный оксид меди, нагретый до 690-710 °С), позволяет сгенерировать азот из аммиака. Валентность азота не равна требуемой константе – параметр в данном случае не имеет значения.
Газовое сырье очищают от излишков кислорода, после чего осушивают с помощью сухих щелочей и серной кислоты. После подготовленный газ пропускают над поверхностью меди.
Свойства
Вещество является представителем 5 (V) группы химических элементов таблицы Менделеева. Среди подобных ему газ занимает лидирующую позицию в подгруппе с названием «пниктогены» («удушающие», греч.).
Все свойства являются следствием электронной конфигурации атома азота.
Физические свойства
N2 представляет собой газ без цвета и запаха. Является основой воздуха — до 79% массовых частей принадлежит ему.
Основные физические параметры:
- плотность при температуре в 20°С и атмосферном давлении: 1,25 кг/м3;
- температура кипения: -195..-197°С;
- температура плавления: около -209°С;
- растворимость в воде и других органических растворителях: очень низкая;
- степень окисления N – различная, что даёт целый ряд оксидов и производных соединений.
Оптический спектр свечения газа интересен отсутствием заметности в зелёной и жёлтой областях.
Что до взаимодействия с другими веществами – всё зависит от изотопа и условий окружающей среды.
Полезная статья — Поксипол холодная сварка
Фазовая диаграмма
Фазовая диаграмма как способ взаимосвязи давления вещества и его температуры позволяет оценить или спрогнозировать поведение азота и даже его состояние.
Как аналитический инструмент диаграмма важна для химиков, инженеров, различных лабораторных и производственных специалистов.
Химические свойства и строение молекулы
Газ в свободном состоянии существует в форме двухатомной молекулы. Атомы удерживаются тройными связями – из-за наличия трёх «свободных» электронов. Атомная масса: 14,0063 единиц.
Молекула отличается прочностью, что влияет на инертность. Интересно, что с разными веществами он проявляет свойства либо восстановительные, либо окислительные. Минимальная валентность азота составляет 1, максимальная равна 4, также возможны варианты величиной в 2 и 3 единицы.
Как окислитель N2 реагирует с литием при обычных условиях и с прочими металлами при наличии подогрева. Результатом являются нитриды – ионные соединения, из которых возможно получать аммиак. При высоком давлении и температуре возможно взаимодействие с водородом.
В качестве восстановителя N2 реагирует с кислородом и фтором. Для осуществления реакции потребуется пропускание через вещества электрического разряда.
Промышленное связывание атмосферного азота
Условия промышленного производства отличаются от «чистых» лабораторных простотой практической реализации и не слишком высокой сложностью оснащения (высокотехнологичные предприятия в расчёт не берутся, речь – о среднестатистическом оснащении и культуре производства).
По этой причине азот из атмосферы связывается и применяется более упрощёнными методами. Основные варианты:
- адсорбция и фракционирование: получение сжиженного воздуха и его перегонка с разбивкой на отдельные фракции в специальных установках, основой которых является твёрдый адсорбент;
- вычленение необходимой газовой составляющей при пропускании через ряд мембран: методика основывается на разностях скоростей прохождения разных газов из-за их свойств (в первую очередь – фактическая разница парциальных давлений с обоих сторон каждой мембраны);
- атмосферный воздух сильно охлаждается в криогенной установке, в ходе чего отдельные компоненты сжижаются из-за различных значений температуры фазового перехода.
Кажущаяся простота технологии нуждается в работе квалифицированных специалистов.
Применение
Основное назначение азота – промышленное применение:
- создание гидроксида азота (азотной кислоты), аммиака;
- задействование в качестве защитной среды для химических реакций и технологических процессов (так, термообработка черных металлов в ряде случаев проводится под защитой азота, а металлы цветные качественно свариваются под его слоем);
- выполнение функции рабочей среды в технике (к примеру, для систем охлаждения, в различных вакуумных линиях).
Исследовательское и лабораторное применение в расчёт не берётся – хотя азот для «химии» актуален всегда.
Газообразный азот
N2 в газообразном состоянии требуется целому спектру процессов и механизмов:
- процессы высокотемпературные: обработка металлов и сплавов (от придания необходимых свойств до резки и сварки);
- создание, транспортировка и хранение химических продуктов, которые быстро окисляются;
- консервация технологического оборудования на различных этапах его транспортировки, краткосрочного и постоянного хранения.
Особый интерес к техническому газу – у сварки. Ввиду инертности к меди при нормальной и высокой температуре азот качественно ограждает свариваемые поверхности от атмосферного кислорода.
Читать также – Разряды сварщика
Жидкий азот
N2 в жидкой форме в основном применяется в таких сферах:
- медицина и косметология: для удаления различных образований и нейтрализации болезнетворной среды;
- научная и техническая деятельность: задействование в качестве рабочей среды и средства для консервации материалов;
- промышленность: обработка материалов.
Широко применяется жидкий азот в химической промышленности и для лабораторных задач.
А вы знаете — Какие конструктивные элементы характеризуют форму разделки кромок
Маркировка баллонов
Техническое применение азота напрямую связано с его тарой. Поставляется газ в стандартных баллонах. Для предотвращения ошибок баллоны каждого вида газовой смеси маркируется уникальной цветовой схемой.
Баллон с азотом окрашивается в чёрный колор, надпись «Азот» на нём выполняется жёлтым цветом.
Если у Вас остались вопросы, задайте их в комментариях. Мы поможем Вам.