Азот и его свойства

 

Содержание.

1. Азот (общие сведения).

2. Соединения азота.

3. Физические свойства.

4. Химические свойства.

5. Получение.

6. Применение.

7. История открытия. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Азот (общие сведения). 

АЗОТ (лат. Nitrogenium — рождающий селитры), N  (читается «эн») — химический элемент второго периода VA группы периодической системы, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. В свободном виде — газ без цвета, запаха и вкуса, плохо растворим в воде. Состоит из двухатомных молекул N₂, обладающих высокой прочностью. Относится к неметаллам.

Природный азот состоит из стабильных нуклидов ¹⁴N (содержание в смеси 99,635% по массе) и ¹⁵N. Конфигурация внешнего электронного слоя 2 s ² 2р ³. Радиус нейтрального атома азота 0,074 нм, радиус ионов: N^3- — 0,132, N³⁺ — 0,030 и N⁵⁺ — 0,027 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома азота равны, соответственно, 14,53, 29,60, 47,45, 77,47 и 97,89 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность азота 3,05. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                2. Соединения азота

НИТРАТЫ —  соли азотной кислоты HNO₃, твердые хорошо растворимые в воде вещества. Традиционное русское название некоторых нитратов щелочных и щелочноземельных металлов и аммония — селитры (аммонийная селитра NH₄NO₃, калийная селитра КNO₃, кальциевая селитра Са(NO₃)₂ и др. 

НИТРИДЫ —  химические соединения азота с более  электроположительными элементами. Нитриды алюминия, бора, кремния, вольфрама, титана (AlN, BN, Si₃N₄, W₂N, TiN) и многие другие — тугоплавкие, химические стойкие кристаллические вещества. Компоненты жаропрочных сплавов используются в полупроводниковых приборах (напр., полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах), как абразивы. Действием азота или аммиака на металлы при 500-600 °С получают нитридные покрытия (высокотвердые, износо- и коррозионностойкие). 

АЗОТА ОКСИДЫ: гемиоксид N₂O и монооксид NO (бесцветные газы), сесквиоксид N₂O₃ (синяя жидкость), диоксид NO₂ (бурый газ, при обычных условиях смесь NO₂ и его димера N₂O₄), оксид N₂O₅ (бесцветные кристаллы). N₂O и NO — несолеобразующие оксиды, N₂O₃ с водой дает азотистую кислоту, N₂O₅ — азотную, NO₂ — их смесь. Все оксиды азота физиологически активны. N₂O — средство для наркоза («веселящий газ»), NO и NO₂ — промежуточные продукты в производстве азотной кислоты, NO₂ — окислитель в жидком ракетном топливе, смесевых ВВ, нитрующий агент. 

Аммиак 

NH₃           M=17,03

  Встречается при очистке воды, керосина и некоторых минеральных масел; на сахарных заводах; при дублении кожи; в воздухе помещений, где стоит скот; входит в состав клоачных газов (вместе с сероводородом); содержится в неочищенном ацетилене.

  Применяется для производства азотной кислоты, нитрата и сульфата аммония, жидких удобрений (аммиакатов), мочевины, соды, в органическом синтезе, при крашении тканей, светокопировании (на диазониевой бумаге), в качестве хладагента в холодильниках, при серебрении зеркал.

  Получается  прямым синтезом из газообразных водорода и азота при давлении обычно 280-350 ат и 450-500° (в присутствии катализаторов). В меньших количествах получается при коксовании каменного угля перегонкой с известью «аммиачной воды» (первая фракция при сухой перегонке угля).

Физические  и химические свойства. Бесцветный газ с удушливым резким запахом (порог восприятия 0,037 мг/л) и едким вкусом. Т. плавл. -77,75°; т. кип. -33,35°; плоти. 0,771 г/л (0°), 0,59 г/л (25°). Раств. в воде около 750г/л, или 526 г/л; коэфф. раств. в воде 762,6. Растворим в эфире и других органических растворителях. Пределы взрывоопасных концентраций в воздухе 15- 28%, в кислороде 13,5--79%, в закиси азота 2,2-72%. На воздухе NH₃ быстро переходит в (NH₄)₂CO₃ или поглощается влагой. При обычной температуре устойчив. Весьма реакционноспособен, вступает в реакции присоединения, замещения и окисления. Водный раствор, имеет щелочную реакцию вследствие образования гидрата окиси аммония NH*H. В продажу поступает в виде водных растворов, содержащих 28-29% (объемн.) NH₃, 10% раствора NH₃ (нашатырный спирт) или сжиженного NH₃ в стальных цилиндрах. 

Нитрит натрия

NaNO₂                 М = 69,00

  Применяется в производстве органических красителей; в пищевой промышленности; для пассивирования стальных изделий; в резиновой и текстильной промышленности, в гальванотехнике.

  Получается  абсорбцией раствором соды нитрозных газов производства азотной кислоты и очисткой, упариванием и кристаллизацией полученной емки нитрита и нитрата натрия.

   Физические  и химические свойства. Бесцветные или желтоватые кристаллы. Т. плавл. 271°; плоти. 2,17: выше 320° разл., не доходя до кипения; раств. в воде 81,8 г/ЮО г (20°). 163 г/ЮО г *О').

Токсическое действие. Вызывает расширение сосудов вследствие пареза сосуда - двигательного центра (при больших дозах - и вследствие непосредственного действия на кровеносные сосуды), а также образование в крови метгемоглобина. 

Нитрит калия 

KNO₂           M=85,ll

  Применяется в производстве азокрасителей н некоторых органических соединений.

  Получается  восстановлением расплавленного KNО₂ свинцом; пропусканием SO₂ через нагретую смесь KNO₃ и СаО.

  Физические  и химические свойства. Бесцветные или желтоватые кристаллы, расплывающиеся на воздухе. Т. плавл. 387°; плоти. 1,915; раств. в воде 280 г/100г (0°); 413 г/100 г (100°).

Токсическое действие, по-видимому, сходно с действием NaNO₂. 

Нитрат натрия

             (Натриевая селитра,  чилийская селитра) 

NaNO₃                 М = 84.99

  Применяется как удобрение; в пищевой, стекольной, металлообрабатывающей промышленности; для получения взрывчатых веществ, ракетного топлива и пиротехнических смесей.

  Получается  из природных залежей выщелачиванием горячей водой и кристаллизацией; абсорбцией раствором соды окислов азота; обменным разложением кальциевой или аммиачной селитры с сульфатом, хлоридом или карбонатом натрия.

Физические  и химические свойства. Бесцветные кристаллы. Т. плавл. 309,5°; плоти. 2,257; разл. при 380°на нитрит и кислород; раств. в воде 88 г/100 г (20°), 176 г/100 г (100°). 

Нитрат калия

(Калийная  селитра) 

KNO₃                  М=101,ll

  Применяется как удобрение, а также в производстве порохов, в пиротехнике, в пищевой и стекольной промышленности. Получается конверсией NaNO₃ и KCl при 80-122°С.

Физические  и химические свойства. Бесцветные кристаллы. Т. плавл. 334°; плоти. 2,11; разл. выше 338° на нитрит н кислород; раств. в воде 31,5 г/100 г (20°), 245 г/100 г (100°). 

Нитрат кальция

            (Кальциевая селитра,  норвежская селитра)

Ca(NO₃)₂                М=164.09

   Применяется как удобрение.

   Получается  на основе нитрозных газов производства азотной кислоты.

   Физические  и химические свойства. Т. плаил. 561°; разл. при 500°; плота. 2,36; растя, в воде 126 г/ЮО г (20°), 363 г/ЮО г (100°). Безводная соль и кристаллогидраты очень гигроскопичны.

Токсическое действие. Имеет значение лишь раздражающее и прижигающее действие технического продукта, выражающееся в покраснении кожи, зуде, изъязвлениях, иногда глубоких и занимающих обширную поверхность, медленно заживающих и оставляющих большие рубцы. Поражаются участки кожи, на которых имеются хотя бы незначительные ранки, царапины и другие нарушения ее целостности. 
 
 
 
 
 
 

3. Физические свойства

Плотность газообразного  азота при 0°C 1,25046 г/дм³, жидкого азота (при температуре кипения) — 0,808 кг/дм³. Газообразный азот при нормальном давлении при температуре –195,8°C переходит в бесцветную жидкость, а при температуре –210,0°C — в белое твердое вещество. В твердом состоянии существует в виде двух полиморфных модификаций: ниже –237,54°C устойчива форма с кубической решеткой, выше — с гексагональной.

Критическая температура азота –146,95°C, критическое давление 3,9МПа, тройная точка лежит при температуре –210,0°C и давлении 125,03 гПа, из чего следует, что азот при комнатной температуре ни при каком, даже очень высоком давлении, нельзя превратить в жидкость.

Теплота испарения  жидкого азота 199,3 кДж/кг (при температуре кипения), теплота плавления азота 25,5 кДж/кг (при температуре –210°C).

Энергия связи  атомов в молекуле N₂ очень велика и составляет 941,6 кДж/моль. Расстояние между центрами атомов в молекуле 0,110 нм. Это свидетельствует о том, что связь между атомами азота тройная. Высокая прочность молекулы N₂ может быть объяснена в рамках метода молекулярных орбиталей. Энергетическая схема заполнения молекулярных орбиталей в молекуле N₂ показывает, что электронами в ней заполнены только связывающие s- и p-орбитали. Молекула азота немагнитна (диамагнитна).

Из-за высокой  прочности молекулы N₂процессы разложения различных соединений азота (в том числе и печально знаменитого взрывчатого вещества гексогена) при нагревании, ударах и т. д. приводят к образованию молекул N₂. Так как объем образовавшегося газа значительно больше, чем объем исходного взрывчатого вещества, гремит взрыв. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Химические свойства

Химически азот довольно инертен и при комнатной  температуре реагирует только с  металлом литием с образованием твердого нитрида лития Li₃N (3Li+N= Li₃N^-3).

В соединениях  проявляет различные степени  окисления (от –3 до +5). С водородом  образует аммиак NH₃. (3H+N=NH₃) Косвенным путем (не из простых веществ) получают гидразин N₂H₄ и азотистоводородную кислоту HN₃. Соли этой кислоты — азиды. Азид свинца Pb(N₃)₂ разлагается при ударе, поэтому его используют как детонатор, например, в капсюлях патронов.

Известно несколько  оксидов азота. С галогенами азот непосредственно не реагирует, косвенными путями получены NF₃, NCl₃, NBr₃ и NI₃, а также несколько оксигалогенидов (соединений, в состав которых, кроме азота, входят атомы и галогена, и кислорода, например, NOF₃).

Галогениды  азота неустойчивы и легко  разлагаются при нагревании (некоторые  — при хранении) на простые вещества. Так, NI₃ выпадает в осадок при сливании водных растворов аммиака и иодной настойки. Уже при легком сотрясении сухой NI₃ взрывается:

2NI₃ = N₂ + 3I₂.

Азот не реагирует  с серой, углеродом, фосфором, кремнием и некоторыми другими неметаллами.

При нагревании азот реагирует с магнием и  щелочноземельными металлами, при  этом возникают солеобразные нитриды общей формулы М₃N_{2 (3M+N2}=M₃N₂), которые разлагаются водой с образованием соответствующих гидроксидов и аммиака, например: