Що таке азот - сполуки азоту - елементарний, рідкий, атомарний азот

Азот (лат. Nitrogeni- um) - хімічний елемент V групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 7, атомна маса 14,0067.

Безбарвний газ, без смаку і запаху. Один з найпоширеніших елементів, головна складова частина атмосфери Землі (4-Ю15 т).

Назва «азот» для нового газу здавалося досить точним. Але чи так це? Азот дійсно на відміну від кисню не підтримує дихання і горіння. Однак дихати чистим киснем постійно людина не може. Навіть хворим дають чистий кисень лише нетривалий час. Очевидно, він не просто нейтральний розчинник кисню. Саме суміш азоту з киснем найбільш прийнятна для дихання більшості мешканців нашої планети.

А хіба справедливо називати неживим цей елемент? Чим годують рослини, вносячи мінеральні добрива? Перш за все сполуками азоту, калію і фосфору. Азот входить до складу безлічі органічних сполук, в тому числі таких життєво важливих, як білки і амінокислоти.

Для людства надзвичайно корисна відносна інертність цього газу. Будь він більш схильний до хімічних реакцій, атмосфера Землі не могла б існувати в тому вигляді, в якому вона існує. Сильний окислювач кисень вступив би з азотом в реакцію, і утворилися б отруйні оксиди азоту. Але якби азот був дійсно інертним газом, таким, наприклад, як гелій, то тоді ні хімічні виробництва, ні всемогутні мікроорганізми не змогли б пов'язати азот атмосфери і задовольнити потребу всього живого в пов'язаному азоті. Не було б аміаку, азотної кислоти, необхідної для виробництва безлічі речовин, не було б найважливіших добрив. Не було б і життя на Землі, адже азот входить до складу всіх організмів. На частку азоту припадає близько 3% від маси людського організму.

Елементарний, не пов'язаний азот застосовується досить широко. Це найдешевший з газів, хімічно інертних в звичайних умовах, тому в тих процесах металургії та великої хімії, де треба захищати активне з'єднання або розплавлений метал від взаємодії з киснем повітря, створюють чисто азотні захисні атмосфери. Під захистом азоту зберігають в лабораторіях легко окислюються речовини. У металургії азотом насичують поверхні деяких металів і сплавів, щоб надати їм більшу твердість і зносостійкість. Широко відомо, наприклад, азотування стали і титанових сплавів.

Рідкий азот (температури плавлення і кипіння азоту: -210 ° С і 196 ° С) використовують в холодильних установках.

Мала хімічна активність азоту пояснюється перш за все будовою його молекули. Як і у більшості газів (крім інертних), молекула азоту складається з двох атомів. В освіті зв'язку між ними беруть участь по 3 валентних електрона зовнішньої оболонки кожного атома. Щоб зруйнувати молекулу азоту, необхідно затратити дуже велику енергію - 954,6 кДж / моль. Без руйнування молекули азот в хімічний зв'язок не вступить. При звичайних умовах з ним здатний вступити в реакцію тільки літій, даючи нітрид Li3N.

Синтез аміаку йде в гігантських колонах синтезу, куди за допомогою компресора подається суміш водню і азоту. Реакція протікає під тиском в 300 ат і температурі близько 500 ° С в присутності каталізатора. Утворився аміак NHt в холодильнику перетворюється в рідину (конденсується). Рідкий аміак видаляється з системи, а не прореагували гази надходять в циркуляційний насос, який знову подає їх в колону синтезу.

Набагато активніше атомарний азот. При звичайній температурі він вступає в реакції з сіркою, фосфором, миш'яком і деякими металами, наприклад із ртуттю. Але отримати азот у вигляді окремих атомів складно. Навіть при 3000 ° С не спостерігається помітного розкладання молекул азоту на атоми.

Сполуки азоту мають величезне значення і для науки, і для багатьох галузей промисловості. Заради отримання пов'язаного азоту людство йде на величезні енергетичні витрати. Основним способом зв'язування азоту в промислових умовах залишається синтез аміаку NH3 (див. Синтез хімічний). Аміак - один з наймасовіших продуктів хімічної промисловості, світове виробництво його - понад 70 млн. Т в рік. Процес йде при температурі 400-600 ° С і тиску в мільйони Паскаля (сотні ат) в присутності каталізаторів, наприклад губчастого заліза з добавками оксиду калію, оксиду алюмінію. Сам аміак використовується обмежено і зазвичай у вигляді водних розчинів (аміачна вода - як рідке добриво, нашатирний спирт - В | медицині). Але аміак на відміну від атмосферного азоту досить легко вступає в реакції приєднання і заміщення. Та й окислюється він легше, ніж азот. Тому аміак і став вихідним продуктом для отримання більшості азотовмісних речовин.

Пряме окислення азоту киснем вимагає дуже високих температур (4000 ° С) або інших дуже активних методів впливу на міцні молекули азоту - електричного розряду, іонізуючого випромінювання. Відомі п'ять оксидів азоту: N20-оксид азоту (I), NO-оксид азоту (II), N203 - оксид азоту (III), N02 - оксид азоту (IV), N205 - оксид азоту (V).

У промисловості широко застосовується азотна кислота HNO3, яка одночасно є і сильною кислотою, і активним окислювачем. Вона здатна розчиняти всі метали, крім золота і платини. Хімікам азотна кислота відома, принаймні, з XIII в. нею користувалися стародавні алхіміки. Азотна кислота надзвичайно широко використовується для отримання нітросполук. Це головний нітрит агент, за допомогою якого до складу органічних сполук вводять нітрогрупи N02. А коли три таких групи з'являться, наприклад, в молекулі толуолу С6Н5СН3, то звичайний органічний розчинник перетворюється у вибухову речовину - тринітротолуол, він же тротил, або тол. Гліцерин після нітрування перетворюється в небезпечну вибухову речовину - нітрогліцерин.

Не менш важлива азотна кислота у виробництві мінеральних добрив. Солі азотної кислоти - нітрати, перш за все нітрати натрію, калію і амонію, використовуються головним чином як азотні добрива. Але, як встановив академік Д. М. Прянишников, рослина, якщо йому надана можливість вибору, вважає за краще аміачний азот нитратному.

Солі інший кислоти азоту - слабкою азотної HN02 - називаються нітритами і також досить широко використовуються в хімічній та інших галузях промисловості.

Отримувати сполуки азоту з мінімальними енергетичними затратами при невеликих температурах і тисках вчені прагнуть вже давно. Ідею про те, що деякі мікроорганізми можуть пов'язувати азот повітря, першим висловив український фізик П. Коссовіч в кінці XIX в. а виділив із ґрунту першу азотфіксуючу бактерію інший наш співвітчизник - біохімік С. Н. Віноград- ський в 1890-і рр. Але лише останнім часом став більш-менш зрозумілий механізм зв'язування азоту бактеріями. Бактерії засвоюють азот, перетворюючи його в аміак, який потім дуже швидко перетворюється в амінокислоти і білки. Процес йде за участю ферментів.

У лабораторіях декількох країн (в СРСР на початку 60-х рр.) Отримані комплексні сполуки, здатні зв'язувати атмосферний азот. Головна роль при цьому відводиться комплексам, що містить молібден, залізо і магній. В основному вже вивчений і розроблений механізм етрго процесу.