Сполуки азоту. Властивості азоту

Породжує селітру - так перекладається з латинської мови слово Nitrogenium. Ця назва азоту - хімічного елемента з атомним номером 7, який очолює 15-у групу в довгому варіанті періодичної таблиці. У формі простої речовини поширений в складі повітряної оболонки Землі - атмосфери. Різноманітні сполуки азоту зустрічаються в земній корі і живих організмах, знаходять широке застосування в галузях промисловості, військовій справі, сільському господарстві та медицині.

Чому азот називали «задушливим» і «неживим»

Як припускають історики хімії, першим отримав це проста речовина Генрі Кавендіш (1777). Вчений пропускав повітря над розжареним вугіллям, для поглинання продуктів реакції використовував луг. В результаті досвіду дослідник виявив безбарвний газ без запаху, не вступив в реакцію з вугіллям. Кавендіш назвав його «задушливим повітрям» за нездатність підтримувати дихання, а також горіння.

Сучасний хімік пояснив би, що кисень прореагував з вугіллям, утворився вуглекислий газ. Залишилася, «задушлива» частина повітря складалася здебільшого з молекул N₂. Кавендіш та інші вчені в той час про цю речовину ще не знали, хоча сполуки азоту і селітри тоді широко використовувалися в господарстві. Учений повідомив про незвичайний газі своєму колезі, який проводив аналогічні досліди, - Джозефу Прістлі.

Одночасно Карл Шеєле звернув увагу на невідому складову частину повітря, але не зумів правильно пояснити її походження. Тільки Даніель Рутерфорд в 1772 році зрозумів, що присутній в експериментах «задушливий» «зіпсований» газ - азот. Якого вченого вважати його першовідкривачем - про це досі ведуть суперечку історики науки.

Через 15 років після дослідів Рутерфорда знаменитий хімік Антуан Лавуазьє запропонував змінити термін «зіпсований» повітря, що відносився до азоту, на іншій - Nitrogenium. На той час було доведено, що ця речовина не горить, не підтримує дихання. Тоді ж з`явилося російська назва «азот», яке трактується по-різному. Найчастіше говорять, що термін означає «неживий». Наступні роботи спростували поширену думку про властивості речовини. Сполуки азоту - білки - найважливіші макромолекули в складі живих організмів. Для їх побудови рослини поглинають з ґрунту необхідні елементи мінерального живлення - іони NO₃^2- і NH⁴⁺.

Азот - хімічний елемент

Розібратися в будову атома і властивості допомагає періодична система (ПС). За положенням хімічного елемента в таблиці Менделєєва можна визначити заряд ядра, кількість протонів і нейтронів (масове число). Необхідно звернути увагу на значення атомної маси - це одна з головних характеристик елементу. Номер періоду відповідає кількості енергетичних рівнів. У короткому варіанті періодичної таблиці номер групи відповідає числу електронів на зовнішньому енергатіческом рівні. Узагальнимо всі дані в загальній характеристиці азоту по його положенню в періодичній системі:

• Це неметалеві елементи, знаходиться в правому верхньому куті ПС.
• Хімічний знак: N.
• Порядковий номер: 7.
• Відносна атомна маса: 14,0067.
• Формула летючого водневого з`єднання: NH₃ (Аміак).
• Утворює вищий оксид N₂O₅, в якому валентність азоту дорівнює V.

Будова атома азоту:

• Заряд ядра: +7.
• Число протонів: 7- число нейтронів: 7.
• Кількість енергетичних рівнів: 2.
• Загальне число електронів: 7- електронна формула: 1s²2s²2p³.

Докладно вивчені стабільні ізотопи елемента № 7, їх масові числа - 14 і 15. Зміст атомів більш легкого з них складає 99,64%. В ядрах короткоживучих радіоактивних ізотопів знаходиться також 7 протонів, а число нейтронів сильно варіюється: 4, 5, 6, 9, 10.

Азот в природі

У складі повітряної оболонки Землі присутні молекули простої речовини, формула якого - N₂. Зміст газоподібного азоту в атмосфері становить за обсягом приблизно 78,1%. Неорганічні сполуки цього хімічного елемента в земній корі - різні солі амонію і нітрати (селітри). Формули з`єднань і назви деяких з найважливіших речовин:

• NH_3, аміак.
• NO_2, діоксид азоту.
• NaNO_3, нітрат натрію.
• (NH₄)₂SO_4, сульфат амонію.

Валентність азоту в двох останніх з`єднаннях - IV. Кам`яне вугілля, грунт, живі організми також містять атоми N у зв`язаному вигляді. Азот є складовою частиною макромолекул амінокислот, нуклеотидів ДНК і РНК, гормонів і гемоглобіну. Загальний вміст хімічного елемента в тілі людини досягає 2,5%.

Проста речовина

Азот у вигляді двохатомних молекул - найбільша за обсягом і масі частина повітря атмосфери. Речовина, формула якого N₂, не володіє запахом, кольором і смаком. Цей газ становить понад 2/3 повітряної оболонки Землі. У рідкому вигляді азот являє собою безбарвну субстанцію, що нагадує воду. Кипить при температурі -195,8 ° C. М (N₂) = 28 г / моль. Проста речовина азот трохи легше кисню, його щільність по повітрю близька до 1.

Атоми в молекулі міцно пов`язують 3 загальні електронні пари. З`єднання проявляє високу хімічну стійкість, що відрізняє його від кисню і ряду інших газоподібних речовин. Для того щоб молекула азоту розпалася на складові її атоми, необхідно затратити енергію 942,9 кдж / моль. Зв`язок з трьох пар електронів дуже міцна, починає руйнуватися при нагріванні понад 2000 ° С.

При нормальних умовах дисоціація молекул на атоми практично не відбувається. Хімічна інертність азоту також обумовлена повною відсутністю полярності в його молекулах. Вони дуже слабо взаємодіють один з одним, ніж обумовлено газоподібний стан речовини при нормальному тиску і температурі, близькій до кімнатної. Низька хімічна активність молекулярного азоту знаходить застосування в різних процесах і пристроях, де необхідно створити інертну середу.

Дисоціація молекул N₂ може відбуватися під впливом сонячного випромінювання у верхніх шарах атмосфери. Утворюється атомарний азот, який за нормальних умов реагує з деякими металами і неметалами (фосфором, сіркою, миш`яком). У результаті йде синтез речовин, які в земних умовах отримують непрямим шляхом.

Валентність азоту

Зовнішній електронний шар атома утворюють 2 s і 3 p електрона. Ці негативні частинки азот може віддати при взаємодії з іншими елементами, що відповідає його відновним властивостям. Приєднуючи відсутні до октету 3 електрона, атом виявляє окисні здатності. Електронегативність азоту нижче, його неметалічні властивості менш виражені, ніж у фтору, кисню і хлору. При взаємодії з цими хімічними елементами азот віддає електрони (окислюється). Відновленням до негативних іонів супроводжуються реакції з іншими неметалами і металами.

Типова валентність азоту - III. У цьому випадку хімічні зв`язки утворюються за рахунок тяжіння зовнішніх р-електронів і створення загальних (зв`язують) пар. Азот здатний до утворення донорно-акцепторного зв`язку за рахунок своєї неподіленої пари електронів, як це відбувається в іоні амонію NH⁴⁺.

Отримання в лабораторії та промисловості

Один з лабораторних способів заснований на окислювальних властивостях оксиду міді. Використовується з`єднання азоту з воднем - аміак NH<sub>3</sub>. Цей неприємно пахне газ взаімоддействует з порошкоподібною оксидом міді чорного кольору. У результаті реакції виділяється азот і з`являється металева мідь (червоний порошок). На стінках трубки осідають краплі води - ще одного продукту реакції.

Інший лабораторний спосіб, в якому використовується з`єднання азоту з металами - азид, наприклад NaN₃. Виходить газ, який не треба очищати від домішок.

У лабораторії проводять розкладання нітриту амонію на азот і воду. Для того щоб реакція почалася, потрібно нагрівання, потім процес йде з виділенням тепла (екзотермічний). Азот забруднений домішками, тому його очищають і осушують.

Отримання азоту в промисловості:

• фракційна перегонка рідкого повітря - спосіб, в якому використовуються фізичні властивості азоту і кисню (різні температури кипіння) ;
• хімічна реакція повітря з розпеченим кам`яним углем;
• адсорбционное газоразделенія.

Взаємодія з металами і воднем - окисні властивості

Інертність міцних молекул не дозволяє отримувати деякі сполуки азоту прямим синтезом. Для активації атомів необхідно сильне нагрівання або опромінення речовини. Азот може прореагувати з літієм при кімнатній температурі, з магнієм, кальцієм і натрієм реакція йде лише при нагріванні. Утворюються нітриди відповідних металів.

Взаємодія азоту з воднем відбувається при високих значеннях температури і тиску. Також для цього процесу необхідний каталізатор. Виходить аміак - один з найважливіших продуктів хімічного синтезу. Азот, як окислювач, проявляє у своїх з`єднаннях три негативні ступені окислення:

• -3 (аміак та інші водневі сполуки азоту - нітриди) ;
• -2 (гідразин N₂H₄) ;
• -1 (гідроксиламін NH₂OH).

Найважливіший нітрид - аміак - у великих кількостях отримують в промисловості. Великою проблемою довгий час залишалася хімічна інертність азоту. Його сировинними джерелами були селітри, але запаси мінералів стали швидко скорочуватися із зростанням виробництва.

Великим досягненням хімічної науки і практики стало створення аміачного методу зв`язування азоту в промислових масштабах. У спеціальних колонах проводиться прямий синтез - оборотний процес між азотом, отриманим з повітря, і воднем. При створенні оптимальних умов, що зсувають рівновагу цієї реакції в сторону продукту, застосуванні каталізатора вихід аміаку досягає 97%.

Взаємодія з киснем - відновні властивості

Для того щоб почалася реакція азоту і кисню, необхідно сильне нагрівання. Достатньою енергією володіють електрична дуга і грозовий розряд в атмосфері. Найважливіші неорганічні сполуки, в яких азот знаходиться в своїх позитивних ступенях окислення:

• +1 (оксид азоту (I) N₂O) ;
• +2 (монооксид азоту NO) ;
• +3 (оксид азоту (III) N₂O₃- азотистая кислота HNO₂, її солі нітрити) ;
• +4 (діоксид азоту (IV) NO₂) ;
• +5 (пентаоксид азоту (V) N₂O₅, азотна кислота HNO₃, нітрати).

Значення в природі

Рослини поглинають іони амонію і нітратні аніони з грунту, використовують для хімічних реакцій синтез органічних молекул, що постійно йде в клітинах. Атмосферний азот можуть засвоювати бульбочкові бактерії - мікроскопічні істоти, що утворюють нарости на коренях бобових культур. В результаті ця група рослин одержує необхідний елемент живлення, збагачує їм грунт.

Під час тропічних злив відбуваються реакції окислення атмосферного азоту. Оксиди розчиняються з утворенням кислот, ці сполуки азоту у воді надходять в грунт. Завдяки круговороту елемента в природі постійно поповнюються його запаси в земній корі, повітрі. Складні органічні молекули, що містять у своєму складі азот, розкладаються бактеріями на неорганічні складові.

Практичне використання

Найважливіші сполуки азоту для сільського господарства - це добре розчинні солі. Засвоюються рослинами сечовина, селітри (натрієва, калієва, кальцієва), амонійні сполуки (водний розчин аміаку, хлорид, сульфат, нітрат амонію).
Інертні властивості азоту, нездатність рослин засвоювати його з повітря призводять до необхідності щорічно вносити великі дози нітратів. Частини рослинного організму здатні запасати макроелемент харчування «про запас», що погіршує якість продукції. Надлишок нітратів в овочах і фруктах може викликати у людей отруєння, ріст злоякісних новоутворень. Крім сільського господарства, сполуки азоту використовуються в інших галузях:

• для отримання медікаментов;
• для хімічного синтезу високомолекулярних сполук;
• у виробництві вибухівки з тринітротолуолу (тротилу) ;
• для випуску фарбників.

Оксид NO знаходить застосування в хірургії, речовина володіє знеболюючим ефектом. Втрату відчуттів при вдиханні цього газу помітили ще перші дослідники хімічних властивостей азоту. Так з`явилося тривіальне назва «звеселяючий газ».

Проблема нітратів у сільськогосподарській продукції

У солях азотної кислоти - нітрати - міститься однозарядний аніон NO^3-. До цих пір використовується старе найменування цієї групи речовин - селітри. Застосовуються нітрати для удобрення полів, в теплицях, садах. Вносять їх ранньою весною перед посівом, влітку - у вигляді рідкої підгодівлі. Самі по собі речовини не становлять великої небезпеки для людей, але в організмі вони перетворюються в нітрити, потім в нітрозаміни. Нітритні іони NO^2- - токсичні частинки, вони викликають окислення двовалентного заліза в молекулах гемоглобіну в тривалентні іони. У такому стані головне речовина крові людини і тварин не здатна переносити кисень і видаляти з тканин вуглекислий газ.

Чим небезпечне нітратне забруднення продуктів харчування для здоров`я людини:

• злоякісними пухлинами, що виникають при перетворенні нітратів у нітрозаміни (канцерогени) ;
• розвитком виразкового коліту,
• гипотензией або гіпертензіей;
• серцевої недостаточностью;
• порушенням згортання крові
• ураженнями печінки, підшлункової залози, розвитком діабету;
• розвитком ниркової недостатності;
• анемією, порушеннями пам`яті, уваги, інтелекту.

Одночасне вживання різних продуктів з великими дозами нітратів призводить до гострого отруєння. Джерелами можуть бути рослини, питна вода, готові м`ясні страви. Замочуванням в чистій воді і кулінарною обробкою можна знизити в продуктах харчування вміст нітратів. Дослідники з`ясували, що більш високі дози небезпечних сполук відзначені в незрілої і тепличної рослинної продукції.

Фосфор - елемент підгрупи азоту

Атоми хімічних елементів, які знаходяться в одному вертикальному стовпці періодичної системи, проявляють загальні властивості. Фосфор розташований в третьому періоді, відноситься до 15 групі, як і азот. Будова атомів елементів подібне, але існують відмінності у властивостях. Азот і фосфор проявляють негативну ступінь окислення і валентність III у своїх з`єднаннях з металами і воднем.

Багато реакції фосфору йдуть при звичайних температурах, це хімічно активний елемент. Взаємодіє з киснем з утворенням вищого оксиду Р₂Про₅. Водний розчин цієї речовини має властивості кислоти (метафосфорной). При її нагріванні виходить ортофосфорна кислота. Вона утворює декілька типів солей, багато з яких служать мінеральними добривами, наприклад суперфосфати. Сполуки азоту і фосфору складають важливу частину кругообігу речовин та енергії на нашій планеті, використовуються в промисловій, сільськогосподарській та інших сферах діяльності.