Związki azotu. Właściwości azotu

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Dawanie saletry - tak tłumaczy się słowo azot z łaciny. Tak nazywa się azot - pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 7, zajmujący piętnastą grupę w długiej wersji układu okresowego. W postaci prostej substancji jest rozprowadzany w powłoce powietrznej Ziemi - atmosferze. Różnorodne związki azotu znajdują się w skorupie ziemskiej i organizmach żywych i są szeroko stosowane w przemyśle, wojskowości, rolnictwie i medycynie.

Dlaczego azot został nazwany „duszącym się” i „martwym”

Jak sugerują historycy chemii, Henry Cavendish (1777) jako pierwszy otrzymał tę prostą substancję. Naukowiec przepuszczał powietrze przez rozżarzone węgle, używając alkaliów do pochłaniania produktów reakcji. W wyniku eksperymentu badacz odkrył bezbarwny, bezwonny gaz, który nie reagował z węglem. Cavendish nazwał to „duszącym powietrzem” za to, że nie jest w stanie utrzymać oddychania i nie może się palić.

Współczesny chemik wyjaśniłby, że tlen reagował z węglem, tworząc dwutlenek węgla. Pozostała „dusząca” część powietrza składała się głównie z cząsteczek N₂. Cavendish i inni naukowcy w tamtym czasie nie wiedzieli jeszcze o tej substancji, chociaż związki azotu i saletry były wówczas szeroko stosowane w gospodarce. Naukowiec zgłosił niezwykły gaz swojemu koledze, który przeprowadził podobne eksperymenty, Josephowi Priestleyowi.

W tym samym czasie Karl Scheele zwrócił uwagę na nieznany składnik powietrza, ale nie potrafił poprawnie wyjaśnić jego pochodzenia. Dopiero Daniel Rutherford w 1772 r. zdał sobie sprawę, że „duszącym” „zepsutym” gazem obecnym w eksperymentach był azot. Którego naukowca należy uznać za swojego odkrywcę – historycy nauki wciąż się o to spierają.

15 lat po eksperymentach Rutherforda, słynny chemik Antoine Lavoisier zasugerował zmianę terminu „zepsute” powietrze, odnoszącego się do azotu, na inny – Azot. Do tego czasu udowodniono, że substancja ta nie pali się, nie wspomaga oddychania. W tym samym czasie pojawiła się rosyjska nazwa „azot”, którą można interpretować na różne sposoby. Najczęściej mówi się, że termin ten oznacza „bez życia”. Późniejsze prace obaliły powszechną opinię o właściwościach materii. Najważniejszymi makrocząsteczkami w składzie żywych organizmów są związki azotu – białka. Aby je zbudować, rośliny pobierają z gleby niezbędne składniki mineralne – jony NO₃^2- i NH⁴⁺.

Azot jest pierwiastkiem chemicznym

Układ okresowy (PS) pomaga zrozumieć strukturę atomu i jego właściwości. Na podstawie pozycji pierwiastka chemicznego w układzie okresowym można określić:ładunek jądrowy, liczba protonów i neutronów (liczba masowa). Należy zwrócić uwagę na wartość masy atomowej - to jedna z głównych cech pierwiastka. Numer okresu odpowiada liczbie poziomów energii. W skróconej wersji układu okresowego, numer grupy odpowiada liczbie elektronów na zewnętrznym poziomie energetycznym. Podsumujmy wszystkie dane w ogólnej charakterystyce azotu według jego pozycji w układzie okresowym:

• To niemetalowy element, znajdujący się w prawym górnym rogu PS.
• Znak chemiczny: N.
• Numer zamówienia: 7.
• Względna masa atomowa: 14.0067.
• Wzór lotnych związków wodoru: NH₃ (amoniak).
• Produkuje najwyższy poziom tlenku N₂O₅, w którym wartościowość azotu wynosi V.

Struktura atomu azotu:

• Opłata główna: +7.
• Liczba protonów:7; liczba neutronów: 7.
• Liczba poziomów energii: 2.
• Całkowita liczba elektronów: 7; formuła elektroniczna: 1s²2s²2p³.

Stabilne izotopy pierwiastka nr 7 zostały szczegółowo przebadane, ich liczby masowe wynoszą 14 i 15. Zawartość atomów lżejszego z nich wynosi 99,64%. W jądrach krótkożyciowych izotopów promieniotwórczych znajduje się również 7 protonów, a liczba neutronów jest bardzo zróżnicowana: 4, 5, 6, 9, 10.

Azot w naturze

Powłoka powietrzna Ziemi zawiera cząsteczki prostej substancji o wzorze N₂. Zawartość azotu gazowego w atmosferze jest objętościowaokoło 78,1%. Związkami nieorganicznymi tego pierwiastka chemicznego w skorupie ziemskiej są różne sole amonowe i azotany (azotany). Wzory związków i nazwy niektórych z najważniejszych substancji:

• NH_3, amoniak.
• NIE_2, dwutlenek azotu.
• NaNO_3, azotan sodu.
• (NH₄)₂SO_4, siarczan amonu.

Walencja azotu w dwóch ostatnich związkach - IV. Węgiel, gleba, żywe organizmy również zawierają związane atomy N. Azot jest integralną częścią makrocząsteczek aminokwasów, nukleotydów DNA i RNA, hormonów i hemoglobiny. Całkowita zawartość pierwiastka chemicznego w organizmie człowieka sięga 2,5%.

Prosta substancja

Azot w postaci cząsteczek dwuatomowych stanowi największą część powietrza atmosferycznego pod względem objętości i masy. Substancja o formule N₂ nie ma zapachu, koloru ani smaku. Gaz ten stanowi ponad 2/3 ziemskiej otoczki powietrznej. Azot w postaci płynnej jest bezbarwną substancją przypominającą wodę. Wrze w temperaturze -195,8°C. M (N₂)=28 g/mol. Prosta substancja azot jest nieco lżejsza od tlenu, jej gęstość w powietrzu jest bliska 1.

Atomy w cząsteczce mocno wiążą 3 wspólne pary elektronów. Związek wykazuje wysoką stabilność chemiczną, co odróżnia go od tlenu i szeregu innych substancji gazowych. Aby cząsteczka azotu rozpadła się na atomy składowe, konieczne jest wydatkowanie energii 942,9 kJ / mol. Wiązanie trzech par elektronów jest bardzo silne.rozkłada się po podgrzaniu powyżej 2000 °C.

W normalnych warunkach dysocjacja cząsteczek na atomy praktycznie nie zachodzi. Chemiczna obojętność azotu wynika również z całkowitego braku polarności w jego cząsteczkach. Oddziałują one ze sobą bardzo słabo, co jest przyczyną gazowego stanu materii przy normalnym ciśnieniu i temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej. Niska reaktywność azotu cząsteczkowego znajduje zastosowanie w różnych procesach i urządzeniach, w których konieczne jest stworzenie środowiska obojętnego.

Dysocjacja cząsteczek N₂ może wystąpić pod wpływem promieniowania słonecznego w górnych warstwach atmosfery. Powstaje atomowy azot, który w normalnych warunkach reaguje z niektórymi metalami i niemetalami (fosfor, siarka, arsen). W rezultacie następuje synteza substancji, które są otrzymywane pośrednio w warunkach lądowych.

Walencja azotu

Zewnętrzna warstwa elektronowa atomu składa się z 2 s i 3 p elektronów. Te ujemne cząsteczki azotu mogą ustępować podczas interakcji z innymi pierwiastkami, co odpowiada jego właściwościom redukującym. Dołączając brakujące 3 elektrony do oktetu, atom wykazuje zdolności utleniające. Elektroujemność azotu jest mniejsza, jego właściwości niemetaliczne są mniej wyraźne niż fluoru, tlenu i chloru. Podczas interakcji z tymi pierwiastkami chemicznymi azot oddaje elektrony (jest utleniany). Redukcji do jonów ujemnych towarzyszą reakcje z innymi niemetalami i metalami.

Typowa wartościowość azotu to III. W tym przypadkuwiązania chemiczne powstają w wyniku przyciągania zewnętrznych p-elektronów i tworzenia wspólnych (wiążących) par. Azot jest zdolny do tworzenia wiązania donor-akceptor dzięki swojej samotnej parze elektronów, jak ma to miejsce w jonie amonowym NH⁴⁺.

Produkcja laboratoryjna i przemysłowa

Jedna z metod laboratoryjnych opiera się na właściwościach utleniających tlenku miedzi. Stosowany jest związek azotowo-wodorowy - amoniak NH₃. Ten śmierdzący gaz reaguje ze sproszkowanym czarnym tlenkiem miedzi. W wyniku reakcji uwalniany jest azot i pojawia się metaliczna miedź (czerwony proszek). Krople wody, kolejny produkt reakcji, osadzają się na ściankach probówki.

Kolejną metodą laboratoryjną wykorzystującą połączenie azotu z metalami jest azydek, taki jak NaN₃. Okazuje się, że gaz nie wymaga oczyszczania z zanieczyszczeń.

Azotyn amonu rozkłada się w laboratorium na azot i wodę. Aby reakcja mogła się rozpocząć, wymagane jest ogrzewanie, następnie proces przebiega z wydzieleniem ciepła (egzotermicznym). Azot jest zanieczyszczony zanieczyszczeniami, dlatego jest oczyszczany i suszony.

Produkcja azotu w przemyśle:

• destylacja frakcyjna ciekłego powietrza - metoda wykorzystująca fizyczne właściwości azotu i tlenu (różne temperatury wrzenia);
• chemiczna reakcja powietrza z rozżarzonym węglem;
• adsorpcyjna separacja gazów.

Interakcja z metalami i wodorem - właściwości utleniające

Bezwładność silnych cząsteczeknie pozwala na otrzymanie niektórych związków azotu na drodze bezpośredniej syntezy. Aby aktywować atomy, konieczne jest silne ogrzewanie lub napromieniowanie substancji. Azot może reagować z litem w temperaturze pokojowej, z magnezem, wapniem i sodem reakcja zachodzi tylko po podgrzaniu. Powstają odpowiednie azotki metali.

Oddziaływanie azotu z wodorem zachodzi w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Ten proces również wymaga katalizatora. Okazuje się, że amoniak jest jednym z najważniejszych produktów syntezy chemicznej. Azot jako utleniacz wykazuje w swoich związkach trzy ujemne stany utlenienia:

• −3 (amoniak i inne związki wodorowe azotu to azotki);
• −2 (hydrazyna N₂H₄);
• −1 (hydroksyloamina NH₂OH).

Najważniejszy azotek - amoniak - jest produkowany w dużych ilościach w przemyśle. Przez długi czas dużym problemem była chemiczna obojętność azotu. Saletra była jej źródłem surowców, ale rezerwy mineralne zaczęły gwałtownie spadać wraz ze wzrostem produkcji.

Wielkim osiągnięciem nauki i praktyki chemicznej było stworzenie na skalę przemysłową metody amoniakalnego wiązania azotu. Synteza bezpośrednia prowadzona jest w specjalnych kolumnach - proces odwracalny pomiędzy azotem otrzymywanym z powietrza a wodorem. Przy tworzeniu optymalnych warunków przesuwających równowagę tej reakcji w kierunku produktu, przy użyciu katalizatora, wydajność amoniaku sięga 97%.

Interakcja z tlenem - właściwości redukujące

Aby rozpocząć reakcję azotu i tlenu, konieczne jest mocne ogrzewanie. Łuk elektryczny i wyładowanie piorunowe w atmosferze mają wystarczającą energię. Najważniejsze związki nieorganiczne, w których azot znajduje się w swoim dodatnim stanie utlenienia:

• +1 (tlenek azotu (I) N₂O);
• +2 (tlenek azotu NO);
• +3 (tlenek azotu (III) N₂O₃; kwas azotawy HNO_{2, jego sole to azotyny);}
• +4 (dwutlenek azotu (IV) NO₂);
• +5 (Pięciotlenek azotu (V) N₂O₅, kwas azotowy HNO_{3, azotany).}

Znaczenie w naturze

Rośliny pochłaniają jony amonowe i aniony azotanowe z gleby, wykorzystują do reakcji chemicznych syntezę cząsteczek organicznych, stale zachodzących w komórkach. Azot atmosferyczny może być wchłaniany przez bakterie brodawkowe - mikroskopijne stworzenia, które tworzą narośla na korzeniach roślin strączkowych. Dzięki temu ta grupa roślin otrzymuje niezbędny składnik odżywczy, wzbogaca nim glebę.

Podczas tropikalnych ulewy zachodzą reakcje utleniania azotu w atmosferze. Tlenki rozpuszczają się tworząc kwasy, te związki azotu w wodzie dostają się do gleby. Ze względu na cyrkulację pierwiastka w przyrodzie, jego rezerwy w skorupie ziemskiej i powietrzu są stale uzupełniane. Złożone cząsteczki organiczne zawierające azot są rozkładane przez bakterie na składniki nieorganiczne.

Praktyczne zastosowanie

Najważniejsze połączeniaazot dla rolnictwa to wysoce rozpuszczalne sole. Mocznik, saletra (sód, potas, wapń), związki amonu (roztwór wodny amoniaku, chlorek, siarczan, saletra amonowa) są przyswajane przez rośliny azotany. Części organizmu roślinnego są w stanie magazynować makroskładniki „na przyszłość”, co pogarsza jakość produktów. Nadmiar azotanów w warzywach i owocach może powodować zatrucie u ludzi, rozwój nowotworów złośliwych. Oprócz rolnictwa związki azotu są wykorzystywane w innych gałęziach przemysłu:

• otrzymywanie leków;
• do chemicznej syntezy związków wielkocząsteczkowych;
• w produkcji materiałów wybuchowych z trinitrotoluenu (TNT);
• do produkcji barwników.

NO tlenek jest używany w chirurgii, substancja ma działanie przeciwbólowe. Utratę wrażeń podczas wdychania tego gazu zauważyli już pierwsi badacze chemicznych właściwości azotu. Tak pojawiła się banalna nazwa „gaz rozweselający”.

Problem azotanów w produktach rolnych

Sole kwasu azotowego – azotany – zawierają pojedynczo naładowany anion NO^3-. Do tej pory używana jest stara nazwa tej grupy substancji - saletra. Azotany stosuje się do nawożenia pól, w szklarniach, sadach. Stosuje się je wczesną wiosną przed siewem, latem w postaci płynnych opatrunków. Same substancje nie stanowią wielkiego zagrożenia dla ludzi, alew organizmie zamieniają się w azotyny, a następnie w nitrozoaminy. Jony azotynowe NO^2- są cząsteczkami toksycznymi, powodują utlenianie żelaza w cząsteczkach hemoglobiny do jonów trójwartościowych. W tym stanie główna substancja krwi ludzi i zwierząt nie jest w stanie przenosić tlenu i usuwać dwutlenku węgla z tkanek.

Jakie jest niebezpieczeństwo zanieczyszczenia żywności azotanami dla zdrowia ludzkiego:

• nowotwory złośliwe, które pojawiają się, gdy azotany są przekształcane w nitrozoaminy (substancje rakotwórcze);
• rozwój wrzodziejącego zapalenia jelita grubego,
• niedociśnienie lub nadciśnienie;
• niewydolność serca;
• zaburzenia krzepnięcia krwi
• wątroba, trzustka, rozwój cukrzycy;
• rozwój niewydolności nerek;
• niedokrwistość, zaburzenia pamięci, uwaga, inteligencja.

Jednoczesne spożywanie różnych pokarmów z wysokimi dawkami azotanów prowadzi do ostrego zatrucia. Źródłem mogą być rośliny, woda pitna, gotowe dania mięsne. Moczenie w czystej wodzie i gotowanie może zmniejszyć zawartość azotanów w żywności. Naukowcy odkryli, że wyższe dawki niebezpiecznych związków znaleziono w produktach roślin niedojrzałych i szklarniowych.

Fosfor należy do podgrupy azotu

Atomy pierwiastków chemicznych, które znajdują się w tej samej pionowej kolumnie układu okresowego, wykazują wspólne właściwości. Fosfor znajduje się w trzecim okresie, należy do 15 grupy, podobnie jak azot. Struktura atomówelementy są podobne, ale istnieją różnice we właściwościach. Azot i fosfor wykazują ujemny stopień utlenienia i wartościowość III w swoich związkach z metalami i wodorem.

Wiele reakcji fosforu zachodzi w zwykłych temperaturach, jest to pierwiastek aktywny chemicznie. Oddziałuje z tlenem, tworząc wyższy tlenek P₂O₅. Wodny roztwór tej substancji ma właściwości kwasu (metafosforowego). Po podgrzaniu otrzymuje się kwas ortofosforowy. Tworzy kilka rodzajów soli, z których wiele służy jako nawozy mineralne, takie jak superfosfaty. Związki azotu i fosforu są ważną częścią cyklu substancji i energii na naszej planecie, są wykorzystywane w przemyśle, rolnictwie i innych dziedzinach działalności.