Нітроген

Nitrogenium

7 Нітроген
N 14,007
1s22s22p3
Нітроген утворює одну просту речовину азот N2.

 

 

 

 

 

 

Азот не має забарвлення, тому ампула з цим газом виглядає порожньою
(або заповненої повітрям).

 

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ.

 

Генрі Кавендіш

(1731 – 1810)

Джозеф Прістлі

(1733 – 1804)

Карл Вільгельм Шеєле

(1742 – 1786)

 

У 1772 році Генрі Кавендіш провів наступний дослід: він багато разів пропускав повітря над розпеченим вугіллям, потім обробляв його лугом, в результаті виходив залишок, який Кавендіш назвав задушливим (або мефітічним) повітрям. З позицій сучасної хімії зрозуміло, що в реакції з розпеченим вугіллям кисень повітря зв'язувався у вуглекислий газ, який потім поглинався лугом. При цьому залишок газу представляв собою здебільшого азот. Таким чином, Кавендіш виділив азот, але не зумів зрозуміти, що це нова проста речовина (хімічний елемент). У тому ж році Кавендіш повідомив про цей дослід Джозефу Прістлі.

Цікавий той факт, що він зумів зв'язати азот з киснем за допомогою розрядів електричного струму, а після поглинання оксидів Нітрогену у залишку отримав невелику кількість газу, абсолютно інертного, хоча, як і у випадку з азотом, не зміг зрозуміти, що виділив новий хімічний елемент - інертний газ аргон.

Прістлі в цей час проводив серію експериментів, в яких також зв'язував кисень повітря і видаляв отриманий вуглекислий газ, тобто також отримував азот, проте, будучи прихильником панівної в ті часи теорії флогістону, зовсім невірно розтлумачив отримані результати (на його думку, процес був протилежним - не киснем видалявся з газової суміші, а навпаки, в результаті випалу повітря насичується флогистоном; залишок повітря (азот) він і назвав насиченим флогистоном, тобто флогістрованим). Очевидно, що і Прістлі, хоча і зміг виділити азот, не зумів зрозуміти суті свого відкриття, тому й не вважається першовідкривачем азоту.

Одночасно схожі експерименти з тим же результатом проводив і Карл Шеєле.

У 1772 році азот (під назвою «зіпсованого повітря») як просту речовину описав Даніель Резерфорд, він опублікував магістерську дисертацію, де вказав основні властивості азоту (не реагує з лугами, не підтримує горіння, непридатний для дихання). Саме Даніель Резерфорд і вважається першовідкривачем азоту. Однак і Резерфорд був прихильником флогистонной теорії, тому також не зміг зрозуміти, що ж він виділив. Таким чином, чітко визначити першовідкривача Нітрогену неможливо.

 

Даніель Резерфорд (Рутерфорд)

(1749 – 1819)

 

Лавуазьє в 1776 - 1777 рр. детально досліджував склад атмосферного повітря і встановив, що 4/5 його об'єму складаються з задушливого газу (Аir mofette - атмосферний мофетт, або просто Mofett).

Назву Азот (від грец. ἀζωτος — позбавлений життя), замість попередніх назв («флогістоване», «мефітичне» і «зіпсоване» повітря) запропонував у 1787 Антуан Лавуазьє, який на той час у складі групи інших французьких вчених розробляв принципи хімічної номенклатури, в тому ж році цю пропозицію опубліковано в праці «Метод хімічної номенклатури».

 

Антуан Лоран Лавуазьє

(1743 – 1794)

 

Існує й інша версія . Слово «азот» придумана не Лавуазьє і не його колегами по номенклатурної комісії; воно увійшло в алхімічну літературу вже в ранньому середньовіччі і вживалось для позначення «первинної матерії металів», яку вважали «альфою і омегою» всього сущого. Це вираз запозичений з Апокаліпсису: «Я Альфа і Омега, початок і кінець» (Об'явл. 1:8-10 ). Слово складено з початкових і кінцевих літер алфавітів трьох мов - латинської, грецької та староєврейської, - що вважалися «священними», оскільки, згідно з Євангеліями, напис на хресті при розп'ятті Христа була зроблена на цих мовах (а, альфа, алеф і зет, омега, тав - AAAZOTH ) . Укладачі нової хімічної номенклатури добре знали про існування цього слова; ініціатор її створення Гітон де Морво зазначав у своїй «Методичної енциклопедії» (1786) алхімічне значення терміну.

 

Луї Бернар Гітон де Морво

(1737 – 1816)

 

Можливо, слово «азот» походить від одного з двох арабських слів - або від слова «аз-зат» («сутність» або «внутрішня реальність»), або від слова «зібак» («ртуть»).

Назва «азот», крім французької та російської, прийнята в італійській, турецькій та ряді слов'янських мов, а також в багатьох мовах народів колишнього СРСР.

На латині азот називається nitrogenium, тобто «той, що породжує селітру», звідси символ N. Цю назву у французькій формі nitrogène запропонував французький хімік Ж. Шапталь в 1790 році у своїй книзі «Елементи хімії», однак у французькій мові вона не прижилась, на відміну від багатьох інших мов (зокрема, англійської, іспанської, угорської, норвезької) , де назва є похідним від цього слова.

 

Жан-Антуан Клод Шапталь

(1756 – 1832)

 

В Україні в 1995 році було запроваджено назву для елемента № 7 Нітроген (ДСТУ 2439-94 "Державний стандарт України "Елементи хімічні та речовини прості" чинний від  01.01.1995 року). Назву азот залишено для позначення простої речовини N2.

 

ПОШИРЕННЯ У ПРИРОДІ.

Поза межами Землі Нітроген виявлений в газових туманностях, сонячній атмосфері, на Урані, Нептуні, міжзоряному просторі та ін Нітроген - четвертий за поширеністю елемент Сонячної системи (після Гідрогену, Гелію і Оксигену).

Загальний вміст Нітрогену в земній корі становить 1·10−2% за масою. Основна його маса знаходиться в повітрі, у вільному молекулярному вигляді — N2. Сухе повітря містить в середньому 78,09% за об'ємом (або 75,6% за масою) вільного азоту, що відповідає загальній масі 4•1015 т.

 

Азот - основний компонент атмосфери Землі.

 

У відносно малих кількостях вільний азот перебуває в розчиненому стані у водах океанів. У вигляді сполук з іншими елементами (зв'язаний Нітроген) входить в склад всіх рослинних і тваринних організмів.

 

Живі організми

 

Потужні родовища Нітрогену у вигляді так званої чилійської селітри відомі лише в Чилі (Південна Америка).

 

Родовище чилійської селітри в пустелі Атакама (Чилі).

 

Крім того, невеликі кількості Нітрогену містяться в ґрунті, головним чином у вигляді органічних сполук і солей нітратної кислоти. У земній корі Нітроген утворює три основні типи мінералів, які містять йони CN, NO3, NH+4. Промислове значення має натрієва селітра NaNO3, великі поклади якої є в Чилі та калійна селітра KNO3 (найбільші поклади в Індії).

 

Чилійська селітра NaNO3
(натрієва селітра, нітронатрит).

 

Індійська селітра KNO3
(калієва селітра, нітрокаліт).

 

Нашатир NH4Cl (скелетні кристали до 10 см).
Уроч. Кухи-Малик, Фан-Ягнобської родвище вугілля, поблизу к. Рават, р. Ягноб, Таджикистан.
Зразки: ДГМ ім. В.І. Вернадського.

Фото: © А. Євсеєв

 

 

ОДЕРЖАННЯ.

В промисловості молекулярний азот отримують фракційною перегонкою рідкого повітря. Цим методом можна отримати і «атмосферний азот» (так званий «повітряний», або «атмосферний» азот - це суміш азоту з благородними газами). Також широко застосовуються азотні установки і станції, в яких використовується метод адсорбційного і мембранного газорозділення.

 

ПРОМИСЛОВЕ ОДЕРЖАННЯ АЗОТУ

 

В лабораторіях азот можна одержати:

Газоподібний азот зберігають у стальних балонах. Балони з азотом пофарбовані в чорний колір, мають напис жовтого кольору.



Балони з азотом.


Літр рідкого азоту, випаровуючись і нагріваючись до 20 °C, утворює приблизно 700 літрів газу. З цієї причини рідкий азот зберігають у спеціальних посудинах Дьюара з вакуумною ізоляцією відкритого типу або кріогенних ємностях під тиском.



Заповнення посудини Дьюара рідким азотом
з резервуару для зберігання.


Алотропія та ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Нітроген за звичайних умов утворює лише одну просту речовину – азот (N2).

Азот — безбарвний газ без запаху і смаку. Густина 1,2506 кг/м3 (за н. у.). Азот не підтримує ні дихання, ні горіння. У воді розчиняється мало. Його розчинність при 20 °C становить 1,54 см3 на 100 г води.

Під дією електричного розряду випромінює світло.


Світіння азоту під дією високочастотного електричного розряду.


Кипить при температурі -195,8 °C. Азот у рідкому стані — безбарвна, рухлива, як вода, рідина. Густина рідкого азоту 808 кг/м3. При контакті з повітрям поглинає з нього кисень.


Азот у рідкому стані.


При -209,86 °C азот переходить у твердий стан у вигляді сніговидної маси чи великих білосніжних кристалів. При контакті з повітрям поглинає з нього кисень, при цьому плавиться, з утворенням розчину кисню в азоті.


Азот у твердому стані.



ВІДЕО ОДЕРЖАННЯ АЗОТУ В ТВЕРДОМУ СТАНІ

Переглянути відео



Відомі три кристалічні модифікації твердого азоту. В інтервалі 36,61…63,29 К існує фаза β-N2 з щільним гексагональним упакуванням. За температури нижчої від 36,61 К стійкою є фаза α-N2 з кубічною ґраткою. Під тиском понад 3500 атмосфер і температурі нижчій від 83 K утворюється гексагональна фаза γ-N2.


ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Азот хімічно інертна речовина. Це зумовлено дуже високою енергією потрійного зв'язку в молекулі N2.

З огляду на свою значну інертність азот при звичайних умовах реагує тільки з літієм:

6Li + N2 = 2Li3N

При нагріванні він реагує з деякими іншими металами і неметалами, також утворюючи нітриди:

3Mg + N2 → Mg3N2
2B + N2 → 2BN

При високій температурі, високому тиску і наявності каталізатора азот взаэмодыэ з воднем з утворенням амоніаку (амоніачний спосіб фіксації азоту):

N2 + 3H2 → 2NH3

При температурі електричної іскри (понад 3000 °C) азот реагує з киснем, утворюючи нестійкий при високій температурі нітроген(I) оксид NO за реакцією:

N2 + O2 → 2NO

У природі ця реакція відбувається при грозових розрядах.


У блискавці відбувається взаємодія азоту з киснем.


Існує і ще один, менш поширений спосіб промислового зв'язування атмосферного азоту - ціанамідний метод, заснований на реакції карбіду кальцію з азотом при 1000 ° C. Реакція відбувається за рівнянням:

CaC2 + N2 → CaCN2 + C


ВИКОРИСТАННЯ.


Газоподібний азот

Промислові застосування газоподібного азоту обумовлені його інертними властивостями.

Азот широко використовується у процедур підготовки зразків для хімічного аналізу. Він використовується для концентрування та зменшення об'єму рідких проб. Напрямений під тиском потік азоту перпендикулярно до поверхні рідини дозволяє випаровувати розчинник, залишаючи розчинені речовини і невипарений розчинник.

Азот може бути використаний в якості заміни або в комбінації з діоксидом вуглецю для підвищення тиску діжок деяких сортів пива, особливо стаутів і британського елю, завдяки дрібнішим бульбашкам, які він виробляє, що робить пиво більш приємним та якісним.

Як заміна двоокису вуглецю в якості основного джерела живлення для пейнтбольних рушниць. Азот повинен бути при більшому тиску, ніж CO2, N2 робить танки рушниць важчими і дорожчими.

Азот вибраний як інертний задушливий газ, і знаходиться на розгляді в якості заміни для смертельної ін'єкції в Оклахомі. Азот запропоновано для здійсьнення евтаназії Філіпом Нітшке.



Філіп Хейг Ніцшке
(народився у 1947)


У нафтохімії азот застосовується для продування резервуарів і трубопроводів, перевірки роботи трубопроводів під тиском, збільшення вироблення родовищ. У гірничодобувній справі азот може використовуватися для створення в шахтах вибухобезпечного середовища, для розпирання пластів породи.

Велика частина одержуваного в техніці азоту застосовується на виробництво аміаку.


Рідкий азот

У техніці і на виробництві:

У медицині:

У азотне пожежогасіння, поряд з вуглекислотним, — найбільш ефективний спосіб гасіння пожеж з точки зору збереження цінностей.

Кріоніка - збереження у стані глибокого охолодження («криоконсервация», «кріозбереження») тіл людей і тварин в надії на те, що в майбутньому їх вдасться пожвавити і при необхідності - вилікувати. Іноді кріоконсервації піддають тільки голову або головний мозок організму, що зберігається.



Кріоніка: заморозка людини.


Біологічна роль та фізіологічна дія

Азот є важливим будівельним блоком амінокислот і нуклеїнових кислот, необхідних для життя на Землі.

Нітроген є хімічним елементом, необхідним для існування тварин і рослин, він входить до складу білків (16 – 18 % по масі), амінокислот, нуклеїнових кислот, нуклеопротеїдів, хлорофілу, гемоглобіну та ін. У складі живих клітин за кількістю атомів Нітрогену близько 2 % , по масовій частці – близько 2,5 % (четверте місце після Гідрогену, Карбону і Оксигену). У зв'язку з цим значна кількість Нітрогену міститься в живих організмах, «мертвій органіці» і дисперсній речовині морів і океанів. Ця кількість оцінюється приблизно в 1,9 · 1011 т. У результаті процесів гниття і розкладання нітрогенвмісної органіки, за умови сприятливих факторів навколишнього середовища, можуть утворитися природні поклади корисних копалин, що містять Нітроген, наприклад, «чилійська селітра» (нітрат натрію з домішками інших сполук), норвезька, індійська селітри.

Незважаючи на важливість Нітрогену для живих організмів, ні рослини, ні тварини не можуть засвоювати атмосферний азот. Деякі бактерії, проте, мають фермент нітрогеназу, за допомогою якого азот фіксується і далі засвоюється рослинами. Не всі речовини, до складу яких входить Нітроген, сприяють розвитку рослин. Амінні солі феноксиоцтової і трихлорфеноксиоцтової кислот — гербіциди. Перша пригнічує ріст бур'янів на полях злакових культур, друга застосовується для очищення земель під ріллю — знищує дрібні дерева і чагарники.


Колообіг Нітрогену у природі.



Схематичне представлення проходження Нітрогену через біосферу.
Ключовим елементом циклу є різні види бактерій.


Фіксація атмосферного азоту в природі відбувається за двома основними напрямками – абіогенному і біогенному. Перший шлях включає головним чином реакції азоту з киснем. Так як азот хімічно дуже інертний, для окислення потрібні великі кількості енергії (високі температури). Ці умови досягаються при розрядах блискавок, коли температура досягає 25000 °C і більше. При цьому відбувається утворення різних оксидів азоту. Існує також імовірність, що абіотична фіксація відбувається в результаті фотокаталітичних реакцій на поверхні напівпровідників або широкосмугових діелектриків (пісок пустель).

Проте основна частина молекулярного азоту (близько 1,4 · 108 т/рік) фіксується біотичним шляхом. Довгий час вважалося, що зв'язувати молекулярний азот можуть тільки невелика кількість видів мікроорганізмів (хоча і широко розповсюджених на поверхні Землі): бактерії Azotobacter і Clostridium, бульбочкові бактерії бобових рослин Rhizobium, ціанобактерії Anabaena, Nostoc та ін. Зараз відомо, що цією здатністю володіють багато інших організмів у воді та грунті, наприклад, актиноміцети в бульбах вільхи та інших дерев (всього 160 видів). Всі вони перетворюють молекулярний азот в сполуки амонію (NH4+). Цей процес вимагає значних витрат енергії (для фіксації 1 г атмосферного азоту бактерії в клубеньках бобових витрачають порядку 167,5 кДж, тобто окислюють приблизно 10 г глюкози). Таким чином, видно взаємна користь від симбіозу рослин і азотфіксуючих бактерій – перші надають другим «місце для проживання» і постачають отриманим в результаті фотосинтезу «паливом» – глюкозою, другі забезпечують необхідний рослинам Нітроген в засвоюваній ними формі.


Азотфіксуючі бактерії.


Нітроген у формі амоніаку і сполук амонію, що утворюється в процесах біогенної азотфіксації, швидко окиснюється до нітратів і нітритів (цей процес носить назву нітрифікації). Останні, не зв'язані тканинами рослин (і далі по харчовому ланцюгу травоїдними і хижаками), недовго залишаються в грунті. Більшість нітратів і нітритів добре розчинні, тому вони змиваються водою і, врешті-решт, потрапляють у світовий океан (цей потік оцінюється в 2,5—8 · 107 т/рік).

Нітроген, включений в тканини рослин і тварин, після їх загибелі піддається амоніфікації (розкладанню складних сполук, що містять Нітроген, з виділенням амоніаку і йонів амонію) і денітрифікації, тобто виділенню атомарного Нітрогену, а також його оксидів. Ці процеси повністю відбуваються завдяки діяльності мікроорганізмів в аеробних і анаеробних умовах.

За відсутності діяльності людини процеси зв'язування азоту і нітрифікації практично повністю врівноважені протилежними реакціями денітрифікації. Частина азоту надходить в атмосферу з мантії з виверженнями вулканів, частина міцно фіксується в грунтах і глинистих мінералах, крім того, постійно йде витік азоту з верхніх шарів атмосфери в міжпланетний простір.


Токсикологія азоту та сполук Нітрогену.

Сам по собі атмосферний азот досить інертний, щоб безпосередньо впливати на організм людини і ссавців. Тим не менш, при підвищеному тиску він викликає наркоз, сп'яніння або ядуху (при нестачі кисню); при швидкому зниженні тиску азот викликає кесонну хворобу.

Багато сполуки Нітрогену дуже активні і нерідко токсичні.


Дія «веселящого газу».

 

«Лисячий хвіст».

 

СПИСОК ДЖЕРЕЛ.