Содержание:
Историческая
справка
Распространенность
в природе
Атом
и молекула
Физические
и химические
свойства
Получение
и применение
Азотная
кислота
Окислительные
свойства азотной
кислоты
Нитраты
- Промышленное
получение
азотной кислоты
10. Круговорот
азота в природе
Происходит
от греческого
слова azoos
- безжизненный,
по-латыни
Nitrogenium. Химический
знак элемента
- N.
Азот - химический
элемент V
группы периодической
системы Менделеева,
порядковый
номер 7, относительная
атомная масса
14,0067; бесцветный
газ, не имеющий
запаха и вкуса.
1.Историческая
справка.
Соединения
азота - селитра,
азотная кислота,
аммиак - были
известны задолго
до получения
азота в свободном
состоянии. В
1772 г. Д. Резерфорд,
сжигая фосфор
и другие вещества
в стеклянном
колоколе, показал,
что остающийся
после сгорания
газ, названный
им “удушливым
воздухом”, не
поддерживает
дыхания и горения.
В 1787 году А. Лавуазье
установил, что
“жизненный”
и “удушливый”
газы, входящие
в состав воздуха,
это простые
вещества, и
предложил
название “азот”.
В 1784 г. Г. Кавендиш
показал, что
азот входит
в состав селитры;
отсюда и происходит
латинское
название азота
(от позднелатинского
nitrum - селитра
и греческого
gennao - рождаю,
произвожу),
предложенное
в 1790 году Ж. А. Шапталем
.К началу ХIX
в. были
выяснены химическая
инертность
азота в свободном
состоянии и
исключительная
роль его в
соединениях
с другими элементами
в качестве
связанного
азота.
2.Распространяемость
в природе.
Азот - один из
самых распространенных
элементов на
Земле, причем
основная его
масса (около
4*1015
т.)сосредоточена
в свободном
состоянии в
атмосфере. В
воздухе свободный
азот (в виде
молекул N2
) составляет
78,09% по объему (
или 75,6% по массе
), не считая
незначительных
примесей его
в виде аммиака
и окислов. Среднее
содержание
азота в литосфере
1,9*10-3% по
массе. Природные
соединения
азота - хлористый
аммоний NH4CI
и различные
нитраты. Крупные
скопления
селитры характерны
для сухого
пустынного
климата ( Чили,
Средняя Азия
). Долгое время
селитры были
главным поставщиком
азота для
промышленности
( сейчас основное
значение для
связывания
азота имеет
промышленный
синтез аммиака
из азота воздуха
и водорода ).
Небольшие
количества
связанного
азота находятся
в каменном угле
( 1 - 2,5% ) и нефти ( 0,02 -
1,5% ), а также в водах
рек, морей и
океанов. Азот
накапливается
в почвах ( 0,1% ) и
в живых организмах
( 0,3% ).
Хотя
название “азот”
означает “не
поддерживающий
жизни”, на самом
деле это - необходимый
для жизнедеятельности
элемент. В белке
животных и
человека содержится
16 - 17% азота. В организмах
плотоядных
животных белок
образуется
за счет потребляемых
белковых веществ,
имеющихся в
организмах
травоядных
животных и в
растениях.
Растения синтезируют
белок, усваивая
содержащиеся
в почве азотистые
вещества, главным
образом неорганические.
Значительные
количества
азота поступают
в почву благодаря
азотфиксирующим
микроорганизмам,
способным
переводить
свободный азот
воздуха в соединения
азота.
В природе
осуществляется
круговорот
азота, главную
роль в котором
играют микроорганизмы
- нитрофицирующие,
денитрофицирующие,
азотфиксирующие
и др. Однако в
результате
извлечения
из почвы растениями
огромного
количества
связанного
азота ( особенно
при интенсивном
земледелии
) почвы оказываются
обедненными.
Дефицит азота
характерен
для земледелия
почти всех
стран, наблюдается
дефицит азота
и в животноводстве
( “белковое
голодание”
). На почвах, бедных
доступным
азотом, растения
плохо развиваются.
Хозяйственная
деятельность
человека нарушает
круговорот
азота. Так, сжигание
топлива обогащает
атмосферу
азотом, а заводы,
производящие
удобрения,
связывают азот
из воздуха.
Транспортировка
удобрений и
продуктов
сельского
хозяйства
перераспределяет
азот на поверхности
земли.
Азот
- четвертый по
распространенности
элемент Солнечной
системы ( после
водорода, гелия
и кислорода).
3.Атом и молекула.
Внешняя электронная
оболочка атома
азота состоит
из 5 электронов
( одной неподеленной
пары и трех
неспаренных
- конфигурация
2s22p3
). Чаще всего
азот в соединениях
3-ковалентен
за счет неспаренных
электронов
( как в аммиаке
NH3
). Наличие
неподеленной
пары электронов
может приводить
к образованию
еще одной ковалентной
связи, и азот
становится
4-ковалентным
( как в ионе аммония
NH4+
). Степени
окисления азота
меняются от
+5 ( в N2O5
) до
-3 ( в NH3
). В обычных условиях
в свободном
состоянии азот
образует молекулу
N2,
где атомы азота
связаны тремя
ковалентными
связями. Молекула
азота очень
устойчива:
энергия диссоциации
ее на атомы
составляет
942,9 кдж/моль, поэтому
даже при температуре
33000С
степень диссоциации
азота составляет
лишь около
0,1%.
4.Физические
и химические
свойства.
Азот немного
легче воздуха;
плотность
1,2506 кг/м3
( при 00С
и 101325 н/м2
или 760 мм. рт. ст.
), tпл-209,860С,
tкип-195,80С.
Азот сжижается
с трудом: его
критическая
температура
довольно низка
(-147,10С),
а критическое
давление высоко
3,39 Мн/м2
(34,6 кгс/см2);плотность
жидкого азота
808 кг/м3.
В воде азот
менее растворим,
чем кислород:
при 00С
в 1 м3
H2O
растворяется
23,3 г азота. Лучше,
чем в воде, азот
растворим в
некоторых
углеводородах.
Т
олько
с такими активными
металлами, как
литий, кальций,
магний, азот
взаимодействует
при нагревании
до сравнительно
невысоких
температур.
С большинством
других элементов
азот реагирует
при высокой
температуре
и в присутствии
катализаторов.
Хорошо изучены
соединения
азота с кислородом
N2O,
NO, N2O3,
NO2
и N2O5.
Из них при
непосредственном
взаимодействии
элементов (
40000С )
образуется
окись NO,
которая при
охлаждении
легко окисляется
далее до двуокиси
NO2.
В воздухе
окислы азота
образуются
при атмосферных
разрядах. Их
можно получить
также действием
на смесь азота
с кислородом
ионизирующих
излучений. При
растворении
в воде азотистого
N2O3
и азотного N2O5
ангидридов
соответственно
получаются
азотистая
кислота НNO2
и азотная
кислота НNO3,
образующие
соли - нитриты
и нитраты. С
водородом азот
соединяется
только при
высокой температуре
и в присутствии
катализаторов,
при этом образуется
аммиак NH3.
Кроме аммиака,
известны и
другие многочисленные
соединения
азота с водородом,
например гидразин
H2N-NH2,
диимид
HN-NH, азотистоводородная
кислота
HN3
(H-N=N=N), октазон
N8H14
и др.; большинство
соединений
азота с водородом
выделено только
в виде органических
производных.
С галогенами
азот непосредственно
не взаимодействует,
поэтому все
галогениды
азота получают
косвенным
путем, например
фтористый азот
NF3
- при взаимодействии
фтора с аммиаком.
Как правило,
галогениды
азота - малостойкие
соединения
( за исключением
NF3
); более устойчивы
оксигалогениды
азота - NOF,
NOCI, NOBr, NO2F
и NO2CI.
С серой
также не происходит
непосредственного
соединения
азота; азотистая
сера N4S4
получается
в результате
реакции жидкой
серы с аммиаком.
При взаимодействии
раскаленного
кокса с азотом
образуется
циан (СN)2.
Нагреванием
азота с ацетиленом
С2Н2
до 15000С
может быть
получен цианистый
водород HCN.
Взаимодействие
азота с металлами
при высоких
температурах
приводит к
образованию
нитридов (например,
Mg3N2
).
При
действии на
обычный азот
электрических
разрядов или
при разложении
нитридов бора,
титана, магния
и кальция, а
также при
электрических
разрядах в
воздухе может
образоваться
активный азот,
представляющий
собой смесь
молекул и атомов
азота, обладающих
повышенным
запасом энергии.
В отличие от
молекулярного,
активный азот
весьма энергично
взаимодействует
с кислородом,
водородом,
парами серы,
фосфором и
некоторыми
металлами.
Азот
входит в состав
очень многих
важнейших
органических
соединений
( амины, аминокислоты,
нитросоединения
и др. ).
5.Получение
и применение.
В лаборатории
азот легко
может быть
получен при
нагревании
концентрированного
нитрита аммония:
NH4NO2
N2 +
2H2O.
Технический
способ получения
азота основан
на разделении
предварительно
сжиженного
воздуха, который
затем подвергается
разгонке.
О
сновная
часть добываемого
свободного
азота используется
для промышленного
производства
аммиака, который
затем в значительных
количествах
перерабатывается
на азотную
кислоту, удобрения,
взрывчатые
вещества и т.
д. Помимо прямого
синтеза аммиака
из элементов,
промышленное
значение для
связывания
азота воздуха
имеет разработанный
в 1905 цианамидный
метод, основанный
на том, что при
10000С
карбид кальция
(получаемый
накаливанием
смеси известии
угля в электрической
печи) реагирует
со свободным
азотом: CaC2
+ N2
CaCN2
+ C. Образующийся
цианамид кальция
при действии
перегретого
водяного пара
разлагается
с выделением
аммиака: CaCN2
+ 3H2O
CaCO3 +
2NH3.
Cвободный
азот применяют
во многих отраслях
промышленности:
как инертную
среду при
разнообразных
химических
и металлургических
процессах, для
заполнения
свободного
пространства
в ртутных
термометрах,
при перекачке
горючих жидкостей
и т. д. Жидкий
азот находит
применение
в различных
холодильных
установках.
Его хранят и
транспортируют
в стальных
сосудах Дьюара,
газообразный
азот в сжатом
виде - в баллонах.
Широко применяют
многие соединения
азота. Производство
связанного
азота стало
усиленно развиваться
после 1-й мировой
войны и сейчас
достигло огромных
масштабов.
6. Азотная
кислота.
Чистая азотная
кислота HNO
—бесцветная
жидкость плотностью
1,51 г/см
при - 42 °С застывающая
в прозрачную
кристаллическую
массу. На воздухе
она, подобно
концентрированной
соляной кислоте,
«дымит», так
как пары ее
образуют с
'влагой воздуха
мелкие капельки
тумана,
Азотная
кислота не
отличается
прочностью,
Уже под влиянием
света она постепенно
разлагается:
Чем выше
температура
и чем концентрированнее
кислота, тем
быстрее идет
разложение.
Выделяющийся
диоксид азота
растворяется
в кислоте и
придает ей
бурую окраску.
Азотная
кислота принадлежит
к числу наиболее
сильных кислот;
в разбавленных
растворах она
полностью
распадается
на ионы Н
и- NO
.
7. Окислительные
свойства азотной
кислоты.
Характерным
свойством
азотной кислоты
является ее
ярко выраженная
окислительная
способность.
Азотная кислота—один
из энергичнейших
окислителей.
Многие неметаллы
легко окисляются
ею, превращаясь
в соответствующие
кислоты. Так,
сера при кипячении
с азотной кислотой
постепенно
окисляется
в серную кислоту,
фосфор — в фосфорную.
Тлеющий уголек,
погруженный
в концентрированную
HNO
,
ярко разгорается.
Азотная
кислота действует
почти на все
металлы (за
исключением
золота, платины,
тантала, родия,
иридия), превращая
их в нитраты,
а некоторые
металлы—в
оксиды.
Концентрированная
HNO
пассивирует
некоторые
металлы. Еще
Ломоносов
открыл, что
железо, легко
растворяющееся
в разбавленной
азотной кислоте,
не растворяется
в холодной
концентрированной
HNO
.
Позже было
установлено,
что аналогичное
действие азотная
кислота оказывает
на хром и алюминий.
Эти металлы
переходят под
действием
концентрированной
азотной кислоты
в пассивное
состояние.
Степень
окисленности
азота в азотной
кислоте равна
4-5. Выступая в
качестве окислителя,
НNО
может восстанавливаться
до различных
продуктов:
Какое из этих
веществ образуется,
т. е. насколько
глубоко восстанавливается
азотная кислота
в том или ином
случае, зависит
от природы
восстановителя
и от условий
реакции, прежде
всего от концентрации
кислоты. Чем
выше концентрации
HNO
,
тем менее глубоко
она восстанавливается.
При реакциях
с концентрированной
кислотой чаще
всего выделяется
.
При взаимодействии
разбавленной
азотной кислоты
с малоактивными
металлами,
например, с
медью, выделяется
NO. В случае
более активных
металлов —
железа, цинка,
— образуется
.
Сильно разбавленная
азотная кислота
взаимодействует
с активными
металлами—--цинком,
магнием, алюминием—с
образованием
иона аммония,
дающего с
кислотой нитрат
аммония. Обычно
одновременно
образуются
несколько
продуктов.
Для
иллюстрации
приведем схемы
реакций окисления
некоторых
металлов азотной
кислотой;
При действии
азотной кислоты
на металлы
водород, как
правило, не
выделяется.
При
окислении
неметаллов
концентрированная
азотная кислота,
как и в случае
металлов,
восстанавливается
до
,
например
Более
разбавленная
кислота обычно
восстанавливается
до NO, например:
Приведенные
схемы иллюстрируют
наиболее типичные
случаи взаимодействия
азотной кислоты
с металлами
и неметаллами.
Вообще же,
окислительно-восстановительные
реакции, идущие
с участием
,
протекают
сложно.
Смесь, состоящая
из 1 объема азотной
и 3—4 объемов
концентрированной
соляной кислоты,
называется
царской
водкой.
Царская водка
растворяет
некоторые
металлы, не
взаимодействующие
с азотной кислотой,
в том числе и
«царя металлов»—золото.
Действие ее
объясняется
тем, что азотная
кислота окисляет
соляную с выделением
свободного
хлора и образованием
хлороксида
азота(III), или
хлорида
нитрозила,
:
Хлорид нитрозила
является
промежуточным
продуктом
реакции и
разлагается:
Хлор в момент
выделения
состоит из
атомов, что и
обусловливает
высокую окислительную
способность
царской водки.
Реакции окисления
золота и платины
протекают в
основном согласно
следующим
уравнениям.
С
избытком соляной
кислоты хлорид
золота(III) и хлорид
платины (IV) образуют
комплексные
соединения
На многие
органические
вещества азотная
кислота действует
так, что один
или несколько
атомов водорода
в молекуле
органического
соединения
замещаются
нитрогруппами
.
Этот процесс
называется
нитрованием
и имеет большое
значение в
органической
химии.
Азотная
кислота — одно
из важнейших
соединений
азота: в больших
количествах
она расходуется
в производстве,
азотных удобрений,
взрывчатых
веществ и
органических
красителей,
служит окислителем
во многих химических
процессах,
используется
в производстве
серной кислоты
по нитрозному
способу, применяется
для изготовления
целлюлозных
лаков, кинопленки.
7. Нитраты.
Соли азотной
кислоты называются
нитратами. Все
они хорошо
растворяются
в воде, а при
нагревании
разлагаются
с выделением
кислорода. При
этом нитраты
наиболее активных
металлов переходят
в нитриты:
Нитраты
большинства
остальных
металлов при
нагревании
распадаются
на оксид металла,
кислород и
диоксид азота.
Например:
Наконец,
нитраты наименее
активных металлов
(например, серебра,
золота) разлагаются
при нагревании
до свободного
металла:
Легко отщепляя
кислород, нитраты
при высокой
температуре
являются энергичными
окислителями.
Их водные растворы,
напротив, почти
не проявляют
окислительных
свойств.
Наиболее
важное значение
имеют нитраты
натрия, калия,
аммония и
кальция, которые
на практике
называются
селитрами.
Нитрат натрия
или
натриевая
селитра, иногда
называемая
также чилийской
селитрой, встречается
в большом
количестве
в природе только
в Чили.
Нитрат калия
,
или калийная
селитра,
в небольших
количествах
также встречается
в природе, но
главным образом
получается
искусственно
при взаимодействии
нитрата натрия
с хлоридом
калия.
Обе эти соли
используются
в качестве
удобрений,
причем нитрат
калия содержит
два необходимых
растениям
элемента: азот
и калий. Нитраты
натрия и калия
применяются
также при
стекловарении
и в пищевой
промышленности
для консервирования
продуктов.
Нитрат
кальция
или
кальциевая
селитра,
получается
в больших количествах
нейтрализацией
азотной кислоты
известью; применяется
как удобрение.
8. Промышленное
получение
азотной кислоты.
Современные
промышленные
способы получения
азотной кислоты
основаны на
каталитическом
окислении
аммиака кислородом
воздуха. При«
описании свойств
аммиака было
указано, что
он горит в кислороде,
причём продуктами
реакции являются
вода и свободный
азот. Но в присутствии
катализаторов
- окисление
аммиака кислородом
может протекать
иначе. Если
пропускать
смесь аммиака
с воздухом над
катализатором,
то при 750 °С и
определенном
составе смеси
происходит
почти полное
превращение
Образовавшийся
легко переходит
в
,
который с водой
в присутствии
кислорода
воздуха дает
азотную кислоту.
В качестве
катализаторов
при окислении
аммиака используют
сплавы на основе
платины.
Получаемая
окислением
аммиака азотная
кислота имеет
концентрацию,
не превышающую
60%. При необходимости
ее концентрируют,
Промышленностью
выпускается
разбавленная
азотная кислота
концентрацией
55, 47 и 45%, а концентрированная—98
и 97%, Концентрированную
кислоту перевозят
в алюминиевых
цистернах,
разбавленную
— в цистернах
из кислотоупорной
стали.
9. Круговорот
азота в природе.
При гниении
органических
веществ значительная
часть содержащегося
в них азота
превращается
в аммиак, который
под влиянием
живущих в почве
нитрифицирующих
бактерий окисляется
затем в азотную
кислоту. Последняя,
вступая в реакцию
с находящимися
в почве карбонатами,
например с
карбонатом
кальция
,
образует нитраты:
Некоторая
же часть азота
всегда выделяется
при гниении
в свободном
виде в атмосферу.
Свободный азот
выделяется
также при горении
органических
веществ, при
сжигании дров,
каменного угля,
торфа. Кроме
того, существуют
бактерии, которые
при недостаточном
доступе воздуха
могут отнимать
кислород от
нитратов, разрушая
их с выделением
свободного
азота. Деятельность
этих денитрифицирующих
бактерий приводит
к тому, что часть
азота из доступной
для зеленых
растений формы
(нитраты) переходит
в недоступную
(свободный
азот). Таким
образом, далеко
не весь азот,
входивший в
состав погибших
растений,
возвращается
обратно в почву;
часть его постепенно
выделяется
в свободном
виде.
Непрерывная
убыль минеральных
азотных соединений
давно должна
была бы привести
к полному прекращению
жизни на Земле,
если бы в природе
не существовали
процессы,
возмещающие
потери азота.
К таким процессам
относятся
прежде всего
происходящие
в атмосфере
электрические
разряды, при
которых всегда
образуется
некоторое
количество
оксидов азота;
последние с
водой дают
азотную кислоту,
превращающуюся
в почве в нитраты.
'Другим источником
пополнения
азотных соединений
почвы является
жизнедеятельность
так называемых
азотобактерий,
способных
усваивать
атмосферный
азот. Некоторые
из этих бактерий
|