Азот

Азот, ₇ Н

Жидкий азот (N 2 при температуре ниже −196 °C )
Азот
Аллотропы	см . § Аллотропы
Появление	бесцветный газ, жидкость или твердое вещество
Стандартный атомный вес А р °(Н)
	[ 14.006 43 ,  14.007 28 ] 14,007 ± 0,001 ( сокращенно )
Азот в таблице Менделеева
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор сера хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Полагать Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Париж Гафний Тантал вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (стихия) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептун Плутоний Америций Курий Берклиум Калифорния Эйнштейний Фермий Менделеев Благородный Лоуренсий Резерфордий Дубниум Сиборгий борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперник нихоний Флеровий Московий Ливерморий Теннессин Оганессон – ↑ Н ↓ П углерод ← азот → кислород
Атомный номер ( Z )	7
Группа	группа 15 (пниктогены)
Период	период 2
Блокировать	p-блок
Электронная конфигурация	[ Он ] 2с 2 2р 3
Электроны на оболочку	2, 5
Физические свойства
Фаза в СТП	газ
Температура плавления	(Н 2 ) 63,23  К (-209,86 °С, −345,75 °Ф)
Точка кипения	(N 2 ) 77,355 К (-195,795 °С, -320,431 °F)
Плотность (при СТП)	1,2506 г/л при 0 °С, 1013 мбар
в жидком состоянии (при температуре кипения )	0,808 г/см 3
Тройная точка	63151 К, 12,52 кПа
Критическая точка	126,21 К, 3,39 МПа
Теплота плавления	(N 2 ) 0,72 кДж/моль
Теплота испарения	(N 2 ) 5,57 кДж/моль
Молярная теплоемкость	(N 2 ) 29,124 Дж/(моль·К)
Давление пара П   (Па) 1 10 100 1 тыс. 10 тысяч 100 тыс. при Т   (К) 37 41 46 53 62 77
Атомные свойства
Стадии окисления	−3 , −2, −1, 0, +1, +2, +3 , +4, +5 (сильнокислотный оксид )
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 3,04.
Энергии ионизации	1-й: 1402,3 кДж/моль 2-й: 2856 кДж/моль 3-й: 4578,1 кДж/моль ( более )
Ковалентный радиус	71±13: 00
Радиус Ван-дер-Ваальса	155 вечера
Спектральные линии азота
Другие объекты недвижимости
Естественное явление	первобытный
Кристаллическая структура	шестиугольный ( hP4 )
Константы решетки	а = 16:11,6 c = 673,4 вечера (при tp )
Теплопроводность	25.83×10 −3 Вт/(м⋅К)
Магнитный заказ	диамагнитный
Скорость звука	353 м/с (газ, при 27 °C)
Номер CAS	17778-88-0 7727-37-9 (Н 2 )
История
Открытие	Дэниел Резерфорд (1772)
Названо	Жан-Антуан Шапталь (1790)
Изотопы азота
Основные изотопы Разлагаться abun­dance период полураспада ( т 1/2 ) режим pro­duct 13 Н след 9,965 мин. б + 13 С 14 Н 99.6% стабильный 15 Н 0.4% стабильный 16 Н синтезатор 7,13 с б − 16 ТО б − α <0,01% 12 С

Азот – химический элемент ; он имеет символ N и атомный номер 7. Азот — неметалл и самый легкий член группы 15 таблицы Менделеева , часто называемый пниктогенами . Это распространенный элемент во Вселенной , занимающий седьмое место по общему распространению в Млечном Пути и Солнечной системе . При стандартных температуре и давлении два атома элемента связываются с образованием N ₂ без цвета и запаха , двухатомного газа . N ₂ составляет около 78% атмосферы Земли , что делает его наиболее распространенным химическим веществом в воздухе. Из-за летучести соединений азота азот относительно редко встречается в твердых частях Земли.

Впервые он был обнаружен и выделен шотландским врачом Дэниелом Резерфордом в 1772 году и независимо Карлом Вильгельмом Шееле и Генри Кавендишем примерно в то же время. Название нитроген было предложено французским химиком Жаном-Антуаном-Клодом Шапталем в 1790 году, когда было обнаружено, что азот присутствует в азотной кислоте и нитратах . Антуан Лавуазье предложил вместо этого название «азот » от древнегреческого : ἀζωτικός «нет жизни», так как это удушающий газ ; это имя используется во многих языках и появляется в английских названиях некоторых соединений азота, таких как гидразин , азиды и азосоединения .

Элементарный азот обычно получают из воздуха с помощью технологии адсорбции при переменном давлении . Около 2/3 коммерчески производимого элементарного азота используется в качестве инертного (бескислородного) газа для коммерческих целей, таких как упаковка пищевых продуктов, а большая часть остального используется в виде жидкого азота в криогенных приложениях. Многие промышленно важные соединения, такие как аммиак , азотная кислота, органические нитраты ( горячие и взрывчатые вещества ), цианиды , содержат азот. Чрезвычайно прочная тройная связь в элементарном азоте (N≡N), вторая по силе связь в любой двухатомной молекуле после оксида углерода (CO). доминирует в химии азота. Это создает трудности как для организмов, так и для промышленности в преобразовании N ₂ в полезные соединения , но в то же время это означает, что сжигание, взрыв или разложение соединений азота с образованием газообразного азота высвобождает большое количество часто полезной энергии. Синтетически производимые аммиак и нитраты являются ключевыми промышленными удобрениями , а нитраты удобрений являются ключевыми загрязнителями при эвтрофикации водных систем. Помимо использования в удобрениях и хранилищах энергии, азот входит в состав таких разнообразных органических соединений, как арамиды, используемые в высокопрочных тканях, и цианоакрилат, используемый в суперклее .

Азот встречается во всех организмах, прежде всего в аминокислотах (и, следовательно, в белках ), в нуклеиновых кислотах ( ДНК и РНК ) и в молекуле-переносчике энергии аденозинтрифосфате . В организме человека содержится около 3% азота по массе, это четвертый по распространенности элемент в организме после кислорода, углерода и водорода. Азотный цикл описывает движение элемента из воздуха в биосферу и органические соединения, а затем обратно в атмосферу. Азот входит в состав каждого основного класса фармакологических препаратов, включая антибиотики . Многие лекарства являются имитаторами или пролекарствами природных азотсодержащих сигнальных молекул : например, органические нитраты нитроглицерин и нитропруссид контролируют кровяное давление путем метаболизма в оксид азота . Многие известные азотсодержащие препараты, такие как природный кофеин и морфин или синтетические амфетамины животных , действуют на рецепторы нейротрансмиттеров .

История

Дэниел Резерфорд , первооткрыватель азота

Соединения азота имеют очень долгую историю: хлорид аммония был известен еще Геродоту . Они были известны еще в средние века. Алхимики знали азотную кислоту как aqua fortis (крепкая вода), а также другие соединения азота, такие как соли аммония и нитраты . Смесь азотной и соляной кислот была известна как царская водка (царская вода) и славилась своей способностью растворять золото , короля металлов.

Открытие азота приписывается шотландскому врачу Дэниелу Резерфорду в 1772 году, который назвал его вредным воздухом . Хотя он и не признавал в нем совершенно другое химическое вещество, он четко отличал его от «неподвижного воздуха» Джозефа Блэка , или углекислого газа. Тот факт, что в воздухе имеется компонент, не поддерживающий горение, был ясен Резерфорду, хотя он и не подозревал, что это элемент. Азот примерно в то же время изучал Карл Вильгельм Шееле . Генри Кавендиш , и Джозеф Пристли , который называл его сожженным воздухом или флогистифицированным воздухом . Французский химик Антуан Лавуазье называл азот « токсичным воздухом » или азотом , от греческого слова άζωτικός (azotikos), «нет жизни», поскольку он удушающий . В атмосфере чистого азота погибли животные и потушилось пламя. Хотя имя Лавуазье не было принято в английском языке, поскольку было указано, что все газы, кроме кислорода, либо удушливы, либо откровенно токсичны, оно используется во многих языках (французском, итальянском, португальском, польском, русском, албанском, турецком и т. д.; Немецкий Stickstoff аналогичным образом относится к той же характеристике, а именно ersticken «задушить или удушить») и до сих пор остается в английском языке в общих названиях многих соединений азота, таких как гидразин и соединения азид - иона. Наконец, это привело к названию « пниктогенами », от греческого πνίγειν «душить». группы, возглавляемой азотом,

Английское слово азот (1794 г.) вошло в язык от французского nitrogène , придуманного в 1790 г. французским химиком Жаном-Антуаном Шапталем (1756–1832). от французского селитры ( нитрат калия , также называемый селитрой ) и французского суффикса -gène , «производящий», от греческого -γενής (-гены, «рожденный»). Смысл Шапталя заключался в том, что азот является неотъемлемой частью азотной кислоты , которая, в свою очередь, вырабатывается из селитры . Раньше селитру путали с египетским «натроном» ( карбонатом натрия ), который по-гречески назывался νίτρον (нитрон), который, несмотря на название, не содержал нитратов.

Самые ранние военные, промышленные и сельскохозяйственные применения соединений азота использовали селитру ( нитрат натрия или нитрат калия), особенно в порохе , а затем в качестве удобрения . В 1910 году лорд Рэлей обнаружил, что электрический разряд в газообразном азоте производит «активный азот», одноатомный аллотроп азота. «Вращающееся облако ярко-желтого света», создаваемое его аппаратом, вступало в реакцию с ртутью , образуя взрывоопасный нитрид ртути .

Долгое время источники соединений азота были ограничены. Природные источники возникли либо из биологии, либо из отложений нитратов, образующихся в результате атмосферных реакций. Фиксация азота с помощью промышленных процессов, таких как процесс Франка-Каро (1895–1899) и процесс Габера-Боша (1908–1913), облегчила эту нехватку соединений азота до такой степени, что половина мирового производства продуктов питания теперь зависит от синтетических азотных удобрений. В то же время использование процесса Оствальда (1902) для получения нитратов путем промышленной азотфиксации позволило широкомасштабно производить нитраты в промышленных масштабах в качестве сырья при производстве взрывчатых веществ в мировых войнах 20 века.

Характеристики

Атомный

Формы пяти орбиталей, занимаемых азотом. Два цвета показывают фазу или знак волновой функции в каждой области. Слева направо: 1s, 2s (в разрезе, чтобы показать внутреннюю структуру), 2p _x , 2p _y , 2p _z .

Атом азота имеет семь электронов. В основном состоянии они расположены в электронной конфигурации 1s ²
2 с ²
2р ¹
_х 2п ¹
_y 2 р ¹
_з . Следовательно, он имеет пять валентных электронов на 2s- и 2p-орбиталях, три из которых (p-электроны) неспарены. Он имеет одну из самых высоких электроотрицательностей среди элементов (3,04 по шкале Полинга), уступая только хлору (3,16), кислороду (3,44) и фтору (3,98). (Легкие благородные газы — гелий , неон и аргон — предположительно также будут более электроотрицательными и фактически находятся на шкале Аллена.) одинарной связи Следуя периодическим тенденциям, его ковалентный радиус 71 пм меньше, чем у бора (84 пм) и углерода (76 пм), но больше, чем у кислорода (66 пм) и фтора (57 пм). Нитрид - анион, N ³⁻ , намного больше в 146 пм, как и у оксида ( O ²⁻ : 140 вечера) и фторид (F ⁻ : 133 ч) анионы. Первые три энергии ионизации азота составляют 1,402, 2,856 и 4,577 МДж·моль. ⁻¹ , а сумма четвертого и пятого равна 16,920 МДж·моль. ⁻¹ . Из-за этих очень высоких цифр азот не имеет простой катионной химии. Отсутствие радиальных узлов в подоболочке 2p напрямую отвечает за многие аномальные свойства первого ряда p-блока , особенно в отношении азота, кислорода и фтора. Подоболочка 2p очень мала и имеет очень похожий радиус с оболочкой 2s, что способствует орбитальной гибридизации . Это также приводит к очень большим электростатическим силам притяжения между ядром и валентными электронами в 2s- и 2p-оболочках, что приводит к очень высокой электроотрицательности. Гипервалентность почти неизвестна в 2p-элементах по той же причине, потому что из-за высокой электроотрицательности маленькому атому азота трудно быть центральным атомом в богатой электронами трехцентровой четырехэлектронной связи, поскольку он будет иметь тенденцию притягивать электроны. сильно про себя. Таким образом, несмотря на положение азота во главе 15-й группы периодической таблицы, его химический состав сильно отличается от химического состава его более тяжелых собратьев: фосфора , мышьяка , сурьмы и висмута .

Азот можно с пользой сравнить с его горизонтальными соседями, углеродом и кислородом, а также с его вертикальными соседями в столбце пниктогена: фосфором, мышьяком, сурьмой и висмутом. Хотя каждый элемент периода 2, от лития до кислорода, демонстрирует некоторое сходство с элементом периода 3 в следующей группе (от магния до хлора; это известно как диагональные отношения ), их степень резко падает за парой бор-кремний. Сходство азота с серой в основном ограничивается кольцевыми соединениями нитрида серы, когда присутствуют только оба элемента.

Азот не разделяет склонности углерода к катенации . Как и углерод, азот имеет тенденцию образовывать ионные или металлические соединения с металлами. Азот образует с углеродом обширный ряд нитридов, в том числе с цепочечной, графитовой и фуллереноподобной структурой.

Он напоминает кислород своей высокой электроотрицательностью и сопутствующей способностью образовывать водородные связи , а также способностью образовывать координационные комплексы , отдавая свои неподеленные пары электронов. Есть некоторые параллели между химией аммиака NH ₃ и воды H ₂ O. Например, способность обоих соединений протонироваться с образованием NH ₄ ⁺ и Н ₃ О ⁺ или депротонирован с образованием NH ₂ ⁻ и ох ⁻ , причем все они могут быть выделены в твердые соединения.

Азот, как и оба его горизонтальных соседа, предпочитает образовывать множественные связи, обычно с атомами углерода, кислорода или других атомов азота, посредством pπ _–pπ - _{взаимодействий} . Так, например, азот встречается в виде двухатомных молекул и поэтому имеет гораздо более низкие температуры плавления (-210 °C) и кипения (-196 °C), чем остальная часть его группы, поскольку молекулы N ₂ удерживаются вместе только слабыми взаимодействия Ван-дер-Ваальса , и существует очень мало электронов, способных создать значительные мгновенные диполи. Это невозможно для его вертикальных соседей; так, оксиды азота , нитриты , нитраты , нитро- , нитрозо- , азо- и диазо -соединения, азиды , цианаты , тиоцианаты и иминопроизводные не находят отклика с фосфором, мышьяком, сурьмой и висмутом. Однако по той же причине сложность оксокислот фосфора не находит отклика в азоте. Если отбросить различия, азот и фосфор образуют друг с другом обширный ряд соединений; они имеют цепную, кольцевую и клеточную структуру.

Таблица теплофизических свойств азота (N ₂ ) при атмосферном давлении:

Температура (К)	Плотность (кг·м −3 )	Удельная теплоемкость (кДж кг −1 °С −1 )	Динамическая вязкость (кг·м −1 с −1 )	Кинематическая вязкость (м 2 с −1 )	Теплопроводность (Вт·м −1 °С −1 )	Температуропроводность (м 2 с −1 )	показывать Число Прандтля
100	3.4388	1.07	6.88×10−6	2.00×10−6	0.00958	2.60×10−6	0.768
150	2.2594	1.05	1.01×10−5	4.45×10−6	0.0139	5.86×10−6	0.759
200	1.7108	1.0429	1.29×10−5	7.57×10−6	0.01824	1.02×10−5	0.747
300	1.1421	1.0408	1.78×10−5	1.56×10−5	0.0262	2.20×10−5	0.713
400	0.8538	1.0459	2.20×10−5	2.57×10−5	0.03335	3.73×10−5	0.691
500	0.6824	1.0555	2.57×10−5	3.77×10−5	0.03984	5.53×10−5	0.684
600	0.5687	1.0756	2.91×10−5	5.12×10−5	0.0458	7.49×10−5	0.686
700	0.4934	1.0969	3.21×10−5	6.67×10−5	0.05123	9.47×10−5	0.691
800	0.4277	1.1225	3.48×10−5	8.15×10−5	0.05609	1.17×10−4	0.7
900	0.3796	1.1464	3.75×10−5	9.11×10−5	0.0607	1.39×10−4	0.711
1000	0.3412	1.1677	4.00×10−5	1.19×10−4	0.06475	1.63×10−4	0.724
1100	0.3108	1.1857	4.23×10−5	1.36×10−4	0.0685	1.86×10−4	0.736
1200	0.2851	1.2037	4.45×10−5	1.56×10−4	0.07184	2.09×10−4	0.748
1300	0.2591	1.219	4.66×10−5	1.80×10−4	0.081	2.56×10−4	0.701

изотопы

Основная статья: Изотопы азота

Таблица нуклидов (диаграмма Сегре) от углерода до фтора (включая азот). Оранжевый цвет указывает на выброс протонов (нуклиды за пределами линии стекания протонов); розовый — испускание позитронов (обратный бета-распад); черный для стабильных нуклидов; синий — эмиссия электронов (бета-распад); и фиолетовый — эмиссия нейтронов (нуклиды вне линии капель нейтронов). Число протонов увеличивается вверх по вертикальной оси, а число нейтронов — вправо по горизонтальной оси.

Азот имеет два стабильных изотопа : ¹⁴ Н и ¹⁵ Н. Первый встречается гораздо чаще, составляя 99,634% природного азота, а второй (который немного тяжелее) составляет оставшиеся 0,366%. Это приводит к атомному весу около 14,007 ед. Оба этих стабильных изотопа производятся в цикле CNO в звездах , но ¹⁴ N встречается чаще, поскольку захват его протона является стадией, лимитирующей скорость. ¹⁴ N — один из пяти стабильных нечетно-нечетных нуклидов (нуклид, имеющий нечетное число протонов и нейтронов); остальные четыре ² Х , ⁶ Что, ¹⁰ Группа ^{180 м} Облицовка.

Относительное обилие ¹⁴ Н и ¹⁵ N практически постоянен в атмосфере, но может меняться в других местах из-за естественного фракционирования изотопов в результате биологических окислительно-восстановительных реакций и испарения природного аммиака или азотной кислоты . Биологически опосредованные реакции (например, ассимиляция , нитрификация и денитрификация ) сильно контролируют динамику азота в почве. Эти реакции обычно приводят к ¹⁵ Обогащение субстрата азотом и обеднение продукта .

Тяжелый изотоп ¹⁵ N был впервые открыт С.М. Науде в 1929 г., а вскоре после этого были открыты тяжелые изотопы соседних элементов — кислорода и углерода . Он имеет одно из самых низких сечений захвата тепловых нейтронов среди всех изотопов. Он часто используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для определения структуры азотсодержащих молекул из-за его дробного ядерного спина , равного половине, что дает преимущества для ЯМР, такие как более узкая ширина линии. ¹⁴ N, хотя и теоретически пригоден для использования, имеет целочисленный ядерный спин, равный единице, и, следовательно, имеет квадрупольный момент , который приводит к более широким и менее полезным спектрам. ¹⁵ Тем не менее, N-ЯМР имеет осложнения, не встречающиеся при более распространенных методах. ¹ Рука ¹³ Спектроскопия ЯМР 1С. Низкая естественная численность ¹⁵ N (0,36%) значительно снижает чувствительность, проблема, которая только усугубляется его низким гиромагнитным отношением (всего 10,14% от ¹ ЧАС). В результате отношение сигнал/шум для ¹ H примерно в 300 раз больше, чем для ¹⁵ N при той же напряженности магнитного поля. Это может быть несколько смягчено изотопным обогащением ¹⁵ N путем химического обмена или фракционной перегонки. ¹⁵ Преимущество N-обогащенных соединений состоит в том, что в стандартных условиях они не подвергаются химическому обмену атомов азота с атмосферным азотом, в отличие от соединений с мечеными изотопами водорода , углерода и кислорода, которые необходимо хранить вдали от атмосферы. ¹⁵ Н: ¹⁴ Отношение N обычно используется в анализе стабильных изотопов в области геохимии , гидрологии , палеоклиматологии и палеоокеанографии , где оно называется δ. ¹⁵ Н. ​

Из тринадцати других изотопов, полученных синтетическим путем, от ⁹ Н к ²³ Н, ¹³ N Период полураспада составляет десять минут, а период полураспада остальных изотопов составляет менее восьми секунд. Учитывая разницу в периоде полураспада, ¹³ N является наиболее важным радиоизотопом азота, он относительно долгоживущий, чтобы его можно было использовать в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), хотя период его полураспада все еще короток, и поэтому его необходимо производить на месте проведения ПЭТ, например, в циклотроне. за счет протонной бомбардировки ¹⁶ О производство ¹³ N и альфа-частица .

Радиоизотоп ​ ¹⁶ N является преобладающим радионуклидом в теплоносителе водо-водяных реакторов или реакторов с кипящей водой при нормальной эксплуатации. Он производится из ¹⁶ O (в воде) посредством реакции (n,p) , в которой ¹⁶ Атом О захватывает нейтрон и выбрасывает протон. Он имеет короткий период полураспада около 7,1 с. но его распад возвращается к ¹⁶ высокой энергии O производит гамма-излучение (от 5 до 7 МэВ). По этой причине доступ к трубопроводу первого контура теплоносителя в реакторе с водой под давлением должен быть ограничен во время работы реактора на мощности. Это чувствительный и немедленный индикатор утечек из системы теплоносителя первого контура во вторичный паровой цикл, а также основное средство обнаружения таких утечек.

Аллотропы

Смотрите также: Твердый азот

Молекулярно-орбитальная диаграмма молекулы азота N ₂ . Существует пять связывающих орбиталей и две разрыхляющие орбитали (отмечены звездочкой; орбитали, включающие внутренние 1s-электроны, не показаны), что дает общий порядок связи, равный трем.

Атомарный азот, также известный как активный азот, обладает высокой реакционной способностью и представляет собой трирадикал с тремя неспаренными электронами. Свободные атомы азота легко вступают в реакцию с большинством элементов с образованием нитридов, и даже когда два свободных атома азота сталкиваются с образованием возбужденной молекулы N ₂ , они могут высвободить столько энергии при столкновении даже с такими стабильными молекулами, как углекислый газ и вода , что вызовет гомолитическое деление. на радикалы, такие как CO и O или OH и H. Атомный азот получают путем пропускания электрического разряда через газообразный азот при давлении 0,1–2 мм рт. ст., в результате чего образуется атомарный азот вместе с персиково-желтым излучением, которое медленно затухает в виде послесвечения в течение нескольких минут. даже после прекращения разряда.

Учитывая большую реакционную способность атомарного азота, элементарный азот обычно встречается в виде молекулярного N ₂ , динитрогена. газ без цвета, запаха и вкуса Эта молекула представляет собой диамагнитный при стандартных условиях: плавится при -210 °С и кипит при -196 °С. Динитрог в основном нереакционноспособен при комнатной температуре, но, тем не менее, он будет реагировать с металлическим литием и некоторыми комплексами переходных металлов . Это связано с его связью, которая уникальна среди двухатомных элементов в стандартных условиях, поскольку имеет тройную связь N≡N . Тройные связи имеют короткую длину связи (в данном случае 109,76 пм) и высокую энергию диссоциации (в данном случае 945,41 кДж/моль) и, таким образом, очень прочные, что объясняет низкий уровень химической реакционной способности динитрогена.

другие олигомеры Возможны и полимеры азота. Если бы их можно было синтезировать, они могли бы найти потенциальное применение в качестве материалов с очень высокой плотностью энергии, которые можно было бы использовать в качестве мощного топлива или взрывчатых веществ. Под чрезвычайно высоким давлением (1,1 миллиона атм ) и высокими температурами (2000 К), возникающими в ячейке с алмазными наковальнями кристаллической структуры с одинарной связью , азот полимеризуется с образованием кубической . Эта структура похожа на структуру алмаза , и оба имеют чрезвычайно прочные ковалентные связи , в результате чего его прозвали «азотным алмазом».

Твердый азот на равнинах Sputnik Planitia (в правом нижнем углу изображения) на Плутоне рядом с горами из водяного льда (в левом верхнем углу изображения)

При атмосферном давлении молекулярный азот конденсируется ( сжижается ) при 77 К (-195,79 ° С ) и замерзает при 63 К (-210,01 °С). в бета- гексагональную плотноупакованную кристаллическую аллотропную форму. Ниже 35,4 К (-237,6 ° C) азот принимает кубическую кристаллическую аллотропную форму (называемую альфа-фазой). Жидкий азот — бесцветная жидкость, по внешнему виду напоминающая воду, но плотностью 80,8 % (плотность жидкого азота при температуре кипения 0,808 г/мл) — обычный криоген . Твердый азот имеет множество кристаллических модификаций. Он образует значительное динамическое покрытие поверхности Плутона. и внешние спутники Солнечной системы, такие как Тритон . Даже при низких температурах твердого азота он довольно летуч и может возгоняться , образуя атмосферу, или конденсироваться обратно в азотный иней. Он очень слаб и течет в виде ледников, а на Тритоне гейзеры азотного газа исходят из области полярных льдов.

Химия и соединения

Динитрогенные комплексы

Основная статья: Динитрогенный комплекс

Структура [Ru(NH ₃ ) ₅ (N ₂ )] ²⁺ ( пентаамин (динитроген) рутений (II) ), первый открытый динитрогенный комплекс.

Первым примером азотистого комплекса открытого _{был [Ru(NH 3} ) ₅ (N ₂ )] ²⁺ (см. рисунок справа), и вскоре было обнаружено множество других подобных комплексов. Эти комплексы , в которых молекула азота отдает по крайней мере одну неподеленную пару электронов центральному катиону металла, иллюстрируют, как N ₂ может связываться с металлом(ами) в нитрогеназе и катализаторе процесса Габера : эти процессы, включающие активацию динитрога, жизненно важно в биологии и производстве удобрений.

Динитроген способен координироваться с металлами пятью различными способами. Более хорошо охарактеризованными способами являются конечные M ←N≡N ( η ¹ ) и M ←N≡N→M ( µ , bis- n ¹ ), в котором неподеленные пары атомов азота отдаются катиону металла. Менее хорошо изученные пути включают пары электронов, отдающих азот из тройной связи, либо в качестве мостикового лиганда к двум катионам металлов ( μ , бис- η). ² ) или хотя бы одному ( η ² ). Пятый и уникальный метод включает тройную координацию в качестве мостикового лиганда, отдавая все три пары электронов тройной связи ( μ ₃ -N ₂ ). Некоторые комплексы содержат несколько лигандов N ₂ , а в некоторых N ₂ связан разными способами. Поскольку N ₂ изоэлектронен монооксиду углерода (СО) и ацетилену (C ₂ H ₂ ), связь в диазотистых комплексах тесно связана со связью в карбонильных соединениях, хотя N ₂ является более слабым σ -донором и π -акцептором, чем CO. Теоретические исследования показывают, что σ- донорство является более важным фактором, позволяющим образовать связь M–N, чем π- обратное донорство, которое в большинстве случаев только ослабляет связь N–N, и концевое ( η ¹ ) донорство осуществить легче, чем боковое ( η ² ) пожертвование.

Сегодня диазотистые комплексы известны практически для всех переходных металлов , насчитывая несколько сотен соединений. Обычно их готовят тремя способами:

1. Замена лабильных лигандов, таких как H ₂ O , H ⁻ , или CO непосредственно азотом: это часто обратимые реакции, протекающие в мягких условиях.
2. Восстановление металлокомплексов в присутствии избытка подходящего колиганда в атмосфере газообразного азота. Обычный выбор включает замену хлоридных лигандов диметилфенилфосфином (PMe ₂ Ph), чтобы компенсировать меньшее количество азотных лигандов, присоединенных к исходным хлорным лигандам.
3. Преобразование лиганда со связями N–N, такого как гидразин или азид, непосредственно в динитрогенный лиганд.

Иногда связь N≡N может образовываться непосредственно внутри металлокомплекса, например, путем непосредственной реакции координированного аммиака (NH ₃ ) с азотистой кислотой (HNO ₂ ), но это обычно не применимо. Большинство динитрогенных комплексов имеют цвета в диапазоне бело-желтый-оранжевый-красно-коричневый; известно несколько исключений, таких как синий [{Ti( η ⁵ -C ₅ H ₅ ) ₂ } ₂ -(N ₂ )].

Нитриды, азиды и нитридокомплексы

Азот связывается почти со всеми элементами таблицы Менделеева, за исключением первых двух благородных газов , гелия и неона , а также некоторых очень короткоживущих элементов после висмута , создавая огромное разнообразие бинарных соединений с различными свойствами и применением. Известны многие бинарные соединения: за исключением гидридов, оксидов и фторидов азота, их обычно называют нитридами . Для большинства элементов обычно присутствует множество стехиометрических фаз (например, MnN, Mn ₆ N ₅ , Mn ₃ N ₂ , Mn ₂ N, Mn ₄ N и Mn _x N для 9,2 < x < 25,3). Их можно классифицировать как «солеподобные» (в основном ионные), ковалентные, «алмазоподобные» и металлические (или межузельные ), хотя эта классификация имеет ограничения, обычно вытекающие из непрерывности типов связи вместо дискретных и отдельных типов. что это подразумевает. Их обычно получают путем прямой реакции металла с азотом или аммиаком (иногда после нагревания) или путем термического разложения амидов металлов:

3 Са + N ₂ → Са ₃ N ₂

3 Mg + 2 NH ₃ → Mg ₃ N ₂ + 3 H ₂ (при 900 °С)

3 Zn(NH ₂ ) ₂ → Zn ₃ N ₂ + 4 NH ₃

Возможны многие варианты этих процессов. Наиболее ионными из этих нитридов являются нитриды щелочных и щелочноземельных металлов Li ₃ N (Na, K, Rb и Cs не образуют устойчивых нитридов по стерическим причинам) и M ₃ N ₂ (M = Be, Mg, Са, Ср, Ба). Формально их можно рассматривать как соли N. ³⁻ анион, хотя разделение зарядов на самом деле не является полным даже для этих сильно электроположительных элементов. Однако азиды щелочных металлов NaN ₃ и KN ₃ , характеризующиеся линейным N ⁻
_3- анионы хорошо известны, как и Sr(N ₃ ) ₂ и Ba(N ₃ ) ₂ . Азиды металлов B-подгруппы (группы с 11 по 16 ) гораздо менее ионны, имеют более сложную структуру и легко детонируют при ударе.

Мезомерные структуры боразина, (–BH–NH–) ₃

Известно множество ковалентных бинарных нитридов. Примеры включают цианоген ((CN) ₂ ), пентанитрид трифосфора (P ₃ N ₅ ), динитрид дисеры (S ₂ N ₂ ) и тетранитрид тетрасеры (S ₄ N ₄ ). по существу ковалентные нитрид кремния (Si ₃ N ₄ ) и нитрид германия (Ge ₃ N ₄ Известны также ): нитрид кремния, в частности, мог бы стать многообещающей керамикой, если бы не трудности с ним работы и спекания. В частности, нитриды группы 13 , большинство из которых являются перспективными полупроводниками , изоэлектронны графиту, алмазу и карбиду кремния и имеют схожие структуры: их связь меняется от ковалентной до частично ионной и металлической по мере нисхождения группы. В частности, поскольку единица B–N изоэлектронна по отношению к C–C, а углерод по существу занимает промежуточное положение по размеру между бором и азотом, большая часть органической химии находит отклик в химии бора и азота, например, в боразине («неорганический бензол »). ). Тем не менее, аналогия не точна из-за легкости нуклеофильной атаки на бор из-за его дефицита электронов, что невозможно в полностью углеродсодержащем кольце.

Самой большой категорией нитридов являются нитриды внедрения формул MN, M ₂ N и M ₄ N (хотя вполне возможен переменный состав), в которых мелкие атомы азота расположены в промежутках металлической кубической или гексагональной плотноупакованной решетки. . Они непрозрачны, очень тверды и химически инертны и плавятся только при очень высоких температурах (обычно выше 2500 °C). Они имеют металлический блеск и проводят электричество, как металлы. Они очень медленно гидролизуются с образованием аммиака или азота.

Нитрид-анион (N ³⁻ ) является самым сильным донором π, известным среди лигандов (второе место по силе - O ²⁻ ). Нитридокомплексы обычно образуются путем термического разложения азидов или депротонирования аммиака и обычно включают концевой {≡N} ³⁻ группа. Линейный азид-анион ( N ⁻
₃ ), будучи изоэлектронным с закисью азота , углекислым газом и цианатом , образует множество координационных комплексов. Дальнейшая цепочка встречается редко, хотя N ⁴⁻
₄ (изоэлектронный карбонату и нитрату ). Известен

Гидриды

Стандартные потенциалы восстановления азотсодержащих веществ. Верхняя диаграмма показывает потенциалы при pH 0; нижняя диаграмма показывает потенциалы при pH 14.

В промышленности аммиак (NH ₃ ) является наиболее важным соединением азота, и его получают в больших количествах, чем любое другое соединение, поскольку он вносит значительный вклад в удовлетворение пищевых потребностей наземных организмов, служа предшественником продуктов питания и удобрений. Это бесцветный щелочной газ с характерным резким запахом. Наличие водородных связей оказывает очень существенное влияние на аммиак, придавая ему высокие температуры плавления (-78 ° C) и кипения (-33 ° C). В жидком виде это очень хороший растворитель с высокой теплотой испарения (что позволяет использовать его в вакуумных колбах), который также имеет низкую вязкость и электропроводность, высокую диэлектрическую проницаемость и менее плотен, чем вода. Однако водородная связь в NH ₃ слабее, чем в H ₂ O, из-за меньшей электроотрицательности азота по сравнению с кислородом и наличия только одной неподеленной пары в NH _3, а не двух в H ₂ O. Это слабое основание. в водном растворе ( p K _b 4,74); его сопряженная кислота — аммоний , NH ⁺
₄ . Он также может действовать как чрезвычайно слабая кислота, теряя протон с образованием амидного аниона NH. ⁻
₂ . Таким образом, он подвергается самодиссоциации, подобно воде, с образованием аммония и амида. Аммиак горит на воздухе или в кислороде, хотя и с трудом, с образованием газообразного азота; он горит во фторе зеленовато-желтым пламенем с образованием трифторида азота . Реакции с другими неметаллами очень сложны и имеют тенденцию приводить к образованию смеси продуктов. Аммиак при нагревании реагирует с металлами с образованием нитридов.

Известно множество других бинарных гидридов азота, но наиболее важными являются гидразин (N ₂ H ₄ ) и азид водорода (HN ₃ ). OH) не является гидридом азота, Хотя гидроксиламин (NH ₂ он по свойствам и строению также подобен аммиаку и гидразину. Гидразин — дымящая бесцветная жидкость, по запаху напоминающая аммиак. Его физические свойства очень похожи на свойства воды (температура плавления 2,0 °С, температура кипения 113,5 °С, плотность 1,00 г/см). ³ ). Несмотря на то, что это эндотермическое соединение, оно кинетически стабильно. Он быстро и полностью сгорает на воздухе очень экзотермически с образованием азота и водяного пара. Это очень полезный и универсальный восстановитель, более слабое основание, чем аммиак. Его также часто используют в качестве ракетного топлива.

Гидразин обычно получают реакцией аммиака со щелочным гипохлоритом натрия в присутствии желатина или клея:

NH ₃ + OCl ⁻ → NH ₂ Cl + OH ⁻

NH ₂ Cl + NH ₃ → N
₂2Ч ⁺
₅ +Кл ⁻ (медленный)

Н
₂2Ч ⁺
₅ + ОН ⁻ → N ₂ H ₄ + H ₂ O (быстрый)

(Атака гидроксида и аммиака может быть обращена вспять, проходя, таким образом, через промежуточный NHCl. ⁻ вместо этого.) Причина добавления желатина заключается в том, что он удаляет ионы металлов, таких как Cu. ²⁺ катализирует разрушение гидразина по реакции с монохлорамином (NH ₂ Cl) с образованием хлорида аммония и азота.

Азид водорода (HN ₃ ) был впервые получен в 1890 году окислением водного гидразина азотистой кислотой. Он очень взрывоопасен, и даже разбавленные растворы могут быть опасны. Он имеет неприятный и раздражающий запах и является потенциально смертельным (но не кумулятивным) ядом. Ее можно рассматривать как кислоту, сопряженную с азид-анионом, и она аналогична галогенводородным кислотам .

Галогениды и оксогалогениды

Трихлорид азота

Известны все четыре простых тригалогенида азота. Известно несколько смешанных галогенидов и гидрогалогенидов, но они в основном нестабильны; примеры включают NClF ₂ , NCl ₂ F, NBrF ₂ , NF ₂ H, NFH ₂ , NCl ₂ H и NClH ₂ .

Трифторид азота (NF ₃ , впервые полученный в 1928 году) представляет собой бесцветный газ без запаха, который термодинамически стабилен и наиболее легко получается электролизом расплавленного фторида аммония, растворенного в безводном фтористом водороде . Как и тетрафторид углерода , он совсем не реакционноспособен и стабилен в воде или разбавленных водных кислотах или щелочах. Только при нагревании он действует как фторирующий агент, а с медью , мышьяком, сурьмой и висмутом при контакте при высоких температурах реагирует с образованием тетрафторгидразина (N ₂ F ₄ ). Катионы NF ⁺
₄ и Н
₂2F ⁺
₃ также известны (последний в результате реакции тетрафторгидразина с сильными акцепторами фторида, такими как пентафторид мышьяка ), как и ONF ₃ , который вызвал интерес из-за короткого расстояния N–O, подразумевающего частичную двойную связь, а также высокополярных и длинных N– Ф-облигация. Тетрафторгидразин, в отличие от самого гидразина, может диссоциировать при комнатной температуре и выше с образованием радикала NF ₂ •. Азид фтора (FN ₃ ) очень взрывоопасен и термически нестабилен. Дифторид азота (N ₂ F ₂ ) существует в виде термически взаимопревращаемых цис- и транс -изомеров и впервые был обнаружен как продукт термического разложения FN ₃ .

Трихлорид азота (NCl ₃ ) представляет собой плотную, летучую и взрывоопасную жидкость, физические свойства которой аналогичны свойствам четыреххлористого углерода , хотя одно отличие состоит в том, что NCl ₃ легко гидролизуется водой, а CCl ₄ - нет. Впервые он был синтезирован в 1811 году Пьером Луи Дюлонгом , который потерял три пальца и глаз из-за его взрывных тенденций. В разбавленном состоянии он менее опасен и поэтому используется в промышленности для отбеливания и стерилизации муки. Трибромид азота (NBr ₃ ), впервые полученный в 1975 году, представляет собой темно-красное, чувствительное к температуре, летучее твердое вещество, взрывоопасное даже при -100 °C. Трийодид азота (NI ₃ ) еще более нестабилен и был получен только в 1990 году. Его аддукт с аммиаком, известный ранее, очень чувствителен к ударам: его можно поджечь прикосновением пера, смещением воздушных потоков или даже альфа-частицы . По этой причине небольшие количества трииодида азота иногда синтезируют в качестве демонстрации студентам-химикам старших классов или в качестве акта «химической магии». Азид хлора (ClN ₃ ) и азид брома (BrN ₃ ) чрезвычайно чувствительны и взрывоопасны.

Известны два ряда оксогалогенидов азота: нитрозилгалогениды (XNO) и нитрилгалогениды (XNO ₂ ). Первый — это очень химически активные газы, которые можно получить путем прямого галогенирования закиси азота. Нитрозилфторид (NOF) бесцветен и является сильным фторирующим агентом. Нитрозилхлорид (NOCl) ведет себя примерно таким же образом и часто используется в качестве ионизирующего растворителя. Нитрозилбромид (NOBr) имеет красный цвет. Реакции нитрилгалогенидов во многом аналогичны: фторид нитрила (FNO ₂ ) и хлорид нитрила (ClNO ₂ ) также являются химически активными газами и сильными галогенирующими агентами.

Оксиды

Основная статья: оксид азота

Диоксид азота при -196 °C, 0 °C, 23 °C, 35 °C и 50 °C. НЕТ
₂ превращается в бесцветный четырехокись азота ( N
₂2О
₄ ) при низких температурах превращается в NO.
₂ при более высоких температурах.

Азот образует девять молекулярных оксидов, некоторые из которых были первыми идентифицированными газами: N ₂ O ( закись азота ), NO ( оксид азота ), N ₂ O ₃ ( триоксид азота ), NO ₂ ( диоксид азота ), N ₂ O ₄ ( тетроксид диазота ), N ₂ O ₅ ( пятиокись азота ), N ₄ O ( нитрозилазид ), и N(NO ₂ ) ₃ ( тринитрамид ). Все они термически нестабильны по отношению к разложению на свои элементы. Еще одним возможным оксидом, который еще не синтезирован, является оксатетразол (N ₄ O), ароматическое кольцо.

Закись азота (N ₂ O), более известная как веселящий газ, получается термическим разложением расплавленного нитрата аммония при 250°C. Это окислительно-восстановительная реакция, поэтому в качестве побочных продуктов также образуются оксид азота и азот. Он в основном используется в качестве пропеллента и аэратора для распыляемых взбитых сливок в банках , а раньше широко использовался в качестве анестетика. Несмотря на внешний вид, его нельзя считать ангидридом азотистой кислоты ( H ₂ N ₂ O ₂ ), поскольку эта кислота не образуется при растворении закиси азота в воде. Он довольно инертен (не реагирует с галогенами, щелочными металлами и озоном при комнатной температуре, хотя реакционная способность увеличивается при нагревании) и имеет несимметричную структуру N–N–O (N≡N ⁺ ТО ⁻ ↔ ⁻ Н=Н ⁺ =O): выше 600 °C он диссоциирует, разрывая более слабую связь N–O. Оксид азота (NO) — простейшая стабильная молекула с нечетным числом электронов. У млекопитающих, включая человека, это важная клеточная сигнальная молекула, участвующая во многих физиологических и патологических процессах. Он образуется в результате каталитического окисления аммиака. Это бесцветный парамагнитный газ, который, будучи термодинамически нестабильным, разлагается на газообразный азот и кислород при 1100–1200 °С. Его связь аналогична связи в азоте, но к разрыхляющей орбитали π * добавляется один дополнительный электрон, и, таким образом, порядок связи снижается примерно до 2,5; следовательно, димеризация до O=N–N=O невыгодна, за исключением случаев, когда температура ниже точки кипения (где цис- изомер более стабилен), поскольку она фактически не увеличивает общий порядок связей и поскольку неспаренный электрон делокализуется поперек молекулы NO, что дает возможность стабильность. Есть также свидетельства существования асимметричного красного димера O = N – O = N, когда оксид азота конденсируется с полярными молекулами. Он реагирует с кислородом с образованием коричневого диоксида азота и с галогенами с образованием нитрозилгалогенидов. Он также реагирует с соединениями переходных металлов с образованием нитрозильных комплексов, большинство из которых имеют яркую окраску.

Синий триоксид диазота (N ₂ O ₃ ) доступен только в твердом виде, поскольку он быстро диссоциирует при температуре выше точки плавления с образованием оксида азота, диоксида азота (NO ₂ ) и тетроксида диазота (N ₂ O ₄ ). Последние два соединения несколько трудно изучать по отдельности из-за равновесия между ними, хотя иногда тетраоксид диазота может реагировать путем гетеролитического деления с образованием нитрозония и нитрата в среде с высокой диэлектрической проницаемостью. Диоксид азота — едкий, едкий коричневый газ. Оба соединения можно легко получить разложением сухого нитрата металла. Оба реагируют с водой с образованием азотной кислоты . Четырехокись азота очень полезна для получения безводных нитратов металлов и нитратокомплексов, и она стала предпочтительным хранимым окислителем для многих ракет как в Соединенных Штатах, так и в СССР к концу 1950-х годов . Это связано с тем, что это гиперголическое топливо в сочетании с гидразина на основе ракетным топливом , и его можно легко хранить, поскольку оно находится в жидком состоянии при комнатной температуре.

Термически нестабильный и очень реакционноспособный пятиокись азота (N ₂ O ₅ ) представляет собой ангидрид азотной кислоты и может быть получен из нее путем дегидратации пятиокисью фосфора . Представляет интерес для приготовления взрывчатых веществ. Это расплывчатое бесцветное кристаллическое вещество, чувствительное к свету. В твердом состоянии он ионный со структурой [NO ₂ ] ⁺ [НЕТ ₃ ] ⁻ ; в газе и в растворе – молекулярный O ₂ N–O–NO ₂ . Гидратация до азотной кислоты происходит легко, как и аналогичная реакция с перекисью водорода с образованием пероксонитовой кислоты (HOONO ₂ ). Это сильный окислитель. Газообразная пятиокись азота разлагается следующим образом:

Н ₂ О ₅ ⇌ НЕТ ₂ + НЕТ ₃ → НЕТ ₂ + О ₂ + НЕТ

Н ₂ О ₅ + НЕТ ⇌ 3 НЕТ ₂

Оксокислоты, оксоанионы и соли оксокислот

множество азотистых оксокислот Известно , однако большинство из них в чистом виде нестабильны и известны только в виде водных растворов или солей. Гипонитистая кислота (H ₂ N ₂ O ₂ ) — слабая дипротонная кислота со структурой HON=NOH (p K _a1 6,9, p K _a2 11,6). Кислые растворы довольно стабильны, но при pH выше 4 происходит разложение, катализируемое основаниями, через [HONNO] ⁻ на закись азота и гидроксид-анион. Гипонитриты (с участием N
₂2О ²⁻
_2- анион) устойчивы к восстановителям и чаще сами действуют как восстановители. Они являются промежуточной стадией окисления аммиака в нитрит, происходящего в круговороте азота . Гипонитрит может действовать как мостиковый или хелатирующий бидентатный лиганд.

Азотистая кислота (HNO ₂ ) не известна как чистое соединение, но является обычным компонентом в газовом равновесии и важным водным реагентом: ее водные растворы могут быть получены путем подкисления холодного водного нитрита ( NO ⁻
₂ , изогнутая) растворов, хотя уже при комнатной температуре диспропорция нитрата и оксида азота значительна. Это слабая кислота с pK 3,35 _при 18 °C. Их можно анализировать титриметрически по окислению до нитрата перманганатом . Они легко восстанавливаются до закиси азота и оксида азота двуокисью серы , до азотистой кислоты оловом (II) и до аммиака сероводородом . Соли гидразиния N
₂2Ч ⁺
₅ реагируют с азотистой кислотой с образованием азидов, которые в дальнейшем реагируют с образованием закиси азота и азота. Нитрит натрия умеренно токсичен в концентрациях выше 100 мг/кг, но небольшие количества часто используются для консервирования мяса и в качестве консерванта, чтобы избежать бактериальной порчи. Он также используется для синтеза гидроксиламина и диазотирования первичных ароматических аминов следующим образом:

ArNH ₂ + HNO ₂ → [ArNN]Cl + 2 H ₂ O

Нитрит также является распространенным лигандом, который может координироваться пятью способами. Наиболее распространенными являются нитро (связанные с азотом) и нитрито (связанные с кислородом). Распространена изомерия нитро-нитрито, при этом нитрито-форма обычно менее стабильна.

Дымящая азотная кислота, загрязненная желтым диоксидом азота

Азотная кислота (HNO ₃ ) на сегодняшний день является наиболее важной и наиболее стабильной из азотистых оксокислот. Это одна из трех наиболее часто используемых кислот (две другие — серная кислота и соляная кислота ), и она была впервые обнаружена алхимиками в 13 веке. Его получают путем каталитического окисления аммиака до оксида азота, который окисляется до диоксида азота, а затем растворяется в воде с образованием концентрированной азотной кислоты. В Соединенных Штатах Америки ежегодно производится более семи миллионов тонн азотной кислоты, большая часть которой используется, среди прочего, для производства нитратов для удобрений и взрывчатых веществ. Безводную азотную кислоту можно получить перегонкой концентрированной азотной кислоты с пятиокисью фосфора при низком давлении в стеклянном аппарате в темноте. Ее можно производить только в твердом состоянии, так как при плавлении она самопроизвольно разлагается на диоксид азота, а жидкая азотная кислота подвергается самоионизации в большей степени, чем любая другая ковалентная жидкость, следующим образом:

2 ХНО ₃ ⇌ Ч
₂ НЕТ ⁺
₃ + НЕТ ⁻
₃ ⇌ H ₂ O + [NO ₂ ] ⁺ + [НЕТ ₃ ] ⁻

два гидрата, HNO ₃ ·H ₂ O и HNO ₃ ·3H ₂ Известны O, которые поддаются кристаллизации. Это сильная кислота, а концентрированные растворы являются сильными окислителями, хотя золото , платина , родий и иридий невосприимчивы к воздействию. Смесь концентрированной соляной и азотной кислот в соотношении 3:1, называемая царской водкой , еще сильнее и успешно растворяет золото и платину, поскольку образуются свободный хлор и нитрозилхлорид, а хлорид-анионы могут образовывать прочные комплексы. В концентрированной серной кислоте азотная кислота протонируется с образованием нитрония , который может действовать как электрофил при ароматическом нитровании:

HNO ₃ + 2 H ₂ SO ₄ ⇌ НЕТ ⁺
₂ + Н3О ⁺ + 2 ХСО ⁻
₄

Термическая стабильность нитратов (с участием тригонального плоского NO ⁻
₃ анион) зависит от основности металла, как и продукты разложения (термолиза), которые могут варьироваться между нитритом (например, натрия), оксидом (калий и свинец ) или даже самим металлом ( серебро ) в зависимости от их относительной стабильности. Нитрат также является распространенным лигандом со многими способами координации.

Наконец, хотя ортонитровой кислоты (H ₃ NO ₄ ), которая была бы аналогом ортофосфорной кислоты , не существует, тетраэдрический ортонитрат- анион NO ³⁻
₄ известен в виде натриевых и калиевых солей:

${\ce {NaNO3{}+Na2O->[{\ce {Ag~crucible}}][{\ce {300^{\circ }C~for~7days}}]Na3NO4}}$

Эти белые кристаллические соли очень чувствительны к водяному пару и углекислому газу в воздухе:

Na ₃ NO ₄ + H ₂ O + CO ₂ → NaNO ₃ + NaOH + NaHCO ₃

Несмотря на ограниченный химический состав, ортонитрат-анион интересен со структурной точки зрения из-за его правильной тетраэдрической формы и короткой длины связи N–O, что предполагает значительный полярный характер связи.

Органические соединения азота

Азот — один из важнейших элементов органической химии . Многие органические функциональные группы включают связь углерод-азот , например амиды (RCONR ₂ ), амины (R ₃ N), имины (RC(=NR)R), имиды (RCO) ₂ NR, азиды (RN ₃ ), азо соединения (RN ₂ R), цианаты (ROCN), изоцианаты (RNCO), нитраты (RONO ₂ ) , нитрилы (RCN ), изонитрилы (RNC), нитриты (RONO), нитросоединения (RNO ₂ ), нитрозосоединения (RNO) , оксимы (RC(=NOH)R) и пиридина производные . Связи C–N сильно поляризованы в сторону азота. В этих соединениях азот обычно трехвалентен (хотя в четвертичных аммониевых солях он может быть четырехвалентным , R ₄ N ⁺ ), с неподеленной парой, которая может придавать соединению основность за счет координации с протоном. Это может быть компенсировано другими факторами: например, амиды не являются основными, поскольку неподеленная пара делокализована в двойную связь (хотя они могут действовать как основания при очень низком pH, будучи протонированными по атому кислорода), а пиррол не является основным, потому что неподеленная пара делокализована как часть ароматического кольца. Количество азота в химическом веществе можно определить методом Кьельдаля . В частности, азот является важным компонентом нуклеиновых кислот , аминокислот и, следовательно, белков , а также переносящей энергию молекулы аденозинтрифосфата и, таким образом, жизненно важен для всей жизни на Земле.

возникновение

Схематическое изображение потока соединений азота через наземную среду.

Смотрите также: Азотный цикл

Азот — самый распространенный чистый элемент на Земле, составляющий 78,1% объема атмосферы . (75,5% по массе), около 3,89 миллиона гигатонн . Несмотря на это, его не так много в земной коре, составляя где-то около 19 частей на миллион , наравне с ниобием , галлием и литием . (Это составляет от 300 000 до миллиона гигатонн азота, в зависимости от массы земной коры. ) Единственными важными азотистыми минералами являются селитра ( нитрат калия , селитра) и селитра натриевая ( нитрат натрия , чилийская селитра). Однако они не были важным источником нитратов с 1920-х годов, когда стал обычным явлением промышленный синтез аммиака и азотной кислоты.

Соединения азота постоянно обмениваются между атмосферой и живыми организмами. Азот сначала необходимо переработать или « фиксировать » в форму, пригодную для использования в растениях, обычно аммиак. Некоторая фиксация азота осуществляется ударами молнии, производящими оксиды азота, но большая часть осуществляется диазотрофными бактериями с помощью ферментов, известных как нитрогеназы (хотя сегодня промышленная фиксация азота до аммиака также имеет большое значение). Когда аммиак поглощается растениями, он используется для синтеза белков. Эти растения затем перевариваются животными, которые используют соединения азота для синтеза белков и выделения азотсодержащих отходов. Наконец, эти организмы умирают и разлагаются, подвергаясь бактериальному и экологическому окислению и денитрификации , возвращая свободный азот в атмосферу. Промышленная фиксация азота методом Габера в основном используется в качестве удобрения, хотя избыток азотсодержащих отходов при выщелачивании приводит к эвтрофикации пресной воды и созданию морских мертвых зон , поскольку рост бактерий, вызванный азотом, истощает водный кислород до такой степени, что все высшие организмы погибают. Кроме того, закись азота, образующаяся при денитрификации, разрушает атмосферный воздух. озоновый слой .

Многие морские рыбы производят большое количество оксида триметиламина, чтобы защитить их от сильного осмотического воздействия окружающей среды; Преобразование этого соединения в диметиламин ответственно за ранний запах несвежей морской рыбы. У животных свободный радикал оксида азота (полученный из аминокислоты ) служит важной регуляторной молекулой кровообращения.

Быстрая реакция оксида азота с водой у животных приводит к образованию его метаболита нитрита . , Метаболизм азота в белках у животных, как правило, приводит к тогда как выделению мочевины у животных метаболизм нуклеиновых кислот приводит к выделению мочевины и мочевой кислоты . Характерный запах разложения мяса животных вызван образованием длинноцепочечных азотсодержащих аминов , таких как путресцин и кадаверин , которые являются продуктами распада аминокислот орнитина и лизина соответственно при разложении белков.

Производство

Газообразный азот — это промышленный газ , получаемый фракционной перегонкой жидкого воздуха или механическим способом с использованием газообразного воздуха ( мембрана обратного осмоса под давлением или адсорбция с переменным давлением ). Генераторы азотного газа, использующие мембраны или адсорбцию при переменном давлении (PSA), обычно более экономичны и энергоэффективны, чем азот, доставляемый в больших количествах. Технический азот часто является побочным продуктом обработки воздуха для промышленного обогащения кислорода для производства стали и других целей. При поставке в сжатом виде в баллонах его часто называют ОФН (бескислородный азот). Азот технического качества уже содержит не более 20 частей на миллион кислорода, специально очищенные сорта, содержащие не более 2 частей на миллион кислорода и 10 частей на миллион аргона . также доступны

В химической лаборатории его готовят обработкой водного раствора хлорида аммония нитритом натрия .

NH ₄ Cl + NaNO ₂ → N ₂ + NaCl + 2 H ₂ O

небольшие количества примесей NO и HNO ₃ В этой реакции также образуются . Примеси можно удалить, пропуская газ через водную серную кислоту, содержащую дихромат калия .

Его также можно получить термическим разложением дихромата аммония .

3(NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ → 2N ₂ + 9H ₂ O + 3Cr ₂ O ₃ + 2NH ₃ + 32O ₂

Очень чистый азот можно получить термическим разложением азида бария или азида натрия .

2 NaN ₃ → 2 Na + 3 N ₂

Приложения

Применение соединений азота, естественно, чрезвычайно разнообразно из-за огромного размера этого класса: следовательно, здесь будут рассматриваться только применения самого чистого азота. Две трети (2/3) азота, производимого промышленностью, продается в виде газа, а оставшаяся треть (1/3) – в жидком виде.

Газ

Газ в основном используется в качестве безопасной атмосферы с низкой реакционной способностью там, где кислород в воздухе может представлять опасность пожара, взрыва или окисления. Вот некоторые примеры:

• В качестве модифицированной атмосферы , чистой или смешанной с диоксидом углерода , для азотирования и сохранения свежести упакованных или нерасфасованных пищевых продуктов (путем замедления прогоркания и других форм окислительного повреждения ). Чистый азот в качестве пищевой добавки маркируется в Европейском Союзе номером E E941.
• В лампах накаливания как недорогая альтернатива аргону .
• В системах пожаротушения для оборудования информационных технологий (ИТ) .
• При производстве нержавеющей стали .
• При цементировании стали азотированием .
• В топливных системах некоторых самолетов для снижения пожароопасности (см. систему инертизации ).
• Накачивать шины гоночных автомобилей и самолетов , уменьшение проблем неравномерного расширения и сжатия, вызванных влажностью и кислородом в естественном воздухе.

Азот обычно используется при подготовке проб в химическом анализе . Он используется для концентрации и уменьшения объема жидких проб. Направление потока азота под давлением перпендикулярно поверхности жидкости приводит к испарению растворителя, оставляя растворенное вещество(а) и неиспарившийся растворитель.

Азот можно использовать вместо углекислого газа или в сочетании с ним для повышения давления в кегах с некоторыми сортами пива , особенно со стаутами и британскими элями , поскольку он образует меньшие пузырьки , что делает пиво более гладким и пьянящим . Чувствительная к давлению азотная капсула, известная как « виджет », позволяет упаковывать заряженное азотом пиво в банки и бутылки . Баллоны с азотом также заменяют углекислый газ в качестве основного источника энергии для пейнтбольных ружей . Азот должен храниться под более высоким давлением, чем CO ₂ , что делает резервуары с азотом _{тяжелее} и дороже.

Оборудование

Некоторое строительное оборудование использует сжатый азот, чтобы помочь гидравлической системе обеспечить дополнительную мощность для таких устройств, как гидравлический молот . Газообразный азот, образующийся при разложении азида натрия , используется для надувания подушек безопасности .

Исполнение

Дополнительная информация: Удушение инертным газом.

Поскольку азот сам по себе является удушающим газом, в некоторых юрисдикциях удушение путем вдыхания чистого азота рассматривается как средство смертной казни (в качестве замены смертельной инъекции ). В январе 2024 года Кеннет Юджин Смит стал первым человеком, казненным путем удушья азотом.

Жидкость

Основная статья: Жидкий азот

Продолжительность: 15 секунд. 0:15

Воздушный шар, погруженный в жидкий азот

Жидкий азот — криогенная жидкость , похожая на воду . При изоляции в соответствующих контейнерах, таких как сосуды Дьюара , его можно транспортировать и хранить с низким уровнем потерь от испарения .

Контейнеровоз с жидким азотом

Как и сухой лед , жидкий азот в основном используется для охлаждения до низких температур. Он используется при криоконсервации биологических материалов, таких как кровь и репродуктивные клетки ( сперма и яйцеклетки ). Его используют в криотерапии для удаления кист и бородавок на коже путем их замораживания. Он используется в лабораторных холодных ловушках и крионасосах для получения более низкого давления в вакуумных системах. Он используется для охлаждения термочувствительной электроники, такой как инфракрасные детекторы и детекторы рентгеновского излучения . Другие области применения включают шлифовку замораживанием и обработку материалов, которые являются мягкими или эластичными при комнатной температуре, термоусадочную посадку и сборку инженерных компонентов, а также, в более общем плане, для достижения очень низких температур, где это необходимо. Из-за своей низкой стоимости жидкий азот часто используется для охлаждения, даже когда такие низкие температуры не являются строго необходимыми, например, охлаждение продуктов питания, замораживание скота, замораживание труб для остановки потока при отсутствии клапанов и уплотнение нестабильной почвы путем замерзает всякий раз, когда под ним ведутся раскопки.

Безопасность

Газ

Хотя азот нетоксичен, при попадании в закрытое пространство он может вытеснять кислород и, следовательно, представляет опасность удушья . человека Это может произойти с небольшим количеством предупредительных симптомов, поскольку каротидное тело представляет собой относительно плохую и медленную систему восприятия низкого уровня кислорода (гипоксии). Пример произошел незадолго до запуска первой миссии космического корабля "Шаттл" 19 марта 1981 года, когда два техника умерли от удушья после того, как вошли в пространство, расположенное на мобильной пусковой платформе космического корабля "Шаттл" , которое было заполнено чистым азотом под давлением в качестве меры предосторожности против возгорания. .

При вдыхании при высоких парциальных давлениях (более примерно 4 бар, встречается на глубине ниже 30 м при подводном плавании с аквалангом ) азот является анестетиком, вызывающим азотный наркоз — временное состояние умственного расстройства, похожее на интоксикацию закисью азота .

Азот растворяется в крови и жирах организма. Быстрая декомпрессия (например, когда дайверы слишком быстро всплывают или космонавты слишком быстро декомпрессируют давление в кабине до давления в скафандре) может привести к потенциально смертельному состоянию, называемому декомпрессионной болезнью (ранее известной как кессонная болезнь или изгибы ), когда в кровотоке образуются пузырьки азота, нервы, суставы и другие чувствительные или жизненно важные области. Пузырьки других «инертных» газов (газов, отличных от углекислого газа и кислорода) вызывают те же эффекты, поэтому замена азота в дыхательных газах может предотвратить азотный наркоз, но не предотвращает декомпрессионную болезнь.

Жидкость

Как криогенная жидкость, жидкий азот может быть опасен, вызывая холодные ожоги при контакте, хотя эффект Лейденфроста обеспечивает защиту при очень коротком воздействии (около одной секунды). Проглатывание жидкого азота может привести к серьезным внутренним повреждениям. Например, в 2012 году молодой женщине в Англии пришлось удалить желудок после того, как она проглотила коктейль из жидкого азота.

азота из жидкости в газ Поскольку коэффициент расширения составляет 1:694 при 20 °C, при быстром испарении жидкого азота в закрытом пространстве может возникнуть огромная сила. Во время инцидента, произошедшего 12 января 2006 года в Техасском университете A&M , устройства сброса давления в резервуаре с жидким азотом вышли из строя и позже были опломбированы. В результате последующего повышения давления резервуар катастрофически вышел из строя. Силы взрыва было достаточно, чтобы пробить резервуар через потолок непосредственно над ним, разрушить железобетонную балку непосредственно под ним и снести стены лаборатории на высоту 0,1–0,2 м от фундамента.

Жидкий азот легко испаряется с образованием газообразного азота, поэтому меры предосторожности, связанные с газообразным азотом, применимы и к жидкому азоту. Например, датчики кислорода иногда используются в качестве меры предосторожности при работе с жидким азотом, чтобы предупредить рабочих о разливах газа в замкнутом пространстве.

Сосуды, содержащие жидкий азот, могут конденсировать кислород из воздуха. Жидкость в таком сосуде становится все более обогащенной кислородом (температура кипения -183 ° C, выше, чем у азота) по мере испарения азота, и может вызвать бурное окисление органических материалов.

Мониторы дефицита кислорода

Мониторы дефицита кислорода используются для измерения уровня кислорода в замкнутых пространствах и в любом месте, где хранится или используется газообразный или жидкий азот. В случае утечки азота и снижения содержания кислорода до заданного уровня сигнализации монитор дефицита кислорода можно запрограммировать на подачу звуковых и визуальных сигналов тревоги, тем самым обеспечивая оповещение о возможной надвигающейся опасности. Чаще всего персоналу следует предупредить уровень кислорода, когда уровень кислорода падает ниже 19,5%. OSHA указывает, что к опасной атмосфере может относиться атмосфера, в которой концентрация кислорода ниже 19,5% или выше 23,5%. Мониторы дефицита кислорода можно либо закрепить, закрепить на стене и жестко подключить к электросети здания, либо просто подключить к розетке, либо к портативному ручному или носимому монитору.

См. также

• Реактивные виды азота
• Почвенный газ

Библиография

• Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN  978-0-08-037941-8 .

Внешние ссылки

• Этимология азота
• Азот в периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
• Подкаст об азоте Королевского химического общества от Chemistry World