Compuși cu azot. Proprietățile azotului

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 05:39

Giving s altpeter - așa este tradus cuvântul azot din latină. Acesta este numele azotului - un element chimic cu număr atomic 7, care se află în fruntea grupei a 15-a din versiunea lungă a tabelului periodic. Sub formă de substanță simplă, este distribuit în învelișul de aer al Pământului - atmosfera. O varietate de compuși de azot se găsesc în scoarța terestră și în organismele vii și sunt utilizați pe scară largă în industrii, afaceri militare, agricultură și medicină.

De ce azotul a fost numit „sufocant” și „fără viață”

După cum sugerează istoricii chimiei, Henry Cavendish (1777) a fost primul care a primit această substanță simplă. Omul de știință a trecut aer peste cărbuni încinși, folosind alcali pentru a absorbi produsele de reacție. În urma experimentului, cercetătorul a descoperit un gaz incolor, inodor, care nu a reacționat cu cărbunele. Cavendish l-a numit „aer sufocant” pentru că nu poate susține respirația, precum și arderea.

Un chimist modern ar explica că oxigenul a reacționat cu carbonul pentru a forma dioxid de carbon. Partea „sufocantă” rămasă a aerului a constat în mare parte din N₂ molecule. Cavendish și alți oameni de știință de la acea vreme nu știau încă despre această substanță, deși compușii de azot și salpetru erau atunci utilizați pe scară largă în economie. Omul de știință a raportat gazul neobișnuit colegului său, care a efectuat experimente similare, Joseph Priestley.

În același timp, Karl Scheele a atras atenția asupra unui constituent necunoscut al aerului, dar nu a reușit să explice corect originea acestuia. Doar Daniel Rutherford în 1772 și-a dat seama că gazul „sufocant” „ alterat” prezent în experimente era azotul. Care om de știință ar trebui să fie considerat descoperitorul său - istoricii științei încă se ceartă în această privință.

La 15 ani după experimentele lui Rutherford, celebrul chimist Antoine Lavoisier a sugerat schimbarea termenului „aer stricat”, referindu-se la azot, cu altul – azot. Până atunci, s-a dovedit că această substanță nu arde, nu susține respirația. În același timp, a apărut și numele rusesc „azot”, care este interpretat în moduri diferite. Cel mai adesea se spune că termenul înseamnă „fără viață”. Lucrările ulterioare au respins opinia larg răspândită despre proprietățile materiei. Compușii de azot – proteinele – sunt cele mai importante macromolecule din compoziția organismelor vii. Pentru a le construi, plantele absorb elementele necesare de nutriție minerală din sol - ionii NO₃^2- și NH⁴⁺.

Azotul este un element chimic

Sistemul periodic (PS) ajută la înțelegerea structurii atomului și a proprietăților acestuia. Prin poziția unui element chimic în tabelul periodic, se poate determinasarcina nucleară, numărul de protoni și neutroni (numărul de masă). Este necesar să se acorde atenție valorii masei atomice - aceasta este una dintre principalele caracteristici ale elementului. Numărul perioadei corespunde numărului de niveluri de energie. În versiunea scurtă a tabelului periodic, numărul grupului corespunde numărului de electroni din nivelul energetic exterior. Să rezumăm toate datele din caracteristicile generale ale azotului după poziția sa în sistemul periodic:

• Acesta este un element nemetalic, situat în colțul din dreapta sus al PS.
• Semn chimic: N.
• Număr comandă: 7.
• Masa atomică relativă: 14,0067.
• Formula compusului hidrogen volatil: NH₃ (amoniac).
• Produce cel mai mare oxid N₂O₅, în care valența azotului este V.

Structura atomului de azot:

• Taxă de bază: +7.
• Numărul de protoni:7; numărul de neutroni: 7.
• Număr de niveluri de energie: 2.
• Număr total de electroni: 7; formula electronică: 1s²2s²2p³.

Izotopii stabili ai elementului nr. 7 au fost studiați în detaliu, numerele lor de masă sunt 14 și 15. Conținutul de atomi al celui mai ușor dintre ei este de 99,64%. Există, de asemenea, 7 protoni în nucleele izotopilor radioactivi de scurtă durată, iar numărul de neutroni variază foarte mult: 4, 5, 6, 9, 10.

Azotul în natură

Învelișul de aer al Pământului conține molecule dintr-o substanță simplă, a cărei formulă este N₂. Conținutul de azot gazos din atmosferă este în volumaproximativ 78,1%. Compușii anorganici ai acestui element chimic din scoarța terestră sunt diverse săruri de amoniu și nitrați (nitrați). Formule ale compușilor și denumiri ale unora dintre cele mai importante substanțe:

• NH_3, amoniac.
• NU_2, dioxid de azot.
• NaNO_3, nitrat de sodiu.
• (NH₄)₂SO_4, sulfat de amoniu.

Valența azotului în ultimii doi compuși - IV. Cărbunele, solul, organismele vii conțin și atomi de N legați. Azotul este o parte integrantă a macromoleculelor de aminoacizi, a nucleotidelor ADN și ARN, a hormonilor și a hemoglobinei. Conținutul total al unui element chimic din corpul uman ajunge la 2,5%.

substanță simplă

Azotul sub formă de molecule diatomice este cea mai mare parte a aerului atmosferic ca volum și masă. O substanță a cărei formulă este N₂ nu are miros, culoare sau gust. Acest gaz reprezintă mai mult de 2/3 din învelișul de aer al Pământului. În formă lichidă, azotul este o substanță incoloră asemănătoare cu apa. Fierbe la -195,8 °C. M (N₂)=28 g/mol. Substanța simplă azotul este puțin mai ușoară decât oxigenul, densitatea sa în aer este aproape de 1.

Atomii dintr-o moleculă leagă ferm 3 perechi de electroni comuni. Compusul prezintă o stabilitate chimică ridicată, ceea ce îl deosebește de oxigen și de o serie de alte substanțe gazoase. Pentru ca o moleculă de azot să se dezintegreze în atomii ei constitutivi, este necesar să se consume o energie de 942,9 kJ / mol. O legătură de trei perechi de electroni este foarte puternică.se defectează când este încălzit peste 2000 °C.

În condiții normale, disocierea moleculelor în atomi practic nu are loc. Inerția chimică a azotului se datorează și absenței complete a polarității în moleculele sale. Ele interacționează foarte slab între ele, ceea ce este motivul stării gazoase a materiei la presiune normală și la temperatură apropiată de temperatura camerei. Reactivitatea scăzută a azotului molecular își găsește aplicație în diferite procese și dispozitive în care este necesar să se creeze un mediu inert.

Disociarea moleculelor N₂ poate avea loc sub influența radiației solare în atmosfera superioară. Se formează azotul atomic, care în condiții normale reacționează cu unele metale și nemetale (fosfor, sulf, arsen). Ca urmare, are loc o sinteză de substanțe care se obțin indirect în condiții terestre.

Valența azotului

Stratul exterior de electroni al unui atom este format din 2 s și 3 p electroni. Aceste particule negative de azot pot renunța atunci când interacționează cu alte elemente, ceea ce corespunde proprietăților sale reducătoare. Prin atașarea celor 3 electroni lipsă la octet, atomul prezintă abilități de oxidare. Electronegativitatea azotului este mai mică, proprietățile sale nemetalice sunt mai puțin pronunțate decât cele ale fluorului, oxigenului și clorului. Atunci când interacționează cu aceste elemente chimice, azotul cedează electroni (este oxidat). Reducerea la ioni negativi este însoțită de reacții cu alte nemetale și metale.

Valența tipică a azotului este III. În acest cazlegăturile chimice se formează datorită atracției electronilor p externi și creării de perechi comune (de legătură). Azotul este capabil să formeze o legătură donor-acceptor datorită perechii sale singure de electroni, așa cum se întâmplă în ionul de amoniu NH⁴⁺.

Producție de laborator și industrial

Una dintre metodele de laborator se bazează pe proprietățile oxidante ale oxidului de cupru. Se folosește un compus azot-hidrogen - amoniac NH₃. Acest gaz urât mirositor reacționează cu oxidul de cupru negru sub formă de pulbere. În urma reacției, se eliberează azot și apare cuprul metalic (pulbere roșie). Picături de apă, un alt produs al reacției, se depun pe pereții tubului.

O altă metodă de laborator care utilizează o combinație de azot cu metale este azida, cum ar fi NaN₃. Se dovedește un gaz care nu trebuie purificat de impurități.

Nitritul de amoniu se descompune în azot și apă în laborator. Pentru ca reacția să înceapă, este necesară încălzirea, apoi procesul continuă cu eliberarea de căldură (exotermă). Azotul este contaminat cu impurități, așa că este purificat și uscat.

Producerea de azot în industrie:

• distilarea fracționată a aerului lichid - o metodă care utilizează proprietățile fizice ale azotului și oxigenului (puncte de fierbere diferite);
• reacția chimică a aerului cu cărbunele încins;
• separarea gazelor de adsorbție.

Interacțiune cu metale și hidrogen - proprietăți oxidante

Inerția moleculelor puternicenu permite obtinerea unor compusi azotati prin sinteza directa. Pentru a activa atomii, este necesară încălzirea puternică sau iradierea substanței. Azotul poate reacționa cu litiul la temperatura camerei, cu magneziu, calciu și sodiu reacția are loc numai la încălzire. Se formează nitrururile metalice corespunzătoare.

Interacțiunea azotului cu hidrogenul are loc la temperaturi și presiuni ridicate. Acest proces necesită și un catalizator. Se dovedește amoniacul - unul dintre cele mai importante produse ale sintezei chimice. Azotul, ca agent oxidant, prezintă trei stări negative de oxidare în compușii săi:

• −3 (amoniacul și alți compuși cu hidrogen ai azotului sunt nitruri);
• −2 (hidrazină N₂H₄);
• −1 (hidroxilamină NH₂OH).

Cea mai importantă nitrură - amoniacul - este produsă în cantități mari în industrie. Inerția chimică a azotului a rămas o mare problemă pentru o lungă perioadă de timp. Salpetrul era sursa sa de materii prime, dar rezervele minerale au început să scadă rapid pe măsură ce producția a crescut.

O mare realizare a științei și practicii chimice a fost crearea metodei amoniacului de fixare a azotului la scară industrială. Sinteza directă se realizează în coloane speciale - un proces reversibil între azotul obținut din aer și hidrogen. Atunci când se creează condiții optime care schimbă echilibrul acestei reacții către produs, folosind un catalizator, randamentul de amoniac ajunge la 97%.

Interacțiune cu oxigenul - proprietăți reducătoare

Pentru a începe reacția azotului și oxigenului, este necesară o încălzire puternică. Un arc electric și o descărcare de fulger în atmosferă au suficientă energie. Cei mai importanți compuși anorganici în care azotul se află în stările sale de oxidare pozitive sunt:

• +1 (oxid nitric (I) N₂O);
• +2 (monoxid de azot NO);
• +3 (oxid nitric (III) N₂O₃; acid azot HNO_{2, sărurile sale sunt nitriți);}
• +4 (dioxid de azot (IV) NO₂);
• +5 (pentoxid de azot (V) N₂O₅, acid azotic HNO_{3, nitrați).}

Înțelesul în natură

Plantele absorb ionii de amoniu și anionii nitrați din sol, folosesc pentru reacții chimice sinteza moleculelor organice, care se desfășoară constant în celule. Azotul atmosferic poate fi absorbit de bacteriile nodulare - creaturi microscopice care formează excrescențe pe rădăcinile leguminoaselor. Ca urmare, acest grup de plante primește elementul nutritiv necesar, îmbogățește solul cu acesta.

În timpul ploilor tropicale, au loc reacții de oxidare a azotului atmosferic. Oxizii se dizolvă pentru a forma acizi, acești compuși de azot din apă pătrund în sol. Datorită circulației elementului în natură, rezervele sale din scoarța terestră și aerul sunt reînnoite în mod constant. Moleculele organice complexe care conțin azot sunt descompuse de bacterii în componente anorganice.

Utilizare practică

Cele mai importante conexiuniazotul pentru agricultură sunt săruri foarte solubile. Ureea, salitrul (sodiu, potasiu, calciu), compușii de amoniu (o soluție apoasă de amoniac, clorură, sulfat, azotat de amoniu) sunt asimilați de plante.nitrații. Părți ale organismului vegetal sunt capabile să stocheze macronutrienți „pentru viitor”, ceea ce înrăutățește calitatea produselor. Un exces de nitrați în legume și fructe poate provoca otrăviri la oameni, creșterea neoplasmelor maligne. Pe lângă agricultură, compușii de azot sunt utilizați în alte industrii:

• pentru a primi medicamente;
• pentru sinteza chimică a compușilor macromoleculari;
• în producția de explozibili din trinitrotoluen (TNT);
• pentru producția de coloranți.

NO oxid se folosește în chirurgie, substanța are efect analgezic. Pierderea senzațiilor la inhalarea acestui gaz a fost observată chiar și de primii cercetători ai proprietăților chimice ale azotului. Așa a apărut numele banal „gaz de râs”.

Problemă a nitraților din produsele agricole

Sărurile acidului azotic - nitrați - conțin un anion încărcat unic NO^3-. Până acum, se folosește vechea denumire a acestui grup de substanțe - salpetru. Nitrații sunt folosiți pentru fertilizarea câmpurilor, în sere, livezi. Se aplică primăvara devreme înainte de însămânțare, vara - sub formă de pansamente lichide. Substanțele în sine nu prezintă un mare pericol pentru oameni, darîn organism, se transformă în nitriți, apoi în nitrozamine. Ionii de nitrit NO^2- sunt particule toxice, ele provoacă oxidarea fierului feros din moleculele de hemoglobină în ioni trivalenți. În această stare, principala substanță din sângele oamenilor și animalelor nu este capabilă să transporte oxigen și să elimine dioxidul de carbon din țesuturi.

Care este pericolul contaminării cu nitrați a alimentelor pentru sănătatea umană:

• tumori maligne care apar atunci când nitrații sunt transformați în nitrozamine (agenți cancerigeni);
• dezvoltarea colitei ulcerative,
• hipotensiune sau hipertensiune arterială;
• insuficiență cardiacă;
• tulburare de coagulare a sângelui
• ficat, pancreas, dezvoltarea diabetului;
• dezvoltarea insuficienței renale;
• anemie, tulburări de memorie, atenție, inteligență.

Consumul simultan de diferite alimente cu doze mari de nitrați duce la otrăvire acută. Sursele pot fi plantele, apa de băut, preparatele din carne. Înmuierea în apă curată și gătitul pot reduce conținutul de nitrați al alimentelor. Cercetătorii au descoperit că doze mai mari de compuși periculoși s-au găsit în produsele vegetale imature și cu efect de seră.

Fosforul este un element al subgrupului de azot

Atomii elementelor chimice care se află în aceeași coloană verticală a sistemului periodic prezintă proprietăți comune. Fosforul este situat în a treia perioadă, aparține grupei a 15-a, precum azotul. Structura atomilorelementele sunt similare, dar există diferențe în proprietăți. Azotul și fosforul prezintă o stare de oxidare negativă și o valență III în compușii lor cu metale și hidrogen.

Multe reacții ale fosforului au loc la temperaturi obișnuite, este un element activ din punct de vedere chimic. Interacționează cu oxigenul pentru a forma un oxid mai mare P₂O₅. O soluție apoasă a acestei substanțe are proprietățile unui acid (metafosforic). Când este încălzit, se obține acid ortofosforic. Formează mai multe tipuri de săruri, dintre care multe servesc ca îngrășăminte minerale, cum ar fi superfosfații. Compușii de azot și fosfor sunt o parte importantă a ciclului de substanțe și energie de pe planeta noastră, ei sunt utilizați în domeniile industriale, agricole și în alte domenii de activitate.