Азот

редактировать

химический элемент с атомным номером 7

Химический элемент с атомным номером 7
Азот, 7N
Liquidnitrogen.jpg
Азот
Внешний видбесцветный газ, жидкость или твердое вещество
Стандартная атомная масса A r, std (N)[14.00643, 14.00728] условно: 14.007
Азот в периодической таблице
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 Олово Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть (элемент) Таллий Свинец Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Калий Мейтнерий Дармштадций Рентгений Коперниций Нихоний Флеровий Московий L иверморий Теннессин Оганессон
–. ↑. N. ↓. P
углерод ← азот → кислород
Атомный номер (Z)7
Группа группа 15 ( пниктогены)
Период период 2
Блок p-блок
Категория элемента Реактивный неметалл
Электронная конфигурация [He ] 2s 2p
Электронов на оболочку2, 5
Физические свойства
Фаза при STP газ
Точка плавления (N2) 63,15 K ( −210,00 ° C, −346,00 ° F)
Точка кипения (N2) 77,355 K (−195,795 ° C, −320,431 ° F)
Плотность (при стандартном давлении)1,2506 г / л при 0 ° C, 1013 мбар
в жидком состоянии (при bp )0,808 г / см
тройная точка 63,151 K, 12,52 кПа
Критическая точка 126,21 K, 3,39 МПа
Теплота плавления (N2) 0,72 кДж / моль
Теплота испарения (N2) 5,56 кДж / моль
Молярная теплоемкость (N2) 29,124 Дж / (моль · К)
Давление пара
P(Па)1101001 k10 k100 k
при T (K)374146536277
Атомные свойства
Степени окисления −3, −2, −1, +1, +2, +3, +4, +5 (сильно кислый оксид)
Электроотрицательность Шкала Полинга: 3,04
Энергия ионизации
  • 1-я: 1402,3 кДж / моль
  • 2-я: 2856 кДж / моль
  • 3-я: 4578,1 кДж / моль
  • (подробнее )
Ковалентный радиус 71 ± 1 pm
Ван радиус Ваальса 155 пм
Цветные линии в спектральном диапазоне Спектральные линии азота
Другие свойства
Естественное происхождениеизначальное
Кристаллическая структура гексагональная Гексагональная кристаллическая структура азота
Скорость звука 353 м / с (газ, при 27 ° C)
Теплопроводность 25,83 × 10 Вт / (м · К)
Магнитное упорядочение диамагнитное
Номер CAS 17778-88-0. 7727-37-9 (N 2)
История
Открытие Дэниел Резерфорд (1772)
ИмяЖан-Антуан Шапталь (1790)
Основные изотопы азота
Изотоп Изобилие Период полураспада (t1/2)Режим распада Продукт
N син 9,965 мин.ε C
N99,6%шт. ble
N0,4%стабильный
Категория Категория: Азот.
  • взгляд
  • обсуждение
| ссылки

Азот - это химический элемент с символатомный номер 7. Впервые он был обнаружен и изолирован шотландским врачом Дэниелом Резерфордом в 1772 году. Хотя Карл Вильгельм Шееле и Генри Кавендиш независимо друг от друга сделали это примерно в то же время, Резерфорд обычно признается, потому что его работа была опубликована первой. Название нитроген было предложено французским химиком Жан-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 греческого ἀζωτικός «нет жизни», поскольку это удушающий газ ; вместо этого это имя используется во многих языках, таких как французский, итальянский, русский, румынский и турецкий, и встречается в английских названиях некоторых соединений азота, таких как гидразин, азиды и азосоединения.

Азот - самый легкий член группы 15 Периодической таблицы, часто называемые пниктогенами. Это обычный элемент во вселенной , оцениваемый примерно в седьмой по общему содержанию в Млечном Пути и Солнечной системе. При стандартной температуре и давлении два атома элемента связываются с образованием диазота, не имеющего цвета и запаха двухатомного газа с формулой N 2. Динитроген составляет около 78% атмосферы Земли, что делает его самым распространенным несоединенным элементом. Азот присутствует во всех организмах, прежде всего в аминокислотах (и, следовательно, в белках ), в нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК ) и в молекуле переноса энергии аденозинтрифосфат. человеческое тело содержит около 3% азота по массе, что является четвертым по распространенности элементом в организме после кислорода, углерода и водорода. азотный цикл описывает движение элемента из воздуха в биосферу и органические соединения, а затем обратно в атмосферу.

Многие промышленно важные соединения, такие как аммиак, азотная кислота, органические нитраты (пропелленты и взрывчатые вещества ) и цианиды, содержат азот. Чрезвычайно прочная тройная связь в элементарном азоте (N≡N), вторая по прочности связь в любой двухатомной молекуле после монооксида углерода (CO), доминирует в химии азота.. Это создает трудности как для организмов, так и для промышленности при преобразовании N 2 в полезные соединения, но в то же время означает, что при сжигании, взрыве или разложении соединений азота с образованием газообразного азота выделяются большие количества часто полезной энергии. Синтетически произведенные аммиак и нитраты являются основными промышленными удобрениями, а нитраты удобрений - основными загрязнителями в эвтрофикации водных систем.

Помимо использования в удобрениях и запасах энергии, азот входит в состав таких разнообразных органических соединений, как кевлар, используемый в высокопрочной ткани, и цианоакрилат, используемый в суперклей. Азот входит в состав всех основных классов фармакологических препаратов, включая антибиотики. Многие препараты являются имитаторами или пролекарствами природных азотсодержащих сигнальных молекул : например, органические нитраты нитроглицерин и нитропруссид контроль кровяное давление путем метаболизма в оксид азота. Многие известные азотсодержащие препараты, такие как природный кофеин и морфин или синтетические амфетамины, действуют на рецепторы животных нейротрансмиттеров.

.
  • 1 История
  • 2 Свойства
    • 2.1 Атомный
    • 2.2 Изотопы
  • 3 Химия и соединения
    • 3.1 Аллотропы
    • 3.2 Диназотные комплексы
    • 3.3 Нитриды, азиды и нитридокомплексы
    • 3.4 Гидриды
    • 3.5 Галогениды и оксогалогениды
    • 3.6 Оксиды
    • 3.7 Оксокислоты, оксоанионы и соли оксокислот
    • 3.8 Органические соединения азота
  • 4 Встречаемость
  • 5 Производство
  • 6 Области применения
    • 6.1 Газ
    • 6.2 Жидкость
  • 7 Безопасность
    • 7.1 Газ
    • 7.2 Жидкость
    • 7.3 Мониторы кислородного дефицита
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Библиография
  • 11 Внешние ссылки
История
Дэниэл Резерфорд, открыватель азота

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

Открытие азота приписывается шотландскому врачу Дэниелу Резерфорду в 1772 году, который назвал его ядовитым воздухом. Хотя он не считал это совершенно другим химическим веществом, он четко отличал его от «неподвижного воздуха» Джозефа Блэка, или двуокиси углерода. Тот факт, что существует компонент воздуха, не поддерживающий горение, был ясен Резерфорду, хотя он не знал, что это элемент. Примерно в то же время азот изучался Карлом Вильгельмом Шееле, Генри Кавендишем и Джозефом Пристли, которые называли его горелым воздухом или флогистированный воздух. Газообразный азот был инертным настолько, что Антуан Лавуазье называл его «смертоносный воздух » или азот, от греческого слова άζωτικός (азотикос), "нет жизни". В атмосфере чистого азота животные погибли, а пламя погасло. Хотя имя Лавуазье не было принято на английском языке, поскольку было указано, что почти все газы (действительно, за исключением кислорода) являются ядовитыми, оно используется во многих языках (французском, итальянском, португальском, польском, русском, албанском, Турецкий и т.д.; немецкое Stickstoff аналогичным образом относится к той же характеристике, а именно ersticken «задыхаться или задыхаться») и до сих пор остается в английском языке в общих названиях многих соединений азота, таких как гидразин и соединения иона азида. Наконец, это привело к названию «пниктогенов » для группы, возглавляемой азотом, от греческого πνίγειν «задыхаться».

Английское слово азот (1794) вошло в язык из Французский нитроген, изобретенный в 1790 году французским химиком Жан-Антуаном Шапталем (1756–1832), из французской селитры (нитрат калия, также называемый селитрой ) и французский суффикс -gène, «производящий», от греческого -γενής (-genes, «рожденный»). Шапталь имел в виду, что азот является неотъемлемой частью азотной кислоты, которая, в свою очередь, была произведена из селитры. Раньше нитр путали с египетским «натроном» (карбонат натрия ) - по-гречески νίτρον (нитрон) - который, несмотря на название, не содержал нитратов.

Самый ранний для военного, промышленного и сельскохозяйственного применения азотных соединений использовалась селитра (нитрат натрия или нитрат калия), в первую очередь в порох, а позже в качестве удобрения. В 1910 году лорд Рэлей обнаружил, что электрический разряд в газообразном азоте производит «активный азот», одноатомный аллотроп азота. «Вихревое облако яркого желтого света», создаваемое его аппаратом, прореагировало с ртутью с образованием взрывчатого вещества нитрида 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), уменьшили этот дефицит соединений азота до такой степени, что половина мирового производства продуктов питания (см. Приложения) теперь зависит от синтетических азотных удобрений. В то же время использование процесса Оствальда (1902) для производства нитратов путем промышленной фиксации азота позволило крупномасштабное промышленное производство нитратов в качестве исходного сырья при производстве взрывчатые вещества в мировых войнах 20 века.

Свойства

Атомные

Формы пяти орбиталей, занятых в азоте. Два цвета показывают фазу или знак волновой функции в каждой области. Слева направо: 1s, 2s (разрез для демонстрации внутренней структуры), 2p x, 2p y, 2p z.

Атом азота имеет семь электронов. В основном состоянии они расположены в электронной конфигурации 1s. 2s. 2p. x2p. y2p. z. Следовательно, он имеет пять валентных электронов на 2s и 2p-орбиталях, три из которых (p-электроны) являются неспаренными. Он имеет одну из самых высоких электроотрицательностей среди элементов (3,04 по шкале Полинга), уступая только хлору (3,16), кислороду (3,44) и фтор (3,98). (Легкие благородные газы, гелий, неон и аргон, по-видимому, также будут более электроотрицательными, и фактически Шкала Аллена). Следуя периодическим тенденциям, его одинарная связь ковалентный радиус 71 пм меньше, чем у бора (84 пм) и углерода (76 пм), в то время как он больше, чем у кислорода (66 пм) и фтора (57 пм). Анион нитрида, N, намного больше - 146 мкм, аналогично таковому у оксида (O: 140 мкм) и фторида (F: 133 мкм.) анионы. Первые три энергии ионизации азота составляют 1,402, 2,856 и 4,577 МДж · моль, а сумма четвертой и пятой энергии составляет 16,920 МДж · моль. Из-за этих очень высоких цифр азот не имеет простого катионного химического состава.

Отсутствие радиальных узлов в подоболочке 2p является прямой причиной многих аномальных свойств первого ряда p-блока., особенно в азоте, кислороде и фторе. Подоболочка 2p очень мала и имеет радиус, очень близкий к радиусу оболочки 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 высоким электроотрицательностям. Гипервалентность почти неизвестна в 2p-элементах по той же причине, потому что высокая электроотрицательность мешает маленькому атому азота быть центральным атомом в богатой электронами трехцентровой четырехэлектронной связь, поскольку она будет сильно притягивать электроны к себе. Таким образом, несмотря на то, что азот занимает первое место в группе 15 периодической таблицы Менделеева, его химический состав сильно отличается от химического состава его более тяжелых конгенеров фосфор, мышьяк, сурьма, и висмут.

Азот можно с успехом сравнивать с его горизонтальными соседями углеродом и кислородом, а также с его вертикальными соседями по пниктогенному столбцу, 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; они известны как диагональные отношения ), их степень резко падает после уровня бора - кремниевая пара. Сходство азота и серы в основном ограничивается кольцевыми соединениями нитрида серы, когда присутствуют только оба элемента.

Азот не разделяет склонность углерода к катенированию. 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 фуллереновой -подобной структурой.

Он похож на кислород своей высокой электроотрицательностью. и сопутствующая способность к образованию водородных связей и способность образовывать координационные комплексы, отдавая свои неподеленные пары электронов. Есть некоторые параллели между химическим составом аммиака NH 3 и воды H 2 O. Например, способность обоих соединений протонироваться с образованием NH 4 и H 3 O или депротонироваться с образованием NH 2 и OH, со всеми этими

Азот разделяет с обоими своими горизонтальными соседями предпочтение образования множественных связей, обычно с углеродом, кислородом или другими атомами азота, посредством взаимодействий p π–pπ. Таким образом, например, азот встречается в виде двухатомных молекул и поэтому имеет гораздо более низкие точки плавления (−210 ° C) и точки кипения (−196 ° C), чем остальная часть его группы., поскольку молекулы N 2 удерживаются вместе только слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями и очень мало электронов доступно для создания значительных мгновенных диполей. Это невозможно для его вертикальных соседей; таким образом, оксиды азота, нитриты, нитраты, нитро-, нитрозо -, азо - и диазо -соединения, азиды, цианаты, тиоцианаты и имино -производные не обнаруживают эха с фосфором, мышьяком, сурьмой или висмутом. По той же причине, однако, сложность оксокислот фосфора не отражается на азоте. Если оставить в стороне свои различия, азот и фосфор образуют обширный ряд соединений друг с другом; у них есть цепная, кольцевая и клеточная структура.

Изотопы

Таблица нуклидов (диаграмма Сегре) от углерода до фтора (включая азот). Оранжевый цвет указывает на испускание протона (нуклиды за пределами капельной линии протона); розовый для позитронного излучения (обратный бета-распад); черный для стабильных нуклидов ; синий для электронной эмиссии (бета-распад); и фиолетовый для испускания нейтронов (нуклиды за пределами капельной линии нейтронов). Число протонов увеличивается по вертикальной оси, а число нейтронов направляется вправо по горизонтальной оси.

Азот имеет два стабильных изотопа : N и N. Первый встречается гораздо чаще, составляя 99,634%. природного азота, а второй (чуть 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 N более распространен, поскольку его захват нейтронов является этапом, ограничивающим скорость. N - один из пяти стабильных нечетно-нечетных нуклидов (нуклид, имеющий нечетное число протонов и нейтронов); остальные четыре - это H, Li, B и Ta.

Относительное содержание N и N практически постоянно в атмосфере, но может варьироваться в других местах из-за естественного фракционирования изотопов из биологических окислительно-восстановительные реакции и испарение природного аммиака или азотной кислоты. Биологически опосредованные реакции (например, ассимиляция, нитрификация и денитрификация ) строго контролируют динамику азота в почве. Эти реакции обычно приводят к обогащению субстрата азотом и истощению продукта .

. Тяжелый изотоп N был впервые обнаружен С.М. Науде в 1929 году, вскоре после того, как тяжелые изотопы соседних элементов кислород и углерод. Он представляет собой одно из самых низких сечений захвата тепловых нейтронов среди всех изотопов. Он часто используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для определения структур азотсодержащих молекул из-за его дробного ядерного спина, равного половине, что дает преимущества для ЯМР. например, более узкая линия. N, хотя и теоретически применим, имеет целочисленный ядерный спин, равный единице, и, таким образом, имеет квадрупольный момент, что приводит к более широким и менее полезным спектрам. Тем не менее, N-ЯМР имеет сложности, не встречающиеся в более распространенных H- и C-ЯМР спектроскопия. Низкое естественное содержание N (0,36%) значительно снижает чувствительность, проблему, которая усугубляется только его низким гиромагнитным коэффициентом (всего 10,14% от H). В результате отношение сигнал / шум для H примерно в 300 раз больше, чем для N при той же напряженности магнитного поля. Это можно несколько смягчить путем изотопного обогащения N путем химического обмена или фракционной перегонки. N-обогащенные соединения имеют то преимущество, что в стандартных условиях они не подвергаются химическому обмену своих атомов азота с атмосферным азотом, в отличие от соединений с помеченными изотопами водорода, углерода и кислорода, которые необходимо хранить вдали от окружающей среды. Атмосфера. Отношение N: N обычно используется в анализе стабильных изотопов в областях геохимии, гидрологии, палеоклиматологии и палеоокеанографии, где называется δN.

Из десяти других изотопов, произведенных синтетическим путем, в диапазоне от N до N, N имеет период полураспада в десять минут, а оставшиеся изотопы имеют период полураспада на порядка секунд (N и N) или миллисекунд. Никакие другие изотопы азота невозможны, так как они выпали бы за пределы ядерных капельных линий, просачивая протон или нейтрон. Учитывая разницу в периоде полураспада, N является наиболее важным радиоизотопом азота, будучи относительно долгоживущим, достаточно долгоживущим для использования в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), хотя его период полураспада по-прежнему короткий, и поэтому производятся на месте проведения ПЭТ, например, в циклотроне посредством протонной бомбардировки O с образованием N и альфа-частицы.

. Радиоизотоп N является доминирующим радионуклид в теплоносителе реакторов с водой под давлением или реакторов с кипящей водой во время нормальной работы, и, таким образом, он является чувствительным и непосредственным индикатором утечек из системы теплоносителя первого контура в систему вторичный паровой цикл и является основным средством обнаружения таких утечек. Он образуется из O (в воде) в результате реакции (n, p), в которой атом O захватывает нейтрон и изгоняет протон. Он имеет короткий период полураспада, составляющий около 7,1 с, но во время обратного распада до O производит высокоэнергетическое гамма-излучение (от 5 до 7 МэВ). Из-за этого доступ к трубопроводу теплоносителя первого контура в реакторе с водой под давлением должен быть ограничен во время реактора работы на мощности.

Химия и соединения

Аллотропы

Молекулярная орбиталь диаграмма молекулы диазота, N 2. Имеется пять связывающих орбиталей и две антисвязывающих орбитали (отмечены звездочкой; орбитали с участием внутренних 1s-электронов не показаны), что дает общий порядок связи, равный трем.

Атомарный азот, также известный как активный азот, обладает высокой реакционной способностью, будучи трирадикал с тремя неспаренными электронами. Свободные атомы азота легко реагируют с большинством элементов с образованием нитридов, и даже когда два свободных атома азота сталкиваются с образованием возбужденной молекулы N 2, они могут выделять столько энергии при столкновении даже с такими стабильными молекулами, как углекислый газ и вода, чтобы вызвать гомолитическое расщепление на радикалы, такие как CO и O или OH и H. Атомарный азот получают путем пропускания электрического разряда через газообразный азот при 0,1–2 мм рт. ст. атомарный азот вместе с персиково-желтым излучением, которое медленно исчезает как послесвечение в течение нескольких минут даже после прекращения разряда.

Учитывая высокую реакционную способность атомарного азота, элементарный азот обычно встречается в виде молекулярного N 2, диазот. Эта молекула представляет собой бесцветный, без запаха и вкуса диамагнитный газ при стандартных условиях: он плавится при −210 ° C и кипит при −196 ° C. Диназот в основном не реагирует при комнатной температуре, но, тем не менее, он будет реагировать с металлическим литием и некоторыми комплексами переходного металла. Это происходит из-за его связывания, которое уникально среди двухатомных элементов в стандартных условиях тем, что оно 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 химическую инертность диазота.

Есть некоторые теоретические данные. указывает на то, что возможны другие азотные олигомеры и полимеры. 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 мощных ракетных топлив или взрывчатых веществ. Это связано с тем, что все они должны разлагаться до диазота, тройная связь которого N≡N (энергия связи 946 кДж⋅моль) намного сильнее, чем у двойной связи N = N (418 кДж⋅моль) или одинарной связи N-N ( 160 кДж⋅моль): действительно, тройная связь имеет более чем в три раза больше энергии, чем одинарная. (Обратное верно для более тяжелых пниктогенов, которые предпочитают многоатомные аллотропы.) Большой недостаток состоит в том, что не ожидается, что большинство нейтральных полинитрогенов будут иметь большой барьер на пути разложения, и что несколько исключений будет даже сложнее синтезировать, чем длинные - искал, но пока неизвестен тетраэдран. Это контрастирует с хорошо охарактеризованными катионными и анионными полинитрогенами азид (N. 3), пентазений (N. 5) и пентазолидом (циклический ароматический N. 5). При чрезвычайно высоких давлениях (1,1 миллиона атм ) и высоких температурах (2000 К), что и получается в ячейке с алмазной наковальней , азот полимеризуется в кристаллическую структуру с одинарными связями. Эта структура аналогична структуре алмаза, и оба имеют чрезвычайно прочные ковалентные связи, в результате чего он получил прозвище «азотный алмаз».

Твердый азот на равнинах Sputnik Planitia на Плутоне рядом с горами из водяного льда

При атмосферном давлении молекулярный азот конденсируется (сжижается ) при 77 K (-195,79 ° C ) и замораживает при 63 K (-210,01 ° C) в бета гексагональный плотноупакованный кристалл аллотропная форма. Ниже 35,4 K (-237,6 ° C) азот принимает кубическую кристаллическую аллотропную форму (называемую альфа-фазой). Жидкий азот, бесцветная жидкость, напоминающая воду по внешнему виду, но с содержанием 80,8% плотности (плотность жидкого азота при его температуре кипения составляет 0,808 г / мл), является обычным криогеном. Твердый азот имеет множество кристаллических модификаций. Он формирует значительное динамическое покрытие поверхности на Плутоне и внешних лунах Солнечной системы, таких как Тритон. Даже при низких температурах твердого азота он довольно летуч и может возгоняться с образованием атмосферы или конденсироваться обратно в азотный иней. Он очень слабый и течет в виде ледников, а на Тритоне гейзеры газообразный азот поступает из области полярной ледяной шапки.

Диназотные комплексы

Структура [Ru (NH 3)5(N2)] (пентаамин (диазот) рутений (II) ), первый обнаруженный диазотистый комплекс

Первым обнаруженным диазотным комплексом был [Ru (NH 3)5(N2)] (см. Рисунок справа), и вскоре были обнаружены многие другие подобные комплексы. Эти комплексы, в которых молекула азота отдает по меньшей мере одну неподеленную пару электронов центральному катиону металла, иллюстрируют, как N 2 может связываться с металлом (ами) в нитрогеназа и катализатор для процесса Габера : эти процессы, включающие активацию диазотом, жизненно важны в биологии и при производстве удобрений.

Динитроген способен координировать с металлами пятью разными способами. Наиболее хорошо охарактеризованными способами являются концевые M ← N≡N (η ) и M ← N≡N → M (μ, bis-η), в которых неподеленные пары на атомах азота передаются катиону металла. Менее хорошо охарактеризованные способы предполагают использование диназотодонорных электронных пар из тройной связи либо в качестве мостикового лиганда к двум катионам металлов (μ, бис-η), либо только к одному (η). Пятый и уникальный метод включает тройную координацию в качестве мостикового лиганда, отдавая все три электронные пары тройной связи (μ 3-N2). Некоторые комплексы содержат несколько лигандов N 2, а некоторые содержат N 2, связанный множеством способов. Поскольку N 2 изоэлектронен с оксидом углерода (CO) и ацетиленом (C2H2), связывание в диазотных комплексах тесно связано со связью в карбониле <725.>соединений, хотя N 2 является более слабым σ-донором и π-акцептором, чем CO. Теоретические исследования показывают, что σ-донорство является более важным фактором, позволяющим образование связи M – N, чем π-донорство., что в основном только ослабляет связь N – N, и донорство на конце (η) осуществляется легче, чем на стороне (η).

Сегодня диазотные комплексы известны почти для всех переходные металлы, что составляет несколько сотен соединений. Обычно их получают тремя способами:

  1. Замена лабильных лигандов, таких как H2O, H или CO непосредственно азотом: это часто обратимые реакции, которые протекают в мягких условиях.
  2. Восстановление комплексы металлов в присутствии подходящего колиганда в избытке в атмосфере газообразного азота. Обычный выбор включает замену хлоридных лигандов на диметилфенилфосфин (PMe 2 Ph), чтобы компенсировать меньшее количество присоединенных азотных лигандов, чем исходные хлорные лиганды.
  3. Преобразование лиганд со связями N – N, такой как гидразин или азид, непосредственно в диазотистый лиганд.

Иногда связь N≡N может быть образована непосредственно внутри металлического комплекса, например, путем прямой реакции координированного аммиака (NH 3) с азотистой кислотой (HNO 2), но это обычно не применимо. Большинство комплексов диазота имеют цвета в диапазоне белый-желтый-оранжевый-красно-коричневый; известно несколько исключений, таких как синий [{Ti (η-C 5H5)2}2- (N 2)].

Нитриды, азиды и нитридокомплексы

Азот связывается почти со всеми элементами периодической таблицы, кроме первых трех благородных газов, гелия, неона и аргона, и некоторые из очень короткоживущих элементов после висмута, создавая огромное количество бинарных соединений с различными свойствами и применениями. Известно множество бинарных соединений: за исключением гидридов, оксидов и фторидов азота, их обычно называют нитридами. Многие стехиометрические фазы обычно присутствуют для большинства элементов (например, MnN, Mn 6N5, Mn 3N2, Mn 2 N, Mn 4 N и Mn x N для 9,2 < x < 25.3). They may be classified as "salt-like" (mostly ionic), covalent, "diamond-like", and metallic (or межстраничного ), хотя эта классификация имеет ограничения, обычно проистекающие из непрерывности типов связывания вместо дискретных и отдельных типов, которые она подразумевает.. Обычно их получают путем прямой реакции металла с с азотом или аммиаком (иногда после нагревания) или термическим разложением амидов металлов:

3 Ca + N 2 → Ca 3N2
3 Mg + 2 NH 3 → Mg 3N2+ 3 H 2 (при 900 ° C)
3 Zn (NH 2)2→ Zn 3N2+ 4 NH 3

Существует множество вариантов этих процессов. Наиболее ионными из этих нитридов являются нитриды щелочных металлов и щелочноземельных металлов, Li 3 N (Na, K, Rb и Cs не образуют стабильных нитридов по стерическим причинам) и M 3N2(M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba). Формально их можно рассматривать как соли аниона N, хотя разделение зарядов фактически не является полным даже для этих высоко электроположительных элементов. Однако хорошо известны азиды щелочных металлов NaN 3 и KN 3, содержащие линейный анион N. 3, а также Sr (N 3)2и Ba (N 3)2. Азиды металлов B-подгруппы (те, что находятся в группах с 11 по 16 ) гораздо менее ионны, имеют более сложную структуру и легко детонируют при шоке.

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

Известно много ковалентных бинарных нитридов. Примеры включают цианоген ((CN) 2), пентанитрид трифосфора (P3N5), динитрид дисеры (S2N2) и тетранитрид тетрасеры (S4N4). Также известны по существу ковалентный нитрид кремния (Si 3N4) и нитрид германия (Ge 3N4): нитрид кремния, в частности, может сделать многообещающую керамику Если бы не сложность его работы и спекания. В частности, нитриды группы 13, большинство из которых являются перспективными полупроводниками, изоэлектронны с графитом, алмазом и карбидом кремния и имеют схожие структуры: их связь меняется с ковалентной на частично ионную на металлическую по мере перехода группы. В частности, поскольку звено B – N изоэлектронно по отношению к C – C, а углерод по размеру занимает промежуточное положение между бором и азотом, большая часть органической химии находит отклик в химии бор-азот, например, в боразин («неорганический бензол »). Тем не менее, аналогия не точна из-за легкости нуклеофильной атаки на бор из-за его недостатка электронов, что невозможно в полностью углеродсодержащем кольце.

Самая большая категория. нитридов представляют собой межузельные нитриды формул M 2 N и M 4 N (хотя переменный состав вполне возможен), где небольшие атомы азота расположены в промежутках в металлическая кубическая или гексагональная плотноупакованная решетка. Они непрозрачные, очень твердые и химически инертные, плавятся только при очень высоких температурах (обычно выше 2500 ° C). Они имеют металлический блеск и проводят электричество, как и металлы. Они очень медленно гидролизуются с образованием аммиака или азота.

Нитрид-анион (N) является самым сильным донором π, известным среди лигандов (вторым по силе является O). Нитридокомплексы обычно получают термическим разложением азидов или депротонированием аммиака, и они обычно включают концевую группу {≡N}. Линейный азид-анион (N. 3), будучи изоэлектронным с закисью азота, диоксидом углерода и цианатом, образует множество координационных комплексов. Дальнейшее связывание встречается редко, хотя известен N. 4(изоэлектронный с карбонатом и нитратом ).

Гидриды

Стандартные потенциалы восстановления для азотсодержащих веществ. На верхней диаграмме показаны потенциалы при pH 0; нижняя диаграмма показывает потенциалы при pH 14.

Промышленно аммиак (NH 3) является наиболее важным соединением азота, и его получают в больших количествах, чем любое другое соединение, потому что он вносит значительный вклад в удовлетворение пищевых потребностей наземных организмов, служа прекурсором пищи и удобрений. Это бесцветный щелочной газ с характерным резким запахом. Присутствие водородной связи оказывает очень значительное влияние на аммиак, придавая ему высокие температуры плавления (-78 ° C) и кипения (-33 ° C). Как жидкость, это очень хороший растворитель с высокой теплотой испарения (что позволяет использовать его в вакуумных колбах), который также имеет низкую вязкость и электрическую проводимость. с высокой диэлектрической проницаемостью и менее плотным, чем вода. Однако водородная связь в NH 3 слабее, чем в H 2 O из-за более низкой электроотрицательности азота по сравнению с кислородом и присутствия только одной неподеленной пары в NH <376.>3, а не два в H 2 O. Это слабое основание в водном растворе (pKb 4,74); его сопряженная кислота представляет собой 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 нелегко, с образованием газообразного азота; он горит во фторе с зеленовато-желтым пламенем, давая трифторид азота. Реакции с другими неметаллами очень сложны и, как правило, приводят к образованию смеси продуктов. Аммиак реагирует при нагревании с металлами с образованием нитридов.

Известно много других бинарных гидридов азота, но наиболее важными из них являются гидразин (N2H4) и азид водорода (HN 3). Хотя это не гидрид азота, гидроксиламин (NH 2 OH) также подобен по свойствам и структуре аммиаку и гидразину. Гидразин - дымящаяся бесцветная жидкость, имеющая запах аммиака. Его физические свойства очень похожи на свойства воды (точка плавления 2,0 ° C, точка кипения 113,5 ° C, плотность 1,00 г / см). Несмотря на то, что это эндотермическое соединение, оно кинетически стабильно. Он быстро и полностью сгорает на воздухе, очень экзотермически выделяя азот и водяной пар. Это очень полезный и универсальный восстановитель, который является более слабым основанием, чем аммиак. Он также обычно используется в качестве ракетного топлива.

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

NH3+ OCl → NH 2 Cl + OH
NH2Cl + NH 3 → N. 2H. 5+ Cl (медленный)
N. 2H. 5+ OH → N 2H4+ H 2 O (быстро)

(Атаки гидроксида и аммиака могут быть отменены, вместо этого проходя через промежуточный NHCl.) Причина добавления желатина заключается в том, что он удаляет ионы металлов, таких как Cu, которые катализируют разрушение гидразина реакцией. с монохлорамином (NH 2 Cl) для получения хлорида аммония и азота.

азид водорода (HN 3) был впервые произведен в 1890 году окислением водного гидразина азотистой кислотой. Он очень взрывоопасен, и даже разбавленные растворы могут быть опасными. Он имеет неприятный и раздражающий запах и является потенциально смертельным (но не кумулятивным) ядом. Его можно рассматривать как сопряженную кислоту азид-аниона и аналогично галогеноводородным кислотам.

Галогенидам и оксогалогенидам

Трихлорид азота

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

Известно пять фторидов азота. Трифторид азота (NF 3, впервые получен в 1928 году) представляет собой термодинамически стабильный газ без цвета и запаха, который наиболее легко получить с помощью электролиза расплава фторид аммония, растворенный в безводном фтористом водороде. Как и тетрафторид углерода, он совершенно не реакционноспособен и стабилен в воде или разбавленных водных кислотах или щелочах. Только при нагревании он действует как фторирующий агент и реагирует с медью, мышьяком, сурьмой и висмутом при контакте при высоких температурах с образованием тетрафторгидразина (N2F4). Катионы NF. 4и N. 2F. 3также известны (последний от взаимодействия тетрафторгидразина с сильными фторид-акцепторами, такими как пентафторид мышьяка ), как и ONF 3, который имеет вызвал интерес из-за короткого расстояния N – O, подразумевающего частичную двойную связь, а также высокополярной и длинной связи N – F. 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 (N2F2) существует в виде термически взаимопревращаемых цис- и транс-изомеров и впервые был обнаружен как продукт термического разложения FN 3.

Трихлорид азота (NCl 3) является плотная, летучая и взрывоопасная жидкость, физические свойства которой аналогичны свойствам четыреххлористого углерода, хотя одно отличие состоит в том, что NCl 3 легко гидролизуется водой, в то время как CCl 4 нет. Впервые он был синтезирован в 1811 году Пьером Луи Дюлонгом, который потерял три пальца и глаз из-за его взрывных тенденций. Как разбавленный газ 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, которое взрывоопасно даже при −100 ° C. Трииодид азота (NI 3) все еще более нестабилен и был получен только в 1990 году. Его аддукт с аммиаком, который был известен ранее, очень чувствителен к удару: его можно выделить касанием пера, движущимися воздушными потоками или даже альфа-частицами. По этой причине небольшие количества трииодида азота иногда синтезируются в качестве демонстрации для студентов-химиков старших классов или в качестве акта «химической магии». Азид хлора (ClN 3) и азид брома (BrN 3) чрезвычайно чувствительны и взрывоопасны.

Известны две серии оксогалогенидов азота: нитрозилгалогениды (XNO) и нитрилгалогениды (XNO 2). Первые - это очень химически активные газы, которые можно получить путем прямого галогенирования закиси азота. Нитрозилфторид (NOF) бесцветен и является сильнодействующим фторирующим агентом. Нитрозилхлорид (NOCl) ведет себя примерно так же и часто используется в качестве ионизирующего растворителя. Нитрозилбромид (NOBr) красный. Реакции нитрилгалогенидов в основном похожи: нитрилфторид (FNO 2) и (ClNO 2) также являются химически активными газами и сильными галогенирующими агентами.

Оксиды

Двуокись азота при −196 ° C, 0 ° C, 23 ° C, 35 ° C и 50 ° C. NO. 2преобразуется в бесцветный четырехокись азота (N. 2O. 4) при низких температурах и возвращается в NO. 2при более высоких температурах.

Азот образует девять молекулярных оксидов, некоторые из которых были идентифицированы первыми: N 2 O (закись азота ), NO (оксид азота ), N 2O3(трехокись азота ), NO 2(диоксид азота ), N 2O4(тетроксид диазота ), N 2O5(пятиокись азота ), N 4 O (нитрозилазид ) и N (NO 2)3(тринитрамид ). Все они термически нестабильны по отношению к разложению на элементы. Еще один возможный оксид, который еще не синтезирован, это оксатетразол (N4O), ароматическое кольцо.

Закись азота (N 2 O), более известная как веселящий газ., получают термическим разложением расплавленного нитрата аммония при 250 ° C. Это окислительно-восстановительная реакция, поэтому оксид азота и азот также образуются как побочные продукты. Он в основном используется в качестве пропеллента и аэрирующего агента для консервированных взбитых сливок, а ранее обычно использовался в качестве анестетика. Несмотря на внешний вид, он не может рассматриваться как ангидрид азотистой кислоты (H2N2O2), поскольку эта кислота не образуется при растворении закиси азота в воде. Он довольно инертен (не реагирует с галогенами, щелочными металлами или озоном при комнатной температуре, хотя реакционная способность увеличивается при нагревании) и имеет несимметричную структуру N – N – O (N≡NO↔N = N = O): при температуре 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 при каталитическом окислении аммиака. Это бесцветный парамагнитный газ, который, будучи термодинамически нестабильным, разлагается на азот и кислород при 1100–1200 ° C. Его связывание аналогично тому, как это происходит в азоте, но один дополнительный электрон добавляется к π * разрыхляющей орбитали и, таким образом, порядок связи снижается примерно до 2,5; следовательно, димеризация до O = N – N = O является неблагоприятной, за исключением температуры ниже точки кипения (где цис-изомер более стабилен), потому что она фактически не увеличивает общий порядок связи и потому что неспаренный электрон делокализован по молекуле NO, что дает стабильность. Имеются также данные об асимметричном красном димере 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 глубокую окраску.

Синий триоксид диазота (N 2O3) доступен только в виде твердого вещества, потому что он быстро диссоциирует при температуре выше его точки плавления с образованием оксид азота, диоксид азота (NO 2) и четырехокись азота (N 2O4). Последние два соединения довольно трудно изучать по отдельности из-за равновесия между ними, хотя иногда тетроксид диазота может реагировать путем гетеролитического деления на нитрозоний и нитрат в среде с высокой диэлектрической проницаемостью. Двуокись азота - это едкий коррозионный газ коричневого цвета. Оба соединения могут быть легко получены разложением сухого нитрата металла. Оба реагируют с водой с образованием азотной кислоты. Четырехокись азота очень полезна для получения безводных нитратов металлов и нитратокомплексов, и к концу 1950-х годов он стал предпочтительным окислителем с возможностью хранения для многих ракет как в Соединенных Штатах, так и в СССР. Это связано с тем, что это гиперголическое ракетное топливо в сочетании с ракетным топливом на основе на основе гидразина и его легко хранить, поскольку оно является жидким при комнатной температуре.

Термически нестабильный и очень реакционноспособный пятиокись азота (N 2O5) представляет собой ангидрид азотной кислоты и может быть получен из него путем дегидратации с помощью пятиокиси фосфора. Представляет интерес для приготовления взрывчатых веществ. Это жидкое вещество, бесцветное кристаллическое твердое вещество, чувствительное к свету. В твердом состоянии он является ионным со структурой [NO 2 ] [NO 3 ]; в виде газа и в растворе это молекулярный O 2 N – O – NO 2. Гидратация до азотной кислоты происходит легко, как и аналогичная реакция с перекисью водорода с образованием (HOONO 2). Это сильный окислитель. Газообразный пятиокись азота разлагается следующим образом:

N2O5⇌ NO 2 + NO 3 → NO 2 + O 2 + NO
N2O5+ NO ⇌ 3 NO 2

Оксокислоты, оксоанионы и соли оксокислот

Известно много азотных оксокислот, хотя большинство из них нестабильны как чистые соединения и известны только как водный раствор или в виде солей. азотистая кислота (H2N2O2) представляет собой слабую дипротонную кислоту со структурой HON = NOH (pK a1 6,9, pK a2 11,6). Кислотные растворы достаточно стабильны, но при pH выше 4 катализируемое основанием разложение происходит через [HONNO] до закиси азота и гидроксид-аниона. Гипонитриты (содержащие анион N. 2O. 2) устойчивы к восстановителям и чаще сами действуют как восстановители. Они представляют собой промежуточную стадию окисления аммиака до нитрита, которое происходит в азотном цикле . Гипонитрит может действовать как мостиковый или хелатный бидентатный лиганд.

Азотистая кислота (HNO 2) не известна как чистое соединение, но является обычным компонентом в газовых равновесиях и важной водной реагент: его водные растворы могут быть получены путем подкисления холодных водных растворов нитрита (NO. 2, изогнутые), хотя уже при комнатной температуре диспропорционирование до нитрата и оксида азота является значительным. Это слабая кислота с pK a 3,35 при 18 ° C. Их можно титриметрически проанализировать путем их окисления до нитрата перманганатом. Они легко восстанавливаются до закиси азота и окиси азота с помощью диоксида серы, до азотистой кислоты с помощью олова (II) и до аммиака с помощью сероводорода. Соли гидразиния N. 2H. 5реагируют с азотистой кислотой с образованием азидов, которые далее 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 диазотизации первичных ароматических аминов следующим образом:

ArNH 2 + HNO 2 → [ArNN] Cl + 2 H 2O

Нитрит также общий лиганд , который может координироваться пятью способами. Наиболее распространены нитро (связанные с азотом) и нитрито (связанные с кислородом). Нитро-нитрито-изомерия является обычным явлением, при котором форма нитрито обычно менее стабильна.

Дымящаяся азотная кислота, загрязненная желтым диоксидом азота

Азотная кислота (HNO 3), является наиболее важная и самая стабильная из оксокислот азота. Это одна из трех наиболее используемых кислот (две другие - серная кислота и соляная кислота ) и впервые была открыта алхимиками в 13 веке. Он производится 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, в частности, для производства нитратов для удобрений и взрывчатых веществ. Безводная азотная кислота может быть получена путем дистилляции концентрированной азотной кислоты с пятиокиси фосфора при низком давлении в стеклянном аппарате в темноте. Его можно получить только в твердом состоянии, потому что при плавлении он самопроизвольно разлагается на диоксид азота, а жидкая азотная кислота подвергается самоионизации в большей степени, чем любая другая ковалентная жидкость, как показано ниже:

2 HNO 3 ⇌ H. 2NO. 3+ NO. 3⇌ H 2 O + [NO 2 ] + [NO 3]

Два гидрата, HNO 3·H2O и HNO 3 · 3H 2 O известны, которые могут кристаллизоваться. Это сильная кислота, а концентрированные растворы являются сильными окислителями, хотя золото, платина, родий и иридий невосприимчивы к атакам.. Смесь концентрированной соляной кислоты и азотной кислоты в соотношении 3: 1, называемая царская водка, еще более сильна и успешно растворяет золото и платину, поскольку образуются свободный хлор и нитрозилхлорид, а анионы хлора могут образовывать прочные комплексы. В концентрированной серной кислоте азотная кислота протонируется с образованием нитрония, который может действовать как электрофил для ароматического нитрования:

HNO 3 + 2 H 2SO4⇌ NO. 2+ H 3 O + 2 HSO. 4

Термическая стабильность нитратов (включая тригональный планарный анион NO. 3) зависит от основности металла, как и продукты разложения (термолиза), которые могут варьироваться от нитрита (например, натрия), оксида (калий и свинец ) или даже самого металла (серебро ) в зависимости от об их относительной устойчивости. Нитрат также является обычным лигандом со многими способами координации.

Наконец, хотя ортоназотная кислота (H 3NO4), которая была бы аналогична ортофосфорной кислоте, не существует, тетраэдрическая ортонитрат анион NO. 4известен в его солях натрия и калия:

NaNO 3 + Na 2 O → 300 ∘ C в течение 7 дней Ag тигель Na 3 NO 4 {\ displaystyle {\ ce { NaNO3 {} + Na2O ->[{\ ce {Ag ~ тигель}}] [{\ ce {300 ^ {\ circ} C ~ в течение ~ 7 дней}}] Na3NO4}}}{\displaystyle {\ce {NaNO3{}+Na2O->[{\ ce {Ag ~ crucible}}] [{\ ce {300 ^ {\ circ} C ~ на ~ 7 дней}}] Na3NO4}}}

Эти белые кристаллические соли очень чувствительны к водяному пару и двуокиси углерода в воздухе:

Na3NO4+ 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 регулярного тетраэдрическая форма и короткий N – O длины связей, подразумевающие значительный полярный характер связи.

Органические соединения азота

Азот - один из наиболее важных элементов в органической химии. Многие органические функциональные группы включают связь углерод-азот, например амиды (RCONR 2), амины (R3N), имины (RC (= NR) R), имиды (RCO) 2 NR, азиды (RN 3), азосоединения (RN 2 R), цианаты и изоцианаты (ROCN или RCNO), нитраты (RONO 2), нитрилы и изонитрилы (RCN или RNC), нитриты (RONO), нитросоединения (RNO 2), нитрозосоединения (RNO), оксимы (RCR = NOH) и производные пиридина. Связи C – N сильно поляризованы в сторону азота. В этих соединениях азот обычно трехвалентный (хотя он может быть четырехвалентным в солях четвертичного аммония, R 4 N) с неподеленной парой, которая может придавать основность соединению за счет координации к протону. Это может быть компенсировано другими факторами: например, амиды не являются основными, потому что неподеленная пара делокализована в двойную связь (хотя они могут действовать как кислоты при очень низком pH, будучи протонированными по кислороду), и пиррол не является кислотным, потому что неподеленная пара делокализована как часть ароматического кольца. Количество азота в химическом веществе можно определить с помощью метода Кьельдаля. В частности, азот является важным компонентом нуклеиновых кислот, аминокислот и, следовательно, белков, а также несущей энергию молекулы аденозинтрифосфата и поэтому жизненно важен для всего живого на Земле.

Происхождение
Схематическое изображение потока соединений азота через наземную среду

Азот является наиболее распространенным чистым элементом в Земля, составляющая 78,1% от всего объема атмосферы. Несмотря на это, его не очень много в земной коре, составляя всего 19 частей на миллион, наравне с ниобием, галлием и литий. Единственными важными минералами азота являются нитрат (нитрат калия, селитра) и соданитр (нитрат натрия, чилийская селитра). Однако они не были важным источником нитратов с 1920-х годов, когда промышленный синтез аммиака и азотной кислоты стал обычным явлением.

Соединения азота постоянно обмениваются между атмосферой и живыми организмами. Азот сначала должен быть переработан, или «фиксированный », в пригодную для растений форму, 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 на аммиак также значительна). Когда аммиак поглощается растениями, он используется для синтеза белков. Затем эти растения перевариваются животными, которые используют соединения азота для синтеза собственных белков и выделения азотсодержащих отходов. Наконец, эти организмы умирают и разлагаются, подвергаясь бактериальному окислению и окислению окружающей среды и денитрификации, возвращая свободный диазот в атмосферу. Промышленная фиксация азота с помощью процесса Хабера в основном используется в качестве удобрения, хотя избыточные азотсодержащие отходы при выщелачивании приводят к эвтрофикации пресной воды и созданию морских мертвых зон., поскольку рост бактерий, вызванный азотом, истощает кислород в воде до такой степени, что все высшие организмы умирают. Кроме того, закись азота, образующаяся во время денитрификации, разрушает атмосферный озоновый слой.

Многие морские рыбы производят большие количества оксида триметиламина, чтобы защитить их от высокого осмотического влияние окружающей их среды; превращение этого соединения в диметиламин является причиной появления запаха у непресноводной морской рыбы. У животных свободный радикал оксид азота (производный от аминокислоты ) служит важной регуляторной молекулой для кровообращения.

Оксид азота Быстрая реакция с водой у животных приводит к образованию ее метаболита нитрита. У животных метаболизм азота в белках, как правило, приводит к экскреции мочевины, тогда как метаболизм нуклеиновых кислот у животных приводит к экскреции мочевина и мочевая кислота. Характерный запах разложения мяса животных вызывается образованием длинноцепочечных азотсодержащих аминов, таких как путресцин и кадаверин, которые являются продуктами распада аминокислот орнитин и лизин, соответственно, в разлагающихся белках.

Производство

Газообразный азот - это промышленный газ производится путем фракционной перегонки жидкого воздуха или механическими средствами с использованием газообразного воздуха (сжатая мембрана обратного осмоса или адсорбция при переменном давлении ). Генераторы газообразного азота, использующие мембраны или адсорбцию при переменном давлении (PSA), как правило, более экономичны и энергоэффективны, чем азот с объемной доставкой. Технический азот часто является побочным продуктом обработки воздуха для промышленной концентрации кислорода для сталеплавильного производства и других целей. Поставляемый сжатым в баллонах, его часто называют OFN (бескислородный азот). Промышленный азот уже содержит не более 20 частей на миллион кислорода, и также доступны специально очищенные сорта, содержащие не более 2 частей на миллион кислорода и 10 частей на миллион аргона.

Его получают в химической лаборатории. обработкой водного раствора хлорида аммония с нитритом натрия.

NH4Cl + NaNO 2 → N 2 + NaCl + 2 H 2O

В этой реакции также образуются небольшие количества примесей NO и HNO 3. Примеси можно удалить, пропуская газ через водную серную кислоту, содержащую дихромат калия. Очень чистый азот можно получить термическим разложением азида бария или азида натрия.

2 NaN 3 → 2 Na + 3 N 2
Применения

Газ

Области применения соединений азота, естественно, чрезвычайно широко варьируются из-за огромного размера этого класса: следовательно, здесь будут рассматриваться только применения самого чистого азота. Две трети азота, производимого промышленностью, продается в виде газа, а оставшаяся треть - в виде жидкости. Газ в основном используется в качестве инертной атмосферы, когда кислород в воздухе может вызвать пожар, взрыв или окисление. Некоторые примеры включают:

Азот обычно используется во время подготовки проб в химическом анализе. Он используется для концентрирования и уменьшения объема жидких проб. Направление потока под давлением газообразного азота перпендикулярно поверхности жидкости вызывает испарение растворителя, оставляя после себя растворенные вещества и неиспарившийся растворитель.

Азот ca n использоваться в качестве замены или в сочетании с диоксидом углерода для повышения давления в кегах некоторых сортов пива, особенно стаутов и британских элей, благодаря более мелким пузырькам, которые он производит, что делает разливное пиво более гладким и пьянящим. Чувствительная к давлению азотная капсула, известная как «виджет », позволяет упаковывать заряженное азотом пиво в банки и бутылки. Азотные баллоны также заменяют углекислый газ в качестве основного источника энергии для пейнтбольных ружей . Азот должен поддерживаться при более высоком давлении, чем CO 2, что делает резервуары с N 2 тяжелее и дороже. Газообразный азот стал предпочтительным инертным газом для удушения инертным газом и рассматривается как замена для смертельной инъекции в Оклахома. Газообразный азот, образующийся при разложении азида натрия, используется для надувания подушек безопасности.

Поскольку азот является удушающим газом, в некоторых юрисдикциях рассматривается удушение инертным газом вдыханием чистого азота в качестве средства смертной казни (вместо смертельной инъекции ). Однако по состоянию на 2020 год казни с использованием газообразного азота еще не проводились ни в одной юрисдикции, и по крайней мере одна юрисдикция (Оклахома ), которая рассматривала удушение азотом в качестве протокола казни, отказалась от своих усилий.

Жидкость

Файл: Nitrogen.ogv Воспроизведение носителей Воздушный баллон, погруженный в жидкий азот

Жидкий азот - это криогенная жидкость. Если его изолировать в надлежащих контейнерах, таких как сосуды Дьюара, его можно транспортировать без значительных потерь на испарение.

Транспортный контейнер с жидким азотом.

Как сухой лед, в основном жидкий азот используется в качестве хладагента . Среди прочего, он используется для криоконсервации крови, репродуктивных клеток (сперматозоидов и яйцеклеток ) и других биологических образцов и материалов. Он используется в клинических условиях при криотерапии для удаления кист и бородавок на коже. Он используется в ловушках для определенного лабораторного оборудования и для охлаждения инфракрасных детекторов или рентгеновских детекторов. Он также использовался для охлаждения центральных процессоров и других устройств в компьютерах, которые разогнаны и которые выделяют больше тепла, чем при нормальной работе. Другие области применения включают замораживание и механическую обработку материалов, которые являются мягкими или эластичными при комнатной температуре, запрессовку и сборку инженерных компонентов и, в более общем плане, для достижения очень низких температур, когда это необходимо (около -200 ° C). Из-за его низкой стоимости жидкий азот также часто используется, когда такие низкие температуры не являются строго необходимыми, например, при охлаждении пищевых продуктов, маркировка домашнего скота, замораживание труб для остановки потока при отсутствии клапанов и уплотнение нестабильной почвы путем промерзания всякий раз, когда под ней ведутся земляные работы.

Жидкий азот широко используется в системах вакуумных насосов.

Безопасность

Газ

Хотя азот нетоксичен, при попадании в замкнутое пространство он может вытеснять кислород и поэтому представляет опасность удушья. Это может происходить с небольшими предупреждающими симптомами, поскольку человеческое сонное тело является относительно слабой и медленной системой восприятия с низким содержанием кислорода (гипоксия). Пример произошел незадолго до запуска первой миссии космического шаттла 19 марта 1981 года, когда два техника умерли от удушья, войдя в пространство, расположенное на платформе мобильной пусковой установки космического корабля , который был сжат чистым азотом в качестве меры предосторожности против пожара.

При вдыхании при высоких парциальных давлениях (более примерно 4 бар, встречается на глубинах ниже примерно 30 м в акваланге дайвинг ), азот является анестетиком, вызывающим азотный наркоз, временное психическое расстройство, подобное интоксикации закисью азота.

Азот растворяется в кровь и телесные жиры. Быстрая декомпрессия (например, когда дайверы всплывают слишком быстро или астронавты слишком быстро декомпрессируют от давления в кабине до давления в скафандре) может привести к потенциально смертельному состоянию, называемому декомпрессионной болезнью (ранее известной как кессонная болезнь или изгибы), когда азот пузырьки образуются в кровотоке, нервах, суставах и других чувствительных или жизненно важных областях. 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 для очень короткой выдержки (около одной секунды). Проглатывание жидкого азота может вызвать серьезные внутренние повреждения. Например, в 2012 году молодой женщине в Англии пришлось удалить желудок после приема коктейля, приготовленного с жидким азотом.

Поскольку коэффициент расширения жидкость-газ азота равен 1: 694 при 20 ° C, если жидкий азот быстро испаряется в замкнутом пространстве, может возникнуть огромная сила. Во время инцидента 12 января 2006 года в Техасском университете AM устройства для сброса давления в резервуаре с жидким азотом вышли из строя и позже были закрыты. В результате последующего повышения давления резервуар катастрофически вышел из строя. Сила взрыва была достаточной, чтобы пробить резервуар через потолок непосредственно над ним, раздробить железобетонную балку непосредственно под ним и оторвать стены лаборатории на 0,1–0,2 м от фундамента.

Жидкий азот. легко испаряется с образованием газообразного азота, и, следовательно, меры предосторожности, связанные с газообразным азотом, также применимы к жидкому азоту. Например, датчики кислорода иногда используются в качестве меры предосторожности при работе с жидким азотом для предупреждения рабочих о разливе газа в замкнутом пространстве.

Сосуды, содержащие жидкий азот, могут конденсировать кислород. с воздуха. Жидкость в таком сосуде становится все более обогащенной кислородом (точка кипения -183 ° C, выше, чем у азота) по мере испарения азота, что может вызвать сильное окисление органического материала.

Мониторы кислородного дефицита

Детектор газа

Мониторы кислородного дефицита используются для измерения уровня кислорода в замкнутых пространствах и в любом месте, где хранятся или используются газообразный или жидкий азот. В случае утечки азота и снижения содержания кислорода до предварительно установленного уровня сигнала тревоги монитор дефицита кислорода может быть запрограммирован на включение звуковой и визуальной сигнализации, тем самым обеспечивая уведомление о возможной надвигающейся опасности. Чаще всего диапазон кислорода для предупреждения персонала - это когда уровень кислорода становится ниже 19,5%. OSHA указывает, что опасная атмосфера может включать атмосферу, в которой концентрация кислорода ниже 19,5% или выше 23,5%. Мониторы дефицита кислорода могут быть закреплены, прикреплены к стене и подключены к электросети здания, либо просто подключены к розетке, либо к портативному ручному или носимому монитору.

См. Также
Ссылки
Библиография
Внешние ссылки

Королевского химического общества.
Последняя правка сделана 2021-05-31 10:41:47
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте