Карл Шеєле, шведський хімік, і Даніель Резерфорд, шотландський ботанік, окремо відкрили азот у 1772 році. Преподобний Кавендіш і Лавуазьє також незалежно один від одного отримали азот приблизно в той же час. Вперше азот був визнаний елементом Лавуазьє, який назвав його «азо», що означає «неживий». Chaptal назвав елемент азотом у 1790 році. Назва походить від грецького слова «nitre» (нітрат, що містить азот у нітраті).
Виробники азоту - Китайська фабрика та постачальники азоту (xinfatools.com)
Джерела азоту
Азот є 30-м найпоширенішим елементом на Землі. Враховуючи, що на азот припадає 4/5 об’єму атмосфери, або більше 78%, ми маємо практично необмежену кількість азоту, доступного нам. Азот також існує у формі нітратів у різноманітних мінералах, таких як чилійська селітра (нітрат натрію), селітра або селітра (нітрат калію), а також мінерали, що містять солі амонію. Азот присутній у багатьох складних органічних молекулах, включаючи білки та амінокислоти, присутні в усіх живих організмах
Фізичні властивості
Азот N2 є безбарвним газом без смаку та запаху при кімнатній температурі та зазвичай нетоксичний. Щільність газу за стандартних умов становить 1,25 г/л. Азот становить 78,12 % загальної маси атмосфери (об'ємна частка) і є основною складовою повітря. В атмосфері близько 400 трильйонів тонн газу.
При нормальному атмосферному тиску, коли охолоджується до -195,8 ℃, він стає безбарвною рідиною. При охолодженні до -209,86 ℃ рідкий азот стає твердою речовиною, схожою на сніг.
Азот негорючий і вважається задушливим газом (тобто вдихання чистого азоту позбавляє організм людини кисню). Азот має дуже низьку розчинність у воді. При 283 К один об’єм води може розчинити приблизно 0,02 об’єму N2.
Хімічні властивості
Азот має дуже стабільні хімічні властивості. Він важко вступає в реакцію з іншими речовинами при кімнатній температурі, але він може зазнавати хімічних змін з певними речовинами в умовах високої температури та високої енергії, і може бути використаний для виробництва нових речовин, корисних для людини.
Молекулярна орбітальна формула молекул азоту KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. У зв'язку беруть участь три пари електронів, тобто утворюються два π-зв'язки і один σ-зв'язок. Немає жодного внеску в зв’язок, а енергії зв’язку та розриву зв’язку приблизно зміщені, і вони еквівалентні неподіленим електронним парам. Оскільки в молекулі N2 є потрійний зв’язок N≡N, молекула N2 має велику стабільність, і для її розкладання на атоми потрібно 941,69 кДж/моль енергії. Молекула N2 є найстабільнішою з відомих двоатомних молекул, а відносна молекулярна маса азоту становить 28. Крім того, азот нелегко горить і не підтримує горіння.
Метод випробування
Покладіть палаючий магнезійний брусок у газозбірну пляшку, наповнену азотом, і магнієвий брусок продовжить горіти. Витягніть попіл, що залишився (злегка жовтуватий порошок Mg3N2), додайте невелику кількість води та утворіть газ (аміак), який забарвлює вологий червоний лакмусовий папірець у синій колір. Рівняння реакції: 3Mg + N2 = займання = Mg3N2 (нітрид магнію); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
Характеристики зв’язку та структура валентного зв’язку азоту
Оскільки єдина речовина N2 надзвичайно стабільна за звичайних умов, люди часто помилково вважають, що азот є хімічно неактивним елементом. Насправді, навпаки, елементарний азот має високу хімічну активність. Електронегативність N (3.04) поступається лише F і O, що вказує на те, що він може утворювати міцні зв’язки з іншими елементами. Крім того, стабільність однієї молекули речовини N2 якраз і свідчить про активність атома N. Проблема в тому, що люди ще не знайшли оптимальних умов для активації молекул N2 при кімнатній температурі і тиску. Але в природі деякі бактерії на бульбочках рослин можуть перетворювати N2 у повітрі на сполуки азоту в умовах низької енергії при нормальній температурі та тиску та використовувати їх як добриво для росту культур.
Тому вивчення фіксації азоту завжди було важливою темою наукових досліджень. Тому нам необхідно детально зрозуміти характеристики зв’язку та структуру валентного зв’язку азоту.
Тип облігації
Структура валентного електронного шару атома N 2s2p3, тобто є 3 одиночних електрони та пара неподілених електронних пар. Виходячи з цього, при утворенні сполук можуть утворюватися три типи зв'язку:
1. Утворення іонних зв’язків 2. Утворення ковалентних зв’язків 3. Утворення координаційних зв’язків
1. Утворення йонних зв’язків
Атоми N мають високу електронегативність (3,04). Коли вони утворюють бінарні нітриди з металами з меншою електронегативністю, такими як Li (електронегативність 0,98), Ca (електронегативність 1,00) і Mg (електронегативність 1,31), вони можуть отримати 3 електрони та утворити іони N3-. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =запалювати= Mg3N2 N3- іони мають вищий негативний заряд і більший радіус (171pm). Вони сильно гідролізуються, коли стикаються з молекулами води. Тому йонні сполуки можуть існувати лише в сухому стані, а гідратованих іонів N3- не буде.
2. Утворення ковалентного зв’язку
Коли атоми N утворюють сполуки з неметалами з більшою електронегативністю, утворюються такі ковалентні зв’язки:
⑴Атоми N переходять у стан гібридизації sp3, утворюють три ковалентні зв’язки, зберігають пару неподілених електронних пар, а молекулярна конфігурація є тригонально-пірамідальною, наприклад NH3, NF3, NCl3 тощо. Якщо утворюються чотири ковалентні одинарні зв’язки, молекулярна конфігурація є правильний тетраедр, наприклад іони NH4+.
Атоми ⑵N переходять у стан гібридизації sp2, утворюють два ковалентні зв’язки та один зв’язок і зберігають пару неподілених електронних пар, а молекулярна конфігурація є кутовою, наприклад Cl—N=O. (Атом N утворює σ-зв’язок і π-зв’язок з атомом Cl, а пара неподілених електронних пар на атомі N робить молекулу трикутною.) Якщо немає неподіленої електронної пари, молекулярна конфігурація є трикутною, наприклад, молекула HNO3 або NO3- іон. У молекулі азотної кислоти атом N утворює три σ-зв’язки з трьома атомами O відповідно, а пара електронів на його π-орбіталі та окремі π-електрони двох атомів O утворюють трицентровий чотириелектронний делокалізований π-зв’язок. У нітрат-іоні між трьома атомами O та центральним атомом N утворюється чотирицентровий шестиелектронний делокалізований великий π-зв’язок. Ця структура робить уявну ступінь окислення атома N в азотній кислоті +5. Завдяки наявності великих π-зв'язків нітрат досить стабільний за нормальних умов. ⑶Атом N використовує sp-гібридизацію для утворення ковалентного потрійного зв’язку та зберігає пару неподілених електронних пар. Молекулярна конфігурація є лінійною, як, наприклад, структура атома N у молекулі N2 і CN-.
3. Утворення координаційних зв'язків
Коли атоми азоту утворюють прості речовини або сполуки, вони часто зберігають неподілені електронні пари, тому такі прості речовини або сполуки можуть діяти як донори електронних пар для координації з іонами металів. Наприклад, [Cu(NH3)4]2+ або [Tu(NH2)5]7 тощо.
Діаграма «Ступінь окиснення – вільна енергія Гіббса».
З діаграми ступеня окиснення – вільної енергії Гіббса азоту також видно, що, за винятком іонів NH4, молекула N2 зі ступенем окиснення 0 знаходиться в найнижчій точці кривої на діаграмі, що вказує на те, що N2 термодинамічно стійкий відносно сполук азоту з іншими ступенями окислення.
Значення різних сполук азоту зі ступенями окислення від 0 до +5 знаходяться вище лінії, що з’єднує дві точки HNO3 і N2 (пунктирна лінія на діаграмі), тому ці сполуки є термодинамічно нестабільними та схильними до реакцій диспропорціонування. Єдиним на діаграмі значенням, нижчим за молекулу N2, є іон NH4+. [1] З діаграми ступеня окислення – вільної енергії Гіббса азоту та структури молекули N2 можна побачити, що елементарний N2 неактивний. Лише за високої температури, високого тиску та присутності каталізатора азот може реагувати з воднем з утворенням аміаку: За умов розряду азот може з’єднуватися з киснем з утворенням оксиду азоту: N2+O2=викид=2NO Оксид азоту швидко з’єднується з киснем до утворюють діоксид азоту 2NO+O2=2NO2 Діоксид азоту розчиняється у воді з утворенням азотної кислоти, оксиду азоту 3NO2+H2O=2HNO3+NO У країнах з розвиненою гідроенергетикою цю реакцію використовували для отримання азотної кислоти. N2 реагує з воднем з утворенням аміаку: N2+3H2=== (оборотний знак) 2NH3 N2 реагує з металами з низьким потенціалом іонізації, нітриди яких мають високу енергію решітки, утворюючи іонні нітриди. Наприклад: N2 може безпосередньо реагувати з металевим літієм за кімнатної температури: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 реагує з лужноземельними металами Mg, Ca, Sr, Ba за температури розжарювання: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 може реагують лише з бором та алюмінієм при температурах розжарювання: 2 B + N2=== 2 BN (макромолекулярна сполука) N2 зазвичай реагує з кремнієм та іншими елементами групи при температурі вищій за 1473 K.
Молекула азоту вносить три пари електронів у зв’язок, тобто утворює два π-зв’язки та один σ-зв’язок. Це не сприяє зв’язку, а енергії зв’язку та розриву зв’язку приблизно зміщені, і вони еквівалентні неподіленим електронним парам. Оскільки в молекулі N2 є потрійний зв’язок N≡N, молекула N2 має велику стабільність, і для її розкладання на атоми потрібно 941,69 кДж/моль енергії. Молекула N2 є найстабільнішою з відомих двоатомних молекул, а відносна молекулярна маса азоту становить 28. Крім того, азот нелегко горить і не підтримує горіння.
Час публікації: 23 липня 2024 р
