Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

18.7: Виникнення, підготовка та властивості азоту

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    22573

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Опишіть властивості, підготовку та використання азоту

    Найбільше чистого азоту надходить від фракційної перегонки рідкого повітря. Атмосфера складається з 78% азоту за обсягом. Це означає, що на кожній квадратній милі земної поверхні знаходиться понад 20 мільйонів тонн азоту. Азот є компонентом білків і генетичного матеріалу (ДНК/РНК) всіх рослин і тварин.

    У звичайних умовах азот - це безбарвний газ без запаху та смаку. Він кипить при 77 К і замерзає при 63 К. Рідкий азот є корисним теплоносієм, оскільки коштує недорого і має низьку температуру кипіння. Азот дуже нереактивний через дуже міцну потрійну зв'язок між атомами азоту. Єдині поширені реакції при кімнатній температурі відбуваються з літієм з утворенням Li 3 N, з певними комплексами перехідних металів, а з воднем або киснем у азотфіксуючих бактерій. Загальна відсутність реакційної здатності азоту робить чудову здатність деяких бактерій синтезувати сполуки азоту, використовуючи атмосферний азотний газ як джерело одним з найбільш захоплюючих хімічних подій на нашій планеті. Цей процес є одним з видів азотфіксації. В даному випадку фіксація азоту - це процес, коли організми перетворюють атмосферний азот в біологічно корисні хімічні речовини. Фіксація азоту також відбувається, коли блискавка проходить через повітря, змушуючи молекулярний азот реагувати з киснем з утворенням оксидів азоту, які потім переносяться в грунт.

    Фіксація азоту

    Всім живим організмам для виживання потрібні сполуки азоту. На жаль, більшість цих організмів не можуть поглинати азот з найпоширенішого джерела - атмосфери. Атмосферний азот складається з молекул N 2, які дуже не реагують через міцну потрійну зв'язок азот і азот. Однак кілька організмів можуть подолати цю проблему за допомогою процесу, відомого як фіксація азоту, проілюстрований на малюнку\(\PageIndex{1}\).

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Всі живі організми вимагають азоту. Кілька мікроорганізмів здатні переробляти атмосферний азот за допомогою азотфіксації. (кредитні «коріння»: модифікація роботи Міністерства сільського господарства США; кредит «кореневі вузлики»: модифікація роботи Луїзи Говард)
    Відображається блок-схема. Корова, трава і дерево показані в центрі схеми. Спрямовані вниз стрілки ведуть від них до фрази «Розкладачі (аеробні і анаеробні бактерії і грибки)». Стрілка, спрямована вниз, призводить до моделі заповнення простору з одним синім атомом, зв'язаним з чотирма білими атомами. Модель має маркування «Амоній (N H індекс 4)». Стрілка, спрямована вправо, веде від цієї молекули до іншої молекули, яка складається з синього атома, пов'язаного з двома червоними атомами. Модель має позначку «Нітрити (N O нижній індекс 2 надрядковий негативний знак)». Нижче цієї стрілки зображено зображення кола з двома паличкоподібними конструкціями. Він позначений як «Нітрифікуючі бактерії». Над міткою нітритів знаходиться спрямована вгору стрілка, що веде до синього атома, однозв'язаного з трьома червоними атомами. Модель має маркування «Нітрати (N O підрядковий 3 надіндексний негативний знак)». Поруч з цією стрілкою зображено коло з двома паличкоподібними структурами з позначкою «Нітрифікуючі бактерії». Етикетка нітратів має двоголову стрілку, спрямовану вгору, яка веде до двох зображень: одного з коренів дерева, яке позначено «Асиміляція», і одна веде до зображення кола з чотирма овальними структурами з позначкою «Денітрифікуючі бактерії». Стрілка, спрямована вліво, веде від цієї бактерії до молекули, що складається з двох атомів, потрійних зв'язаних між собою і позначені: «Атмосферний азот (N індекс 2)». Ця молекула з'єднана з спрямованою вниз двоголовою стрілкою, яка призводить до зображення, що показує жовті нитки на чорному тлі і зображення кола з чотирма стрижнеподібними структурами з позначкою «азотфіксуючі ґрунтові бактерії». Стрілка веде від зображення коренів рослини до жовтих ниток, а потім до фотографії кола з чотирма овальними структурами з позначкою «Азотофіксуючі бактерії в кореневих бульбочках».

    Фіксація азоту - це процес, коли організми перетворюють атмосферний азот у біологічно корисні хімічні речовини. На сьогоднішній день єдиним відомим видом біологічних організмів, здатних до азотфіксації, є мікроорганізми. Ці організми використовують ферменти, звані нітрогеназами, які містять залізо і молібден. Багато з цих мікроорганізмів живуть у симбіотичних стосунках з рослинами, причому найвідомішим прикладом є наявність ризобій у кореневих вузликах бобових культур.

    Великі обсяги атмосферного азоту необхідні для виготовлення аміаку — основного вихідного матеріалу, що використовується для приготування великої кількості інших азотовмісних сполук. Більшість інших застосувань елементарного азоту залежать від його бездіяльності. Це корисно, коли хімічний процес вимагає інертної атмосфери. Консерви та м'ясо для обідів не можуть окислюватися в чистій атмосфері азоту, тому вони зберігають кращий смак і колір і менш швидко псуються, коли запечатані в азоті замість повітря. Така технологія дозволяє свіжим продуктам бути доступним цілий рік, незалежно від вегетаційного періоду.

    Існують сполуки з азотом у всіх його станах окислення від 3− до 5+. Значна частина хімії азоту включає окислювально-відновні реакції. Деякі активні метали (такі як лужні метали та лужноземельні метали) можуть зменшувати азот з утворенням нітридів металів. В решті цього розділу ми розглянемо азотно-кисневу хімію.

    Існують добре охарактеризовані оксиди азоту, в яких азот проявляє кожне з позитивних чисел окислення від 1+ до 5+. При ретельному нагріванні аміачної селітри утворюється закис азоту (оксид азоту) і водяна пара. Більш сильне нагрівання генерує газоподібний азот, газ кисню та водяну пару. Ніхто ніколи не повинен намагатися цієї реакції - вона може бути дуже вибухонебезпечною. У 1947 році в Техасі, штат Техас, стався великий вибух аміачної селітри, а в 2013 році стався ще один великий вибух на заході штату Техас. За останні 100 років у всьому світі було майже 30 подібних катастроф, що призвело до втрати численних життів. У цій окислювально-відновній реакції азот в нітратному іоні окислює азот в іоні амонію. Закис азоту, показаний на малюнку\(\PageIndex{2}\), являє собою безбарвний газ, що володіє м'яким приємним запахом і солодким смаком. Він знаходить застосування як знеболюючий засіб при незначних операціях, особливо в стоматології, під назвою «сміється газ».

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Закис азоту, N 2 O, є анестетиком, який має ці молекулярні (зліва) і резонансні (праворуч) структури.

    Низькі виходи оксиду азоту, NO, утворюються при нагріванні азоту і кисню разом. NO також утворюється, коли блискавка проходить через повітря під час грози. Спалювання аміаку є комерційним методом отримання оксиду азоту. У лабораторії відновлення азотної кислоти є найкращим методом отримання оксиду азоту. Коли мідь реагує з розведеною азотною кислотою, оксид азоту є основним продуктом відновлення:

    \[\ce{3Cu}(s)+\ce{8HNO3}(aq)⟶\ce{2NO}(g)+\ce{3Cu(NO3)2}(aq)+\ce{4H2O}(l) \nonumber \]

    Газоподібний оксид азоту є найбільш термічно стійким з оксидів азоту і є найпростішою відомою термостійкою молекулою з непарним електроном. Це один із забруднювачів повітря, що утворюються двигунами внутрішнього згоряння, що виникає в результаті реакції атмосферного азоту та кисню в процесі згоряння.

    При кімнатній температурі оксид азоту являє собою безбарвний газ, що складається з двоатомних молекул. Як це часто буває з молекулами, які містять непарний електрон, дві молекули об'єднуються, утворюючи димер, сполучаючи свої непарні електрони, утворюючи зв'язок. Рідкий і твердий NO обидва містять N 2 O 2 димери, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Більшість речовин з непарними електронами демонструють колір, поглинаючи видиме світло; однак NO є безбарвним, оскільки поглинання світла не знаходиться у видимій області спектра.

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Це показує рівновагу між NO і N 2 O 2. Молекула, N 2 O 2, поглинає світло.

    При охолодженні суміші рівних частин оксиду азоту і діоксиду азоту до −21° C утворюється триоксид азоту, блакитну рідину, що складається з молекул N 2 O 3 (рис.\(\PageIndex{4}\)). Триоксид азоту існує тільки в рідкому і твердому станах. При нагріванні повертається до суміші NO і NO 2.

    альт
    Рисунок\(\PageIndex{4}\): Триоксид азоту, N 2 O 3, існує лише в рідких або твердих станах і має ці молекулярні (зліва) та резонансні (праворуч) структури.

    Приготувати діоксид азоту можна в лабораторії шляхом нагрівання нітрату важкого металу, або відновленням концентрованої азотної кислоти металом міді, як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\). Комерційно можна приготувати діоксид азоту шляхом окислення оксиду азоту повітрям.

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Реакція металу міді з концентрованим HNO 3 виробляє розчин Cu (NO 3) 2 і коричневі пари NO 2. (кредит: модифікація роботи Марка Отта)

    Молекула діоксиду азоту (рис.\(\PageIndex{6}\)) містить непарний електрон, який відповідає за його колір і парамагнетизм. Він також відповідає за димеризацію NO 2. При низьких тисках або при високих температурах діоксид азоту має глибокий коричневий колір, що обумовлено наявністю молекули NO 2. При низьких температурах забарвлення майже повністю зникає у міру утворення тетраоксиду азоту N 2 O 4. При кімнатній температурі існує рівновага:

    \[\ce{2NO2}(g)⇌\ce{N2O4}(g) \hspace{20px} K_P=6.86 \nonumber \]

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{6}\): Показані молекулярно-резонансні структури для діоксиду азоту (NO 2, зліва) та тетраоксиду азоту (N 2 O 4, праворуч).

    Пентаоксид азоту, N 2 O 5 (рис.\(\PageIndex{7}\)) - це біле тверде тіло, яке утворюється при зневодненні азотної кислоти оксидом фосфору (V) (тетрафосфору декоксидом):

    \[\ce{P4O10}(s)+\ce{4HNO3}(l)⟶\ce{4HPO3}(s)+\ce{2N2O5}(s) \nonumber \]

    Він нестійкий вище кімнатної температури, розкладається до N 2 O 4 і O 2.

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{7}\): На цьому зображенні показана молекулярна структура і одна резонансна структура молекули пентаоксиду азоту, N 2 O 5.

    Оксиди азоту (III), азоту (IV) та азоту (V) вступають в реакцію з водою і утворюють азотовмісні оксикислоти. Оксид азоту (III), N 2 O 3, є ангідридом азотної кислоти; HNO 2 утворюється, коли N 2 O 3 реагує з водою. Не існує стабільних оксикислот, що містять азот зі ступенем окислення 4+; тому оксид азоту (IV), NO 2, непропорційний одним з двох способів, коли він реагує з водою. У холодній воді утворюється суміш HNO 2 і HNO 3. При більш високих температурах утворюються HNO 3 і NO. Оксид азоту (V), N 2 O 5, є ангідридом азотної кислоти; HNO 3 утворюється, коли N 2 O 5 реагує з водою:

    \[\ce{N2O5}(s)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{2HNO3}(aq) \nonumber \]

    Оксиди азоту демонструють велику окислювально-відновну поведінку. Закис азоту нагадує кисень за своєю поведінкою при нагріванні горючими речовинами. N 2 O - сильний окислювач, який розкладається при нагріванні з утворенням азоту і кисню. Оскільки третина виділяється газу - це кисень, закис азоту підтримує горіння краще, ніж повітря (одна п'ята кисень). Світиться осколок вривається в полум'я, коли засунути в пляшку з цим газом. Оксид азоту діє і як окислювач, і як відновник. Наприклад:

    \[\textrm{oxidizing agent: }\ce{P4}(s)+\ce{6NO}(g)⟶\ce{P4O6}(s)+\ce{3N2}(g) \nonumber \]

    \[\textrm{reducing agent: }\ce{Cl2}(g)+\ce{2NO}(g)⟶\ce{2ClNO}(g) \nonumber \]

    Діоксид азоту (або тетраоксид азоту) є хорошим окислювачем. Наприклад:

    \[\ce{NO2}(g)+\ce{CO}(g)⟶\ce{NO}(g)+\ce{CO2}(g) \nonumber \]

    \[\ce{NO2}(g)+\ce{2HCl}(aq)⟶\ce{NO}(g)+\ce{Cl2}(g)+\ce{H2O}(l) \nonumber \]

    Резюме

    Азот демонструє ступені окислення в діапазоні від 3 − до 5+. Через стабільність потрійного зв'язку NN для отримання сполук з молекулярного азоту потрібно багато енергії. Активні метали, такі як лужні метали та лужноземельні метали, можуть зменшити азот з утворенням нітридів металів. Оксиди азоту і гідриди азоту також є важливими речовинами.

    Глосарій

    фіксація азоту
    утворення сполук азоту з молекулярного азоту