Азот

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Емблема за пояснителна страница Тази статия е за химичния елемент. За областта в Република Македония вижте Азот (област).

7 ВъглеродАзотКислород
-

N

Фосфор
Външен вид

безцветен газ

безцветен газ
Общи данни
Име, символ, № Азот, N, 7
Химическа серия Неметал
Група, период, блок 15, 2, p
Свойства на атома
Атомна маса 14,0067 u
Атомен радиус (calc) 65 (56) pm
Ковалентен радиус 75 pm
Радиус на ван дер Ваалс 155 pm
Електронна конфигурация 1s22s22p3
e- на енергийно ниво 2, 5
Оксидационни с-ния (оксид) +3,5,4,2,0,-3 (силна киселина)
Кристална структура хексагонална
Физични свойства
Агрегатно състояние Газ
Плътност 1,2506 kg/m³
Температура на топене 63,14 K (-210 °C)
Температура на кипене 77,35 K (-196 °C)
Моларен обем 13,54×10-3 m³/mol
Специф. топлина на топене 0,3604 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение 2,7928 kJ/mol
Скорост на звука 334,5 m/s при 20 K
Други
Електроотрицателност 3,04 (скала на Полинг)
Специф. топлинен капацитет 1040 J/(kg·K)
Специф. електропроводимост NA S/m
Топлопроводимост 0,02598 W/(m·K)
Йонизационен потенциал 1402,3 kJ/mol

Азотът е химичен елемент с атомен номер 7 и означение N. Той е най-лекият елемент в азотната група и при стайна температура е прозрачен газ без миризма. Азотът е често срещан във Вселената елемент – според оценките на около седмо място по общо количество в Млечния път и Слънчевата система. На Земята на азота се падат около 77% от атмосферата и е най-изобилният несвързан елемент. Азотът е открит като отделим компонент на въздуха от шотландския лекар Даниъл Ръдърфорд през 1772 година.

Азот съдържат множество стопански значими химични съединения, като амоняк, азотна киселина, органични нитрати (взривни вещества) и цианиди. Изключително здравата връзка между атомите на чистия азот (N≡N) е определяща за химичните свойства на азота, затруднявайки биологичното и промишлено преобразуване на N2 в полезни съединения, но в същото време при тяхното горене, взривяване или разпадане се отделя голямо количество енергия, която може да бъде използвана.

Извън основната им употреба като торове и източник на енергия, азотните съединения имат и много други приложения. Азотът е част от разнородни материали – от кевларни тъкани до цианоакрилатни лепила. Той присъства в молекулите на всички основни фармакологични категории, включително антибиотиците. Много лекарства наподобяват естествени азотосъдържащи сигнални молекули – например, органичните нитрати нитроглицерин и нитропрусид контролират кръвното налягане, като се метаболизират до естествен азотен оксид. Всички растителни алкалоиди (често действащи като защитни химикали) съдържат азот, поради което много известни азотосъдържащи продукти, като кофеин и морфин са или алкалоиди, или синтетични аналози, действащи по подобен начин на рецепторите на животинските невротрансмитери.

Азотът присъства във всички организми, най-вече в аминокиселините (и съответно в белтъците) и в нуклеиновите киселини (ДНК и РНК). Около 7% от масата на човешкото тяло е формирана от азот – той е четвъртият най-изобилен елемент в тялото след кислорода, въглерода и водорода.

История и наименование[редактиране | редактиране на кода]

Съединения на азота са добре познати още през Средновековието. Алхимиците наричат азотната киселина aqua fortis („силна вода“), а сместа от азотна и солна киселина е наричана aqua regia („царска вода“), известна със свойството си да разтваря дори златото. Ранните практически приложения на азота включват използването на селитра, главно в барута, а по-късно и за наторяване.

Азотът е открит през 1772 година от шотландския лекар Даниъл Ръдърфорд, който му дава името „нездрав газ“.[1][2] Макар че не го разпознава като напълно различно химично вещество, той ясно го разграничава от „устойчивия въздух“.[3] Фактът, че съществува компонент на въздуха, който не поддържа горенето, е ясен за Ръдърфорд. По същото време азотът е изследван от Карл Вилхелм Шееле, Хенри Кавендиш и Джоузеф Пристли, които го наричат „изгорял въздух“ или „флогистиран въздух“.

Наименованието „азот“ (от гръцки: ἄζωτος, „безжизнен“) е дадено от Антоан Лавоазие,[4] тъй като в него, освен че горенето се прекратява, и животните се задушават. Жан-Антоан Шаптал нарича газа „nitrogène“ – име, което се използва в много езици, като английския и испанския, и участва в имената на различни азотни съединения, като нитратите и нитритите.

През 1910 година Джон Уилям Стрът открива, че електрически разряд в азотния газ създава „активен азот“ – едноатомна алотропна форма на азота. „Въртящият се облак от блестяща жълта светлина“, създаден от него, реагира с живака, образувайки взривоопасния живачен нитрид.[5]

Дълго време източниците на азотни съединения са ограничени. Естествените източници са или биологични, или отложения на нитрати, създадени от атмосферни реакции. Промишлените технологии за азотна фиксация, като процеса на Франк-Каро и процеса на Хабер-Бош, разрешават този проблем, като днес половината от световното производство на храни разчита на синтетични азотни торове.[6] Същевременно процесът на Оствалд за производство на нитрати дава възможност за масовото производство на нитратни експлозиви по време на двете световни войни през XX век.

Свойства[редактиране | редактиране на кода]

Изотопи[редактиране | редактиране на кода]

Азотът има два устойчиви изотопа: 14N и 15N. В природата 14N е много по-разпространен (99,634%), тъй като се образува в големи количества в звездите при въглерод-азот-кислородния цикъл на нуклеосинтеза.[7] Сред десетте изкуствено синтезирани изотопа на азота 13N има период на полуразпад 10 минути, а останалите са с периоди на полуразпад от порядъка на секунди или още по-малки.[8]

В земната атмосфера само 0,73% от молекулния азот е от изотополога 14N15N, а почти всичко останало е 14N2.[9] Биохимични процеси, като асимилация, нитрификация и денитрификация, силно влияят на динамиката на азота в почвата. Те обикновено водят до обогатяване на субстрата с 15N за сметка на обедняване на продукта.[10]

Радиоактивният изотоп 16N е основен радионуклид в охлаждащите вещества на много съвременни ядрени реактори при тяхното нормално функциониране. Той се получава от 16O във вода. 16N има кратък период на полуразпад, около 7,1 s,[8] но при разпадането му обратно до 16O излъчва високоенергийна гама радиация (5 до 7 MeV).[8][11] По тази причина първият контур на водо-водните енергийни реактори е недостъпен по време на работа. 16N е есто от основните средства за незабавно идентифициране на дори минимални течове от първия във втория контур.[11] По същата причина е недостъпен и парният цикъл на кипящите реактори, в които кондензатът от кондензатора обикновено се задържа за 10 минути, за да се даде възможност за разпадане на 16N.

Алотропни форми[редактиране | редактиране на кода]

В лабораторни условия са получавани и неустойчиви алотропни форми на азота с повече от два азотни атома – N3 и N4.[12] При изключетелно високо налягане (110 000 MPa) и висока температура (2000 K), каквито се получават чрез диамантена наковалня, азотът полимеризира в кубична кристална решетка. Тя е подобна на тази на диаманта, като и двете имат много здрави ковалентни връзки, поради което N4 понякога е наричан „азотен диамант“.[13]

Други хипотетични, но все още несинтезирани алотропни форми на азота са N6 (аналог на бензена)[14] и N6 (аналог на кубана).[15] За първата от тях се очаква да бъде силно неустойчива, а втората трябва да е кинетично устойчива, заради орбиталната симетрия.[16]

Физични свойства[редактиране | редактиране на кода]

При атмосферно налягане молекулният азот (14N2) кондензира при температура 77 K (−195,79 °C) и замръзва при 63 K (−210,01 °C),[17] образувайки кристална алотропна форма с хексагонална решетка, а под 35,4 K (−237,6 °C) азотът се трансформира в кубична алотропна форма.[18] Течният азот, напомнящ външно водата, но с 80,8% от нейната плътност (плътността на течния азот при точката на кипене е 0,808 g/mL), е често използван криоген.[19]

Молекулният азот е до голяма степен прозрачен за инфрачервената и видимата светлина, тъй като молекулата му е хомонуклеарна и няма диполен момент, съчетаващ се с електромагнитното излъчване в тези честоти. Значителна абсорбция се наблюдава при високочестотните ултравиолетови лъчи[20] с дължина на вълната над 100 нанометра. Това се свързва с електронния преход в молекулата към състояния, в които зарядът не е разпределен равномерно между азотните атоми. Азотната абсорбция води до значително поглъщане на ултравиолетово излъчване в атмосферата на Земята. По същата причина молекулният азотен лазер излъчва в ултравиолетовия спектър.

Химични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Азотът е неметал с електроотрицателност 3,04.[21] Атомът му има пет електрона в своя външен слой и е от трета валентност в повечето съединения. В двуатомната неполярна молекула на азота – N2 – атомите са свързани с много здрава тройна ковалентна химична връзка, а свободните атоми азот имат голяма химична активност.

Като цяло азотът е нереактивен при стандартни температура и налягане. N2 реагира спонтанно с малко реагенти, като е устойчив на киселини и основи, както и на оксиданти и повечето редуценти. Трудното преобразуване на N2 в други съединения и лесното и свързано с отделяне на много енергия превръщане на азотните съединения в N2 са решаващи за ролята на азота както в природата, така и в техниката.

Азотът реагира с чистия литий, който гори в среда на N2, образувайки литиев нитрид:[22]

6 Li + N2 → 2 Li3N

Магнезият също гори в азот, образувайки магнезиев нитрид:

3 Mg + N2 → Mg3N2

N2 образува различни адукти с преходните метали. Първият получен динитроген комплекс е [Ru(NH3)5(N2)]2+, но азотът в него е изолиран чрез декомпозиция на хидразин, а не чрез координиране на свободен азот. Днес са познати многобройни подобни съединения, сред които IrCl(N2)(PPh3)2, W(N2)2(Ph2PCH2CH2PPh2)2 и [(η5-C5Me4H)2Zr]22, η22-N2). Тези комплекси показват как N2 може да бъде свързан с метали при нитрогеназа или с катализатор при процеса на Хабер-Бош.[23] През 2005 година е описан процес за редуциране на N2 до амоняк с използване на молибденов комплекс в присъствието на източник на протони.[22]

Начална точка на промишленото производство на азотни съединения е процесът на Хабер-Бош, при който азотът се фиксира чрез реакция на N2 и H2 с катализатор Fe3O4 при температура около 500 °C и налягане 200 атмосфери. Биологичната фиксация на азот при цианобактериите и в корените на растенията също образува амоняк от молекулен азот. Реакцията, която създана повечето азот в биосферата, е катализирана от ензимния комплекс нитрогеназа, който съдържа железни и молибденови атоми, и използва енергия от хидролиза на аденозиндифосфат и неорганични фосфати.

Азотът в природата[редактиране | редактиране на кода]

Разпространение[редактиране | редактиране на кода]

Извън пределите на Земята азот е открит в газовите мъглявини, слънчевата атмосфера, на Уран, Нептун, в междузвездното пространство и др. Азотът е четвъртият по разпространение елемент в Слънчевата система (след водорода, хелия и кислорода).

Азотът във вид на двуатомни молекули N2 съставлява по-голямата част от атмосферата на Земята, като съдържанието му е 75,6 % (по маса) или 78,084 % (по обем), тоест около 3,87х1015 тона.

Съдържанието на азот в земната кора, по различни данни се оценява на от 0,7х1015 до 1,5х1015 т (при което в хумуса е от порядъка на 6х1015 т, а в мантията на Земята – 1,3х1016 т. Такова съотношение на масите навежда на предположението, че главен източник на азот е горната част на мантията, откъдето той постъпва в другите обвивки на Земята с изригването на вулканите.

Масата на разтворения в хидросферата азот се оценява на около 2х1013 т, като се отчита, че едновременно протичат процеси на разтваряне на атмосферния азот във водата и отделянето му в атмосферата. Към това количество се прибавят около 7х1011 т азот, който се съдържа в хидросферата във вид на съединения.

Биологична роля[редактиране | редактиране на кода]

Азотът е елемент, необходим за съществуването на животните и растенията, той влиза в състава на белтъците (16—18 % по маса), аминокиселините, нуклеиновите киселини, хлорофила, хемоглобина и др. В живите клетки азотът е около 2% по броя на атомите, а по маса – около 2,5 % (четвърто място след водорода, въглерода и кислорода). В следствие на това значително количество свързан азот се съдържа в живите организми, мъртвата органична материя и дисперсното вещество в моретата и океаните. Това количество се оценява примерно 1,9х10sup>11 т. В резултат на процесите на гниене и разложение на азотсъдържаща органична материя, при благоприятни условия могат да се образуват природни залежи на полезни изкопаеми, съдържащи азот, например чилийска селитра (NaNO3), обикновена (индийска) селитра (KNO3), норвежка селитра и др.

Кръговрат на азота в природата[редактиране | редактиране на кода]

Фиксирането на атмосферния азот протича по две основни направления – абиогенно и биогенно. Първият път включва предимно реакции на азота с кислород. Тъй като азотът е доста инертен химически, за окислението е необходимо голямо количество енергия (високи температури). Тези условия се постигат при разрядите на мълнии, когато температурата достига 25 000 °C и повече. При това се образуват различни азотни оксиди. Съществува също така и вероятност, че абиогенната фиксация протича в резултат на фотокаталитични реакции на повърхността на полупроводници или диелектрици (пустинните пясъци).

Основната част на молекулярния азот обаче (около 1,4х10sup>11 т/годишно) се фиксира по биогенен път – азотиране. Дълго време се е считало, че молекулярният азот може да се свързва само от малко видове микроорганизми (макар и широко разпространени по повърхността на Земята): бактерии Azotobacter и Clostridium, бактерии на бобовите растения Rhizobium, цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Днес е известно, че тази способност притежават и много други организми, обитаващи водата и почвата, например актиномицетите в грудките на елшата и други дървета (общо 160 вида дървета). Всички те превръщат молекулярния азот в съединения на амоняка (NH4+). Този процес изисква значителен приток на енергия (за фиксирането на 1 г атмосферен азот бактериите в грудките на бобовите изразходват от порядъка на 167,5 килоджаула, тоест трябва да окислят около 10 г глюкоза). По този начин е видна взаимната изгода от симбиозата на растенията и азотофиксиращите бактерии – първите предоставят на вторите «място за живеене» и ги снабдяват с „гориво“, получено в резултат на фотосинтезата – глюкоза, а вторите осигуряват необходимия на растенията азот във форма, подходяща за усвояване.

Азотът във вид на амоняк и неговите съединения, получаващи се в процесите на биогенното азотиране, се окислява бързо до нитрати и нитрити. Последните, когато не се свързват в растенията и по-нататък по хранителната верига в тревоядните и хищниците, се отделят в почвата, но не се задържат дълго в нея, тъй като са разтворими, измиват се от водата и в крайна сметка попадат в Световния океан (този поток се оценява на в 2,5—8х107 т/годишно).

Азотът, който е включен в тъканите на растенията и животните, след тяхната гибел се разлага с отделяне на амоняк, амониеви йони и атомарен азот и неговите оксиди. Тези процеси протичат изцяло благодарение на дейността на микроорганизмите в аеробни и анаеробни условия.

При липсата на човешка дейност процесите на свързване на азота практически се уравновесяват с процесите на неговото отделяне. Част от азота постъпва в атмосферата от мантията при изригване на вулканите, част се фиксира здраво в почвата и глинестите минерали а от горните слоеве на атмосферата известна част от азота изтича в междупланетното пространство.

Получаване и употреба[редактиране | редактиране на кода]

Азотът е технически газ, произвеждан чрез фракционна дестилация на втечнен въздух или по механичен път от газообразен въздух. Използваният в стопанството азот често е страничен продукт от производството на кислород за металургията или за други нужди. Той обикновено се доставя под налягане в стоманени цилиндрични бутилки и често се нарича безкислороден азот.[24]

В лабораторни условия азотът се получава чрез реакция на воден разтвор на амониев хлорид и натриев нитрит:[25]

NH4Cl(aq) + NaNO2(aq) → N2(g) + NaCl(aq) + 2 H2O (l)

При тази реакция се получават и малки количества NO и HNO3 – те могат да се отстранят члез преминаване на газа през воден разтвор на солна киселина, съдържащ калиев дихромат.[25] Много чист азот може да се получи чрез топлинно разграждане на бариев или натриев азид:[26]

2 NaN3 → 2 Na + 3 N2

Азотът се използва за получаване на амоняк, на азотна киселина, на азотни торове и на взривни вещества. Приложение намира и при охлаждане. Така например при лазерно рязане на дърво може да се използва за охлаждане и да се предотврати запалване.

Любопитни факти[редактиране | редактиране на кода]

  • Азотът образува нитриди и с някои неметали, например сярата. През 70-те години на миналия век (1975 г.) химици от Пенсилванския университет успели да получат високо молекулно съединение от нитрид, което притежава свойствата на метал. Той е ковък и слабо провежда електрически ток.
  • Учени успели за повече от година да запазят в среда от течен азот при температура -197 C извадени зъби. При това зъбната тъкан се запазва. След това при размразяване зъбите могат да се имплантират (присадят) и да продължат да изпълняват функциите си.
  • При температура -197 C в среда от течен азот химичният елемент берилий придобива 3,5 пъти по-голяма специфична електропроводимост от медта.

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

  1. Lavoisier 1965, с. 15.
  2. Weeks 1932, с. 215.
  3. Ihde 1964.
  4. Lavoisier 1965, с. 52.
  5. lateralscience.co.uk 2015.
  6. Erisman 2008, с. 636.
  7. Bethe 1939, с. 434-456.
  8. а б в Audi 2003, с. 3-128.
  9. NIST 2013.
  10. Flanagan 2004.
  11. а б Neeb 1997, с. 227.
  12. Science News 2002.
  13. physorg.com 2004.
  14. Fabian 2004, с. 50-69.
  15. Muir 2015.
  16. Patil 2004, с. 27-32.
  17. Gray 2009.
  18. Greenwood 1997.
  19. Iancu 2006, с. 231-240.
  20. Worley 1943, с. 207.
  21. Lide 2003.
  22. а б Schrock 2005, с. 955-962.
  23. Fryzuk 2000, с. 379.
  24. Reich 1957, с. 869-873.
  25. а б Bartlett 1967, с. 475.
  26. Eremets 2004, с. 10618-10623.
Цитирани източници

Вижте още[редактиране | редактиране на кода]

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]

Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното Лиценз за свободна документация на ГНУ Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Азот“ в Уикипедия на руски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година — от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница. Вижте източниците на оригиналната статия, състоянието ѝ при превода, и списъка на съавторите.