Урок 21 Получить доступ за 75 баллов Азот. Аммиак
Азот – химический элемент и простое вещество
«Азот» в переводе с греческого – «безжизненный».
Однако в наше время всем и каждому хорошо известно, что это далеко не так.
На этом уроке мы по полочкам разложим всё самое интересное и полезное про этот элемент с самым, пожалуй, противоречивым названием.
Азот – химический элемент № 7 периодической системы элементов.
Азот образует одно простое вещество: газ без цвета, запаха и вкуса, немного легче воздуха, почти не растворим в воде.
В твёрдом состоянии азот имеет молекулярную кристаллическую решётку, поэтому у него низкие температуры плавления и кипения.
Азот кипит при –196 °С, затвердевает при–210 °С.
Азот (N) - один из самых распространённых элементов на Земле, особенно много его в атмосфере – около 78 %.
Кроме земной атмосферы, азот также в большом количестве содержится в атмосферах многих больших и малых планет Солнечной системы.
Кто первым открыл азот, определить трудно. Над этим работали Кавендиш, Пристли и Резерфорд почти в одно и то же время.
Название «азот», что в переводе означает «безжизненный», предложил Антуан Лавуазье из-за того, что азот не поддерживает ни горения, ни дыхания. Что ж, учитывая множество заслуг Лавуазье, простим великому учёному его ошибку.
Латинское же название nitrogenium обозначает «рождающий селитру».
В лаборатории азот получают разложением нитрита аммония:
Для начала реакции требуется нагревание, однако сама реакция экзотермическая, то ест протекает с выделением тепла, поэтому в дальнейшем сосуд охлаждают.
Однако в данном случае азот загрязнён аммиаком и оксидами азота. Более чистый азот можно получить при разложении дихромата аммония:
Эта реакция интересна тем, что объем образующегося оксида хрома в несколько раз превышает объём исходного дихромата аммония. кроме того, образующийся азот широко «расшвыривает» оксид хрома.
Поэтому эту реакцию используют не столько для получения азота, сколько для красивой демонстрации, которая называется «вулкан».
На практике химическим путём азот почти никогда не получают, поскольку его вырабатывают в промышленных масштабах фракционной перегонкой воздуха. Азот - это практически неисчерпаемый ресурс, поэтому стоит он относительно дёшево.
Молекула азота двухатомная – N2. Атомы связаны тройной ковалентной связью.
Этим объясняется прочность молекулы и, как следствие, относительная инертность азота: он вступает в химические реакции только при очень высоких температурах.
Например, с кислородом он реагирует при температуре электрической дуги.
Таким образом, во время разрядов молний в атмосфере образуются оксиды азота, которые реагируют с водой, образуя азотистую и азотную кислоты, а также нитраты.
Грозы и молнии – это естественный способ связывания атмосферного азота.
Азот может быть и окислителем, и восстановителем за счёт своей электронной конфигурации; на внешнем электронном уровне пять электронов: атом может принять или отдать три электрона, проявляя степени окисления +3 или –3, а также образовать одну ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму, используя 2 спаренных s-электрона.
Как окислитель азот реагирует с металлами и водородом, как восстановитель с кислородом, фтором, хлором.
Все эти реакции проходят при высоких температурах, но есть одно исключение: при комнатной температуре азот реагирует с литием с образованием нитрида лития:
Все щелочные и щелочноземельные металлы хранят в керосине или минеральном масле из-за того, что на воздухе они моментально окисляются кислородом.
Среди всех этих металлов только литий более активно реагирует именно с азотом, чем с кислородом, и на воздухе моментально покрывается черным слоем нитрида.
Азот в чистом виде является сырьём для получения аммиака (около 2/3 получаемого азота идёт на синтез аммиака), азотной кислоты и азотных удобрений; а также из-за его инертности при обычных температурах его используют для создания инертной среды для химических реакций.
Азот широко используют как хладоагент.
Любой человек часто слышал о «жидком азоте», который в быту считается как бы «эталоном» очень низкой температуры.
А всё из-за того, что азот очень доступен.
Азот используется в жидком виде для охлаждения в основном в медицине, в заморозке грунта при строительстве (например, метро), при глубокой заморозке органических материалов.
Ещё в конце 1990-х годов, когда компьютерные микропроцессоры IntelPentiumVс тактовой частотой 233 МГц считались самыми мощными (В наше время процессоры в смартфонах в 10 раз мощнее), нашлись экспериментаторы, которые, используя жидкий азот для охлаждения, смогли разогнать этот процессор до 7500 Мгц, то есть в 32 раза!
Хранят и перевозят азот в черных баллонах с коричневой полосой.
Аммиак. Соли аммония
Одним из важнейших соединений азота является его соединение с водородом – аммиак.
Аммиак (в европейских языках его название звучит как «аммониак») своим названием обязан древнеегипетскому богу Амону.
Люди, поклоняющиеся Амону, (амониане) во время своих ритуальных обрядов нюхали нашатырь NH4Cl, который при нагревании разлагается с образованием аммиака.
В промышленности его получают прямым синтезом из простых веществ:
Аммиак – бесцветный легкий газ с резким раздражающим запахом.
Это его свойство используется в медицине. Раствор аммиака в воде (нашатырный спирт) используют для приведения человека в чувство при обмороке и подобных состояниях.
Растворяется в воде аммиак очень хорошо: в 1 объёме воды растворяется 700 объёмов аммиака.
И как вы уже прекрасно знаете, происходит это не просто так: при растворении в воде аммиак вступает с ней в химическую реакцию, образуя ион аммония.
Аммоний – ион, образующийся при соединении молекулы аммиака и иона водорода H+(по сути, протона).
Дополнительная связь является ковалентной, но образованной не общей электронной парой, а по донорно-акцепторному механизму. При этом донором электронной пары является атом азота, а акцептором катион водорода.
Валентность атома азота в ионе аммония изменилась (с 3 до 4), а степень окисления осталась без изменений (–3).
Все четыре связи в ионе аммония равноценны, хотя и образовались они по-разному.
Этот ион способен образовывать соли, то есть по своим химическим свойствам он аналогичен ионам металлов.
Соли аммония – твёрдые вещества с ионной кристаллической решёткой, в узлах которой находятся ионы аммония и ионы кислотного остатка.
Они похожи на соответствующие соли щелочных металлов.
Соли аммония неустойчивы и легко разлагаются при нагревании, что используется для получения аммиака в лаборатории, для чего нагревают смесь соли аммония со щелочью.
Происходит реакция обмена, в которой образуется гидроксид аммония NH4OH (по сути, раствор аммиака в воде).
Таким образом, аммиак проявляет слабые щелочные свойства.
Раствор аммиака в воде окрашивает индикаторы в цвет, свойственный для оснований.
С кислотами аммиак образует соли аммония.
Из-за того, что азот в молекуле аммиака имеет свою самую низшую степень окисления –3, аммиак является восстановителем.
Он горит в чистом кислороде с образованием азота и воды:
Аммиак восстанавливает металлы из их оксидов:
Жидкий аммиак, как и вода, является сильным ионизирующим растворителем, в котором растворяются даже металлы (не все, конечно, а щелочные, щелочноземельные, магний, алюминий, европий, эрбий).
Разбавленные растворы металлов в жидком аммиаке окрашены в синий цвет, концентрированные растворы имеют металлический блеск и похожи на бронзу.
Очень интересное действие жидкий аммиак оказывает на дерево. При пропитке им растение становится очень пластичным и после испарения сохраняет заданную форму.
Большая часть получаемого в промышленности аммиака идёт на производство азотной кислоты и азотных удобрений: аммиачной селитры NH4NO3, гидрофосфата аммония (NH4)2HPO4, сульфата аммония (NH4)2SO4; взрывчатых веществ и красителей (нитролаков).
С помощью аммиака производят соду (этот способ получения соды так и называется – аммиачный метод).
Нашатырный спирт используют в медицине: вдыхание малых количеств аммиака стимулирует работу сердца и нервной системы.
Также его широко применяют в быту при стирке белья, выведении пятен, чистке ковров и ювелирных изделий.
Хлорид аммония (нашатырь) NH4C1 применяют при лужении и пайке, так как он очищает поверхность металла от оксидных плёнок.
После обработки нашатырём припой хорошо пристаёт к металлу.
Хранят и перевозят аммиак в желтых баллонах с черной надписью
Круговорот азота в природе
Азот – жизненно важный химический элемент.
Он входит в состав белковых веществ – до 10% по массе.
Превращения, которым подвергаются белки в клетках растений и животных, составляют основу всех жизненных процессов.
Без белка нет жизни, а без азота нет белка.
Человек получает белки из растительных и животных продуктов, животные – из растений.
Растения связывают не свободный азот, а ионы аммония и нитраты.
При гниении органических веществ большая часть содержащегося в них азота превращается в аммиак.
Значительная часть образовавшегося аммиака под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется до нитратов.
Другим источником поступления в почву соединений азота является жизнедеятельность клубеньковых бактерий, способных усваивать атмосферный азот. Они поселяются на корнях бобовых растений, вызывая образование вздутий – клубеньков.
В противоположность всему этому ряд процессов приводят к удалению азота из почвы.
При горении древесины, соломы, торфа, угля азот выделяется в свободном виде и переходит в атмосферу.
Наряду с нитрифицирующими бактериями в почве обитают и денитрифицирующие.
При недостаточном доступе воздуха они отщепляют кислород от нитратов и разрушают их, а образующийся свободный азот уходит в атмосферу. Все нитраты хорошо растворимы в воде, поэтому они сильно вымываются из почвы осадками в реки.
Процессы, приводящие к удалению азота из почвы и накоплению его соединений в почве, взаимно уравновешивают друг друга.
В результате деятельности человека этот круговорот нарушается.
Убирая урожай сельскохозяйственной культуры с того или иного участка, человек вместе с тем вывозит с поля и азот. Поэтому рекомендуется вносить в почву удобрения. Однако их количество должно быть сбалансированно, так как избыток азота столь же вреден для растений, как и его недостаток.
В бесплатной версии урока недоступны:
- Видео
- Изображения
- Дополнительная информация
- Таблицы
- Тесты