Нахождение в природе
Содержание азота в земной коре составляет 2,5 10–3 % (по массе). Основная масса азота сосредоточена в атмосфере: воздух содержит 78,09% N2, 20,95% О2, 0,932% аргона, кроме того в воздухе присутствуют СО2, благородные газы, водяной пар. Из минералов промышленное значение имеют чилийская селитра NaNO3, индийская (калийная) селитра KNO3, норвежская селитра Ca(NO3)2. В виде аминокислот и нуклеиновых кислот азот входит в состав животных и растительных организмов. Азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере на Уране и Нептуне.
Получение азота
В промышленности азот фракционированием (ректификацией) жидкого воздуха. Воздух нельзя перевести в жидкое состояние при атмосферном давлении, поэтому для сжижения требуется сильное охлаждение. Для этого воздух сжимают в компрессоре и после предварительного охлаждения разделяют на две части. Одну часть подают в машину для охлаждения, где газ, расширяясь, совершает работу и охлаждается. Этим воздухом охлаждают оставшуюся часть сжатого воздуха, который впоследствии сжижается.
Поскольку азот
более летуч (
С),
чем кислород (
С),
в парах над кипящим жидким воздухом
концентрация азота выше, чем кислорода,
так что происходит обогащение жидкой
фазы кислородом. В результате ректификации
получают газообразный азот.
В лаборатории азот поставляется с производства в стальных баллонах или в сосудах Дьюара (жидкий азот).
В лабораторных условиях азот получают:
1. термическим разложением азида лития или натрия:
2. нагреванием смеси растворов нитрата натрия и хлорида аммония:
Образующийся азот может быть загрязнен примесями оксида азота (II) и азотной кислоты, для удаления которых газ пропускают через подкисленный раствор дихромата калия.
3. разложением азотсодержащих соединений. Например, твердый нитрит аммония разлагается при нагревании со взрывом:
Азот образуется во многих химических реакциях, протекающих при нагревании:
Физические свойства азота
Азот при обычных условиях – бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха, состоящий из двухатомных молекул N2. Для азота характерны низкие температуры кипения и плавления. Азот плохо растворим в воде и в органических растворителях. Растворимость в воде возрастает при повышении давления.
Структура твердого азота построена из молекул N2, связанных слабыми силами Ван-дер-Ваальса.
Химические свойства азота
Конфигурация внешних энергетического уровня у атома азота …2s22p3. Атом азота имеет три неспаренных электрона и может образовать три ковалентные связи. В результате донорно-акцепторного взаимодействия атом азота может приобретать положительный и отрицательный заряд. В возбужденном ионе N+ имеется четыре неспаренных электрона, в этом состоянии азот образует четыре ковалентные связи. Ион N– имеет только два неспаренных электрона и может образовывать только две ковалентные связи. У атома азота нет свободных d-орбиталей, поэтому атом азота не может образовывать больше четырех ковалентных связей.
Молекулярный азот обладает очень низкой реакционной способностью. Это связано с наличием в молекуле азота прочной тройной связью, а также неполярностью молекулы азота (энергия тройной связи в молекуле N2 равна 940 кДж/моль, длина связи 110 пм). Таким образом, молекула азота очень прочная и протекание химических реакций требует высоких энергий активации. Азот – инертное вещество при обычных условиях. Только при высоких температурах азот вступает в химические реакции.
1. При комнатной температуре азот реагирует с литием, с образованием нитрида лития:
2. С металлами азот реагирует при нагревании. При этом он проявляет свойства окислителя:
2. Азот как восстановитель реагирует с кислородом (в электрическом разряде) и фтором (при высоких температурах):
3. Азот реагирует с водородом. Данная реакция протекает при повышенных значениях температуры (400 ºС) и давления 200 атм, а также в присутствии катализатора (Fe):
С серой и галогенами азот не взаимодействует.
В электрическом разряде происходит переход электрона с орбитали δ (2рz) на * (2рх) (метод МО ЛКАО). Такие возбужденные молекулы быстро возвращаются в обычное состояние, испуская желтое свечение. Иногда оно длится несколько минут после прекращения разряда. В возбужденном состоянии азот обладает высокой реакционной способностью. Атомарный азот активен при обычных условиях и взаимодействует с серой, фосфором и ртутью и др. элементами.