Соединения азота

NH₃ – аммиак, бесцветный газ с резким запахом. При t = –33^оС сжижается, при t = –78^оС – затвердевает. За счет наличия межмолекулярных водородных связей аммиак по сравнению с водородными соединениями других элементов VА-группы обладает отличительными свойствами:

а) хорошей растворимостью в воде (в 1 объеме воды при 293 К растворяется 700 объемов аммиака); водные растворы его имеют слабощелочную реакцию:NH₃ + H₂O ; NH₃H₂O ; + ОН^–. За счет водородных связей образуется преимущественно гидрат NH₃H₂O. NH₄OH не существует как химически индивидуальное соединение

б) значительной теплотой испарения, поэтому используется в холодильной технике;

в) большой величиной диэлектрической проницаемости, поэтому является хорошим неводным растворителем для щелочных, щелочноземельных металлов, серы, фосфора, йода, многих кислот и солей.

Т ип гибридизации атомных орбиталей азота – sp³, строение пирамидальное. На одной из гибридных орбиталей находится неподеленная электронная пара, за счет которой атом азота образует связь по донорно-акцепторному механизму.

Благодаря наличию неразделенной электронной пары при атоме азота аммиак проявляет электронно-донорные свойства при взаимодействии с кислотами с образованием аммонийных солей, а также при образовании амминокомплексов:[Cu(NH₃)₄]SO₄; [Ni(NH₃)₆]Cl₂. Аммиак – активный лиганд.

Аммиак (NH₃) действует раздражающе на слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. в высших концентрациях возбуждает нервную систему, вызывает судороги, может привести к воспалению легких.

В крови при рН =7,4 гидрат аммиака (рK_а( ) = 9,25) представлен на 98,6% ионами аммония, которые не могут проникать через клеточные мембраны. Молекулы аммиака (NH₃) могут проникать через мембраны, в частности, воздействовать на мозг, что используется в медицинской практике для выведения человека из обморочного состояния.

В медицинской практике при алкалозе в качестве мочегонного средства применяют хлорид аммония NH₄Cl. В результате гидролиза этой соли повышается кислотность крови, что уменьшает алкалоз:

+ H₂O ; NH₃H₂O + Н⁺. При этом увеличивается выведение ионов натрия и воды через почки. Выведение аммиака из организма происходит через почки, главным образом в виде мочевины. В условиях организма аммиак устойчив к окислению, его восстановительные свойства не проявляются.

Кислородные соединения азота

N₂O – оксид азота (I) («веселящий» газ). Бесцветный газ со слабым приятным запахом и сладковатым вкусом. Мало растворяется в воде, не реагирует с ней. Индифферентный оксид.

Оксид азота (I) в смеси с кислородом используется в медицине для ингаляционного наркоза. При малых концентрациях он вызывает возбуждение («веселящий» газ), а при больших – общий наркоз. Объясняется это, по-видимому, тем, что в клетках головного мозга молекулы N₂O гидратируются за счет «неструктурированной» воды и создают вокруг себя гидратную оболочку из «структурированной» воды, разрушая за счет этого гидратную оболочку мембрановыстилающих белков. Уменьшение гидрофильности белков приводит к их отслаиванию. Появившаяся новая граница раздела нарушает ионную проводимость клеточной мембраны, что, в свою очередь, вызывает потерю чувствительности клеток мозга к нервным импульсам от болевых точек, т.е. анестезию. При прекращении подачи этих веществ они диффундируют из клетки, состояние внутриклеточной водной системы восстанавливается, эффект анестезии исчезает.

NO – оксид азота(II) – бесцветный газ, без запаха, мало растворим в воде, токсичен.

За два последних десятилетия было установлено, что эта молекула NO обладает широким спектром биологического действия, которое условно можно разделить на регуляторное, защитное и вредное. NO, являясь одним из мессенджеров, участвует в регуляции систем внутри- и межклеточной сигнализации. Оксид азота отвечает за эндотелиальную релаксацию гладких мышц (вазодилатацию), предотвращающую агрегацию тромбоцитов и адгезию нейрофилов к эндотелию, участвует в процессах нервной, репродуктивной и иммунной системах. NO также обладает цитотоксическими и цитостатическими свойствами. Клетки-киллеры иммунной системы используют оксид азота для уничтожения бактерий и клеток злокачественных опухолей. С нарушением биосинтеза и метаболизма NO связаны такие заболевания как ассенциальная артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, первичная легочная гипертензия, бронхиальная астма, невротическая депрессия, эпилепсия, нейродегенеративные заболевания (т.е. болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона), сахарный диабет, импотенция и др.

По сути, монооксид азота является локальным тканевым гормоном. NO играет ключевую роль в подавлении активности бактериальных и опухолевых клеток путем либо блокирования некоторых их железосодержащих ферментов, либо путем повреждения их клеточных структур оксидом азота или свободными радикалами, образующимися из оксида азота. Одновременно, в очаге воспаления накапливается супероксид, который вызывает повреждение белков и липидов клеточных мембран, что и объясняет ее цитотоксическое действие на клетку-мишень. Следовательно, NO, избыточно накапливаясь в клетке, может действовать двояко: с одной стороны вызывать повреждение ДНК и с другой – давать противовоспалительный эффект. Оксид азота способен инициировать ангиогенез (образование кровеносных сосудов). В случае инфаркта миокарда оксид азота играет положительную роль, т.к. индуцирует новый сосудистый рост, но при раковых заболеваниях тот же самый процесс вызывает развитие опухолей, способствуя питанию и росту раковых клеток, но с другой стороны, вследствие этого улучшается доставка оксида азота в опухолевые клетки.

В 1998 году трое американцев Фурчготт, Игнарро и Мюрад были удостоены премии Нобелевского комитета по физиологии «за открытия, касающиеся оксида азота(II) как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе».

Исследователи из университета Северной Каролины (США) нашли способ, как заключить NO в наночастицы диоксида кремния. Наночастицы имеют ряд преимуществ по сравнению с низкомолекулярными источниками NO – прежде всего, большее время высвобождения газообразного оксида азота, который, к тому же, требуется в меньших концентрациях.

Ученые показали, что созданные ими наночастицы эффективны для борьбы с синегнойной палочкой in vitro.

NO – активный лиганд, образует комплексное соединение с железом гемоглобина, причем в 60 раз более прочное, чем соединение гемоглобина с кислородом, что является причиной токсичности оксида азота(II):

HHb + NO  HHbNO

N₂O₃ – оксид азота(III). Существует в твердом состоянии при температуре ниже –100^оС. При других температурах практически не существует, т.к. в жидком и парообразном состояниях в значительной степени диссоциирован за счет диспропорционирования:

+3 +2 +4

N₂O₃ ; NO + NO₂

N₂O₃ – кислотный оксид, ему соответствует азотистая кислота.

HNO₂ – азотистая кислота существует только в растворах.

HNO₂ – амфолит с более сильно выраженной кислотной функцией. В ее водных растворах существуют равновесия:

NO⁺ + OH^– ; HNO₂ ; H⁺ + NO

Кислородные соединения азота (III) нитрит-анионы, являющиеся сильными окислителями, попадая в кровь, вызывают метгемоглобинемию, острое кислородное голодание тканей из-за уменьшения содержания гемоглобина в крови, а также увеличивают свободнорадикальное окисление в организме:

HHb(Fe⁺²) + NO + 2H⁺ = метHHb(Fe⁺³) + NO + Н₂О

Выделяющийся при этом оксид азота(II) образует устойчивый комплекс с гемоглобином – нитрозогемоглобин:

NO + HHb = HHbNO

В желудке нитриты образуют азотистую кислоту, которая при взаимодействии со вторичными аминами образует сильные канцерогены – нитрозоамины:

R₂N–H + HO–N=O = R₂N–N=O + H₂O

По этой причине запрещено добавление токсичных нитритов в качестве консервантов в мясопродукты.

NO₂ – оксид азота(IV) –красно-бурый ядовитый газ с резким запахом. NO₂ – сильный окислитель.

В состав встречающихся в промышленности нитрозных газов входят NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄. При контакте этих газов с влажной поверхностью образуются HNO₃ и HNO₂, поражающие альвеолярную ткань, что приводит к отеку легких и сложным рефлекторным расстройствам. При отравлении нитрозными газами в крови обнаруживаются нитраты и нитриты, которые действуя на артерии, вызывают расширение сосудов и снижение кровяного давления. попадая в кровь нитраты соединяются с гемоглобином, что приводит к появлению кислородной недостаточности.

В последнее время основной угрозой для горожан становится фотохимический смог, который образуется по схеме:

NO₂ NO + O

O + O₂ + M  O₃ + M* (М* – газообразная молекула в возбужденном состоянии).

О₃ + NO  NO₂ + O₂

Часть озона и кислорода реагирует с УВ, содержащимися в воздухе, по свободнорадикальному механизму, образуя кетоны, альдегиды, пероксиды, которые оказывают раздражающее действие на человеческий организм. Многие промежуточные нитро- и нитрозосоединения являются высокотоксичными веществами, стимулирующими опухолевые процессы.

N₂O₅ – оксид азота(V) – белое кристаллическое вещество. Молекулярную структуру имеет только в газообразном состоянии. В твердом состоянии образован ионами NO и NO . Кислотный оксид при взаимодействии с водой образует азотную кислоту.

Азотная кислота – бесцветная летучая жидкость, сильный окислитель. Она разрушает животные и растительные ткани, окисляет почти все металлы (кроме золота и платины) и неметаллы. Восстановление азотной кислоты зависит от ее концентрации и природы восстановителя:

Соли азотной кислоты – нитраты – хорошо растворимы в воде. При нагревании они разлагаются, причем продукты разложения зависят от положения солеобразующего металла в ряду стандартных электродных потенциалов.

Нитраты являются в кислых растворах более слабыми окислителями, чем азотная кислота, а в нейтральных растворах вообще не обладают окислительными свойствами.

Содержащиеся в некоторых продуктах, в основном фруктах и овощах, нитраты могут в организме восстанавливаться до токсичных нитритов: NO + 2H⁺ + 2e = NO + H₂O.

В связи с этим санитарные нормы содержания нитратов в питьевой воде не более 10 мг/л. Более высокое содержание нитратов может привести к заболеванию раком желудка.