Свойства азота
Название азота происходит от греческого слова «азос», что значит безжизненный. Латинское название азота означает «рождающий селитру». Чистый азот представляет собой бесцветный газ, немного легче воздуха, не имеющий запаха, малорастворимый в воде.
В обычных условиях азот – двухатомный газ. При сильном охлаждении под высоким давлением азот превращается в жидкость, температура кипения жидкости при атмосферном давлении – -195,8 °С. При температуре -210 °С затвердевает, образуя снегообразную массу.
Атмосферный азот состоит из двух изотопов.
При обыкновенной температуре азот – химически инертен. Простейшее соединение азота с водородом – аммиак. Стойкое соединение азота с водородом – гидразин NH2NH2 (используется как реактивное топливо). Известны другие водородные соединения азота: азотистоводородная кислота N3Н, диамид NН=NН, гидроксиламин NН2ОН и др.
Азот является составной частью большого числа органических соединений, куда он входит в виде различных групп. Известны также соединения азота с серой, хлором, фосфором: нитрид серы, сулфамид, хлорамин и др.
При нагревании азот довольно легко соединяется с некоторыми металлами – магнием, титаном, литием, церием, ураном, образуя нитриды
При очень высокой температуре азот соединяется с кислородом, образуя следующие оксиды – NO, NO2, N2O3, N2O5, азотную и азотистую кислоты, а при температуре 500-700 °С – с водородом, образуя аммиак. Основное количество азота, получаемого ректификацией жидкого воздуха методом глубокого охлаждения, идет на производство синтетического аммиака. Кроме того, в промышленности азот используется в качестве охлаждающего вещества для достижения низких температур. Свободный азот применяется в качестве инертной среды при некоторых химических и металлургических процессах, при перекачивании горючих жидкостей. Он является консервантом в овощехранилищах и хладагентом в криостатах, вакуумных установках и т.д.
Свойства аммиака
Аммиак NH3 – бесцветный газ с резким удушливым запахом и температурой кипения -33,35 °С, температурой плавления -77,75 °С. Аммиак хорошо растворим в воде, ограниченно растворим в органических растворителях. Жидкий аммиак – бесцветная жидкость, сильно преломляющая свет. В водных растворах аммиака содержатся его гидраты состава NH3·H2O и NH3·2H2O.
Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочноземельные металлы, Al, Eu, Yb, P, S, J, многие интерметаллиды (химические соединения из 2-х и более металлов) и др.
Разложение аммиака на азот и водород становится заметным выше 1200-1300 °С, а в присутствии катализатора – выше 400 °С. Аммиак весьма реакционноспособен. Для него типичны реакции присоединения, в частности протона при взаимодействии с кислотами. В результате образуются соли аммония, которые по многим своим свойствам подобны солям щелочных металлов. В процессе взаимодействия с солями аммиак образует амины. С жидким и газообразным аммиаком взаимодействуют щелочные и щелочноземельные металлы, также образуя амины. В процессе нагревания в атмосфере аммиака многие металлы и неметаллы (Zn, Cd, Fe, Cr, B, Si и др.) образуют нитриды.
При ~ 1000 °С аммиак реагирует с углеродом, образуя HCN и частично разлагаясь на азот и водород. Аммиак реагирует с диоксидом углерода, образуя карбамат аммония: 2NH3+CO2→NH2COONH4. Водород в аммиаке может быть заменен галогенами: NH3+3Cl2=NCl3+3HCl. Аммиак горит в атмосфере кислорода, образуя при этом воду и азот: 4NH3+3O2=2N2+6H2O.
Каталитическим окислением аммиака получают NO – полуфабрикат в производстве азотной кислоты. Газообразный аммиак окисляется также бромом и хлором до азота.
Аммиак – ключевой продукт для получения многочисленных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и быту. На основе аммиака в настоящее время производятся практически все соединения азота, используемые в качестве целевых продуктов и полупродуктов неорганической и органической технологии. Аммиак применяется в производстве азотной кислоты, карбамида, нитрата, карбоната, сульфата, фосфата аммония (аммофос), уротропина, гидразина, в качестве жидкого минерального удобрения и хладагента.
Сырьем в производстве аммиака является азотоводородная смесь стехиометрического состава N2:H2=1:3. Т.к. ресурсы атмосферного азота практически неисчерпаемы, сырьевая база аммиачного производства определяется вторым компонентом смеси – водородом, который может быть получен одним из следующих способов:
- конверсией метана природного газа или его гомологов с последующей конверсией оксида углерода (II);
- конверсией оксида углерода (II);
- конверсией оксида углерода (II), полученного газификацией твердого и жидкого топлива;
- разделением коксового газа последовательным сжиганием всех компонентов газовой смеси;
- электролизом воды или раствора хлорида натрия.
Структура сырьевой базы производства аммиака менялась. Сейчас свыше 90 % аммиака вырабатывается на основе природного газа.