Азот (Nitrogene, N)
Азот – хімічний елемент, який відомий кожному. Його позначають літерою N. Він, можна сказати, є основою неорганічної хімії, і тому його починають вивчати ще у восьмому класі. У цій статті ми докладно розглянемо азот, а також його характеристики та властивості.
Історія відкриття елемента
Такі сполуки, як аміак, селітра, азотна кислота були відомі і застосовувалися на практиці задовго до отримання чистого азоту у вільному стані.
Під час експерименту, проведеного в 1772 році, Даніель Резерфорд спалював фосфор та інші речовини в дзвоні зі скла. Він з'ясував, що газ, що залишається після згоряння сполук, не підтримує горіння та дихання, і назвав його «задушливим повітрям».
В 1787 Антуан Лавуазьє встановив, що гази, що входять до складу звичайного повітря, - це прості хімічні елементи, і запропонував назву «Азот». Трохи пізніше (1784 р.) фізик Генрі Кавендіш довів, що ця речовина входить до складу селітри (групи нітратів). Звідси походить латинська назва азоту (від пізньолатинського nitrum та грецького gennao), запропонована Ж. А. Шапталем у 1790 році.
На початку XIX століття вченими було з'ясовано хімічну інертність елемента у вільному стані та його виняткову роль у сполуках з іншими речовинами. З цього моменту зв'язування азоту повітря стало найважливішою технічною проблемою хімії.
Фізичні властивості
Азот трохи легший за повітря. Його густина становить 1,2506 кг/м³ (0 °С, 760 мм рт. ст.), температура плавлення - -209,86 °С, кипіння - -195,8 °С. Азот важко зріджується. Його критична температура відносно низька (-147,1 ° С), при цьому критичний тиск досить високий - 3,39 Мн/м2. Щільність у рідкому стані – 808 кг/м³. У воді цей елемент меншрозчинний, ніж кисень: в 1 м³ (при 0 °С) Н₂О може розчинитися 23,3 г N. Цей показник вищий при роботі з деякими вуглеводнями.
Хімічні властивості азоту
При нагріванні до низьких температур цей елемент взаємодіє лише з активними металами. Наприклад, з літієм, кальцієм, магнієм. З більшістю інших речовин азот вступає в реакцію у присутності каталізаторів та/або при високій температурі.
Добре вивчені сполуки N з О₂ (киснем) N₂O₅, NO, N₂O₃, N₂O, NO₂. З них при взаємодії елементів (t - 4000 ° С) утворюється оксид NO. Далі у процесі охолодження він окислюється до NO₂. Оксиди азоту утворюються повітря при проходженні атмосферних розрядів. Їх можна отримати дією іонізуючих випромінювань на суміш N з О₂.
При розчиненні у воді N₂O₃ і N₂O₅ відповідно виходять кислоти HNO₂ і HNO₂, що утворюють солі - нітрати та нітрити. Азот з'єднується з воднем виключно у присутності каталізаторів і за високої температури, утворюючи NH₃ (аміак). Крім того, відомі й інші (вони досить численні) сполуки N з H₂, наприклад, діімід HN = NH, гідразин H₂N-NH₂, октазон N₈H₁₄, кислота HN₃ та інші.
Варто сказати, що більшість сполук водень + азот виділено виключно у вигляді органічних похідних. Цей елемент не взаємодіє (безпосередньо) з галогенами, тому всі його галогеніди одержують лише непрямим шляхом. Наприклад, NF₃ утворюється при взаємодії аміаку з фтором.
Більшість галогенідів азоту — малостійкі сполуки, стійкіші оксигалогеніди: NOBr, NOF, NOF, NOCl, NOCl. Безпосередньої сполуки N із сіркою також не відбувається, N₄S₄ виходить у процесі реакції аміак + рідка сірка. Під час взаємодії розпеченого коксу з N утворюєтьсяціан (CN)₂. У процесі нагрівання ацетилену С₂Н₂ з азотом до 1500 °З можна отримати ціаністий водень HCN. При взаємодії N з металами за відносно високих температур утворюються нітриди (наприклад, Mg₃N₂).
При впливі на звичайний азот електророзрядів [при тиску 130–270 н/м² (відповідає 1–2 мм рт. ст.)] та при розкладанні Mg₃N₂, BN, TiNx та Ca₃N₂, а також при електророзрядах у повітрі може бути утворений активний азот, що володіє підвищеним запасом енергії. Він, на відміну молекулярного, дуже енергійно взаємодіє з воднем, парами сірки, киснем, деякими металами і фосфором.
Азот входить до складу досить багатьох найважливіших органічних сполук, у тому числі амінокислот, амінів, нітросполук та інших.
Одержання азоту
У лабораторії цей елемент може бути легко отриманий у процесі нагрівання концентрованого розчину нітриту амонію (формула: NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O). Технічний метод отримання N заснований на поділі заздалегідь зрідженого повітря, яке надалі піддається розгонці.
Галузь застосування
Основна частина вільного азоту, що отримується, використовується при промисловому виробництві аміаку, який потім у досить великих кількостях переробляється на добрива, вибухові речовини і т. п.
Крім прямого синтезу NH₃ з елементів, застосовується розроблений на початку минулого століття ціанамідний метод. Він заснований на тому, що при t = 1000 °С карбід кальцію (утворений розжарюванням суміші вугілля і вапна в електропечі) реагує з вільним азотом (формула: СаС + N₂ = CaCN + С). Отриманий ціанамід кальцію під дією розігрітої водяної пари розкладається на CaCO₃ та 2NH₃.
У вільному вигляді цей елемент застосовується у багатьох галузях промисловості:як інертне середовище при різноманітних металургійних і хімічних процесах, при перекачуванні горючих рідин, для заповнення простору в ртутних термометрах і т. д. У рідкому стані він використовується в різних холодильних установках. Його транспортують та зберігають у сталевих судинах Дьюара, а стислий газ – у балонах.
Широко застосовують і багато сполук азоту. Їх виробництво стало посилено розвиватися після Першої світової війни і зараз досягло воістину величезних масштабів.
Роль азоту у біології
Ця речовина є одним із основних біогенних елементів і входить до складу найважливіших елементів живих клітин – нуклеїнових кислот та білків. Проте кількість азоту у живих організмах невелика (приблизно 1–3 % на суху масу). Наявний в атмосфері молекулярний матеріал засвоюють лише синьо-зелені водорості та деякі мікроорганізми.
Досить великі запаси цієї речовини зосереджені у ґрунті у вигляді різних мінеральних (нітрати, амонійні солі) і органічних сполук (у складі нуклеїнових кислот, білків і продуктів їх розпаду, включаючи залишки флори і фауни, що ще не повністю розклалися).
Рослини добре засвоюють азот із ґрунту у вигляді органічних та неорганічних сполук. У природних умовах велике значення мають особливі ґрунтові мікроорганізми (амоніфікатори), які здатні мінералізувати органічний ґрунт N до солей амонію.
Нітратний азот ґрунту утворюється у процесі життєдіяльності нітрифікуючих бактерій, відкритих С. Виноградським у 1890 році. Вони окислюють амонійні солі та аміак до нітратів. Частина засвоюваної флорою та фауною речовини втрачається через вплив денітрифікуючих бактерій.
Мікроорганізми та рослини відмінно засвоюють як нітратний, так і амонійнийN. Вони активно перетворюють неорганічний матеріал на різні органічні сполуки — амінокислоти та аміди (глутамін та аспарагін). Останні входять до складу багатьох білків мікроорганізмів, рослин та тварин. Синтез аспарагіну та глутаміну шляхом амідування (ферментативного) аспарагінової та глутамінової кислот здійснюється багатьма представниками флори та фауни.
Виробництво амінокислот відбувається за допомогою відновного амінування ряду кетокислот та альдегідокислот, що виникають шляхом ферментативного переамінування, а також внаслідок окислення різних вуглеводів. Кінцевими продуктами засвоєння аміаку (NH₃) рослинами та мікроорганізмами є білки, що входять до складу ядра клітин, протоплазми, а також відкладаються у вигляді так званих запасних білків.
Людина і більшість тварин можуть синтезувати амінокислоти лише досить обмеженою мірою. Вони не здатні виробляти вісім незамінних сполук (лізин, валін, фенілаланін, триптофан, ізолейцин, лейцин, метіонін, треонін), і тому для них головним джерелом азоту є білки, що споживаються з їжею, тобто, зрештою, — власні білки мікроорганізмів і рослин.