Физические и химические свойства Азота — история открытия и роль в природе

Азот считается одним из самых распространенных химических элементов не только на Земле, но и во всей Солнечной системе. В природе существуют разные модификации элемента. Но при нормальных условиях это двухатомный бесцветный газ с прочной ковалентной связью. У него нет запаха и вкуса, он плохо растворяется в воде. Связанный азот выступает незаменимым структурным элементом всего живого, осуществляя собственный природный круговорот.

История открытия

Точно определить первооткрывателя научному сообществу не удалось, так как получить это вещество экспериментальным путем пыталось несколько ученых одновременно. Каждый из них выделил элемент, но не определил его природу. 

Генри Кавендиш

Первым был Генри Кавендиш. В 1772 году ученый выделил газ посредством пропускания воздуха над раскаленным углем с последующей обработкой этого воздуха щелочью. 

Если трактовать опыт с точки зрения современной химии, то Кавендиш получил сначала углекислый газ как реакцию кислорода на раскаленный уголь. Далее он поглощался щелочью, оставляя после себя азот. Полученный элемент Генри Кавендиш описал, как остаточный газ или мефитический (вредный) воздух.

Джозеф Пристли

Джозеф Пристли был первым, кого Кавендиш уведомил о результатах опыта. Пристли был выдающимся химиком своего времени и первооткрывателем кислорода. Практически одновременно с Кавендишем он проводил комплекс похожих экспериментов со связыванием кислорода воздуха и последующим удалением углекислого газа.

То есть, Пристли тоже выделял азот, но также заблуждался на счет его истинной природы. Ученый был поклонником популярной в те времена теории флогистона, поэтому полученный результат назвал флогистированным (насыщенным флогистоном) воздухом.

Середина XVII века отличилась господством теории флогистона, как объяснения процессов горения. Флогистон был некой материей или огненной субстанцией, которая наполняет все горючие вещества, следовательно, высвобождается из них во время сжигания.

Карл Шееле

Летом того же 1772 года Карл Шееле экспериментировал со связыванием кислорода способом Кавендиша. Результаты долгих исследований были опубликованы ученым спустя пять лет. В них говорилось о воздухе как о смеси различных газов, среди которых “огненный” и “грязный” воздух (кислород и азот). 

Но заполучить титул первопроходца Шееле не удалось из-за задержки с публикацией исследований. 

Даниэль Резерфорд

Шееле опередил Даниэль Резерфорд, который опубликовал свои труды о мефитическом воздухе уже осенью 1772 года. Он где описал главные свойства полученного элемента (не горюч, пассивен со щелочами, не годится для дыхания). 

Резерфорд сделал предположение об открытии неизвестного вещества. Но, будучи приверженцем флогистона, он также, как современники, не смог определить, что выделил. 

Вопрос о первооткрывателе этого элемента остался открытым по сей день.

История названия

С древнегреческого языка “азот” переводится, как “безжизненный”. Когда в 1787 году Антуан Лавуазье предложил это название, решающим фактором при выборе стали известные на тот момент свойства (не горит, не пригоден для дыхания). То, что недавно открытый элемент жизненно важен для живых организмов, выяснилось позже.

Не все современники Антуана Лавуазье – одного из разработчиков химической номенклатуры – поддержали ученого. Жан-Антуан Шапталь предложил альтернативное наименование “нитроген” (фр. nitrogen) – “рождающий селитру”. Это название вошло в труд Шапталя “Элементы химии”. С той поры и до сегодняшнего дня нитритами, нитридами и нитратами именуют азотистые соединения.

Слово “азот” в нашем языке появилось в 1831 году благодаря Герману Гессу и его учебнику по химии. Помимо русскоговорящих, это наименование применяют другие славянские народы и бывшие народы Советского Союза. Прижилось оно также у французов, итальянцев и турков. В португальском языке используют как nitrogenio, так и azoto. 

Азот в таблице Менделеева

С 1989 года нитроген (N) относится к 15-й группе II периода таблицы химических элементов – пниктогенам или пниктидам. Неметалл. До этого существовала упрощенная форма периодической таблицы, опубликованная Д. И. Менделеевым в 1871 году, согласно которой нитроген возглавлял элементы группы VA. Состав группы:

• азот (N);
• фосфор (P);
• мышьяк (As);
• сурьма (Sb);
• висмут (Bi);
• московий (Mc, искусственно полученный).

Из-за существенных отличий химических свойств эти элементы условно распределили в подгруппы азота и мышьяка. Атомный номер нитрогена в системе – 7. 

Строение атома азота

Азот, насыщающий атмосферу, складывается из пары изотопов – 14N и 15N. Ядерный заряд атома +7. Семь электронов распределены по двум энергетическим уровням, пять из которых – внешние, что соответствует номеру группы таблицы (V) и указывает на высшую степень валентности (5). 

Невозбужденный атом нитрогена может содержать на внешнем уровне 3 электрона, поэтому для элемента характерны две валентности – III и V. Относительная атомная масса нитрогена равна 14.

Формула азота, отображающая строение его атома, выглядит так:

или

Помимо природных изотопов имеются также лабораторно выведенные радиоактивные изотопы 10N-13N и 16N-25N. Их существование короткое. “Долгожителем” считается 13N, период полураспада которого длится 10 минут. 

Физические свойства

Двухатомная молекула нитрогена отличается повышенной устойчивостью (942,9 кДж/моль – энергия диссоциации). Это объясняется тройной ковалентной связью между атомами (NN). Прочная связь не позволяет молекуле распадаться на атомы даже при 3000°С (процент распада составляет 0,1). 

Диаметр молекулы определялся разными способами и колеблется от 3,15 до 3,53 А. Известно три состояния азота:

• газ;
• жидкость;
• кристаллическая масса.

Температура азота составляет:

• -196°С (кипение);
• -210°С (плавление).

Газообразный азот 

В природных условиях азот является газом. Его молекулы слабо взаимодействуют из-за отсутствия полярности. Плотность – 1,2506 кг/м³. Безвкусный, не наделен запахом, немногим легче воздуха и почти не растворяется в воде. К тому же количество растворимого нитрогена снижается с повышением температуры:

• при 0°С – 2,3 мл/100 г;
• при 20°С – 1,5 мл/100 г;
• при 25°С – 1,42 мл/100г;
• при 40°С – 1,1 мл/100 г;
• при 80°С – 0,5 мл/100 г.

Некоторые углеводороды растворяют нитроген лучше, чем вода.

При воздействии электрических зарядов искусственного (высокочастотный разряд) или природного (молния) происхождения рождается активный азот с повышенным энергетическим запасом.

Жидкий азот

Сжижается нитроген с большими усилиями, так как критическое давление его высоко (3,39 Мн/м² или 34,6 кгс/см²), чего не скажешь о низкой критической температуре (-147,1°С). 

Закипает жидкий азот при -195,8°С, плотность вещества составляет 808 кг/м³. Визуально он напоминает воду, будучи бесцветной текучей жидкостью. Контактируя с воздухом, жидкая модификация поглощает кислород.

Твердый азот

Твердым элемент становится при -209,86°С, образуя белоснежные пористые кристаллы крупных размеров или похожую на снег массу. Подобно жидкому, он вбирает кислород из воздуха, но при этом запускает процесс плавления, растворяя в себе этот кислород. 

Твердая форма элемента имеет три модификации кристаллической решетки, в зависимости от влияния разных температур:

• гексагональная фаза ẞ-N₂, температурные пределы 36,61-63,29 К (Кельвин);
• устойчивая кубическая фаза a-N₂, t ＜ 36,61 К;
• гексагональная фаза ɣ-N₂, t ＜ 83К, давление ≧ 3500 атм (атмосфер).

Твердый азот получают с помощью испарения жидкого азота, сжижающего водород, позволяя последнему себя заморозить. Впервые лабораторное получение осуществили в 1884 году.

Твердый азот – один из компонентов поверхности Плутона и многих внешних спутников Солнечной системы.

Химические свойства

Молекулярный азот относят к химически неактивным веществам из-за крепкой связи атомов. Он абсолютно пассивен в щелочной, кислотной и водной среде и способен взаимодействовать только с мощными восстановителями. 

Реакции с остальными элементами происходят только при нагревании или с участием катализаторов. Но азотистые соединения неустойчивы термически – с повышением температуры связи распадаются, образуя свободный газ.

Металлы

В нормальных условиях молекулярный азот вступает в реакцию только с активными металлами, лучше всего с литием, в результате чего образуется нитрид лития 2Li₃N. 

Реакция с магнием и кальцием происходит при нагревании. Например, чтобы получить нитрид магния Mg₃N₂, требуется температура 300°С. 

Неметаллы

Практически значимым соединением нитрогена с неметаллами является нитрид водорода NH₃ или аммиак. Для его получения требуется температура 400°С, давление 200 атм, а также металлическое железо (катализатор). Помимо аммиака существует ряд других водородных соединений, львиная доля которых выделены, как органические производные. Например:

• диимид HN-NH;
• гидразин H₂N-NH₂;
• октазон N₈H₁₄;
• кислота азотистоводородная HN₃.

При повышении температурных показателей нитроген также реагирует с бором, образуя нитрид 2BN. 

Для взаимодействия с кислородом требуются экстремально высокие температуры. В природных условиях окислы азота NO возникают под влиянием атмосферных электрических разрядов. Во время охлаждения окись NO переходит в двуокись NO₂. Искусственно окиси получают путем воздействия на азото-кислородное соединение ионизирующего излучения. 

Образование азотистой и азотной кислот (HNO₂ и HNO₃) происходит путем растворения соответствующих ангидридов (N₂O₃ и N₂O₅). Эти кислоты выступают структурными компонентами нитратов и нитритов (соли).

Галогены

Галогениды азота выделяют непрямым способом, так как элемент с галогенами ведет себя инертно. Трехфтористый азот NF₃ получают при соединении аммиака и фтора, а тетранитрид тетрасеры S₄N₄ (азотистая сера) – путем слияния аммиака и жидкой серы. Циан (CN)₂ выделяется во время контакта разогретого кокса с нитрогеном. Нагревая смесь нитрогена с ацетиленом C₂H₂ до 1500°С получают синильную кислоту HCN.

Большая часть галогенидов – неустойчивые соединения. Крепче галогенидов считаются оксогалогениды. Например, бромид нитрозила NOBr – бурый газ, полученный посредством бромирования моноокиси азота. Или фторид нитрозила (NO)F, образованный реакцией фтора и оксида нитрогена при низких температурах. 

Устойчивыми оксогалогенидами также считаются фторид нитрила NO₂F, хлорид нитрозила NOCl, хлорид нитрила NO₂Cl.

Атомарный азот

Атомарный или активный азот – это совокупность атомов и молекул нитрогена, образовавшаяся под влиянием атмосферного электрического разряда (молния). В лаборатории на сильно разреженный газообразный азот воздействуют разрядом высокой частоты. 

Атомарная форма устойчивее молекулярной модификации и способна без создания особых условий соединяться с металлами, включая ртуть, а также мышьяком, серой, фосфором, кислородом и водородом.

Азот в природе

Нитроген входит в список самых часто встречающихся химических элементов земного шара и занимает четвертую ячейку в химическом составе Солнечной системы. Львиная доля всего земного объема заполняет атмосферу – 78,084%. Распространенность азота на Земле приведена в таблице.

Нитроген обогащает межзвездные пространства, туманности, атмосферы планет-газовых гигантов Нептуна и Урана, а также Солнца. Атмосферы Плутона и спутников планет-гигантов Тритона и Титана почти на 100% состоят из нитрогена.

Роль азота в биосфере Земли

Когда новому веществу давали имя, он считался вредным, ядовитым, безжизненным, о чем и говорит его название. Позже выяснилось, что нитроген – незаменимая составляющая жизни на Земле. 

В связанном виде он выступает структурным компонентом живых организмов, дисперсного слоя океанов и морей, а также мертвой органики, при гниении которой образовываются азотсодержащие полезные ископаемые.

Элемент является компонентом:

• белков (до 20% массы);
• хлорофилла;
• гемоглобина;
• нуклеиновых кислот;
• аминокислот;
• нуклеопротеидов.

Природными азотистыми соединениями выступают нитраты (селитры), нитриды, образованные на первых стадиях формирования Земли, когда показатели температуры и давления доходили до критического уровня, а также хлористый аммоний. 

Большая часть селитры сконцентрирована в пустынных регионах с сухим жарким климатом – Египте, Индии, Чили, Испании. Холодные земли Норвегии также содержат нитрат натрия, но в гораздо меньших объемах. До 1,5% нитрогена содержится в нефти, около 1,2-5% – в каменном угле.

Природный круговорот азота

У азота есть собственный природный биогеохимический цикл, осуществляемый в два этапа – абиогенном и биогенном. Первый этап заключается в реакции нитрогена, как основного компонента атмосферы, с кислородом. Такой симбиоз происходит при больших температурах, образовывая оксиды нитрогена. 

В атмосферных условиях такое возможно при появлении молний. Предполагается также, что абиогенная фиксация может происходить на поверхности пустынных песков, как результат фотокаталитической реакции. Помимо этого, азот насыщает атмосферу во время извержения вулканов.

Биогенное направление фиксирует львиную долю молекулярного азота. Значимая роль в круговороте отведена живущим в земле организмам, осуществляющим азотистый обмен почвы. От этого обмена зависит состояние микрофлоры самой почвы, ее химической структуры, а следовательно, состояние других организмов, растений, атмосферы.

В почве содержится не только газообразный нитроген. Другие формы почвенного азота – ионы аммония, нитратов и нитритов. Состояние почвы напрямую зависит от уровня скопления этих ионов. 

Деятельность почвенных бактерий и цианобактерий направлена на снижение концентрации ядовитых азотистых веществ и преобразование токсичного аммиака в нетоксичные нитраты или атмосферный газ. Азотистый обмен почвы состоит из разных этапов с участием большого количества микроорганизмов.

Азотфиксация

Суть процесса азотфиксации заключается в восстановлении молекулы азота и ее включении в состав биомассы. В биологическом круговороте азотфиксация является важнейшим источником нитрогена. 

Азот не способен окисляться и восстанавливаться без катализаторов. Это делает невозможным использование элемента животными и растениями. Энергоемким процессом восстановления занимаются анаэробные организмы. Ферменты, необходимые для процесса (нитрогеназа, гидрогеназа, ферредоксин), синтезируют прокариоты. 

Различают азотфиксацию разных типов:

1. Азотфиксация свободноживущими бактериями, относящимися к разным таксономическим группам.
2. Ассоциативная азотфиксация. Процесс осуществляют тесно связанные с растениями бактерии, использующие выделения этих растений в качестве органического вещества. Также участвуют бактерии, населяющие кишечник животных и человека.
3. Симбиотическая азотфиксация. Заключается в симбиозе клубеньковых бактерий с корневой системой растений (чаще бобовых). Иногда клубеньки образуются не в корнях, а на листьях или стеблях.

Человек также принимает участие в стимулировании процесса азотфиксации посредством насыщения почв бактериальными и азотными удобрениями. Последние стимулируют процесс при минимальном употреблении – повышенные дозы азотных удобрений, наоборот, замедляют процесс.

Нитрификация

За этапом азотфиксации следует нитрификация. Суть процесса – формирование нитратов и нитритов путем окисления имеющегося азотистых аммиачного и аммонийного азота. 

За нитрификацию отвечают нитрифицирующие бактерии, чаще Nitrosomonas и Nitrobacter. Первые окисляют аммиак до нитрита, вторые из полученного субстрата окисляют нитрит до нитрата. Существование этих бактерий взаимовыгодно, так как для Nitrobacter аммиак токсичен, а Nitrosomonas своей деятельностью нейтрализует это действие, улучшая условия жизнедеятельности Nitrobacter.

Все нитрификаторы относятся к грамотрицательным бактериям, живущим за счет хемосинтеза. Это значит, что их рацион составляют неорганические вещества, а жизненную силу они черпают от окисления минеральных азотистых соединений. 

Благодаря нитрификаторам нитратами насыщаются растения, которые, в свою очередь, передают с пищей азотсодержащие соединения (например, белки растительного происхождения) животным.

Аммонификация

В ходе жизнедеятельности человека, животных, птиц природе возвращаются мочевина и мочевая кислота. Образованный после расщепления этих веществ в почве аммиак, растворенный водой, выделяет ионы аммония. Процесс разложения сложных азотистых соединений называется аммонификацией. Аммонификация автоматически запускает новый процесс нитрификации.

Денитрификация

Завершающим процессом выступает денитрификация, осуществляемая группой денитрифицирующих бактерий. “Работа” этих бактерий заключается в образовании газообразной закиси азота и свободного азота путем восстановления нитрата через нитрит. Свободный газ снова попадает в атмосферу.

Природный круговорот нитрогена непрерывно сопровождается процессом ассимиляции, когда неорганический нитрат переходит в органический нитроген, например в аминокислоту. 

При этом нитрат преобразуется в нитрит с участием ферментов, затем нитрит формирует аммиак – структурный элемент аминокислоты. Без деятельности почвенных микроорганизмов эта цепочка процессов была бы невозможна.

Применение

В своей деятельности человечество нашло применению двум модификациям элемента – газообразному и жидкому. Получают вещество лабораторно, путем разделения и разгонки сжиженного воздуха.

Газообразный азот

В промышленности ценятся инертность, способность предотвращать гниение и окисление, взрыво- и пожаробезопасность азота. Ряд отраслей применяют этот газ в различных целях:

1. Нефтедобывающая отрасль. Закачиванием газа в нефтяные пласты обеспечивают безопасное бурение, ремонт скважин – азот поддерживает давление и повышает нефтеотдачу. С его помощью проверяют и продувают резервуары и трубопроводы.
2. Горнодобывающая промышленность. Нитрогеном распирают пласты пород, создают в шахтах взрывобезопасные условия, тушат пожары эндогенной природы. 
3. Производство электроники. Газом продувают области, где неприемлемо наличие провоцирующего окисление кислорода. В процессах, привычно использующих воздух, азот становится достойной заменой, так как исключает негативные факторы – окисление и гниение.
4. Производство кокса. Газ используют для его выгрузки из батарей.
5. Химическая промышленность. Нитроген применяют для получения различных веществ – удобрений, красителей, взрывчатки. Более ¾ всего промышленного запаса уходит на выделение аммиака.
6. Пищевая промышленность. Азот является пищевой добавкой с номенклатурой Е941. Используется также при фасовке и хранении продуктов с целью обеспечения газовой среды.

Эксплуатация летательных аппаратов также предусматривает использование этого газа – им накачивают шины шасси. В последние годы появилась подобная тенденция у автомобилистов. Но пока что эффективность такой замены воздуха для накачивания автомобильных шин научно не доказана.

Жидкий азот

Жидкая модификация не менее востребована в разных сферах деятельности. Ее применяют:

1. В производстве холодильных машин как хладагент, вбирающий теплоту и передающий ее после сжатия охлаждаемому объекту. 
2. В медицине для физиотерапевтической процедуры криотерапии (лечение холодом), вызывающей ответную реакцию рецепторов кожи на переохлаждение.
3. В пищевой промышленности с целью обеспечения безопасности мягкой тары, а также избыточного давления при розливе растительных масел и газированных напитков.

Жидкий азот служит легирующей добавкой к силициуму (кремний) в производстве керамики. Получаемый нитрид кремния является высокопрочным вязким веществом.

Демонстрируемая в кинолентах мгновенная заморозка крупных предметов жидким азотом в реальных условиях неосуществима. Низкая теплоемкость азота не позволяет быстро заморозить даже цветок – для этого потребуется продолжительный отрезок времени. Эта особенность делает проблематичным замораживание и размораживание живых существ с последующим сохранением жизненно важных функций.

Азот является незаменимым компонентом для жизни. Будучи распространенным элементом не только на Земле, но и за ее пределами, он дает надежду на существование жизни на далеких планетах – Уране и Нептуне. Ведь в их атмосферах содержание азота больше, чем на Земле. 

В обычной среде инертный азот не вредит человеку и другим обитателям Земли. Но этот элемент отнесен к высокоопасным веществам, так как значительное количество его соединений токсичны и ядовиты. 

При повышенном давлении вдыхаемого газа происходит обратимое торможение ЦНС (наркоз), опьянение, а при малой концентрации кислорода – удушье. При пониженном давлении вдыхаемой смеси, содержащийся в ней азот приводит к ДКБ (декомпрессионная или кессонная болезнь), что приводит к образованию пузырьков газа в крови и последующему блокированию кровотока.

А какие интересные факты об азоте Вам известны? Приходилось ли Вам участвовать в химических экспериментах с участием азота? Поделитесь в комментариях своим опытом и наблюдениями. Сохраните статью в закладках, сделайте ее репост в социальных сетях.

Также рекомендуем посмотреть подобранные видео по нашей теме.

Свойства азота и его применении в жизни.

Подборка экспериментов с жидким азотом.

Источники:

• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B7%D0%BE%D1%82;
• http://www.mining-enc.ru/a/azot/;
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Круговорот_азота;
• https://obrazovaka.ru/himiya/svoystva-azota-himicheskie-fizicheskie.html;
• https://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/g3_6_2.html#;
• http://www.virtulab.net/index.php?option=com_content&view=article&catid=71:2010-02-27-10-21-05&id=492:2010-02-27-10-31-21&Itemid=129;
• https://www.niikm.ru/articles/element_articles/nitrogenium/;
• https://obrazovaka.ru/himiya/stroenie-atoma-azota.html#;
• https://ru.qaz.wiki/wiki/Solid_nitrogen.