Азот — химический элемент¶

Азот (N, от лат. nitrogenium) — химический элемент 15-й группы периодической таблицы Менделеева, второй период, атомный номер 7. При нормальных условиях представляет собой двухатомный газ без цвета и запаха, слабо растворимый в воде. Составляет около 78 % объёма земной атмосферы и является одним из важнейших биогенных элементов, входящих в состав белков, нуклеиновых кислот и хлорофилла.

¶Свойства

Азот — бесцветный газ без запаха и вкуса. Молекула N₂ состоит из двух атомов, связанных тройной ковалентной связью с энергией 945 кДж/моль — одной из самых прочных в химии. Именно поэтому азот в обычных условиях химически инертен: для разрыва тройной связи требуется значительная энергия.

Основные физические характеристики:

Азот существует в двух основных аллотропных формах: двухатомный газ N₂ (основная форма) и трёхатомный озоноподобный озон азота N₃, неустойчивый и малоизученный. Жидкий азот широко применяется в технике глубокого охлаждения.

¶Нахождение в природе

Азот — четвёртый по распространённости элемент во Вселенной (после водорода, гелия и кислорода). В земной атмосфере его содержание составляет около 78,08 % по объёму; в растворённом виде он присутствует в океане. Свободный азот — главный компонент воздуха, но для живых организмов он недоступен в этой форме.

Связанный азот встречается в виде нитратов, аммиака, аминокислот и множества минералов. Наиболее известные азотсодержащие минералы — селитры (натриевая NaNO₃ и калиевая KNO₃), а также аммиачные слюды. Органические соединения азота — белки, нуклеиновые кислоты, алкалоиды — составляют основу живого вещества.

¶Получение

Промышленный способ получения азота — разделение воздуха. Жидкий воздух подвергают фракционной перегонке: азот (T кип. −195,8 °C) отделяется от кислорода (T кип. −183,0 °C) и инертных газов. Дополнительно азот очищают от примесей кислорода поглощением на медной проволоке или пропусканием через горячие металлы.

В лаборатории азот получают разложением аммиачных солей с нитритами:

NH₄Cl + NaNO₂ → NaCl + N₂ + 2H₂O

Также азот выделяется при прокаливании некоторых нитридов, например азотида бария.

¶Фиксация азота

Проблема перехода инертного азота в доступные соединения решается фиксацией азота. Различают несколько путей:

1. Естественная фиксация — деятельность азотфиксирующих бактерий (ризобии в клубеньках бобовых, свободно живущие азотобактеры), а также грозовые разряды, при которых азот и кислород воздуха образуют оксиды азота.
2. Промышленная фиксация — синтез аммиака из элементов по методу Габера — Боша (1913 год): N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ при 400–500 °C, давлении 15–30 МПа и железном катализаторе. Этот процесс стал основой производства азотных удобрений.
3. Электрическая фиксация — образование оксидов азота в электрических дугах (в природе — молнии, в технике — дуговые печи).

¶Соединения азота

Азот образует соединения во всех степенях окисления от −3 до +5:

• −3: аммиак NH₃, аммоний NH₄⁺, нитриды;
• +1: закись азота N₂O (веселящий газ);
• +2: оксид азота NO;
• +3: оксид азота N₂O₃, азотистая кислота HNO₂;
• +4: диоксид азота NO₂;
• +5: оксид азота N₂O₅, азотная кислота HNO₃, нитраты.

Азотная кислота и её соли (нитраты) — важнейшие промышленные продукты, применяемые в производстве удобрений, кислот, взрывчатых веществ и в металлургии. Аммиак — исходное сырьё для синтеза мочевины, аммиачной селитры и других азотных удобрений.

¶Биологическая роль

Азот — обязательный элемент всех живых организмов. Белки содержат около 16 % азота по массе, нуклеиновые кислоты — около 15 %. Растения усваивают азот в форме нитратов и аммонийных ионов, после чего он включается в аминокислоты и белки.

Круговорот азота в природе включает фиксацию азота бактериями, нитрификацию (окисление аммиака до нитритов и нитратов), усвоение растениями, аммонификацию и денитрификацию (восстановление нитратов до свободного азота анаэробными бактериями).

¶Применение

Жидкий азот (T кип. −196 °C) используется в криогенной технике, медицине (криохирургия, хранение биоматериала), пищевой промышленности (заморозка), при испытаниях материалов. Азот применяется как инертная среда для предотвращения окисления и взрывов, в производстве полупроводников, для заполнения шин и упаковки продуктов.

Азотные удобрения (аммиачная селитра, мочевина, аммофос) обеспечивают основную часть потребности сельского хозяйства в азоте. Соединения азота входят в состав взрывчатых веществ (тротил, нитроглицерин, TNT), фармацевтических препаратов и многих полимеров.

¶История открытия

Азот открыт в 1772 году шотландским учёным Дэниелом Резерфордом, который выделил его из воздуха и назвал «мфитиком» (от греч. — «безжизненный»). Одновременно или независимо газ получили Генри Кавендиш, Карл Вильгельм Шееле и Жозеф Пристли. Французский химик Антуан Лавуазье в 1775 году дал элементу название «азот» (от греч. а- — отрицание и зоос — живой), подчеркнув, что газ не поддерживает дыхания.

¶Источники

• Д. И. Менделеев, «Основы химии»
• Н. Н. Воронцов, «Элементы. Путешествие по таблице Менделеева»
• А. М. Пруденков, «Азот в природе и сельском хозяйстве»
• Химическая энциклопедия, т. 1