Азот

Общие сведения и методы получения

Азот (N) — при обычных условиях бесцветный газ, не имеющий запа­ха. Основная составляющая атмосферного воздуха (78,2 % по объему), открыт во второй половине XVIII в., по предложению Лавуазье назван азотом.

Азот —неотъемлемая часть живых организмов. Неорганических сое­динений, содержащих азот, в природе встречается мало, за исключени­ем так называемой чилийской селитры NaN0₃. Общее содержание аю-та в земной коре, атмосфере и гидросфере составляет 0,04 %.

Чистый азот в лабораторных условиях обычно получают или терми­ческим разложением его соединений, например нитрата аммония, или пропуская воздух в замкнутом пространстве над раскаленной медью. При этом медь, окисляясь, поглощает весь кислород. Наряду с азотом в газовой фазе остается около 1 % аргона.

Для технических целей азот получают сжижением и фракциониро­ванной перегонкой жидкого воздуха, которая основана на разнице тем­ператур кипения кислорода (—182,972 °С) и азота (—195,812 °С). При перегонке из жидкого воздуха преимущественно испаряется азот, а ос­тавшийся воздух становится все более насыщенным кислородом. Жид­кий азот поставляют потребителю в сосудах Дюара, газообразный — в баллонах.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 7, атомная масса 14,0067 а. е.м., атомный объем 13,70-10^_3 м³/моль. Атомный радиус азота (ковалеит-ный) 0,062 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 2s²2p³. Азот состоит из двух стабильных изотопов ¹⁴ N и ¹⁵ N, процент­ное содержание которых соответственно 99,635 и 0,365 %- Кроме того, известны четыре искусственных радиоактивных изотопа ¹² N, ^l3N, ^ieN, ¹⁷N, период полураспада которых 0,0125; 606; 7,4; 4,14 с соответственно.

При атмосферном давлении и температуре ниже —237,4 °С стабиль­на а-фаза N₂, имеющая кубическую решетку; при 21 К период решет­ки а = 0,5667 нм. При —237,4 "С происходит полиморфное превращение а=г±В с ДЯ=8,2 кДж/кг. Фаза й обладает гексагональной кристалли­ческой решеткой; при 50 К периоды решетки a = 0,4036 нм, с — 0,6630 нм.

Химические свойства

Высшая степень окисления азота +5, низшая —3. Известна степень окисления азота, равная +2, +4.

В нормальных условиях азот очень инертен, так как состоит из двух­атомных молекул N₂, между атомами которых существует тройная электронная связь; межатомное расстояние 0,10945 нм. Тройная связь обеспечивает большую устойчивость молекулы азота. Даже при нагре­ве газа до 2700—3000 °С диссоциация молекул весьма незначительна. Заметное расщепление молекулы азота на атомы происходит под воз­действием тлеющего электрического разряда. Атомарный азот химичес­ки очень активен. Так, прн комнатной температуре он взаимодействует со ртутью, а также с серой и фосфором. Молекулярный азот практи»

чески не взаимодействует ни с металлами, ни с металлоидами. Исключе­ние составляет только литий. Образование соединения L'i₃N медленно протекает в атмосфере азота уже при комнатной температуре.

Имеется несколько соединений азота с водородом. Одно из наиболее практически важных — аммиак. В настоящее время аммиак синтезиру­ют непосредственным переводом свободного азота воздуха в связанное состояние по реакции: N₂+3H₂**2NH₃. Большую роль в процессе син­теза аммиака играют катализаторы — чистое железо, оксид алюминия, оксид калия. Аммиак представляет собой бесцветный газ с очень ха­рактерным запахом, хорошо растворимый в воде. При О "С в одном объеме воды растворяется до 1200 объемов газа.

Из других соединений азота с водородом следует отметить гидра-зин N2H4 —бесцветную жидкость с температурой кипения 113,34 °С. Гидразин является хорошим восстановителем. При его горении в атмо­сфере воздуха или кислорода выделяется большое количество тепла. Гидразин и все его производные сильно ядовиты.

Азидоводород, или азидоводородная кислота, HN₃ — бесцветная жидкость с температурой кипения 36 "С. Азидоводород и его соли — азиды — взрывоопасны.

С кислородом азот образует ряд оксидов. Оксид с участием одно­валентного азота N₂0 представляет собой бесцветный газ со слабым запахом, малорастворимый в воде, не реагирующий ии с водой, ни с кислотами, ни со щелочами.

Оксид NO с участием двухвалентного азота представляет собой бес­цветный газ с температурой кипения —151,72 °С и затвердевания —163,62 "С.

Диоксид N0₂ —бурый ядовитый газ, легко сгущается в краснова­тую жидкость с температурой кипения 20,8 °С и затвердевания — 11 °С. N0₂ является очень энергичным окислителем, многие вещества могут гореть в атмосфере N0₂. Оксид, образованный трехвалентным азотом, N2O3, иначе азотистый ангидрид, представляет собой темно-сииюю жид­кость, уже при низких температурах разлагающуюся на смесь N0 и N0₂.

Оксид, образованный пятивалентным азотом, N₂0₅, называемый азотным ангидридом, в обычных условиях представляет собой белые кристаллы, постепенно разлагающиеся на N0₂ и 0₂. Это очень сильный окислитель, при взаимодействии с которым воспламеняются многие ор­ганические вещества. Раствор N2O5 в воде дает азотную кислоту HN0₃, принадлежащую к числу наиболее сильных кислот; в разбавленных растворах она полностью распадается на иоиы Н⁺ и N0^".

Соединения азота с электроположительными элементами, главным образом металлами, называются нитридами. Те нитриды, которые по составу можно рассматривать как продукты замещения водорода в ам­миаке, например Li₃N, Zn₃N₂ и др., в большинстве случаев разлагаются при воздействии воды с выделением аммиака. Переходные металлы IV— VIA подгрупп образуют с азотом тугоплавкие нитриды, очень стой­кие к термическому и другим видам воздействия, находящие широкое применение в технике.

Области применения

Азот, добываемый в промышленности, широко используется в сельском хозяйстве в виде азотсодержащих удобрений, в химической промышлен­ности для синтеза соединений с широким спектром физико-химических свойств.

Чистый азот используют также в качестве нейтральной атмосферы при обработке металлов, а также для упрочнения поверхности изделий

из стали, сплавов титана и т. д. путем диффузионного насыщения, в ре­зультате которого образуются нитридные фазы (азотирование). Соеди­нения азота широко применяются в технике в качестве различных тра-вителей иа базе азотной кислоты, а также горючих смесей на базе раз­личных азотводородных соединений. Аммиак является исходным сырьем для производства различных видов азотсодержащих удобрений, азот­ной кислоты, карбанида и других веществ.

Ряд соединений азота — нитридов тугоплавких металлов — находят применение* технике при создании твердых и упрочнении жаропрочных сплавов.

Азот широко используется в сельском хозяйстве. 5.2.