Карл Шееле, шведский химик, и Дэниел Резерфорд, шотландский ботаник, открыли азот отдельно в 1772 году. Примерно в то же время азот независимо получили преподобный Кавендиш и Лавуазье. Азот был впервые признан элементом Лавуазье, который назвал его «азо», что означает «неживой». Шапталь назвал элемент азотом в 1790 году. Название происходит от греческого слова «нитра» (нитрат, содержащий азот в нитрате).
Источники азота
Азот — 30-й по распространенности элемент на Земле. Учитывая, что на долю азота приходится 4/5 объема атмосферы, или более 78%, нам доступно практически неограниченное количество азота. Азот также существует в форме нитратов в различных минералах, таких как чилийская селитра (нитрат натрия), селитра или селитра (нитрат калия), а также минералы, содержащие соли аммония. Азот присутствует во многих сложных органических молекулах, включая белки и аминокислоты, присутствующие во всех живых организмах.
Физические свойства
Азот N2 представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха при комнатной температуре и обычно нетоксичен. Плотность газа в стандартных условиях составляет 1,25 г/л. Азот составляет 78,12% всей атмосферы (объемная доля) и является основным компонентом воздуха. В атмосфере содержится около 400 триллионов тонн газа.
При стандартном атмосферном давлении при охлаждении до -195,8℃ он становится бесцветной жидкостью. При охлаждении до -209,86℃ жидкий азот становится твердым, похожим на снег.
Азот негорюч и считается удушающим газом (т.е. вдыхание чистого азота лишает организм человека кислорода). Азот имеет очень низкую растворимость в воде. При температуре 283К один объем воды может растворить около 0,02 объема N2.
Химические свойства
Азот обладает очень стабильными химическими свойствами. Он трудно вступает в реакцию с другими веществами при комнатной температуре, но может претерпевать химические изменения с некоторыми веществами в условиях высокой температуры и высокой энергии и может быть использован для производства новых веществ, полезных для человека.
Молекулярная орбитальная формула молекул азота: КК σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. В образовании связи участвуют три пары электронов, то есть образуются две π-связи и одна σ-связь. Вклада в образование связи нет, а энергии связи и разрыхления приблизительно смещены и эквивалентны неподеленным электронным парам. Поскольку в молекуле N2 имеется тройная связь N≡N, молекула N2 обладает большой стабильностью, и для ее разложения на атомы требуется энергия 941,69 кДж/моль. Молекула N2 является наиболее стабильной из известных двухатомных молекул, а относительная молекулярная масса азота равна 28. Кроме того, азот трудно горит и не поддерживает горение.
Метод испытания
Поместите горящий слиток Mg в баллон для сбора газа, наполненный азотом, и слиток Mg продолжит гореть. Извлеките оставшуюся золу (слегка желтый порошок Mg3N2), добавьте небольшое количество воды и получите газ (аммиак), который окрашивает влажную красную лакмусовую бумажку в синий цвет. Уравнение реакции: 3Mg + N2 = воспламенение = Mg3N2 (нитрид магния); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 + 2NH3↑
Характеристики связи и структура валентной связи азота
Поскольку отдельное вещество N2 чрезвычайно стабильно при нормальных условиях, люди часто ошибочно полагают, что азот является химически неактивным элементом. Напротив, элементарный азот обладает высокой химической активностью. По электроотрицательности N (3,04) уступает только F и O, что указывает на его способность образовывать прочные связи с другими элементами. Кроме того, стабильность отдельной молекулы вещества N2 свидетельствует как раз об активности атома N. Проблема в том, что люди до сих пор не нашли оптимальные условия для активации молекул N2 при комнатной температуре и давлении. Но в природе некоторые бактерии на клубеньках растений могут превращать N2 в воздухе в соединения азота в условиях низкой энергии при нормальной температуре и давлении и использовать их в качестве удобрения для роста сельскохозяйственных культур.
Поэтому изучение фиксации азота всегда было важной темой научных исследований. Поэтому нам необходимо подробно понять характеристики связи и структуру валентной связи азота.
Тип облигации
Слой валентных электронов атома N имеет структуру 2s2p3, то есть имеется 3 одиночных электрона и пара неподеленных электронных пар. Исходя из этого, при образовании соединений могут образовываться следующие три типа связей:
1. Образуют ионные связи. 2. Образуют ковалентные связи. 3. Образуют координационные связи.
1. Образование ионных связей.
Атомы N обладают высокой электроотрицательностью (3,04). Когда они образуют бинарные нитриды с металлами с более низкой электроотрицательностью, такими как Li (электроотрицательность 0,98), Ca (электроотрицательность 1,00) и Mg (электроотрицательность 1,31), они могут получить 3 электрона и образовать ионы N3-. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =воспламениться= Mg3N2 Ионы N3- имеют более высокий отрицательный заряд и больший радиус (171 пм). Они будут сильно гидролизованы при встрече с молекулами воды. Поэтому ионные соединения могут существовать только в сухом состоянии, и гидратированных ионов N3- не будет.
2. Образование ковалентных связей.
Когда атомы N образуют соединения с неметаллами, имеющими более высокую электроотрицательность, образуются следующие ковалентные связи:
⑴Атомы N принимают состояние гибридизации sp3, образуют три ковалентные связи, сохраняют пару неподеленных электронных пар, а молекулярная конфигурация является тригонально-пирамидальной, например NH3, NF3, NCl3 и т. д. Если образуются четыре ковалентные одинарные связи, молекулярная конфигурация правильный тетраэдр, например ионы NH4+.
Атомы ⑵N принимают состояние sp2-гибридизации, образуют две ковалентные связи и одну связь и сохраняют пару неподеленных электронных пар, а молекулярная конфигурация является угловой, например Cl-N=O. (Атом N образует σ-связь и π-связь с атомом Cl, а пара неподеленных электронных пар на атоме N делает молекулу треугольной.) Если неподеленной электронной пары нет, молекулярная конфигурация является треугольной, например, молекула HNO3 или NO3- ион. В молекуле азотной кислоты атом N образует три σ-связи с тремя атомами O соответственно, а пара электронов на его π-орбитали и одиночные π-электроны двух атомов O образуют трехцентровую четырехэлектронную делокализованную π-связь. В нитрат-ионе между тремя атомами О и центральным атомом N образуется четырехцентровая шестиэлектронная делокализованная большая π-связь. Такая структура делает кажущуюся степень окисления атома N в азотной кислоте +5. Благодаря наличию крупных π-связей нитрат достаточно стабилен в обычных условиях. ⑶Атом N подвергается sp-гибридизации с образованием тройной ковалентной связи и сохраняет пару неподеленных электронных пар. Молекулярная конфигурация линейна, как, например, структура атома N в молекуле N2 и CN-.
3. Образование координационных связей.
Когда атомы азота образуют простые вещества или соединения, они часто сохраняют неподеленные электронные пары, поэтому такие простые вещества или соединения могут выступать в качестве доноров электронных пар для координации с ионами металлов. Например, [Cu(NH3)4]2+ или [Tu(NH2)5]7 и т. д.
Диаграмма свободной энергии состояния окисления-Гиббса
Из диаграммы состояния окисления-свободной энергии Гиббса азота также видно, что, за исключением ионов NH4, молекула N2 со степенью окисления 0 находится в самой нижней точке кривой на диаграмме, что указывает на то, что N2 термодинамически стабилен по отношению к соединениям азота с другими степенями окисления.
Значения различных соединений азота со степенью окисления от 0 до +5 все находятся выше линии, соединяющей две точки HNO3 и N2 (пунктирная линия на диаграмме), поэтому эти соединения термодинамически нестабильны и склонны к реакциям диспропорционирования. Единственным на диаграмме, имеющим значение меньшее, чем у молекулы N2, является ион NH4+. [1] Из диаграммы состояния окисления-свободной энергии Гиббса азота и структуры молекулы N2 видно, что элементарный N2 неактивен. Только при высокой температуре, высоком давлении и присутствии катализатора азот может реагировать с водородом с образованием аммиака: В условиях разряда азот может соединяться с кислородом с образованием оксида азота: N2+O2=разряд=2NO Оксид азота быстро соединяется с кислородом с образованием оксида азота. образуют диоксид азота 2NO+O2=2NO2 Диоксид азота растворяется в воде с образованием азотной кислоты, оксида азота 3NO2+H2O=2HNO3+NO В странах с развитой гидроэнергетикой эту реакцию используют для получения азотной кислоты. N2 реагирует с водородом с образованием аммиака: N2+3H2=== (обратимый знак) 2NH3 N2 реагирует с металлами с низким потенциалом ионизации и нитриды которых имеют высокую энергию решетки, образуя ионные нитриды. Например: N2 может напрямую реагировать с металлическим литием при комнатной температуре: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 реагирует с щелочноземельными металлами Mg, Ca, Sr, Ba при температурах накала: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 может реагируют только с бором и алюминием при температуре накаливания: 2 B + N2=== 2 BN (высокомолекулярное соединение) N2 обычно реагирует с кремнием и элементами других групп при температуре выше 1473К.
Молекула азота вносит в связь три пары электронов, то есть образует две π-связи и одну σ-связь. Он не способствует образованию связи, а энергии связывания и разрыхления приблизительно смещены и эквивалентны неподеленным электронным парам. Поскольку в молекуле N2 имеется тройная связь N≡N, молекула N2 обладает большой стабильностью, и для ее разложения на атомы требуется энергия 941,69 кДж/моль. Молекула N2 является наиболее стабильной из известных двухатомных молекул, а относительная молекулярная масса азота равна 28. Кроме того, азот трудно горит и не поддерживает горение.
Время публикации: 23 июля 2024 г.
