Carl Scheele, szwedzki chemik i Daniel Rutherford, szkocki botanik, odkryli azot oddzielnie w 1772 roku. Wielebny Cavendish i Lavoisier również niezależnie uzyskali azot mniej więcej w tym samym czasie. Azot został po raz pierwszy rozpoznany jako pierwiastek przez Lavoisiera, który nazwał go „azo”, co oznacza „nieożywiony”. Chaptal nazwał pierwiastek azotem w 1790 r. Nazwa pochodzi od greckiego słowa „nitr” (azotan zawierający azot w azotanie)
Producenci produkcji azotu - chińska fabryka i dostawcy produkcji azotu (xinfatools.com)
Źródła azotu
Azot jest 30. najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi. Biorąc pod uwagę, że azot stanowi 4/5 objętości atmosfery, czyli ponad 78%, mamy do dyspozycji niemal nieograniczone ilości azotu. Azot występuje również w postaci azotanów w różnych minerałach, takich jak saletra chilijska (azotan sodu), saletra lub azotan (azotan potasu) oraz minerały zawierające sole amonowe. Azot występuje w wielu złożonych cząsteczkach organicznych, w tym w białkach i aminokwasach występujących we wszystkich żywych organizmach
Właściwości fizyczne
Azot N2 jest bezbarwnym, pozbawionym smaku i zapachu gazem w temperaturze pokojowej i zwykle jest nietoksyczny. Gęstość gazu w warunkach standardowych wynosi 1,25 g/l. Azot stanowi 78,12% całej atmosfery (ułamek objętościowy) i jest głównym składnikiem powietrza. W atmosferze znajduje się około 400 bilionów ton gazu.
Pod standardowym ciśnieniem atmosferycznym, po ochłodzeniu do -195,8 ℃ staje się bezbarwną cieczą. Po ochłodzeniu do -209,86 ℃ ciekły azot staje się ciałem stałym przypominającym śnieg.
Azot jest niepalny i uważany jest za gaz duszący (tzn. wdychanie czystego azotu pozbawia organizm człowieka tlenu). Azot ma bardzo słabą rozpuszczalność w wodzie. W temperaturze 283 K jedna objętość wody może rozpuścić około 0,02 objętości N2.
Właściwości chemiczne
Azot ma bardzo stabilne właściwości chemiczne. W temperaturze pokojowej trudno wchodzi w reakcję z innymi substancjami, ale może ulegać zmianom chemicznym z niektórymi substancjami w warunkach wysokiej temperatury i wysokiej energii i może zostać wykorzystany do wytworzenia nowych substancji przydatnych dla człowieka.
Wzór orbity molekularnej cząsteczek azotu to KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Do wiązania przyczyniają się trzy pary elektronów, to znaczy powstają dwa wiązania π i jedno wiązanie σ. Nie ma żadnego wkładu w wiązanie, a energie wiązania i przeciwwiązania są w przybliżeniu przesunięte i są równoważne samotnym parom elektronów. Ponieważ w cząsteczce N2 znajduje się potrójne wiązanie N≡N, cząsteczka N2 ma dużą stabilność, a do rozłożenia jej na atomy potrzeba 941,69 kJ/mol energii. Cząsteczka N2 jest najbardziej stabilną ze znanych cząsteczek dwuatomowych, a względna masa cząsteczkowa azotu wynosi 28. Ponadto azot nie jest łatwy do spalenia i nie podtrzymuje spalania.
Metoda testowa
Włóż płonącą sztabkę Mg do butli zbiorczej wypełnionej azotem, a sztabka Mg będzie się dalej palić. Wyodrębnij pozostały popiół (lekko żółty proszek Mg3N2), dodaj niewielką ilość wody i wytwórz gaz (amoniak), który zabarwi mokry czerwony papierek lakmusowy na niebiesko. Równanie reakcji: 3Mg + N2 = zapłon = Mg3N2 (azotek magnezu); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH)2 + 2NH3↑
Charakterystyka wiązania i struktura wiązań walencyjnych azotu
Ponieważ pojedyncza substancja N2 jest wyjątkowo stabilna w normalnych warunkach, ludzie często błędnie wierzą, że azot jest pierwiastkiem nieaktywnym chemicznie. Wręcz przeciwnie, azot elementarny ma wysoką aktywność chemiczną. Elektroujemność N (3,04) ustępuje jedynie F i O, co wskazuje, że może tworzyć silne wiązania z innymi pierwiastkami. Ponadto stabilność cząsteczki pojedynczej substancji N2 pokazuje jedynie aktywność atomu N. Problem w tym, że ludzie nie znaleźli jeszcze optymalnych warunków aktywacji cząsteczek N2 w temperaturze i ciśnieniu pokojowym. Jednak w naturze niektóre bakterie na brodawkach roślinnych mogą przekształcać N2 z powietrza w związki azotu w warunkach niskoenergetycznych, w normalnej temperaturze i ciśnieniu, i wykorzystywać je jako nawóz do wzrostu roślin.
Dlatego badanie wiązania azotu zawsze było ważnym tematem badań naukowych. Dlatego konieczne jest szczegółowe zrozumienie właściwości wiązań i struktury wiązań walencyjnych azotu.
Typ obligacji
Struktura warstwy elektronów walencyjnych atomu N wynosi 2s2p3, co oznacza, że istnieją 3 pojedyncze elektrony i para wolnych par elektronów. Na tej podstawie podczas tworzenia związków można wygenerować następujące trzy typy wiązań:
1. Tworzenie wiązań jonowych 2. Tworzenie wiązań kowalencyjnych 3. Tworzenie wiązań koordynacyjnych
1. Tworzenie wiązań jonowych
Atomy N mają wysoką elektroujemność (3,04). Kiedy tworzą binarne azotki z metalami o niższej elektroujemności, takimi jak Li (elektroujemność 0,98), Ca (elektroujemność 1,00) i Mg (elektroujemność 1,31), mogą uzyskać 3 elektrony i utworzyć jony N3-. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =zapłon= Mg3N2 Jony N3- mają wyższy ładunek ujemny i większy promień (171pm). Ulegną silnej hydrolizie, gdy napotkają cząsteczki wody. Dlatego związki jonowe mogą istnieć tylko w stanie suchym i nie będzie uwodnionych jonów N3-.
2. Tworzenie wiązań kowalencyjnych
Kiedy atomy N tworzą związki z niemetalami o wyższej elektroujemności, powstają następujące wiązania kowalencyjne:
⑴Atomy N przyjmują stan hybrydyzacji sp3, tworzą trzy wiązania kowalencyjne, zachowują parę wolnych par elektronów, a konfiguracja molekularna jest piramidalna trygonalna, np. NH3, NF3, NCl3 itp. Jeśli powstają cztery kowalencyjne wiązania pojedyncze, konfiguracja molekularna jest następująca regularny czworościan, taki jak jony NH4+.
⑵Atomy N przyjmują stan hybrydyzacji sp2, tworzą dwa wiązania kowalencyjne i jedno wiązanie oraz zachowują parę wolnych par elektronów, a konfiguracja molekularna jest kątowa, np. Cl-N=O. (Atom N tworzy wiązanie σ i wiązanie π z atomem Cl, a para wolnych par elektronów na atomie N sprawia, że cząsteczka jest trójkątna.) Jeśli nie ma wolnej pary elektronów, konfiguracja molekularna jest trójkątna, np. cząsteczka HNO3 lub NO3- jon. W cząsteczce kwasu azotowego atom N tworzy trzy wiązania σ odpowiednio z trzema atomami O, a para elektronów na jej orbicie π i pojedyncze elektrony π dwóch atomów O tworzą trójśrodkowe, czteroelektronowe zdelokalizowane wiązanie π. W jonie azotanowym między trzema atomami O i centralnym atomem N tworzy się czterośrodkowe, sześcioelektronowe, zdelokalizowane duże wiązanie π. Ta struktura sprawia, że pozorny stopień utlenienia atomu N w kwasie azotowym wynosi +5. Ze względu na obecność dużych wiązań π azotan jest wystarczająco stabilny w normalnych warunkach. ⑶Atom N przyjmuje hybrydyzację sp, tworząc kowalencyjne wiązanie potrójne i zachowuje parę wolnych par elektronów. Konfiguracja molekularna jest liniowa, tak jak struktura atomu N w cząsteczce N2 i CN-.
3. Tworzenie więzi koordynacyjnych
Kiedy atomy azotu tworzą proste substancje lub związki, często zatrzymują samotne pary elektronów, więc takie proste substancje lub związki mogą działać jako donory par elektronów, koordynując je z jonami metali. Na przykład [Cu(NH3)4]2+ lub [Tu(NH2)5]7 itd.
Diagram stanu utlenienia – energii swobodnej Gibbsa
Z wykresu stanu utlenienia – energii swobodnej Gibbsa azotu można również zobaczyć, że z wyjątkiem jonów NH4, cząsteczka N2 o stopniu utlenienia 0 znajduje się w najniższym punkcie krzywej na wykresie, co wskazuje, że N2 jest termodynamicznie stabilny w stosunku do związków azotu o innych stopniach utlenienia.
Wszystkie wartości różnych związków azotu o stopniach utlenienia od 0 do +5 znajdują się powyżej linii łączącej dwa punkty HNO3 i N2 (linia przerywana na wykresie), więc związki te są niestabilne termodynamicznie i podatne na reakcje dysproporcjonowania. Jedynym na diagramie o wartości niższej niż cząsteczka N2 jest jon NH4+. [1] Ze diagramu stanu utlenienia – energii swobodnej Gibbsa azotu oraz struktury cząsteczki N2 można zauważyć, że pierwiastkowy N2 jest nieaktywny. Tylko w wysokiej temperaturze, pod wysokim ciśnieniem i w obecności katalizatora azot może reagować z wodorem, tworząc amoniak: W warunkach wyładowania azot może łączyć się z tlenem, tworząc tlenek azotu: N2+O2=wyładowanie=2NO Tlenek azotu szybko łączy się z tlenem, tworząc tworzą dwutlenek azotu 2NO+O2=2NO2 Dwutlenek azotu rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas azotowy, tlenek azotu 3NO2+H2O=2HNO3+NO W krajach o rozwiniętej elektrowni wodnej reakcja ta wykorzystywana jest do produkcji kwasu azotowego. N2 reaguje z wodorem tworząc amoniak: N2+3H2=== (znak odwracalny) 2NH3 N2 reaguje z metalami o niskim potencjale jonizacji, których azotki mają wysoką energię sieci, tworząc azotki jonowe. Na przykład: N2 może reagować bezpośrednio z metalicznym litem w temperaturze pokojowej: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 reaguje z metalami ziem alkalicznych Mg, Ca, Sr, Ba w temperaturach żaru: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 może reaguje tylko z borem i aluminium w temperaturach żaru: 2 B + N2=== 2 BN (związek makrocząsteczkowy) N2 ogólnie reaguje z krzemem i innymi pierwiastkami z grupy w temperaturze wyższej niż 1473 K.
Cząsteczka azotu dostarcza trzy pary elektronów do wiązania, to znaczy tworzy dwa wiązania π i jedno wiązanie σ. Nie przyczynia się do wiązania, a energie wiązania i przeciwwiązania są w przybliżeniu przesunięte i są równoważne samotnym parom elektronów. Ponieważ w cząsteczce N2 znajduje się potrójne wiązanie N≡N, cząsteczka N2 ma dużą stabilność, a do rozłożenia jej na atomy potrzeba 941,69 kJ/mol energii. Cząsteczka N2 jest najbardziej stabilną ze znanych cząsteczek dwuatomowych, a względna masa cząsteczkowa azotu wynosi 28. Ponadto azot nie jest łatwy do spalenia i nie podtrzymuje spalania.
Czas publikacji: 23 lipca 2024 r
