Карл Шееле, шведски химик, и Даниел Ръдърфорд, шотландски ботаник, откриват азота поотделно през 1772 г. Преподобният Кавендиш и Лавоазие също получават независимо един от друг азот приблизително по същото време. Азотът е признат за първи път като елемент от Лавоазие, който го нарича "азо", което означава "нежив". Chaptal наименува елемента азот през 1790 г. Името произлиза от гръцката дума "nitre" (нитрат, съдържащ азот в нитрат)
Източници на азот
Азотът е 30-ият най-разпространен елемент на Земята. Като се има предвид, че азотът съставлява 4/5 от атмосферния обем, или повече от 78%, разполагаме с почти неограничени количества азот. Азотът също съществува под формата на нитрати в различни минерали, като чилийска селитра (натриев нитрат), селитра или селитра (калиев нитрат) и минерали, съдържащи амониеви соли. Азотът присъства в много сложни органични молекули, включително протеини и аминокиселини, присъстващи във всички живи организми
Физични свойства
Азотът N2 е газ без цвят, вкус и мирис при стайна температура и обикновено не е токсичен. Плътността на газа при стандартни условия е 1,25g/L. Азотът представлява 78,12% от общата атмосфера (обемна част) и е основният компонент на въздуха. В атмосферата има около 400 трилиона тона газ.
При стандартно атмосферно налягане, когато се охлади до -195,8 ℃, той става безцветна течност. Когато се охлади до -209,86 ℃, течният азот се превръща в твърдо вещество, подобно на сняг.
Азотът не е запалим и се счита за задушаващ газ (т.е. дишането на чист азот лишава човешкото тяло от кислород). Азотът има много ниска разтворимост във вода. При 283 K един обем вода може да разтвори около 0,02 обема N2.
Химични свойства
Азотът има много стабилни химични свойства. Трудно е да реагира с други вещества при стайна температура, но може да претърпи химически промени с определени вещества при висока температура и високи енергийни условия и може да се използва за производството на нови вещества, полезни за хората.
Молекулната орбитална формула на азотните молекули е KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Три двойки електрони допринасят за свързването, тоест образуват се две π връзки и една σ връзка. Няма принос към свързването и енергиите на свързване и анти-свързване са приблизително изместени и са еквивалентни на несподелени електронни двойки. Тъй като в молекулата N2 има тройна връзка N≡N, молекулата N2 има голяма стабилност и отнема 941,69 kJ/mol енергия, за да се разложи на атоми. Молекулата N2 е най-стабилната от известните двуатомни молекули, а относителната молекулна маса на азота е 28. Освен това азотът не се изгаря лесно и не поддържа горене.
Метод на изпитване
Поставете горящото магнезиево блокче в бутилката за събиране на газ, пълна с азот, и магнезиевото блокче ще продължи да гори. Извлечете останалата пепел (леко жълт прах Mg3N2), добавете малко количество вода и отделете газ (амоняк), който оцветява мократа червена лакмусова хартия в синьо. Уравнение на реакцията: 3Mg + N2 = запалване = Mg3N2 (магнезиев нитрид); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
Характеристики на свързване и структура на валентната връзка на азота
Тъй като единственото вещество N2 е изключително стабилно при нормални условия, хората често погрешно смятат, че азотът е химически неактивен елемент. Всъщност, напротив, елементарният азот има висока химическа активност. Електроотрицателността на N (3.04) е на второ място след F и O, което показва, че може да образува силни връзки с други елементи. В допълнение, стабилността на отделната молекула на веществото N2 просто показва активността на N атома. Проблемът е, че хората все още не са намерили оптималните условия за активиране на молекулите N2 при стайна температура и налягане. Но в природата някои бактерии върху растителни нодули могат да преобразуват N2 във въздуха в азотни съединения при нискоенергийни условия при нормална температура и налягане и да ги използват като тор за растежа на културите.
Следователно изследването на азотната фиксация винаги е било важна тема за научни изследвания. Следователно е необходимо да разберем в детайли характеристиките на свързване и структурата на валентната връзка на азота.
Тип облигация
Структурата на валентния електронен слой на атома N е 2s2p3, тоест има 3 единични електрона и двойка несподелени електронни двойки. Въз основа на това при образуването на съединения могат да се генерират следните три типа връзки:
1. Образуване на йонни връзки 2. Образуване на ковалентни връзки 3. Образуване на координационни връзки
1. Образуване на йонни връзки
N атомите имат висока електроотрицателност (3,04). Когато образуват бинарни нитриди с метали с по-ниска електроотрицателност, като Li (електроотрицателност 0,98), Ca (електроотрицателност 1,00) и Mg (електроотрицателност 1,31), те могат да получат 3 електрона и да образуват N3- йони. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =запалване= Mg3N2 N3- йони имат по-висок отрицателен заряд и по-голям радиус (171pm). Те ще бъдат силно хидролизирани, когато срещнат водни молекули. Следователно йонните съединения могат да съществуват само в сухо състояние и няма да има хидратирани йони на N3-.
2. Образуване на ковалентни връзки
Когато N атомите образуват съединения с неметали с по-висока електроотрицателност, се образуват следните ковалентни връзки:
⑴N атомите приемат състояние на sp3 хибридизация, образуват три ковалентни връзки, запазват двойка несподелени електронни двойки и молекулната конфигурация е тригонална пирамидална, като NH3, NF3, NCl3 и т.н. Ако се образуват четири ковалентни единични връзки, молекулната конфигурация е правилен тетраедър, като NH4+ йони.
⑵N атомите приемат състояние на sp2 хибридизация, образуват две ковалентни връзки и една връзка и запазват двойка несподелени електронни двойки, а молекулната конфигурация е ъглова, като Cl—N=O. (N атом образува σ връзка и π връзка с Cl атом и двойка несподелени електронни двойки на N атом прави молекулата триъгълна.) Ако няма несподелена електронна двойка, молекулната конфигурация е триъгълна, като например HNO3 молекула или NO3- йон. В молекулата на азотната киселина N атомът образува три σ връзки съответно с три O атома, а двойка електрони на неговата π орбитала и единичните π електрони на два O атома образуват трицентрова четириелектронна делокализирана π връзка. В нитратния йон се образува четирицентрова шестелектронна делокализирана голяма π връзка между три O атома и централния N атом. Тази структура прави привидното окислително число на N атома в азотната киселина +5. Поради наличието на големи π връзки, нитратът е достатъчно стабилен при нормални условия. ⑶N атом приема sp хибридизация, за да образува ковалентна тройна връзка и запазва двойка несподелени електронни двойки. Молекулната конфигурация е линейна, като структурата на N атом в N2 молекула и CN-.
3. Образуване на координационни връзки
Когато азотните атоми образуват прости вещества или съединения, те често запазват несподелени електронни двойки, така че такива прости вещества или съединения могат да действат като донори на електронни двойки, за да се координират с метални йони. Например [Cu(NH3)4]2+ или [Tu(NH2)5]7 и др.
Диаграма на степен на окисление - свободна енергия на Гибс
Може също да се види от диаграмата на окислителното състояние - свободната енергия на Гибс на азота, че с изключение на NH4 йони, молекулата на N2 с окислително число 0 е в най-ниската точка на кривата в диаграмата, което показва, че N2 е термодинамично стабилни по отношение на азотни съединения с други окислителни числа.
Стойностите на различни азотни съединения с окислителни числа между 0 и +5 са над линията, свързваща двете точки HNO3 и N2 (пунктираната линия на диаграмата), така че тези съединения са термодинамично нестабилни и склонни към реакции на диспропорциониране. Единственият в диаграмата с по-ниска стойност от молекулата на N2 е йонът NH4+. [1] От диаграмата на степен на окисление - свободна енергия на Гибс на азота и структурата на молекулата на N2 може да се види, че елементарният N2 е неактивен. Само при висока температура, високо налягане и наличието на катализатор азотът може да реагира с водород, за да образува амоняк: При условия на разреждане азотът може да се комбинира с кислород, за да образува азотен оксид: N2+O2=изпускане=2NO Азотният оксид бързо се свързва с кислорода до образува азотен диоксид 2NO+O2=2NO2 Азотният диоксид се разтваря във вода, за да образува азотна киселина, азотен оксид 3NO2+H2O=2HNO3+NO В страни с развита хидроенергия тази реакция се използва за получаване на азотна киселина. N2 реагира с водород, за да произведе амоняк: N2+3H2=== (обратим знак) 2NH3 N2 реагира с метали с нисък йонизационен потенциал и чиито нитриди имат висока енергия на решетката, за да образуват йонни нитриди. Например: N2 може да реагира директно с метален литий при стайна температура: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 реагира с алкалоземни метали Mg, Ca, Sr, Ba при температури на нажежаема жичка: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 може реагира само с бор и алуминий при температури на нажежаема жичка: 2 B + N2=== 2 BN (макромолекулно съединение) N2 обикновено реагира със силиций и други елементи от групата при температура, по-висока от 1473K.
Молекулата на азота допринася за свързването на три двойки електрони, тоест образувайки две π връзки и една σ връзка. Той не допринася за свързването и енергиите на свързване и антисвързване са приблизително изместени и са еквивалентни на несподелени електронни двойки. Тъй като в молекулата N2 има тройна връзка N≡N, молекулата N2 има голяма стабилност и са необходими 941,69kJ/mol енергия, за да се разложи на атоми. Молекулата N2 е най-стабилната от известните двуатомни молекули, а относителната молекулна маса на азота е 28. Освен това азотът не се изгаря лесно и не поддържа горене.
Време на публикуване: 23 юли 2024 г
