Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 23. Нітроген. Азот

Пригадайте: донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку (за § 6).

Нітроген

Нітроген — елемент 2 періоду, VA групи. Неспарені електрони зовнішнього рівня атомів Нітрогену утворюють три ковалентні зв'язки, реалізуючи валентність III. У такому стані, залежно від електронегативності елемента, з яким Нітроген утворює сполуку, він може реалізувати ступінь окиснення +3 або -3:

N0 1s22s22p3 + 3е- → N-3 1s22s22p6

N0 1s22s22p3 - 3е- N+3 1s22s2

Вільних орбіталей на другому енергетичному рівні в атомів Нітрогену немає, тому розпарування електронів неможливе і Нітроген не може реалізувати валентність V. Але електронною парою на s-орбіталі атоми Нітрогену можуть утворити четвертий ковалентний зв'язок за донорно-акцепторним механізмом (див. с. 30). Утім, незважаючи на валентність, у сполуках із дуже електронегативними елементами Нітроген може втратити всі валентні електрони і реалізувати ступінь окиснення +5:

N0 1s22s22p3 - 5е- N+5 1s2

Отже, максимальна валентність Нітрогену дорівнює IV, а максимальний ступінь окиснення — +5. Нітроген можна вважати унікальним елементом: він утворює дуже багато різноманітних сполук, у яких може виявляти будь-який ступінь окиснення: від мінімального -3 до максимального +5.

Фізичні властивості азоту

• За звичайних умов безбарвний газ без смаку і запаху, рідкий та твердий азот також безбарвні;

• розчинність у воді — 23 мл в 1 л води за 0 °С та 15 мл за 20 °С;

• tкип. = -196 °С, tпл. = -210 °С;

• густина за нормальних умов 1,251 г/л;

• густина рідкого азоту 0,81 г/мл.

Рідкий азот, як і більшість інших скраплених газів, зберігають у посудинах Дьюара.

Хімічні властивості азоту

Молекула азоту дуже міцна. Завдяки трьом неспареним електронам на зовнішньому електронному рівні атоми Нітрогену в ній сполучені потрійним зв'язком:

Енергія такого зв'язку найбільша серед відомих зв'язків, саме тому молекули азоту розпадаються на атоми лише за дуже високої температури або під дією електричного розряду. Унаслідок цього азот хімічно інертний: він не горить і не підтримує горіння, важко вступає в хімічні реакції.

Для виробництва добрив, барвників, пластмас і ліків потрібні нітрогеновмісні сполуки. Але на Землі Нітроген міститься переважно у вигляді простої речовини N2 у складі повітря. Зв'язування атмосферного азоту в хімічні сполуки — вкрай важливе завдання для людства. Його можна реалізувати кількома шляхами: взаємодією азоту з киснем, воднем або металами.

1. Взаємодія з киснем. Реакція азоту з киснем починається лише під дією електричного розряду або за температури вищої за 2000 °С (мал. 23.1, а):

N2 +O2 = 2NO

Для такої реакції потрібно багато енергії, тому в промислових масштабах цей процес економічно нерентабельний. У природі ця реакція відбувається в тропосфері під час грози (мал. 23.1, б).

Мал. 23.1. Взаємодія азоту з киснем: у лабораторії (а) та в природі (б)

2. Взаємодія з воднем. Взаємодія азоту з воднем відбувається за високого тиску і наявності каталізатора (заліза):

Саме цю реакцію, у результаті якої утворюється амоніак NH3, використовують сьогодні для зв'язування атмосферного азоту.

3. Взаємодія з металами. Азот взаємодіє лише з активними металами з утворенням нітридів металічних елементів:

Ця реакція також відбувається за підвищеної температури. З усіх металів за звичайних умов з азотом взаємодіє лише літій з утворенням літій нітриду:

N2 + 6Li = 2Li3N

Застосування азоту

У хімічній промисловості азот використовують як сировину для синтезу амоніаку, на це витрачається понад три чверті всього промислового азоту.

Застосування газуватого азоту в техніці ґрунтується на його інертності: в атмосфері азоту виплавляють деякі метали, працюють із речовинами, що легко окиснюються на повітрі. Ним заповнюють електричні лампи та камери шин літаків і автівок.

У харчовій промисловості азот зареєстрований як добавка Е941. Азотом наповнюють герметичні пакети з їжею в м'якій тарі, зокрема пакети з чипсами, молоком тощо. Це запобігає пошкодженню крихкої їжі та окисненню жирів у її складі киснем.

Рідкий азот використовують переважно як холодоагент та в кріотехнологіях. Його застосовують для швидкого заморожування їжі, зберігання крові й інших біологічних матеріалів. На заводах рідкий азот потрібен для швидкого охолодження металевих виробів.

Останнім часом рідкий азот застосовують у системах пожежогасіння. Він ефективніший за воду з погляду збереження цінностей та механізмів, оскільки, випаровуючись, витісняє кисень із місця займання, а потім, на відміну від води, просто вивітрюється.

Поширеність у природі та біологічне значення Нітрогену

За поширеністю в земній корі Нітроген значно поступається своїм «сусідам» у Періодичній системі — Оксигену, Сульфуру, Фосфору і Карбону. Його вміст становить 0,04 % від маси земної кори (18-те місце серед усіх елементів і 9-те серед неметалічних). Проте у Всесвіті Нітроген за поширеністю посідає 4-те місце після Гідрогену, Гелію та Оксигену.

Нітрогеновмісні мінерали в природі трапляються дуже рідко. Значні поклади натрієвої (чилійської) селітри NaNO3 зосереджені у високогірній пустелі в Південній Америці, в Індії є родовище калійної (індійської) селітри KNO3, а нашатир NH4Cl трапляється в Єгипті. В інших місцях планети також існують родовища нітратів, але значно менші. В Україні поклади калій нітрату є на Кримському півострові. Вони виникли переважно внаслідок гниття і розкладання нітрогеновмісних органічних сполук померлих організмів за сприятливих умов навколишнього середовища (вологий та теплий клімат).

Найпоширенішою в природі сполукою Нітрогену є проста речовина азот N2. Це пояснюється надзвичайною хімічною стійкістю молекули азоту і, навпаки, високою реакційною здатністю сполук Нітрогену. Найбільше азоту в повітрі, де його вміст становить 78 % (за об'ємом). Маса атомів Нітрогену в повітрі втричі більша, ніж у земній корі.

Нітроген — елемент, необхідний для існування життя. Він є складовою білків і нуклеїнових кислот. В організмі людини в середньому міститься близько 1,8 кг атомів Нітрогену. Без нітрогеновмісних сполук неможливе вирощування рослин, тому фіксація атмосферного азоту і нітрифікація ґрунтів — одне з найважливіших завдань сільського господарства.

Ключова ідея

Особливість електронної будови атома Нітрогену, яка зумовлює властивості елемента та його сполук, робить Нітроген винятком, що тільки підтверджує правило.

Контрольні запитання

326. Порівняйте фізичні й хімічні властивості азоту і кисню.

327. Схарактеризуйте валентні стани та можливі ступені окиснення Нітрогену.

328. Схарактеризуйте галузі застосування азоту.

329. Яке біологічне значення Нітрогену?

Завдання для засвоєння матеріалу

330. До того, як було розроблено технологію скраплення газів, азот одержували так: послідовно пропускали повітря спочатку через розпечену мідну трубку (для зв'язування кисню), а потім через трубку з кальцій оксидом (для поглинання вуглекислого газу й водяної пари). Запишіть рівняння цих реакцій. Чи залишалися в одержаному азоті якісь домішки?

331. Обчисліть масові частки Нітрогену в чилійській селітрі й нашатирі.

332. Як ви вважаєте, чому чилійська селітра трапляється лише в пустелі?

333. Поясніть, чому не може існувати молекула NCl5.

334. Спираючись на знання про хімічний зв'язок у молекулі азоту, поясніть, чому азот не підтримує горіння та не використовується в процесі дихання.

Комплексні завдання

335. Який об'єм (н. у.) газу можна одержати випарюванням однієї склянки (200 мл) рідкого азоту? У скільки разів збільшиться при цьому об'єм азоту?

Завдання з розвитку критичного мислення

336. Чому, на вашу думку, в наукових дослідженнях і промисловості для сильного охолодження використовують рідкий азот, а не рідкий кисень? Адже останній також одержують у промислових масштабах, і він може охолоджувати сильніше за рідкий азот?

337. Станіслав лем у романі «Фіаско» описав екстрену систему заморожування астронавтів азотом, коли шланг встромляли в рот астронавта і подавали рідкий азот. Оскільки заморозити мозок потрібно було якнайшвидше, то струмінь вистрілював із такою силою, що ламав щелепу й лицьові кістки. Тому людину розпізнати після заморозки було неможливо.

Що ви думаєте стосовно правдивості та доцільності такого способу? У додаткових джерелах знайдіть інформацію про заморожування клітин, тканин та організмів. Чи можливо на сучасному етапі розвитку науки заморозити тіло людини так, щоб її можна було повернути до життя?