Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович
§ 38. Нітроген. Азот
Пригадайте: донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку (за § 7).
Нітроген
Нітроген — елемент 2 періоду, VA групи. Із п’яти електронів, що перебувають на зовнішньому енергетичному рівні атомів Нітрогену, два розташовані на s-орбіталі, утворюючи електронну пару, а три р-електрони є неспареними:
Неспарені електрони можуть утворити три ковалентні зв’язки, реалізуючи валентність ІІІ. У такому стані, залежно від електронегативності елемента, з яким Нітроген утворює сполуку, він може реалізувати ступінь окиснення +3 або -3:
N0 1s22s22р3 + 3е- → N-3 1s22s22р6
N0 1s22s22р3 - 3е- → N+31s22s2
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. 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 й запаху, рідкий та твердий азот також безбарвні;
• tкип. = -196 °С, tпл. = -210 °С;
• густина 1,251 г/л (за н. у.);
• густина рідкого азоту 0,81 г/мл;
• розчинність у воді: 23 мл в 1 л води за 0 °С та 15 мл за 20 °С.
Рідкий азот, які і більшість інших сильно охолоджених газів, зберігають у посудинах Дьюара.
Хімічні властивості азоту
Молекула азоту дуже міцна. Завдяки трьом неспареним електронам на зовнішньому енергетичному рівні атоми Нітрогену в ній сполучені потрійним зв’язком:
Енергія такого зв’язку найбільша серед відомих зв’язків і дорівнює 945 кДж/моль, що майже втричі більше, ніж у зв’язку С-С в алканах. Саме тому молекули азоту розпадаються на атоми лише за дуже високої температури (за 5000 °С розпадається лише декілька відсотків молекул) 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.
Цікавий факт
Предмет, занурений у рідкий азот, охолоджується до -196 °С. За такої температури механічні властивості багатьох речовин кардинально змінюються. Свинцевий дзвіночок, занурений у посудину з рідким азотом, починає дзенькати, як бронзовий. Гумові вироби стають крихкими й легко ламаються, а заморожена в рідкому азоті троянда розбивається, наче зроблена з тонкого скла.
• Взаємодія з киснем. Реакція азоту з киснем починається лише під дією електричного розряду або за температури вищої за 2000 °С (мал. 38.1):
Ν2 + О2 = 2ΝΟ
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. 38.1. Взаємодія азоту з киснем: у лабораторії (а) та в природі (б)
• Взаємодія з воднем. Взаємодія азоту з воднем відбувається за високого тиску і наявності каталізатора (заліза):
Саме цю реакцію, у результаті якої утворюється амоніак ΝΗ3, використовують сьогодні для зв’язування атмосферного азоту.
• Взаємодія з металами. Азот взаємодіє лише з активними металами з утворенням нітридів металічних елементів:
Ця реакція також відбувається за підвищеної температури. За звичайних умов з усіх металів з азотом взаємодіє лише літій з утворенням літій нітриду:
N2 + 6Li = 2Li3N
Добування азоту
• У промисловості азот добувають одночасно з киснем зі зрідженого повітря. Під час поступового нагрівання рідкого повітря азот випаровується з нього першим.
• У лабораторії азот можна добути декількома способами. Найчастіше використовують термічне розкладання амоній нітриту, у результаті чого утворюються вода й азот:
Рідше застосовують розкладання амоній дихромату й окиснення амоніаку:
Однак усіма цими способами можна добути лише вологий азот, тобто з домішками водяної пари. У деяких випадках домішки води є небажаними, тоді азот добувають розкладанням гідразину N2H4:
3Ν2Η4 = Ν2↑ + 4ΝΗ3↑
Сухий азот можна добути також розкладанням азидів — солей азидної кислоти ΗΝ3. Ці сполуки є вкрай нестабільними — вони дуже легко розкладаються від удару або за невеликого нагрівання із виділенням великої кількості азоту:
2PbN3 = 2Pb + 3N2↑
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 і камери шин літаків, а останнім часом також почали заповнювати камери шин автівок.
• У харчовій промисловості азот зареєстрований як добавка Е941. Його використовують для наповнення герметичних пакетів з їжею в м’якій тарі, зокрема пакетів із чипсами, молоком тощо. Це запобігає пошкодженню крихкої їжі та окисненню жирів у її складі киснем.
• Рідкий азот використовують переважно як холодоагент та в кріотехнологіях для швидкого заморожування їжі, зберігання крові та інших біологічних матеріалів. На заводах рідкий азот використовують для швидкого охолодження металевих виробів.
• Рідкий азот застосовують у сучасних системах пожежогасіння. Він ефективніший за воду щодо збереження цінностей і механізмів, оскільки, випаровуючись, витісняє кисень із місця займання, а потім, на відміну від води, просто вивітрюється.
Хімія навколо нас
Ми зазвичай не помічаємо наявності азоту в повітрі. Наші органи чуття його не відчувають, він не потрібний нам для дихання. Але трапляються випадки, коли азот може бути смертельно небезпечним, насамперед для водолазів і тих, хто працює в кесонах. Але в групі ризику також любителі підводних мандрівок (дайвери), пілоти літаків та космонавти, які працюють у відкритому космосі.
Назва цієї загрози — кесонна хвороба — походить від назви камер, які використовували для підводних робіт — кесонів (від фр. caisson — ящик). Таку камеру розміщали на дні водойми, нагнітали всередину повітря під тиском, щоб не потрапляла вода, і всередині працювали люди: викопували ями в дні, будували опори для мостів тощо.
Схема кесону
Як ви пам'ятаєте, із підвищенням тиску розчинність газів збільшується. Якщо людина дихає повітрям за підвищеного тиску, то в крові збільшується розчинність азоту (іншими газами повітря можна знехтувати через їх невеликий уміст). Чим глибше занурення, тим більшим є тиск повітря і тим більше азоту розчиняється в крові. Якщо людину швидко підняти на поверхню, то розчинність азоту різко зменшується. Надлишок розчиненого азоту виділяється у вигляді бульбашок і кров ніби закипає, що може пошкодити стінки клітин та кровоносних судин. За незначної тривалості й глибини занурення швидкий підйом спричиняє оніміння кінцівок, головний біль та біль у суглобах, а за тривалих регулярних занурень — втрату зору, слуху, нюху тощо.
Декомпресійна камера
Для запобігання кесонній хворобі підйом із глибини необхідно здійснювати дуже повільно. У разі швидкого (аварійного) підйому водолазів поміщають у спеціальну декомпресійну камеру, в якій повільно зменшують тиск повітря до атмосферного, й азот поступово виходить із крові в легенях: після 30 хвилин роботи на глибині 100 м слід перебувати в декомпресійній камері до 8 годин.
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 верхнього шару земної кори (18-те місце серед усіх елементів і 9-те серед неметалічних). Проте за поширеністю у Всесвіті Нітроген посідає 4-те місце після Гідрогену, Гелію й 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 Україні поклади калій нітрату є на Кримському півострові.
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 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
Не зважаючи на місце в Періодичній системі та наявності п'яти електронів на зовнішньому енергетичному рівні, Нітроген не виявляє валентність V, а його максимальна валентність IV. Також його максимальна валентність не співпадає з максимальним ступенем окиснення. До того ж, зважаючи на місце в Періодичній системі, Нітроген має бути хімічно активним елементом, тоді як азот іноді використовують для створення інертної атмосфери.
Хімія навколо нас
Азиди
Крім добре відомих нітратної та нітритної кислот, для Нітрогену також відома азидоводнева кислота ΗΝ3. Вона дуже нестійка, але її солі — азиди — значно стійкіші (особливо солі лужних елементів). Усі азиди вкрай вибухонебезпечні, вони миттєво розкладаються від незначного впливу: від удару, за нагрівання або під дією електричної іскри. Саме на цій властивості ґрунтується використання азидів.
Збройні патрони та інші снаряди стріляють завдяки згорянню пороху. Для ініціації пострілу в днище гільзи патрона вмонтований капсуль із м'якого металу, заповнений чутливою до удару речовиною, зокрема плюмбум(ІІ) азидом Pb(N3)2. Коли курок ударяє по капсулю, азид вибухає і підпалює порох.
Існує й мирне застосування азидів. Окрім чутливості, для азидів характерна дуже висока швидкість розкладання з утворенням великої кількості газу, що використовують для виготовлення подушок безпеки в автомобілях.
Під час розкладання 1 г натрій азиду утворюється близько півлітра азоту:
2NaN3 = 2Na + 3N2↑
Реакція відбувається настільки швидко, що подушка об'ємом 110 л наповнюється за соті частки секунди. Це рятує людські життя в разі автомобільної аварії. Азиди дуже отруйні, і їх потрапляння в навколишнє середовище є небезпечним. Тому перед викиданням автівки на звалище з неї обов'язково демонтують подушки безпеки з умістом азиду.
Запитання та завдання
216. Порівняйте фізичні й хімічні властивості азоту та кисню.
217. Які валентні стани та можливі ступені окиснення Нітрогену?
218. Схарактеризуйте застосування азоту.
219. Яке біологічне значення Нітрогену?
220. До того як було розроблено технологію скраплення газів, азот одержували так: послідовно пропускали повітря 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?
221. Як ви вважаєте, чому нашатир трапляється лише в пустелях Єгипту?
222. Поясніть, чому не може існувати молекула NCl5.
223. Спираючись на знання про хімічний зв'язок у молекулі азоту, поясніть, чому азот не підтримує горіння та не використовується в процесі дихання.
224. Природний Нітроген складається з двох нуклідів: 14N і 15N. Скільки різних за масою молекул N2 існує в природі?
225. Для реакцій, наведених у параграфі, що характеризують лабораторні методи добування азоту, складіть електронний баланс. Укажіть окисник і відновник.
226. Який об'єм газу (н. у.) можна одержати випарюванням рідкого азоту об'ємом 200 мл? У скільки разів збільшиться при цьому об'єм азоту?
