Азот

Из проекта Викизнание

Эта статья нуждается в доработке. Прямо сейчас Вы можете отредактировать её — дополнить, исправить замеченные ошибки, добавить ссылки.

(Этой пометке соответствует строчка {{Черновик}} в теле статьи. Все статьи с такой пометкой отнесены к категории Викизнание:Черновики.)

Азот
Элемент
Латинское название:Nitrogenium
ОбозначениеN
Порядковый номер7
Период/группа2/5А
Сериянеметалл
Атомная масса14,00674
Атомный радиус0,92 Å
Атомный объём17,3 см3/моль
Ковалентный радиус0,75 Å
Электронное строение1s22s22p3
Степени окисления5, 4, 3, 2, −3
Потенциалы ионизации14,53 эВ
Высший оксидN2O5
Содержание в атмосфере земли79% (об.), 76,8% (мас.)
Содержание в кменном угле0,75%
Вещество
Химическая формулаN2
Температура плавления63,29 K
Теплота плавления? Дж/моль
Температура кипения77,4 K
Теплота испарения? Дж/моль
При 0° C
Агрегатное состояниегаз
Плотность0,008987 кг/м3
Цветбесцветный
Вкус, Запахнет
Удельная теплоёмкость1.042 Дж/(K·моль)
Теплопроводность0.026 Вт/(м·K)

Азотхимический элемент; бесцветный газ, в газообразном состоянии является главной составной частью воздуха; очень мало растворим в воде.

Оглавление

Распространение

В свободном газообразном состоянии азот имеется в воздухе в количестве 78,06% по объему (или 75,50% по весу — Ледюк). Присутствие его в воздухе указано довольно определенно в 1772 г. Рутерфордом; окончательно оно установлено опытами Пристлея, Шееле, Кавендиша и Лавуазье.

Соединённый он находится в почвах: в виде азотнокислых солей, в виде остатков, некогда входивших в состав растений (и животных) белковых и др. (?) азотистых веществ (в гумусе, торфе, каменных углях и т. д.), в неизвестном состоянии (азотистые металлы?) в различных минералах (Тильден).

Азот входит в состав азотной кислоты (Нашёл Кавендиш), вместе с водородом входит в состав аммиака (установил Бертоллэ) и его солей (имеются в воздухе и почве), в гидразин, азотистоводородную кислоту, гидроксиламин, в цианистые соединения и в многочисленные, как искусственные, так и естественные органические соединения (амины, амиды, имины, имиды, глицины, нитрилы; азо-, диазо-, гидразо- и азоксисоединения; альд- и кетоксимы [см. Изонитрозосоединения]; нитро- и нитрозосоединения; алкалоиды и другие азотсодержащие гетероциклические соединения, и наконец, многочисленные белки).

Также он входит в состав казеина, крови, шерсти и прочих органических образований животного и растительного царства; особенно много его в мочевине, в кофеине и теобромине, а также в алкалоидах (хинин, морфин, стрихнин, бруцин, атропин и т. д.)

Физические, биологические свойства

При обыкновенных условиях азот бесцветный газ без вкуса и запаха; два последних отрицательных признака, очевидно, обусловлены его полнейшей химической индифферентностью к нервным тканям дыхательных путей и языка. Масса литра при 0° С и 760 мм рт. ст. = 1,2505 (Райлей). О цвете и спектре азота в Гейслеровых трубках см. работы Плюккера и Гитторфа, Ангстрема, Талена, Шустера, Вюльнера и Деландра. О строгом подчинении Аазота (с 1% аргона!) при давлениях от 0,011 мм до 1,49 мм рт. ст. закону Бойля — работа Райлея (1901). Отступления от этого закона при больших давлениях (от 39,359 мм до 181,985 мм рт. ст.) изучены Кальетэ (1879), а затем Амага (1893) в очень широких пределах (до 3000 атм.); к сожалению, все эти данные относятся к так наз. «атмосферному» А. (с 1% аргона) и потому, несомненно, ошибочны не только количественно, но, может быть, и качественно. При −146°С (Ольшевский), −146,25° (Врублевский) и 35 (Ольшевский) — 32,29 атм. (Врублевский) азот («атмосферный») переходит из газообразного в парообразное состояние; кривая давления насыщенного пара «химического» А. изучена Бэли («Рhil. Mag.», 1900); температура кипения чистого азота (по Бэли) −195,4°; температура плавления азота −214° C, давление при тройной точке - 60 мм рт. ст. (Ольшевский). Коэффициент светопреломления «химического» азота = 1,0163 (воздух — 1; Рамзей и Траверс, «Zeit. ph. ch.», 1898) [Работа интересна в том отношении, что в ней авторы отрицают аддитивность (см. Аддитивные свойства) для коэффициентов светопреломления в газовых смесях.]. Теплоёмкость азота («атмосферного») изучали: Малляр и Ле-Шателье («С. R.», 1881), Вьейль (ib., 1883) и Бертело и Вьейль (ib., 1884). Растворимость изучена Винклером («В. В.», 1891), Брауном («Z. ph. Ch.», 1900) и Юстом (ib., 1901). По Винклеру, растворимость азота в воде: при 0° — 0,02334; при 20° — 0,01507; при 40° — 0,01097; при 60° — 0,00822; при 80° — 0,00510.

Пикте в Женеве и Кальете в Париже удалось сгустить азот, подвергая его высокому давлению при весьма низких температурах.

Химические, электрохимические свойства

Азот не способен поддерживать ни дыхания, ни горения, трудно вступает в соединение с другими элементами и почти никогда не соединяется с ними прямо. Важнейшие соединения азота суть:

  1. с кислородом: закись азота, азота оксид, азотистая кислота, азотноватый ангидрид и азотная кислота;
  2. с водородом: аммиак (и органические производные его, как, напр., анилин) и гидроксиламин;
  3. с углеродом: циан, или синерод.

Что касается химического характера, т. е. физико-химической роли азота в системах из двух и более независимых слагаемых (двух «не зависимых друг от друга тел», см. Правило фаз), то при нормальных условиях температуры и давления эта роль характеризуется почти исключительно отрицательными признаками: только металлическим литием азот поглощается при нормальной температуре с образованием азотистого лития — Li3N2 (Деландр); по отношению ко всем другим простым и сложным телам он, насколько известно, химически индифферентен. При высоких температурах или при электрических разрядах это отношение меняется и азот оказывается энергичным элементом, образующим иногда очень постоянные соединения. Так, уже Кавендиш нашёл, что при горении гремучей смеси, содержащей азот, образующаяся вода обладает кислой реакцией, благодаря образованию азотной (азотистой ?) кислоты (см. Флогистон); если водород при этом находится в избытке, то вместо азотной кислоты образуется некоторое количество аммиака (де Соссюр); образование последнего наблюдено и Бертело при сжигании железа или цинка в калориметрической бомбе (?); П. и А. Тенары установили образование аммиака из смеси азота с водородом под влиянием электрических искр (реакция изучалась потом Г. Сент-Клер Девиллем). Об условиях соединения азота с кислородом см. подробнее Горение и Азотная кислота. Соединение с углеродом (с углеродистыми металлами ?) имеет место при температуре доменных печей, судя по образующимся в них цианистым металлам. О соединениях азота с другими металлоидами см. частные описания последних. С галоидами азот не соединяется непосредственно, но под влиянием тихого разряда на смеси азота, кислорода и хлора образуются белые, легко расплывающиеся на воздухе кристаллы, распадающиеся при 105° с выделением бурых паров; состав их N4Cl2O15 (по всей вероятности = 2N2О 4 + Сl2О7; Готфейль и Шаппюи). Бор горит при нагревании (до 1000° С) в атмосфере азота, образуя азотистый бор (Муассан); кремний реагирует, по-видимому, при более низкой темп. (Вёлер и С.-Клер Девилль). Гораздо легче реагируют металлы; об отношении лития см. выше (Уврар, Деландр); магний (Гейтер и Бриглеб, С.-Клер Девилль и Карон, Россель), барий и стронций (Гейтер, Гюнц, Макэн) горят при нагревании в азота до температуры ниже красного каления; поглощение азота железом и алюминием несомненно (Буссенго, Фреми, Буи, Улльгрен, Россель); азотистые соединения образуют уран, торий, празеодимий и неодимий (Myacсан), торий, церий, лантан и самарий (Матиньон). По-видимому, все соединения азота с металлами относятся к типу аммиака, так как они выделяют его или при действии воды (соединения щелочных и щелочноземельных металлов), или же при действии кислот. Бертело показал, что под влиянием тихого разряда азот медленно фиксируется многими органическими соединениями, но характер большинства последних до сих пор не выяснен и нельзя сказать о них ничего определенного. Основываясь на образовании азота при нагревании азотистоаммиачной соли Стерри Гэнт («С. R.», 1862) высказал убеждение, что азот, как простое вещество, представляет нитрил азотистой кислоты; такой взгляд возможен, но ни одна реакция нитрилов пока не разработана экспериментально для азота — До сих пор не установлено с точностью, существуют ли какие-нибудь аллотропические (см. Изомерия) видоизменения азота Наблюдение J. Thomson'a и Threlfall'a («R. Soc. Рrос.», 40) над сокращением объёма азота под давлением 20 мм при пропускании электрических искр, по-видимому, взято Threlfall'ом назад; что же касается наблюдений Teudt'a ("Zeitschr. ph. Ch.", 1898) над изменением коэффициента расширения «атмосферного» азота выше 350° С и отсутствия такого изменения для «химического» азота, то его нельзя считать столь решительным, как это предполагает сам автор. О качественном открытии азота в органических соединениях см. Органический анализ, о количественных методах определения см. Нитрометрия и Нитрометр. В газообразном состоянии азот обыкновенно характеризуется отрицательными реакциями (газ не горит, не мутит известковой воды и тушит зажжённую лучину — отличие от водорода и углекислого газа), но, несомненно, что его можно характеризовать и положительными реакциями, а именно — образованием окислов азота по Кавендишу, образованием синильной кислоты при пропускании электрических искр через смесь азота и ацетилена:

С2Н2 + N2 = 2NCH,

по Бертело, и наконец, образованием Mg3N2 или Ca3N2 (Гейтер, Рамзай, Макэн, Муассан); для получения свободного кальция можно в последнем случае нагревать смесь негашёной извести с магнием. Применения азота пока носят лабораторный характер, а именно, он употребляется обыкновенно для создания при различных реакциях так назыв. «индифферентной» атмосферы. О технических попытках утилизации «атмосферного» азота см. Азотная кислота и Цианистые металлы.

Получение азота

Получить азот можно из воздуха отнятием от последнего кислорода фосфором, сжигая фосфор под колоколом, наполненным воздухом и погруженным в воду. В чистом виде азот получается при пропускании через водный раствор аммиака, хлора или, еще лучше, при кипячении концентрированного раствора азотисто-аммиачной соли, разлагающейся при этом на воду и азот.

Невозможно добыть азот в чистом состоянии из воздуха (удалением из последнего углекислого газа, паров воды и кислорода), так как вместе с азотом остаются: аргон и спутники последнего: гелий, неон, криптон и ксенон, и неизвестен метод отделения их от азота, потому для получения химически чистого азота приходится прибегать к выделению его из химических соединений. Для этого можно:

  1. отнимать водород от водородистых соединений азота;
  2. отнимать кислород от его кислородных соединений;
  3. вызывать разложение с выделением азота некоторых его органических соединений.

По первому способу азот получается:

  1. при пропускании аммиака над нагретой окисью меди (Гаркорт и Лёптон):
    2NH3 + 3СuО = N2 + 3H2O + 3Сu;
    получающийся газ должен быть освобожден от образующихся при этом отчасти окислов азота пропусканием над раскалённой металлической медью, а от оставшегося неизмененным аммиака и паров воды пропусканием через серную кислоту и над фосфорным ангидридом;
  2. при действии хлора на водный раствор аммиака в избытке:
    3Cl2 + 8NH3 = N2 + 6NH4Cl
    (Фуркруа); получающийся газ содержит ещё кислород (Андерсон) и должен быть очищен по-предыдущему; способ неудобен ввиду возможности образования взрывчатого хлористого азота;
  3. при действии белильной соли на сернокислый аммоний в водном растворе (Маршан, Кальверт, Нейман, Лунге); если белильная соль спрессована в кубиках, то для добывания азота может быть применён аппарат Киппа; и здесь возможно, однако, образование хлористого азота; по всей вероятности, газ не химически чист;
  4. при действии крепкого раствора NH4Cl на сильно щелочной раствор NaBrO (полученный прибавлением Br2 к водному NaOH на холоду):
    3NaBrO + 2NH4Cl = N2 + 3NaBr + 3Н 2O + 2НСl (?);
    реакция идёт быстро и бромистого азота не получается;
  5. при действии бромноватистого щёлока на мочевину:
    N2H4CO + 3NaBrO = N2 + СО2 + 2Н2О + 3NaBr;
    газ содержит между прочим закись азота (Ралей);
  6. при нагревании двухромовокалиевой соли с нашатырем:
    Cr2O7K2 + 2NH4Cl = 2KCl + Cr2O3 + 4H2O + N2
    (Леви, Рамон де Луна); газ освобождают от кислорода (окислы азота), пропуская его над накалённой медью. (В. Мейер);
  7. при нагревании гидразина гидрата с окисью ртути (Лобри де Брюэн):
    N2H4·H2O + 2HgO = N2 + 3H2О + 2Hg
    [неизвестно, насколько чист такой азот];
  8. при пропускании окиси азота (и других его окислов) над накалённой металлической медью:
    2NO + 2Cu = N2 + 2CuO;
  9. при одновременном пропускании над нагретой медью аммиака и окиси азота (или кислорода):
    6NO + 4NH3 + Cu = 5N2 + 6Н2О + Сu
    (Лёптон);
  10. при нагревании азотистоаммиачной соли:
    NH4NO2 = N2+2H2O,
    или, что удобнее, смеси крепких растворов азотистокалиевой соли и нашатыря (Корренвиндер):
    KNO2 + NH4Cl = KCl + N2 + 2H2O
    (ср. ниже);
  11. при нагревании диазосолей неорганических кислот с водою, особенно в присутствии закисных соединений меди или металлической меди (Зандмейер, Гаттерманн, Тобиас), напр.:
    C6H5N2Cl + H2O = C6H5(OH)[фенол] + N2 + НСl.
Из перечисленных реакций для добывания азота пригодны: разложение азотистоаммиачной соли и диазосоединений (?). В первом случае нагревают раствор 1 части азотистонатриевой соли, 1—2 серноаммонийной (употребление солей других кислот повышает содержание в азоте его окиси — NO) и 1 ч. хромокалиевой соли; газ промывают раствором, который получается смешением 5 об. насыщенного при обыкн. темп. раствора двухромовокалиевой соли и 1 об. крепкой серной кисл. (такой раствор окисляет NO в азотную кислоту, но не выделяет в условиях опыта свободного кислорода — Knorre, «Chem. Ind.», 1902, там же литература предмета). Во втором — исходят из чистой кристаллической сернокислой соли диазобензола (напр.); получающийся азот должен быть промыт едкой щёлочью и высушен; вполне ли он лишен окислов азота, неизвестно. О трудностях получения спектроскопически чистого азота см. Threlfall, «Phil. Mag.» [5], 35, 1. Всех случаев образования азота нельзя перечислить; достаточно упомянуть, что они наблюдались:
  1. при действии водорода в присутствии платинированного асбеста на окись и закись A.:
    2NO + 2H2= N2 + 2H2O и N2O + H2 = N2 + H2O
    (Кнорре и Арндт); одновременно образуется аммиак (Кл. Винклер);
  2. при действии йодопроизводного азотистоводородной кислоты на ее серебряную соль: N3I + AgN3 = AgI + 3N2 (Ганч);
  3. при действии воды и щелочи (на свету) на йодоаммиак:
    N2H3I3= N2+3HI (Чатэуей и Ортон);
  4. при окислении гидроксиламина целым рядом окислителей (HNO3, МnО2, HMnO4, H2CrO4, CuSO4, HgCl2, Н2 О2 и т. д., Кнорре и Арндт);
  5. при электролизе гидразина и его солей (Szarvasy);
  6. при действии хлорноватистых солей на желатин, альбумин, шерсть, шёлк и т. п. (Кальверт);
  7. при горении и при детонации всех взрывчатых азотсодержащих смесей (порох дымный и др., см. соотв. статью), нитросоединений, азотнокислых эфиров и пр. (разновидности бездымных порохов, гремучая ртуть и т. п.);
  8. наконец, азот же образуется биологическим путём восстановлением некоторыми гнилостными микроорганизмами азотно (азотисто)-кислых солей или разрушением азотсодержащих органических веществ.

Впервые биологическое восстановление азотнокислых солей констатировано Дегереном с Маккенем и Шлёзингом; вопрос изучался многими исследователями (Тайон и Дюпти, Вагнер, Брэаль, Гримберт, Пэркс, Врублевский); Бухнер и Рапп («Berl. Ber.», 34, 1526 [1901]), нашедшие, что отжатый от дрожжей сок (стерилизованный) выделяет в присутствии азотистокислых солей довольно большие количества азота, сводят это явление на взаимодействие азотистокислых солей с аминокислотами или другими аминопроизводными, так как уже Бешан и Шютценбергер показали, что в водной вытяжке дрожжей имеются тирозин и лейцин; тою же реакцией объясняется, по их мнению, и выделение азота из азотистых удобрений (навоза), на каковое особенно обращал внимание сельских хозяев Дегерен, наблюдавший при брожении навоза понижение содержания азота в нем на 13,4%.

Происхождение наименования

Своим названием азот обязан французской комиссии, думавшей на основании известных тогда фактов, что удушающее действие азота на животные организмы наиболее для него характерно. Несомненно, что нет другого элемента с менее удачным названием:

  1. равно удушающе действуют на высшие животные организмы (На растения и на многие микроорганизмы газообразный азот не действует убивающим образом, на анаэробные микроорганизмы таким образом действует кислород воздуха.) и все другие газы (за исключением кислорода), хотя бы они и не действовали разрушительно на ткани их дыхательных путей (подобно фтору или хлору, напр.);
  2. в атмосфере чистого кислорода высшие животные гибнут благодаря быстро наступающим воспалительным процессам, азот же воздуха, уменьшая концентрацию кислорода, умеряет его разрушительное действие (дыхание сопровождается медленным горением) и тем способствует поддержанию жизни;
  3. азот представляет непременную составную часть белковых тел и принадлежит таким образом к биогенным элементам. Однако, название азота освящено временем и уже очень прочно укоренилось; этим названием объясняется и знак Az, употреблявшийся для его обозначения французами; знак N происходит от названия Nitrogène (лат. nitrogenium), предложенного для азота. Шапталем (в 1790 г.); он принят во всей нефранцузской химической литературе.

См. также

Шаблон:БЭСБЕ