Азот. Нитриды

Нахождение в природе

Азот составляет около 4/5 атмосферного воздуха, т.е. 78,09% по объему. Соединения азота в больших количествах содержатся в по­чвах. Общее содержание азота в земной коре 0,01%.

Азот вместе с углеродом и кислородом за­служивает названия элемента жизни: особенно велика его роль в энергетике биологических процессов. Азот, уг­лерод, водород и кислород образуют полипептиды и белки, а азотнофосфорные органические соединения обладают способностью накапливать энергию, выделяющуюся в процессах окисления, и затем направлять ее на выполнение всевозможных работ, произ­водимых организмом (механическую работу, химическую работу синтеза белков и т.п.).

Получение

В лаборатории азот можно получить из нитрита аммония тер­мическим разложением:

NH₄N0₂ = N₂ + 2Н₂0

В технике азот получают из жидкого воздуха. Испарением отделяют азот от менее летучего кислорода (t_кип азота -195,8°С, кислорода -183°С)

Молекула азота состоит из двух атомов. Длина связи между ними очень мала — 0,110 нм.

Взаимоперпендикулярное расположение электронных орбиталей позволяет атому образовать три прочные связи N=N, одна из которых является -связью (направлена вдоль линии, связы­вающей центры атомов) и две п-связи (направлены по обе стороны линии, связывающей центры атомов).

Физические свойства

При обычных условиях азот — газ без цвета, запаха и вкуса. Молекулярный азот при -195,8°С превращается в бесцветную жидкость. При дальнейшем охлаждении до -210,5°С появляются кристаллы твердого азота, похожие на снег или лед. Молекуляр­ная масса 28, а воздуха 29 а.е.м. В воде растворим меньше, чем кислород: при 20°С в 1 л воды растворяется 15,4 мл азота (кисло­рода 31 мл). Поэтому в воздухе, растворенном в воде, содержание кислорода по отношению к азоту больше, чем в атмосфере. Малая растворимость объясняется весьма слабыми межмолекулярными взаимодействиями как между молекулами азота и воды, так и между молекулами азота.

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов с мас­совыми числами 14 (99,64%) и 15 (0,36%).

Химические свойства

Химическая пассивность азота при обычной температуре и давлении, кроме прочности тройной связи, объясняется отсутст­вием в молекуле :N(тройная связь)N: неспаренных электронов и ее неполярнос­тью, т.е. равномерным распределением электронов между двумя атомами.

1. При комнатной температуре N₂ реагирует только с литием, а с кальцием при нагревании: 2Li + N₂ = 2Li₃N N₂ + 6Ca = 2Ca₃N

2. С другими металлами он реагирует только при высоких темпе­ратурах, образуя нитриды:

N₂ + 3Mg = Mg₃N₂ 2Fe + N₂ = 2FeN

Нитриды металлов имеют не вполне определенный состав. Не­которые из них представляют собой структуры внедрения, ко­торые очень стойки, и поэтому обработку стали азотом приме­няют для упрочения поверхностного слоя металла. Некоторые нитриды металлов оченьтвсрды, например, нитрид ванадия по твердости близок к алмазу.

3. Азот соединяется с кислородом при температуре электрической дуги(3000-4000°С):

N₂ + О₂ 2NO

4. При высоких температурах азот реагирует с другими неметал­лами:

2В + N₂ = 2BN

5. В присутствии катализатора, давления и при высокой темпера­туре азот взаимодействует с водородом:

N₂ + 3H_{2 } 2NH₃

С галогенами азот непосредственно не реагирует.

Применение

В больших количествах азот употребляется для получения аммиака. Широко используется для создания инертной среды — наполнения электрических ламп накаливания и свободного про­странства в ртутных термометрах, при перекачке горючих жид­костей. Им азотируют поверхность сталей.

Жидкий, а в случае необходимости и твердый азот применяют для глубокого охлаждения или вымораживания. Этим широко пользуются при химических, биологических и медицинских ис­следованиях, а также в криогенной технике.

Аммиак. Соли аммония. Амиды металлов

Азот образует с водородом несколько соединений, из которых важнейшим является аммиак. Аммиак — одно из соединений, важность которого для неорганической и органической химии чрезвычайно велика. Подавляющая часть азотсодержащих со­единений получается при участии аммиака. Благодаря способнос­ти отдельных видов бактерий и, вероятно, растений превращать азот воздуха в аммиак, на Земле появилась существующая форма жизни.

Электронная формула молекулы аммиака такова:

Из четырех электронных пар при азоте три общие (связываю­щие) и одна неподеленная (несвязывающая).

В образовании молекулы NH₃ участвуют три неспарен­ных р-электрона атома азота, электронные орбитали которых взаимно перпендикулярны, и ls-электро-ны трех атомов водорода. Связи распо­лагаются вдоль трех осей р-орбиталей

Молекула имеет форму правильной пирамиды: в углах треугольника нахо­дятся атомы водорода, в вершине пира­миды — атом азота. Угол между связями /_H-N-H = 107,3°.

Химическая связь N—Н полярная: положительный заряд сосредоточен на атоме азота. Вследствие этого между молекулами аммиака образуется водородная связь, что можно изо­бразить так:

Благодаря водородным связям аммиак имеет сравнительно высокие температуры плавления и кипения, а также высокую теплоту испарения, он легко сжижается.