Co je dusík? Hmotnost dusíku. Molekula dusíku

Nekovový prvek z 15. skupiny [Va] periodické tabulky - atom dusíku 2, které společně tvoří molekuly - bezbarvý, bez zápachu a bez chuti plyn tvořící velkou část zemské atmosféry a která je součástí všech živých organismů.

Historie detekce

Dusíkový plyn je asi 4/5 zemské atmosféry. Byl izolován během raného leteckého výzkumu. V roce 1772 švédský chemik Karl-Wilhelm Scheele nejprve prokázal, co je dusík. Podle něj vzduch je směs dvou plynů, z nichž jeden nazval „fire air“, která spočívá v podpoře spalování, a druhá - .. „Nečistý vzduch“, protože zůstává po prvním spotřebován. Byl to kyslík a dusík. Přibližně ve stejnou dobu dusíku byla izolována skotským botanikem Daniel Rutherford, který nejprve publikoval své nálezy, stejně jako britská chemik Henry Cavendish a britský kněz a vědec Joseph Priestley, který sdílel s Scheele prvenství objevu kyslíku. Další studie ukázaly, že nový plyn je součástí dusičnanu nebo dusičnanu draselného (KNO₃), A proto byl jmenován na dusíku ( „rodit ledek“) ze strany francouzského chemika Chaptal v roce 1790 Dusík byl poprvé klasifikován jako chemické prvky Lavoisier, jehož vysvětlení role kyslíku ve spalování vyvrátil teorii phlogiston - populární v XVIII století. chybná myšlenka spalování. Neschopnost tohoto chemického prvku udržet život (v řečtině zeta-omega-nebo) byl důvod, který Lavoisier nazval plynným dusíkem.

Výskyt a distribuce

Co je dusík? Podle prevalence chemických prvků zaujímá šesté místo. Zemská atmosféra 75.51% hmotnosti a 78.09% objemových se skládá z prvků, a to je hlavní zdroj pro průmysl. Atmosféra také obsahuje malé množství amoniaku a amonných solí, stejně jako oxidy dusíku a kyselina dusičná, vznikly při bouřkách, stejně jako u spalovacích motorů. Volný dusík se nachází v mnoha meteoritů, vulkanických a důlních plynech a některých minerálních pramenech, na slunci, ve hvězdách a mlhovinách.

Dusík se také vyskytuje v ložiskách dusičnanů draselných a sodíku, ale nestačí k uspokojení lidských potřeb. Dalším materiálem, bohatým na tento prvek, je guano, které se nachází v jeskyních, kde je mnoho netopýrů, nebo na suchých místech, kde jsou ptáci navštěvováni. Také dusík je obsažen v dešti a půdě ve formě amoniaku a amonných solí a v mořské vodě ve formě amonných iontů (NH₄⁺), dusitanu (NO₂^-) a dusičnany (NO₃^-). V průměru je to asi 16% komplexních organických sloučenin, jako jsou bílkoviny, přítomné ve všech živých organismech. Jeho přirozený obsah v zemské kůře je 0,3 dílů na 1000. Prevalence v prostoru je 3 až 7 atomů na atom křemíku.

Největší země produkující dusík (ve formě amoniaku) na počátku XXI. Století byly Indie, Rusko, Spojené státy, Trinidad a Tobago, Ukrajina.

Komerční výroba a užití

Průmyslová výroba dusíku je založena na frakční destilaci zkapalněného vzduchu. Teplota varu je -195,8 ° C, což je o 13 ° C nižší než teplota kyslíku, která je takto oddělena. Dusík se také může vyrábět ve velkém měřítku spalováním uhlíku nebo uhlovodíků ve vzduchu a oddělením výsledného oxidu uhličitého a vody od zbytkového dusíku. V malém měřítku se čistý dusík vytváří zahřátím azidu bárnatého Ba (N.₃).₂. Laboratorní reakce zahrnují zahřívání roztoku dusitanu amonného (NH₄Ne₂), oxidaci amoniaku vodným roztokem bromu nebo zahřívání oxid mědi:

• NH₄⁺+Ne₂^-→ N₂+2H₂O.
• 8NH₃+3Br₂→ N₂+6NH₄⁺+6Br^-.
• 2NH₃+3CuO → N₂+3H₂O + 3Cu.

Elementární dusík může být použit jako inertní atmosféra pro reakce vyžadující vyloučení kyslíku a vlhkosti. Používá se také kapalný dusík. Vodík, metan, oxid uhelnatý, fluor a kyslík jsou jediné látky, které se při teplotě varu dusíku nemění na pevný krystalický stav.

V chemickém průmyslu, tento chemický prvek se používá, aby se zabránilo oxidaci nebo jiného znehodnocení, jako inertní ředidla, reaktivní plyn k odstranění tepla nebo chemických látek, stejně jako inhibitor požáru nebo exploze. V potravinářském průmyslu se používá plynný dusík, aby se zabránilo znehodnocení produktů a kapalina - pro lyofilizační a chladicí systémy. V elektrotechnickém průmyslu plyn zabraňuje oxidaci a dalším chemickým reakcím, vytváří tlak v plášti kabelu a chrání elektromotory. V hutnictví, dusík se používá při svařování a pájení, brání oxidaci, nauhličování a oduhličení. Jako neaktivní plynu, který se používá při výrobě porézních pryž, plasty a elastomery, slouží jako hnací plyn v aerosolových nádobek, a také vytváří tlak v trysek na kapalné palivo. V medicíně, rychlé zmrazení kapalným dusíkem se používá k ukládání krve, kostní dřeně, tkáň, bakterie a spermie. Nalezl uplatnění v kryogenním výzkumu.

Připojení

Většina dusíku se používá při výrobě chemických sloučenin. Trojná vazba mezi atomy prvku je tak silná (226 kcal na mol, dvakrát to molekulárního vodíku), že molekula dusíku sotva vstupuje do jiných sloučenin.

Hlavní průmyslovou metodou pro upevnění prvku je proces Haber-Bosch pro syntézu amoniaku, který byl vyvinut během první světové války, aby se snížila závislost Německa na Chilský dusičnan amonný. Zahrnuje přímou syntézu NH₃ - bezbarvý plyn s ostrým, dráždivým zápachem - přímo z jeho prvků.

Většina amoniaku se převádí na kyselinu dusičnou (HNO₃) a dusičnany - soli a estery kyseliny dusičné, kalcinovaná soda (Na₂CO₃), hydrazin (N₂H₄) Je bezbarvá tekutina použitá jako pohonná látka a v mnoha průmyslových procesech.

Kyselina dusičná je další hlavní komerční složka tohoto chemického prvku. Bezbarvá, vysoce korozivní kapalina se používá při výrobě hnojiv, barviv, léků a výbušnin. Dusičnan amonný (NH₄Ne₃) - sůl amoniaku a kyseliny dusičné - je nejběžnější složkou dusíkatých hnojiv.

Dusík + kyslík

S kyslíkem vytváří dusík řadu oxidů, včetně oxidu dusného (N₂O), ve kterém je jeho valence +1, oxid (NO) (+2) a oxid (NO₂) (+4). Mnoho oxidů dusíku je extrémně volatilní, jsou hlavním zdrojem znečištění atmosféry. Oxid dusný, také známý jako plynový plyn, se někdy používá jako anestetikum. Při vdechování způsobuje mírnou hystériu. Oxid dusíku reaguje rychle s kyslíkem za vzniku hnědého oxidu, což je meziprodukt výroba kyseliny dusičné a silný oxidační prostředek v chemických procesech a raketové palivo.

Některé nitridy tvořené kombinací kovů s dusíkem při zvýšených teplotách se také používají. Nitridy boru, titanu, zirkonu a tantalu mají zvláštní použití. Jedna krystalická forma nitridu boru (BN), například, není nižší než tvrdost diamantu a je špatně oxidovaná, a proto se používá jako abrazivní vysokoteplotní.

Anorganické kyanidy obsahují skupinu CN^-. Kyanovodík nebo kyselina kyanovodíková HCN, je vysoce těkavý a velmi toxický plyn, který se používá pro koncentrace fumigace ruda v jiných průmyslových procesech. Dicyan (CN)₂ se používá jako meziprodukt a pro fumigaci.

Azidy jsou sloučeniny, které obsahují skupinu tří atomů dusíku -N₃. Většina z nich je nestabilní a velmi citlivá na otřesy. Některé z nich, jako je azid olovnatý Pb (N₃).₂, se používají v rozbuškách a kapslích. Azidy, jako jsou halogeny, snadno reagují s jinými látkami a tvoří různé sloučeniny.

Dusík je součástí několika tisíc organických sloučenin. Většina z nich pochází z amoniaku, kyanovodíku, kyanogenu, oxidu dusného nebo kyseliny dusičné. Aminy, aminokyseliny, amidy, například, jsou odvozeny od amoniaku nebo úzce souvisejí s ním. Nitroglycerin a nitrocelulóza jsou estery kyseliny dusičné. Dusitany se připravují z kyseliny dusité (HNO₂). Puriny a alkaloidy jsou heterocyklické sloučeniny, ve kterých dusík nahrazuje jeden nebo více atomů uhlíku.

Vlastnosti a reakce

Co je dusík? Je to bezbarvý plyn bez zápachu, který kondenzuje při teplotě -195,8 ° C do bezbarvé kapaliny s nízkou viskozitou. Prvek existuje ve formě molekul N₂, ve formě: N ::: N: pro kterou je vazebná energie rovnající se 226 kcal na mol, je druhá pouze k oxidu uhelnatému (256 kcal na mol). Z tohoto důvodu je aktivační energie molekulárního dusíku velmi vysoká, takže za běžných podmínek je prvek relativně inertní. Kromě toho vysoce stabilní molekula dusíku významně přispívá k termodynamické nestabilitě mnoha sloučenin obsahujících dusík, ve kterých jsou vazby, i když dostatečně silné, nižší než molekulární dusíkaté vazby.

Relativně nedávno a neočekávaně byla objevena schopnost molekul dusíku sloužit jako ligandy v komplexních sloučeninách. Pozorování, že některé roztoky komplexů ruthenia mohou absorbovat atmosférický dusík, vedlo k tomu, že lze brzy nalézt jednodušší a lepší způsob upevnění tohoto prvku.

Aktivní dusíku lze získat průchodem nízkotlakého plynu vysokým napětím. Produkt září žlutě a je mnohem ochotnější reagovat než molekulární s atomovým vodíkem, sírou, fosforem a různými kovy a je také schopen rozkládat NO na N₂ a O₂.

Jasnější představu o tom, co je dusík, lze získat z jeho elektronické struktury, která má formu 1s²2s²2p³. Pět elektronů vnějších plášťů slabě chrání náboj, v důsledku čehož je účinný nukleární náboj zachycen ve vzdálenosti kovalentního poloměru. Atomy dusíku jsou relativně malé a mají vysokou elektřinu, nacházející se mezi uhlíkem a kyslíkem. Elektronická konfigurace zahrnuje tři napůl naplněné vnější orbitály, které umožňují vytvořit tři kovalentní vazby. Proto musí mít atom dusíku extrémně vysokou reaktivitu a vytvářet stabilní binární sloučeniny s většinou ostatních prvků, zvláště když se druhý prvek v podstatě liší v elektronegativitě, což dává vazbám významnou polaritu. Když je electronegativita druhého prvku nižší, polarita dává atomu dusíku částečný záporný náboj, který uvolňuje své nerozdělené elektrony, aby se účastnil koordinačních vazeb. Je-li druhý prvek elektrogativnější, částečně pozitivní náboj dusíku v podstatě omezuje dárcovské vlastnosti molekuly. Při nízké polaritě vazby, kvůli rovnoměrné elektronegativitě druhého prvku, převažují násobné vazby nad jednotlivými vazbami. Pokud nesoulad atomových rozměrů zabraňuje tvorbě vícenásobných vazeb, potom je vytvořená jednoduchá vazba pravděpodobně relativně slabá a spojení bude nestabilní.

Analytická chemie

Často je procento dusíku v plynné směsi se může stanovit měřením jejího objemu po absorpci ostatních složek chemických činidel. Rozklad kyseliny sírové v přítomnosti dusičnanu rtuti uvolňuje oxid dusnatý, která může být měřena jako plyn. Dusík se uvolní z organických sloučenin, když se spalují nad oxidem mědi, a volný atom dusíku může být měřena jako plynu po absorpcí jiných produktů spalování. Známý Kjeldahlova metoda pro stanovení obsahu látek zde uvažovaného v organických sloučeninách spočívá v rozkladem sloučeniny s koncentrovanou kyselinou sírovou (popřípadě obsahující rtuť nebo jeho oxidu, a různých solí). Proto se dusík převede na síran amonný. Přidání hydroxidem sodným uvolňuje amoniak, který se izoluje konvenční kislotoy- zbytkové množství nezreagované kyseliny se potom stanoví titrací.

Biologický a fyziologický význam

Úloha dusíku v živé hmotě potvrzuje fyziologickou aktivitu jeho organických sloučenin. Většina živých organismů nemůže používat tento chemický prvek přímo a musí mít přístup ke svým sloučeninám. Proto je fixace dusíku velmi důležitá. V přírodě je to výsledek dvou hlavních procesů. Jedním z nich je účinek elektrické energie na atmosféru, díky níž se molekula dusíku a kyslíku disociuje, což umožňuje volným atomům vytvářet NO a NO₂. Oxid reaguje s vodou: 3NO₂+H₂O → 2HNO₃+Ne.

HNO₃ rozpouští se a přichází na Zem s deštěm ve formě slabého řešení. Časem se kyselina stává součástí kombinovaného dusíku půdy, kde se neutralizuje a tvoří dusitany a dusičnany. Obsah N v kultivovaných půdách je zpravidla obnoven díky zavádění hnojiv obsahujících dusičnany a amonné soli. Izolace zvířat a rostlin a jejich rozklad vrací sloučeniny dusíku do půdy a vzduchu.

Dalším základním procesem přírodní fixace je životnost luštěnin. Díky symbióze s bakteriemi jsou tyto kultury schopny převést atmosférický dusík přímo do jeho sloučenin. Některé mikroorganismy, jako je Azotobacter Chroococcum a Clostridium pasteurianum, jsou schopné fixovat N nezávisle.

plyn samotný, je inertní, neškodný, kromě případů, kdy dýchají pod tlakem, a to se rozpustí v krvi a jiných tělních tekutin při vyšších koncentracích. To způsobí, že souvisí s léčbou, a pokud je tlak snížen příliš rychle, nadbytek dusíku se uvolňuje jako plynových bublin v různých místech těla. To může způsobit bolest svalů a kloubů, mdloby, částečné ochrnutí a dokonce i smrt. Tyto příznaky se nazývají dekompresní nemoci. Proto ti, kteří jsou nuceni dýchat vzduch v takovém případě musí být velmi pomalé pro snížení tlaku na normální přebytku dusíku ven plicích bez tvorby bublin. Nejlepší alternativou je použití pro dýchání směsi kyslíku a hélia. Hélium je mnohem méně rozpustné v tělních tekutinách a nebezpečí klesá.

Izotopy

Dusík existuje ve formě dvou stabilních izotopů: ^{14. místo}N (99,63%) a ¹⁵N (0,37%). Mohou být odděleny chemickou výměnou nebo tepelnou difúzí. Hmotnost dusíku ve formě umělých radioaktivních izotopů je v rozmezí 10-13 a 16-24. Nejstabilnější poločas je 10 minut. První uměle vyvolaná jaderná transmutace byla provedena v roce 1919 britským fyzikem Ernest Rutherford, který bombardoval dusík-14 s částicemi alfa, dostával kyslík-17 jádra a protony.

Vlastnosti

Nakonec uvádíme hlavní vlastnosti dusíku:

• Atomové číslo: 7.
• Atomová hmotnost dusíku: 14,0067.
• Teplota tání: -209,86 ° C.
• Teplota varu: -195,8 ° C
• Hustota (1 atm, 0 ° C): 1,2506 g dusíku na litr.
• Obvyklé oxidační stavy: -3, +3, +5.
• Konfigurace elektronu: 1s²2s²2p³.