Азот

Азо́т

(от греч. ázōos — безжизненный, лат. Nitrogenium)

N, химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067; бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса.

Историческая справка. Соединения А. — селитра, азотная кислота, аммиак — были известны задолго до получения А. в свободном состоянии. В 1772 Д. Резерфорд, сжигая фосфор и др. вещества в стеклянном колоколе, показал, что остающийся после сгорания газ, названный им «удушливым воздухом», не поддерживает дыхания и горения. В 1787 А. Лавуазье установил, что «жизненный» и «удушливый» газы, входящие в состав воздуха, это простые вещества, и предложил название «А.». В 1784 Г. Кавендиш показал, что А. входит в состав селитры; отсюда и происходит латинское название А. (от позднелатинское nitrum — селитра и греческое gennao — рождаю, произвожу), предложенное в 1790 Ж. А. Шапталем. К началу 19 в. были выяснены химическая инертность А. в свободном состоянии и исключительная роль его в соединениях с др. элементами в качестве связанного азота. С тех пор «связывание» А. воздуха стало одной из важнейших технических проблем химии.

Распространённость в природе. А. — один из самых распространённых элементов на Земле, причём основная его масса (около 4×10¹⁵ т) сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере (См. Атмосфера). В воздухе свободный А. (в виде молекул N₂) составляет 78,09% по объёму (или 75,6% по массе), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и окислов. Среднее содержание А. в литосфере 1,9×10^-3% по массе. Природные соединения А. — хлористый аммоний NH₄Cl и различные нитраты (см. Селитры.) Крупные скопления селитры характерны для сухого пустынного климата (Чили, Средняя Азия). Долгое время селитры были главным поставщиком А. для промышленности (сейчас основное значение для связывания А. имеет промышленный синтез Аммиака из А. воздуха и водорода). Небольшие количества связанного А. находятся в каменном угле (1—2,5%) и нефти (0,02—1,5%), а также в водах рек, морей и океанов. А. накапливается в почвах (0,1%) и в живых организмах (0,3%).

Хотя название «А.» означает «не поддерживающий жизни», на самом деле это — необходимый для жизнедеятельности элемент (см. Азот в организме). В белке животных и человека содержится 16 — 17% А. В организмах плотоядных животных белок образуется за счёт потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества, главным образом неорганические. Значительные количества А. поступают в почву благодаря азотфиксирующим микроорганизмам (См. Азотфиксирующие микроорганизмы), способным переводить свободный А. воздуха в соединения А. (см. Азотфиксация).

В природе осуществляется круговорот А. (см. Круговорот веществ), главную роль в котором играют микроорганизмы — нитрофицирующие, денитрофицирующие, азотфиксирующие и др. Однако в результате извлечения из почвы растениями огромного количества связанного А. (особенно при интенсивном земледелии) почвы оказываются обеднёнными А. Дефицит А. характерен для земледелия почти всех стран, наблюдается дефицит А. и в животноводстве («белковое голодание»). На почвах, бедных доступным А., растения плохо развиваются. Азотные удобрения и белковая подкормка животных — важнейшее средство подъёма сельского хозяйства. Хозяйственная деятельность человека нарушает круговорот А. Так, сжигание топлива обогащает атмосферу А., а заводы, производящие удобрения, связывают А. воздуха. Транспортировка удобрений и продуктов сельского хозяйства перераспределяет А. на поверхности земли.

А.— четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода) (см. Космохимия).

Изотопы, атом, молекула. Природный А. состоит из двух стабильных изотопов: ¹⁴N (99,635%) и ¹⁵N (0,365% ). Изотоп ¹⁵N применяют в химических и биохимических исследованиях в качестве меченого атома (См. Меченые атомы). Из искусственных радиоактивных изотопов А. наибольший период полураспада имеет ¹³N (T_1/2 = 10,08 мин), остальные весьма короткоживущие. В верхних слоях атмосферы, под действием нейтронов космического излучения, ¹⁴N превращается в радиоактивный изотоп углерода ¹⁴C. Этот процесс используют и в ядерных реакциях для получения ¹⁴C (см. Углерод). Внешняя электронная оболочка атома А. состоит из 5 электронов (одной неподелённой пары и трёх неспаренных — конфигурация 2s²2p³, см. Атом). Чаще всего А. в соединениях З-ковалентен за счёт неспаренных электронов (как в аммиаке NH₃). Наличие неподелённой пары электронов может приводить к образованию ещё одной ковалентной связи, и А. становится 4-ковалентным (как в ионе аммония NH₄⁺). Степени окисления А. меняются от +5 (в N₂0₅) до —3 (в NH₃). В обычных условиях в свободном состоянии А. образует молекулу N₂, где атомы N связаны тремя ковалентными связями. Молекула А. очень устойчива: энергия диссоциации её на атомы составляет 942,9 кдж/моль (225,2 ккал/моль), поэтому даже при t около 3300°С степень диссоциации А. составляет лишь около 0,1%.

Физические и химические свойства. А. немного легче воздуха; плотность 1,2506 кг/м³ (при 0°С и 101325 н/м² или 760 мм рт. ст.), t_пл —209,86°С, t_кип —195,8°C. А. сжижается с трудом: его критическая температура довольно низка (—147,1 °С), а критическое давление высоко 3,39 Мн/м² (34,6 кгс/см²); плотность жидкого А. 808 кг{м³. В воде А. менее растворим, чем кислород: при 0°С в 1 м³ Н₂О растворяется 23,3 г А. Лучше, чем в воде, А. растворим в некоторых углеводородах.

Только с такими активными металлами, как литий, кальций, магний, А. взаимодействует при нагревании до сравнительно невысоких температур. С большинством других элементов А. реагирует при высокой температуре и в присутствии катализаторов. Хорошо изучены соединения А. с кислородом N₂O, NO, N₂O₃, NO2 и N₂O₅ (см. Азота окислы). Из них при непосредственном взаимодействии элементов (4000°C) образуется окись NO, которая при охлаждении легко окисляется далее до двуокиси NO₂. В воздухе окислы А. образуются при атмосферных разрядах. Их можно получить также действием на смесь А. с кислородом ионизирующих излучений (см. Радиационная химия). При растворении в воде азотистого N₂О₃ и азотного N₂О₅ ангидридов соответственно получаются Азотистая кислота HNO2 и Азотная кислота HNO₃, образующие соли — Нитриты и Нитраты. С водородом А. соединяется только при высокой температуре и в присутствии катализаторов, при этом образуется Аммиак NH₃. Кроме аммиака, известны и другие многочисленные соединения А. с водородом, например Гидразин H₂N—NH₂, диимид HN=NH, азотистоводородная кислота HN₃(H—N=N≡N), октазон N₈H₁₄ и др.; большинство соединений А. с водородом выделено только в виде органических производных. С галогенами А. непосредственно не взаимодействует, поэтому все галогениды А. получают только косвенным путём, например фтористый азот NF₃— при взаимодействии фтора с аммиаком. Как правило, галогениды А. — малостойкие соединения (за исключением NF₃); более устойчивы оксигалогениды А. — NOF, NOCI, NOBr, N0₂F и NO2CI. С серой также не происходит непосредственного соединения А.; азотистая сера N₄S₄ получается в результате реакции жидкой серы с аммиаком. При взаимодействии раскалённого кокса с А. образуется Циан (CN).;. Нагреванием А. с ацетиленом C₂H₂ до 1500°C может быть получен Цианистый водород HCN. Взаимодействие А. с металлами при высоких температурах приводит к образованию нитридов (См. Нитриды)(например, Mg₃N₂).

При действии на обычный А. электрических разрядов [давление 130 — 270 н/м² (1— 2 мм рт ст)] или при разложении нитридов В, Ti, Mg и Са, а также при электрических разрядах в воздухе может образоваться активный А., представляющий собой смесь молекул и атомов А., обладающих повышенным запасом энергии. В отличие от молекулярного, активный А. весьма энергично взаимодействует с кислородом, водородом, парами серы, фосфором и некоторыми металлами.

А. входит в состав очень многих важнейших органических соединений (Амины, Аминокислоты, Нитросоединения и др.).

Получение и применение. В лаборатории А. легко может быть получен при нагревании концентрированного раствора нитрита аммония: NH4NO2 = N₂ + 2H₂О. Технический способ получения А. основан на разделении предварительно сжиженного воздуха, который затем подвергается разгонке (см. Газов разделения (См. Газов разделение)).

Основная часть добываемого свободного А. используется для промышленного производства аммиака, который затем в значительных количествах перерабатывается на азотную кислоту, удобрения, взрывчатые вещества и т. д. Помимо прямого синтеза аммиака из элементов, промышленное значение для связывания А. воздуха имеет разработанный в 1905 цианамидный метод, основанный на том, что при 1000°C Карбид кальция (получаемый накаливанием смеси извести и угля в электрической печи) реагирует со свободным А.: СаС­ + N­ -= CaCN­ + С. Образующийся Цианамид кальция при действии перегретого водяного пара разлагается с выделением аммиака:

CaCN+ЗН₂О=СаСО₃+2NH₃.

Свободный А. применяют во многих отраслях промышленности: как инертную среду при разнообразных химических и металлургических процессах, для заполнения свободного пространства в ртутных термометрах, при перекачке горючих жидкостей и т. д. Жидкий А. находит применение в различных холодильных установках. Его хранят и транспортируют в стальных сосудах Дьюара, газообразный А. в сжатом виде — в баллонах. Широко применяют многие соединения А. производство связанного А. стало усиленно развиваться после 1-й мировой войны и сейчас достигло огромных масштабов.

Лит.: Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 1, М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1963: Химия и технология связанного азота, [М.— Л.], 1934; КХЭ, т. 1, М.,1961.