Азот

АЗОТ (от а... и греческого ζω? - жизнь; латинский Nitrogenium), N, химический элемент V группы короткой формы (15-й группы длинной формы) периодической системы, атомный номер 7, атомная масса 14,00674. В природе два стабильных изотопа: ¹⁴N (99,635%) и ¹⁵N (0,365%).

Историческая справка. В 1772 году шотландский химик Д. Резерфорд впервые описал свойства газа, не поддерживающего горения и дыхания, и назвал его «удушливым воздухом». В 1787 году А. Лавуазье установил, что «удушливый» газ, входящий в состав воздуха, является простым веществом и предложил для него название «азот» (буквально - безжизненный). В 1784 году Г. Кавендиш показал, что азот входит в состав селитры; в 1790 году было предложено латинское название азота (от позднелатинского nitrum - селитра и греческого γενν?ω - рождать). К началу 19 века окончательно сложилось понятие о химической инертности азота в свободном состоянии и выяснена важная роль связанного азота.

Распространённость в природе. В атмосфере азота около 3,9-10¹⁵ т; основная его часть находится в свободном состоянии (в воздухе азота 75,6% по массе, 78,09% по объёму); также присутствуют незначительные количества азота в связанном состоянии в виде аммиака и оксидов. Общее содержание азота в земной коре 1 -10^-2% по массе. В связанном состоянии азот встречается главным образом в виде нитратов (селитры) и аммониевых соединений. Промышленный интерес представляют натриевая (чилийская) селитра NaNO₃ и калиевая (индийская) селитра KNO₃, значительные скопления которых встречаются в районах с сухим пустынным климатом. Азот обнаружен в составе газовых облаков комет, в туманностях и в атмосфере Солнца. В небольших количествах содержится в каменном угле (1,0-2,5%), нефти (0,2-1,7%), в водах рек, морей, океанов. Азот входит в состав всех живых организмов. В белках растений и животных содержится до 17% азота, в организме человека в целом - около 3%.

В природе осуществляется круговорот азот главным образом в результате жизнедеятельности нитрофицирующих, денитрофицирующих, азотфиксирующих микроорганизмов. Накопление азота в почве за счёт связывания свободного азота недостаточно при современной культуре земледелия, так как вынос азота из почвы с урожаем превосходит накопление. Проблема связывания атмосферного азота, важная как для сельского хозяйства, так и для многих отраслей промышленности, была решена в начале 20 века с освоением промышленного синтеза аммиака. Смотри также Азот биогенный.

Свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома азота 2s²2р³; степени окисления от -3 до +5; электроотрицательность по Полингу 3,05; радиусы (в пм): атомный - 71, ковалентный (простая связь) 70, ван-дер-ваальсов 154. В свободном состоянии азот образует двухатомную молекулу N₂, в которой атомы связаны тройной химическая связью (длина 110 пм). Молекула азота очень устойчива (энергия термическойдиссоциации 941,64 кДж/моль), поэтому диссоциация в заметной степени происходит лишь при высоких температураx; например, при 3000°С диссоциирует на атомы лишь 0,1% молекул.

Азот - неметалл, газ без цвета и запаха; t_nл 63,29 К, t_кип 77,4 К, плотность в твёрдом состоянии 1026 кг/м³ (при 21 К), в жидком 808 кг/м³ (77,4 К), в газообразном 1,2506 кг/м³ (273 К); критическая температура 126,2 К, критическое давление 3,9 МПа, критическая плотность 304 кг/м³. В твёрдом состоянии при нормальном давлении и температуре ниже 35 К устойчива α -форма с кубической решёткой (плотность 1026,5 кг/м³), выше 35 К - β –форма с гексагональной решёткой (плотность 879,2 кг/м³); при давлении выше 350 МПа существует третья модификация с тетрагональной кристаллической решёткой. Растворимость азота в воде 0,0291 кг на 1 м (при 273 К). В некоторых углеводородах (например, гексане, гептане) азот растворим лучше, чем в воде.

В нижних слоях стратосферы под действием нейтронного космического излучения изотоп ¹⁴Ν превращается в радионуклид углерода ¹⁴С. В термоядерных реакциях в звёздах азот участвует в углеродно-азотном цикле.

При нормальных условиях молекулярный азот химически инертен. С большинством простых веществ азот вступает в реакции при высоких температуре, давлении и в присутствии катализаторов. При температуре 400-500°С азот взаимодействует со щелочными и щёлочноземельными металлами. При высоких температурах азот окисляет многие металлы и неметаллы, образуя нитриды. С водородом азот реагирует при высокой температуре и давлении в присутствии катализатора на основе металлического железа с образованием аммиака. Кроме аммиака, известны другие многочисленные соединения азота с водородом, например гидразин, азотистоводородная кислота (последняя с металлами образует азиды металлов). Нитриды галогенов и серы получают только косвенными способами, например NF₃ при взаимодействии фтора с аммиаком, N₂S₄ при взаимодействии жидкой серы с аммиаком. В большинстве случаев эти соединения малоустойчивы, часто взрывчаты; более устойчивы оксогалогениды, диоксогалогениды азота (например, NOCl, NO₂Сl). При высоких температурах азот реагирует с углеродом (с раскалённым коксом), образуя дициан (CN)₂. Нагреванием азота с ацетиленом до 1500°С получают циановодород HCN. Азот окисляется кислородом с образованием оксидов (смотри в статье Азота оксиды); непосредственным взаимодействием с кислородом при температурах выше 2000°С можно получить только NO, который далее окисляется до NO₂. К кислородсодержащим соединениям азота относятся также азотистая кислота HNO₂ и азотная кислота (и их соли, соответственно нитриты и нитраты).

Реакционная способность молекулы азота может быть значительно увеличена за счёт связывания её в комплексы с соединениями переходных металлов (Ti, V, Сг, Mo, Fe); при этом молекула N₂ активируется и сравнительно легко вступает в реакции при нормальных температуре и давлении с образованием аммиака, гидразина или ароматических аминов. Под воздействием электрического разряда при давлении 130-260 Па или при взрыве смеси кислорода и оксида углерода в присутствии азота образуется активный азот (смесь атомов и молекул азота, обладающих повышенной энергией), который при комнатной температуре взаимодействует с атомарными кислородом, водородом, парами серы, фосфора, некоторыми металлами. Азот входит в состав многих органических соединений - амидов, аминов, нитрилов, нитросоединений и др.

Получение и применение. Азот в лаборатории может быть получен при нагревании водного раствора нитрита аммония: NH₄NO₂ = N₂ + 2Н₂О. В промышленности азот извлекают из воздуха путём его глубокого охлаждения до жидкого состояния с последующим разделением, например, методом ректификации (смотри Воздуха разделение). Мировое производство азота около 100 миллион т/год (2002). Основная область использования азота - синтез аммиака с последующим получением из него азотной кислоты, удобрений и многих других веществ, содержащих связанный азот. Свободный азот применяют как инертную среду в химических и металлургических процессах, при перекачке горючих жидкостей и др.; жидкий азот - хладагент. Газообразный азот хранят и транспортируют в сжатом виде в стальных баллонах, жидкий азот - в сосудах Дьюара.

Лит.: Новое в химической фиксации азота. М., 1983; Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. 2-е изд. М.,1992.