"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Азот — химический элемент с символом N, а его простое вещество состоит из молекул N₂. Этот бесцветный газ составляет большую часть воздуха, но обычно почти не вступает в реакции: атомы в молекуле удерживает прочная тройная связь. При нагревании азот может соединяться, например, с водородом и кислородом. Его используют для создания защитной среды, а соединения азота необходимы живым организмам и служат сырьём для удобрений. Отдельное применение имеет жидкий азот — очень холодная охлаждающая среда.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азот — химический элемент с символом N и порядковым номером 7. Он расположен во втором периоде и 15-й группе периодической системы, а значит, атом азота имеет два электронных слоя и пять электронов на внешнем. В природе азот встречается главным образом в воздухе, но входит и в состав белков и других веществ живых организмов. Различать элемент и его соединения нужно, чтобы понимать, где речь идёт об атомах азота, а где — о веществах с их участием.
Молекулярный азот N₂ — простое вещество, молекула которого состоит из двух атомов азота. Обозначение N используют для химического элемента или отдельного атома, а N₂ — для молекулы и газообразного простого вещества. Индекс 2 показывает число атомов в одной молекуле. Это различие помогает правильно читать формулы и уравнения реакций.
Связывание азота — превращение молекулярного азота воздуха в соединения, которые могут усваивать живые организмы или использоваться в промышленности. В молекуле N₂ атомы прочно связаны, поэтому превратить её в другие вещества непросто. Связанный азот необходим для построения белков, а промышленное связывание позволяет получать сырьё для удобрений. Так становится понятным, почему самого азота в воздухе много, но его соединения тоже имеют большое значение.
Жидкий азот — азот в жидком агрегатном состоянии, которое получают охлаждением газа. При нормальном давлении он кипит примерно при −196 °C, поэтому способен сильно охлаждать предметы и вещества. Его применяют там, где нужна очень низкая температура, например для замораживания и хранения образцов. Жидкое состояние не меняет состав вещества: оно по-прежнему состоит из молекул N₂.
Основная природная форма азота — молекулы N₂ в воздухе, которого в атмосфере около 78% по объёму. Азот есть и в живых организмах, потому что он входит в состав белков и других важных соединений. Однако атмосферный запас и доступность для организма — не одно и то же: связь в N₂ трудно разорвать. Поэтому растениям обычно нужны уже связанные формы азота, а не молекулы из воздуха.
В молекуле N₂ атомы соединены тройной ковалентной связью: они совместно используют три пары электронов. Такая связь очень прочная, поэтому для её разрыва требуется значительная энергия. При обычной температуре столкновения молекул чаще всего не дают энергии, достаточной для начала реакции. Этим объясняется низкая химическая активность азота, но не полное отсутствие способности реагировать.
При обычных условиях азот — бесцветный газ без запаха и вкуса, плохо растворимый в воде. Кислород тоже бесцветен, не имеет запаха и при обычных условиях является газом, однако он заметно активнее вступает в реакции. Азот немного легче средней смеси газов воздуха: молярная масса N₂ равна 28 г/моль, а средняя молярная масса воздуха — около 29 г/моль. Такое сравнение уточняет, почему неверно просто называть азот тяжелее воздуха.
При подходящих условиях азот соединяется с водородом с образованием аммиака: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. В промышленности эту реакцию проводят при повышенных температуре и давлении и в присутствии катализатора — вещества, ускоряющего реакцию. С кислородом азот реагирует при очень высокой температуре, например во время грозового разряда: N₂ + O₂ → 2NO. В обоих случаях нужны специальные условия, поскольку прочную связь в молекуле N₂ трудно разрушить.
Малая реакционная способность позволяет применять газообразный азот для создания защитной среды, где нежелательные реакции идут медленнее. Жидкий азот ценят не за химическую активность, а за очень низкую температуру: его используют как охлаждающую среду. При этом связанный азот необходим сельскому хозяйству, поскольку соединения азота входят в состав минеральных удобрений. Их получают из сырья, содержащего связанный азот, и используют для обеспечения растений нужными веществами.
| Характеристика | Сведения об азоте |
|---|---|
| Обозначение элемента и порядковый номер | N; порядковый номер 7; второй период, 15-я группа. |
| Формула простого вещества и строение молекулы | N₂; два атома соединены прочной тройной ковалентной связью. |
| Нахождение в природе | Главным образом в воздухе; также в составе белков и других соединений организмов. |
| Физические свойства при обычных условиях | Бесцветный газ без запаха и вкуса, плохо растворимый в воде; немного легче воздуха. |
| Химические свойства и примеры реакций | При специальных условиях реагирует с водородом: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃; с кислородом при высокой температуре: N₂ + O₂ → 2NO. |
| Получение и применение | Жидкий азот получают охлаждением; газообразный используют для защитной среды, жидкий — для охлаждения, соединения азота — для удобрений. |
Таблица помогает быстро разделить сведения об элементе N и простом веществе N₂. Сначала сравните формулу и строение молекулы, затем свяжите их с химическими свойствами. Последние строки показывают, как свойства азота определяют его применение.
Задача 1. Укажите формулу простого вещества азота и объясните, чем она отличается от обозначения химического элемента. Решение: простое вещество азот состоит из молекул, в каждой из которых два атома, поэтому его формула — N₂. Символ N обозначает химический элемент азот или один атом этого элемента, а индекс 2 относится к числу атомов в молекуле. Ответ: простое вещество — N₂, химический элемент — N.
Задача 2. Составьте уравнение реакции азота с водородом с образованием аммиака и расставьте коэффициенты. Решение: сначала записываем формулы реагентов N₂ и H₂, а продукта — NH₃. Слева два атома азота, поэтому ставим 2 перед NH₃; теперь справа шесть атомов водорода, значит, перед H₂ ставим 3. Получается N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃; проверка даёт по два атома азота и по шесть атомов водорода с каждой стороны. Ответ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃.
Задача 3. Почему азот воздуха малоактивен при обычных условиях, но при нагревании может реагировать с кислородом? Приведите уравнение реакции. Решение: в молекуле N₂ атомы соединены прочной тройной связью, на разрыв которой нужна энергия. При очень высокой температуре, например во время грозового разряда, этой энергии достаточно, чтобы реакция с кислородом началась. Записываем N₂ + O₂ → NO и уравниваем: для двух атомов кислорода справа нужно поставить коэффициент 2 перед NO, тогда справа окажутся и два атома азота. Ответ: N₂ + O₂ → 2NO; реакция идёт при очень высокой температуре.
Ошибка — считать N и N₂ обозначениями одного и того же. Её допускают, потому что обе записи относятся к азоту, но N обозначает элемент или атом, а N₂ — молекулу простого вещества. Проверьте себя: если речь о газе из двухатомных молекул, нужна формула N₂; если об элементе в периодической системе — символ N.
Ошибка — заключать, что азот совсем не вступает в реакции. Его низкую активность при обычных условиях путают с полной химической инертностью, хотя нагревание и специальные условия позволяют реакциям идти. Чтобы проверить вывод, вспомните примеры образования аммиака и оксида азота. Учитывайте условия реакции, а не только факт, что азот малоактивен при комнатной температуре.
Ошибка — называть азот тяжелее воздуха без уточнения. Такое заключение часто делают, не сравнив молярные массы: у N₂ она равна 28 г/моль, а у воздуха в среднем около 29 г/моль. Значит, молекулярный азот немного легче средней смеси газов воздуха. Проверяйте утверждения о тяжести газов сравнением их молярных масс.
Ошибка — считать, что растения усваивают азот прямо из воздуха, потому что его там много. Обычно растения не могут непосредственно использовать прочные молекулы N₂, им нужны соединения азота. Чтобы проверить себя, различайте распространённость вещества и его доступность для организмов. Запомните: атмосферный азот должен быть связан, прежде чем большинство растений сможет его усвоить.
Для изучения азота пригодятся знания о строении атома и периодической системе: они помогают понять положение элемента и его символ. Нужно также различать химический элемент и простое вещество, чтобы не путать N с N₂. Эти понятия позволяют верно читать формулы и уравнения реакций.
Сведения о кислороде и воздухе помогают сравнить состав атмосферы и свойства газов. Например, азот и кислород оба бесцветны, но отличаются химической активностью и долей в воздухе. Сравнение молярных масс также объясняет, почему азот немного легче средней смеси атмосферных газов.
Понимание связанного азота подготовит к изучению аммиака, азотной кислоты и солей аммония. Эти вещества содержат азот в соединениях, а не в виде молекул N₂. Позже можно будет разобраться, как соединения азота применяют для производства минеральных удобрений.
Почему в воздухе много азота, но растения не могут усваивать его напрямую?
В воздухе азот находится главным образом в виде молекул N₂ с прочной тройной связью. Большинство растений не умеет разрывать её и усваивать молекулярный азот. Им нужны соединения азота, которые образуются, например, благодаря бактериям или производятся промышленно.
Почему молекулярный азот малоактивен при обычных условиях?
Два атома в молекуле N₂ соединены прочной тройной связью. Чтобы начать реакцию, эту связь нужно разрушить, а на это требуется много энергии. Поэтому при обычных условиях азот реагирует медленно, хотя при нагревании или других специальных условиях реакции возможны.
Чем химический элемент азот отличается от простого вещества N₂?
Азот как химический элемент — это вид атомов с обозначением N и порядковым номером 7. Простое вещество азот состоит из молекул N₂, в каждой из которых два атома этого элемента. Поэтому N и N₂ обозначают разные понятия.
С какими веществами реагирует азот?
При подходящих условиях азот соединяется с водородом, образуя аммиак, а при очень высокой температуре реагирует с кислородом с образованием оксида азота(II), NO. Например, реакция с кислородом может происходить во время грозового разряда. Условия нужны потому, что молекула N₂ очень прочная.
Для чего используют жидкий азот?
Жидкий азот служит охлаждающей средой: его температура кипения при нормальном давлении около −196 °C. Его получают охлаждением газообразного азота и используют, когда требуется быстрое и сильное охлаждение. Например, он применяется для замораживания и хранения биологических образцов.
§ 28. Азот
