"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Азот — химический элемент N и простое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов: N₂. Он составляет большую часть воздуха, но при обычных условиях малоактивен из-за прочной тройной связи между атомами. Азот нужен для создания инертной среды, а его соединения входят в состав почвы и живых организмов. Разобраться в свойствах азота помогают его строение, характерные реакции и круговорот элемента в природе.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азот как химический элемент обозначают символом N; его порядковый номер в Периодической системе — 7, а относительная атомная масса Ar(N) ≈ 14. Элемент находится во 2-м периоде и 15-й группе. Эти сведения помогают определить состав атома и использовать азот в химических формулах и расчётах.
Азот как простое вещество состоит из молекул N₂, в каждой из которых находятся два атома азота. При обычных условиях это бесцветный газ без запаха и вкуса, плохо растворимый в воде. Формула N₂ нужна, чтобы не путать вещество с отдельным атомом N.
Молекула азота — два атома N, соединённые прочной тройной ковалентной связью, то есть общей для атомов парой электронов в трёх электронных парах. Такая связь требует значительной энергии для разрыва. Поэтому строение молекулы помогает объяснить, почему азот при обычных условиях реагирует неохотно.
Круговорот азота — переход элемента между атмосферой, почвой, организмами и химическими соединениями. Азот меняет форму: из свободного газа превращается в соединения, усваиваемые живыми организмами, а затем снова возвращается в окружающую среду. Понятие круговорота показывает, откуда организмы получают азот и как он возобновляется в природе.
В атмосфере азот находится главным образом в виде свободных молекул N₂. В почве он встречается в составе соединений, например нитратов и солей аммония, а в организмах — в белках и других веществах. Различие форм важно: большинство растений не может напрямую усваивать газ N₂ и использует соединения азота.
Два атома азота в молекуле N₂ связаны особенно прочно: для разрыва тройной связи требуется много энергии. При обычной температуре столкновения молекул обычно не дают достаточно энергии, чтобы реакция началась. Поэтому азот малоактивен, хотя при нагревании, электрическом разряде или с подходящим катализатором он вступает в реакции.
Азот — бесцветный газ без запаха, он немного легче воздуха и плохо растворяется в воде. Сам по себе он не поддерживает горение, а его молекулы при обычных условиях слабо реагируют с большинством веществ. Поэтому газообразный азот используют для создания инертной среды, например там, где нужно ограничить контакт материалов с кислородом.
С водородом азот реагирует с образованием аммиака: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. В промышленности процесс проводят при повышенных температуре и давлении и используют катализатор; эти условия помогают ускорить реакцию, не разрушая её равновесия полностью. С кислородом азот соединяется при высокой температуре или электрическом разряде: N₂ + O₂ ⇄ 2NO, а с активными металлами при нагревании образует нитриды, например 3Mg + N₂ → Mg₃N₂.
Для промышленного получения азота воздух сначала охлаждают и сжижают, затем разделяют его компоненты по температурам кипения. В лаборатории азот можно получить при разложении соединения азота, например нитрита аммония. В природе бактерии связывают атмосферный азот, растения усваивают его соединения, а животные получают азот, питаясь растениями или другими животными; при разложении организмов часть соединений возвращается в почву.
| Характеристика | Сведения | Уравнение или пример | Условия и значение |
|---|---|---|---|
| Положение элемента в Периодической системе | 2-й период, 15-я группа; порядковый номер 7, Ar ≈ 14 | Символ N | Заряд ядра атома +7 |
| Состав и строение молекулы простого вещества | Два атома азота, тройная ковалентная связь | N₂ | Прочная связь обусловливает низкую активность при обычных условиях |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, немного легче воздуха, плохо растворяется в воде | Около 78% воздуха | Используется для создания инертной среды |
| Реакция с водородом | Образуется аммиак | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ | Повышенные температура и давление, катализатор |
| Реакция с кислородом | Образуется оксид азота(II) | N₂ + O₂ ⇄ 2NO | Высокая температура или электрический разряд |
| Реакция с активными металлами | Образуются нитриды | 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ | Реакция протекает при нагревании |
| Нахождение в природе и получение | Свободный газ в атмосфере, соединения в почве и организмах | Разделение жидкого воздуха; разложение соединений азота | Бактерии участвуют в круговороте азота |
Сначала найдите в таблице строение вещества и сопоставьте его с физическими и химическими свойствами. Затем по уравнению проверьте, какие вещества реагируют и что образуется. Последний столбец подсказывает, при каких условиях идёт реакция и где сведения применяются.
Условие. Вычислите относительную молекулярную массу азота N₂ и его массовую долю азота. Массовая доля показывает, какая часть массы вещества приходится на выбранный элемент. В простой молекуле N₂ присутствуют только атомы азота.
Ответ. Mr(N₂) = 28, массовая доля азота в простом веществе N₂ равна 100%. Если бы считали долю азота в сложном веществе, в знаменателе была бы относительная молекулярная масса всего этого вещества. Здесь других элементов в молекуле нет.
Условие. Сколько моль аммиака образуется из 2 моль азота при избытке водорода? Сначала нужно правильно уравнять реакцию, потому что коэффициенты показывают соотношение количеств веществ. Избыток водорода означает, что его хватит для реакции со всем азотом.
Ответ. Образуется 4 моль аммиака. Перед вычислением проверьте коэффициенты: в уравнении слева и справа должно совпадать число атомов каждого элемента. Здесь 2 атома N и 6 атомов H есть с обеих сторон.
Условие. Какой объём азота при нормальных условиях потребуется для получения 34 г аммиака при избытке водорода? Масса дана для продукта, а объём нужно найти для реагента. Поэтому расчёт удобно начать с количества вещества аммиака.
Ответ. Потребуется 22,4 л азота. Проверка по уравнению показывает, что количество азота вдвое меньше количества аммиака. Такой переход от массы к молям, затем к коэффициентам и объёму подходит для расчётов по газовым реакциям.
Не следует считать азот как химический элемент и молекулу N₂ одним понятием. Ошибка возникает потому, что в речи словом «азот» называют и элемент, и газ; проверяйте, что именно обозначает запись: N — символ элемента или атома, N₂ — простое вещество. Если говорится о составе соединения, речь обычно идёт об атомах азота.
Формулу простого вещества нельзя записывать как N, если имеется в виду газообразный азот. Так ошибаются, забывая, что его молекулы состоят из двух атомов; перед записью формулы вспомните состав простого вещества. Для азота и некоторых других газов в обычных условиях характерны двухатомные молекулы, поэтому нужна формула N₂.
Неверно утверждать, что азот вообще не вступает в реакции. Его инертность относится к обычным условиям и объясняется прочностью связи в N₂, но нагревание, электрический разряд или катализатор позволяют реакциям идти. Проверяйте себя вопросом: указаны ли условия, необходимые для конкретной реакции?
Нельзя смешивать свободный азот воздуха с азотом в соединениях почвы и организмов. Такие формы отличаются составом и доступностью для живых существ, а их отождествляют из-за общего названия элемента. Проверьте, записана ли формула N₂ или формула азотсодержащего соединения: по ней видно, о какой форме идёт речь.
Для изучения азота нужны знания о строении атома, обозначениях элементов и формулах простых веществ: они помогают читать запись N₂ и понимать, из чего состоит молекула. Валентность и умение расставлять коэффициенты позволяют составлять уравнения реакций и выполнять расчёты по ним. Эти навыки понадобятся при изучении аммиака, азотной кислоты, солей аммония и минеральных удобрений, в составе которых азот встречается уже в соединениях.
Почему азот составляет большую часть воздуха, но обычно малоактивен?
Азота в атмосфере много, потому что он существует в виде устойчивых молекул N₂. Два атома в такой молекуле соединены прочной тройной связью, поэтому при обычных условиях её трудно разорвать и азот реагирует медленно.
Чем химический элемент азот отличается от простого вещества азота?
Азот как химический элемент — это вид атомов с символом N и зарядом ядра +7. Простое вещество азот состоит только из этих атомов, соединённых в молекулы N₂.
Почему формула простого вещества азота — N₂, а не N?
В обычных условиях атомы азота соединяются попарно, образуя устойчивые двухатомные молекулы. Поэтому формула простого вещества — N₂, а N обозначает один атом азота или сам химический элемент.
При каких условиях азот реагирует с водородом?
Азот соединяется с водородом при повышенных температуре и давлении, в присутствии катализатора. Продукт реакции — аммиак NH₃; условия помогают преодолеть устойчивость молекулы N₂.
Как азот из атмосферы попадает в почву и живые организмы?
Некоторые бактерии связывают атмосферный азот, превращая его в соединения, доступные растениям. Азот также попадает в почву с продуктами грозовых разрядов и удобрениями, а затем переходит к животным по пищевым цепям.
§ 28. Азот
