"Химия", Габриелян О.С.
Азот — химический элемент N с порядковым номером 7, а его простое вещество состоит из молекул N₂. Он составляет основную часть воздуха, входит в белки живых организмов и необходим растениям для роста. При обычных условиях газ малоактивен: атомы в молекуле удерживаются прочной тройной связью. Изучение азота помогает понять круговорот веществ, производство аммиака и удобрений, а также применение газов в промышленности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азот — химический элемент с порядковым номером 7, обозначением N и относительной атомной массой 14. Порядковый номер показывает заряд ядра атома и число протонов в нём. По нему можно определить и число электронов в нейтральном атоме — их тоже семь. Обозначение N используют, когда говорят об атоме или элементе, а не о молекуле газа.
Простое вещество азот — молекулярный газ, образованный атомами одного химического элемента; его формула N₂. Индекс 2 показывает, что в каждой молекуле два атома азота. Формула важна при составлении уравнений реакций и подсчёте количества атомов. Это не то же самое, что обозначение N: оно соответствует одному атому.
Молекула азота N₂ — частица из двух атомов азота, соединённых прочной тройной ковалентной связью. Ковалентная связь возникает, когда атомы совместно используют электронные пары. Три общие пары сильно удерживают атомы вместе, поэтому молекулу трудно вовлечь в реакцию. Эта особенность помогает объяснить слабую химическую активность азота при обычных условиях.
Фиксация атмосферного азота — превращение молекулярного азота воздуха в соединения, доступные растениям. Растения не могут напрямую использовать газ N₂, хотя его много в атмосфере. После фиксации азот входит в состав веществ, которые корни могут усваивать. Благодаря этому элемент попадает в пищевые цепи и становится частью живых организмов.
В периодической системе азот находится в главной подгруппе пятой группы и во втором периоде. Порядковый номер 7 означает, что его атом содержит семь протонов и, если он нейтрален, семь электронов. Электроны распределены по уровням: два находятся на первом, пять — на внешнем. Пять внешних электронов объясняют, почему атом азота способен образовывать ковалентные связи с другими атомами и участвовать в создании разных соединений.
У каждого атома азота на внешнем уровне есть пять электронов, а устойчивое состояние часто связано с заполнением уровня до восьми. В молекуле N₂ два атома совместно используют три электронные пары, так что между ними образуется тройная связь. На разрыв или существенное ослабление этой связи требуется много энергии. Поэтому при обычной температуре молекулы азота редко вступают в реакции, хотя при нагревании и других подходящих условиях это возможно.
Азот — бесцветный газ без запаха, немного легче воздуха и плохо растворяется в воде. Его физические свойства связаны с тем, что молекулы N₂ не имеют заметного электрического заряда и слабо взаимодействуют друг с другом и с водой. Сам по себе азот не поддерживает ни горение, ни дыхание: для дыхания организмам нужен кислород, а горение обычно является реакцией вещества с кислородом. В воздухе азот разбавляет кислород, но не заменяет его.
Химическая активность азота становится заметнее при повышении температуры или при использовании специальных условий. Например, реакция с водородом идёт при подходящих температуре и давлении, а её скорость увеличивает катализатор — вещество, ускоряющее реакцию. С кислородом азот соединяется при очень высокой температуре, например во время электрического разряда. Таким образом, прочная связь N₂ не делает реакции невозможными, а задаёт условия, при которых они происходят.
В природе азот есть в атмосфере и в составе белков и других соединений организмов; около 78% воздуха приходится на молекулярный азот. Чтобы растения могли усваивать его из окружающей среды, атмосферный N₂ должен перейти в соединения: такое превращение называют фиксацией. В промышленности азот получают разделением жидкого воздуха, используя различие температур кипения его компонентов. Газ применяют для создания среды, где нежелательны реакции с кислородом, для производства аммиака и в охлаждении.
| Характеристика | Сведения об азоте | Пояснение или значение |
|---|---|---|
| Положение в периодической системе и обозначение | Порядковый номер 7; символ N; второй период | Номер показывает заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме |
| Строение атома и молекулы | В атоме 7 электронов, на внешнем уровне 5; молекула N₂ с тройной связью | Прочная связь объясняет малую активность газа |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, немного легче воздуха, плохо растворим в воде | Не поддерживает дыхание и горение |
| Химическая активность | Низкая при обычных условиях | Для реакций нужно ослабить прочную связь N₂ |
| Реакция с водородом | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ | Образуется аммиак |
| Реакция с кислородом | N₂ + O₂ → 2NO | При высокой температуре образуется оксид азота(II) |
| Нахождение в природе | Входит в состав воздуха, белков и других соединений | Составляет около 78% атмосферы |
| Промышленное получение | Разделение жидкого воздуха | Компоненты воздуха разделяют по температурам кипения |
| Применение | Инертная среда, получение аммиака, охлаждение | Используют в промышленности и технологических процессах |
Сначала найдите в таблице интересующую характеристику, затем сопоставьте сведения с пояснением: так легче увидеть связь между строением и свойствами. Уравнения реакций показывают, какие вещества взаимодействуют и что образуется. При разборе задач таблица поможет проверить формулы и вспомнить, где применяется азот.
Задача 1. Запишите формулу простого вещества азота и определите число атомов азота в трёх его молекулах. Важно не перепутать атом N с молекулой N₂: индекс относится к каждому веществу с такой формулой. Рассуждаем по шагам.
Ответ: N₂; в трёх молекулах — 6 атомов азота. Такой подсчёт пригодится и при расстановке коэффициентов в уравнениях. Коэффициент считает молекулы, а индекс — атомы в одной молекуле.
Задача 2. Составьте уравнение реакции азота с водородом и расставьте коэффициенты. Продукт этой реакции — аммиак, формула которого NH₃: в его молекуле один атом азота и три атома водорода. Сначала запишем формулы веществ, а затем сравним число атомов слева и справа.
Ответ: N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Уравнение отражает закон сохранения атомов: при реакции они не исчезают, а только перегруппировываются. Формулу NH₃ нельзя менять на NH₂ ради удобства уравнивания.
Задача 3. Рассчитайте объём азота, необходимый для получения 34 г аммиака при нормальных условиях, если водород взят в избытке. Сначала по массе продукта найдём количество вещества NH₃, а затем воспользуемся соотношением веществ в уравнении N₂ + 3H₂ → 2NH₃. При нормальных условиях один моль газа занимает 22,4 л.
Ответ: потребуется 22,4 л азота. Избыток водорода означает, что его количества достаточно и расчёт ведём по азоту. Всегда проверяйте, что объём найден для нужного газа и заданных условий.
Первая ошибка — смешивать химический элемент азот и простое вещество азот. Её допускают, потому что в обоих случаях используют одно название, хотя обозначения различаются: N — элемент или атом, N₂ — молекула газа. Проверка простая: если речь о веществе при обычных условиях, в уравнении записывайте N₂. Если обозначаете один атом, используйте N.
Вторая ошибка — считать, что азот поддерживает горение, раз он составляет большую часть воздуха. Состав воздуха запоминают целиком, но при этом путают роль его компонентов. В основном горение поддерживает кислород; азот при обычных условиях малоактивен. Проверяйте себя вопросом: какое вещество вступает в реакцию с топливом при горении?
Третья ошибка — записывать реакцию с водородом без коэффициентов или составлять формулу NH₂. В формуле аммиака NH₃ три атома водорода приходятся на один атом азота, а коэффициенты подбирают уже после записи формул. Проверьте уравнение подсчётом атомов слева и справа: должно быть два N и шесть H с каждой стороны. Индексы в формулах при уравнивании не меняют.
Четвёртая ошибка — объяснять малую активность азота только тем, что он находится в воздухе. Состав воздуха сам по себе не объясняет химическое поведение газа; причина связана с прочной тройной связью в молекуле N₂. При проверке ответа назовите эту связь и укажите, что для реакций нужны подходящие условия. Если объяснение сводится только к месту нахождения вещества, причина не раскрыта.
Чтобы понять тему, вспомните строение атома, устройство периодической системы и виды химической связи. Также понадобятся знания о составе воздуха и умение составлять уравнения реакций с коэффициентами. Эти основы помогают объяснить свойства молекулы N₂ и правильно описать её превращения.
Знание свойств азота понадобится при изучении аммиака, азотной кислоты, солей аммония и нитратов. Это соединения азота, которые получают и используют в химических процессах. Уравнения реакций азота помогают проследить, как из простого вещества образуются новые вещества.
Азот связан с круговоротом веществ в природе: растения получают его не непосредственно из атмосферы, а из доступных соединений. Эта тема важна для понимания действия минеральных удобрений и роста растений. Свойства азота также учитывают в металлургии и при использовании промышленных газов.
Почему в воздухе много азота, но он сравнительно малоактивен?
В молекуле N₂ два атома соединены прочной тройной связью. Чтобы вступить в реакцию, эту связь нужно ослабить, поэтому при обычных условиях азот реагирует неохотно. Многие реакции идут лишь при нагревании или в особых условиях.
Чем химический элемент азот отличается от простого вещества N₂?
Химический элемент азот — это вид атомов с зарядом ядра +7, его обозначают N. Простое вещество азот состоит из молекул N₂, каждая из которых содержит два таких атома. Поэтому N обозначает атом или элемент, а N₂ — молекулу вещества.
Почему азот не поддерживает горение?
Для большинства веществ горение — это быстрая реакция с кислородом, но азот не обеспечивает окисление топлива. Сам азот при обычных условиях малоактивен из-за прочной связи в молекуле N₂. Горение в воздухе поддерживает кислород, а не азот.
Как получают азот в промышленности?
Сначала воздух охлаждают до жидкого состояния. Затем его разделяют перегонкой: компоненты испаряются при разных температурах, поэтому азот можно отделить от кислорода и других газов. Этот способ позволяет получать большие количества азота.
Зачем азот нужен растениям и живым организмам?
Азот входит в состав белков и других важных веществ живых организмов. Растениям он нужен для образования этих соединений и нормального роста, но атмосферный N₂ они усваивать не могут. Азот становится доступным растениям после превращения в соединения, например в почве.
§ 28. Азот
