"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Азот — химический элемент N с порядковым номером 7 и простое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов: N₂. Он составляет около 78 % объёма воздуха, но при обычных условиях малоактивен из-за прочной тройной связи. Азот нужен для образования белков и других веществ живых организмов, однако усваивать атмосферный N₂ они обычно не могут. В теме важно различать свободный азот и азот в соединениях, понимать его реакции и круговорот в природе.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Азот как химический элемент — элемент с символом N и порядковым номером 7, то есть в ядре его атома семь протонов. Он находится во втором периоде и пятнадцатой группе периодической системы. В природе азот встречается и в свободном виде, главным образом в атмосфере, и в составе соединений почвы и живых организмов. Различать эти формы нужно, чтобы понимать, почему азот воздуха и, например, азот белков ведут себя по-разному.
Азот как простое вещество — газ, состоящий из двухатомных молекул N₂. При обычных условиях он бесцветен, не имеет запаха и плохо растворяется в воде. При охлаждении газ превращается в жидкость, а при дальнейшем охлаждении — в твёрдое вещество. Эти свойства помогают отличать азот от других компонентов воздуха и объясняют способы его хранения и получения.
Молекула азота образована двумя одинаковыми атомами, между которыми есть тройная ковалентная неполярная связь. Ковалентная связь возникает, когда атомы используют общие электронные пары; в данном случае их три. Связь очень прочная, поэтому молекула устойчива и разрушается с затратой значительной энергии. Это понятие помогает объяснить низкую химическую активность азота при обычных условиях.
Круговорот азота — переход азота между атмосферой, почвой и организмами с последующим возвращением в окружающую среду. Бактерии переводят атмосферный азот в соединения, доступные растениям, а животные получают азот, питаясь растениями или другими животными. После отмирания организмов соединения разлагаются, и часть азота возвращается в атмосферу. Круговорот показывает, как малоактивный газ становится частью веществ, необходимых для жизни.
Положение азота в периодической системе связано со строением его атома: у него семь электронов, распределённых по уровням как 2 и 5. Пять электронов внешнего уровня называют валентными, потому что они участвуют в образовании химических связей. До заполнения внешнего уровня не хватает трёх электронов, поэтому в соединениях азот часто проявляет степень окисления −3; возможны и другие значения, вплоть до +5. Степень окисления показывает условный заряд атома в соединении и зависит от того, с какими элементами он связан.
Каждый атом азота стремится получить устойчивую электронную оболочку, поэтому два атома объединяют три пары электронов. Так возникает тройная связь N≡N, удерживающая атомы вместе сильнее, чем одинарная или двойная связь. Чтобы вступить в реакцию, молекуле обычно нужно преодолеть этот энергетический барьер. Поэтому азот не является абсолютно инертным, но при обычных условиях реагирует медленно или почти не реагирует.
Азот имеет низкие температуры кипения и плавления, поскольку между его молекулами действуют слабые силы притяжения. При сильном охлаждении газ сначала конденсируется в жидкость, а затем затвердевает; это физические переходы, состав молекул при этом не меняется. Вода также слабо притягивает неполярные молекулы N₂, поэтому азот растворяется в ней плохо. Это объясняет, почему газ можно собирать над водой, хотя небольшая его часть в воде всё же растворяется.
С водородом азот образует аммиак: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Прочная связь N≡N требует нагревания, а катализатор ускоряет реакцию; повышенное давление тоже способствует образованию аммиака, поскольку число молекул газа уменьшается. С кислородом азот реагирует при высокой температуре или электрическом разряде: N₂ + O₂ → 2NO. В этих реакциях азот меняет степень окисления: в NH₃ она −3, а в NO — +2.
С некоторыми активными металлами азот образует нитриды, например 3Mg + N₂ → Mg₃N₂; здесь азот получает степень окисления −3. В лаборатории его можно получить разложением нитрита аммония: NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O. В промышленности азот выделяют из воздуха: его сжижают и разделяют компоненты перегонкой, используя различие температур кипения. Азот применяют как среду, ограничивающую нежелательные реакции, и как сырьё для производства аммиака; в природе связанный азот проходит через почву и организмы, а затем возвращается в атмосферу.
В таблице собраны основные свойства N₂, условия реакций и способы получения. Сначала найдите нужную характеристику, затем сопоставьте её с уравнением или пояснением. При чтении уравнений проверяйте, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.
| Характеристика | Азот (N₂) | Уравнение или пояснение |
|---|---|---|
| Состав и строение молекулы | Два атома азота, тройная неполярная ковалентная связь | N≡N |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, плохо растворим в воде; при охлаждении сжижается | Низкие температуры кипения и плавления |
| Реакция с водородом | Образуется аммиак | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃; температура, 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 |
| Получение и применение | В промышленности выделяют из воздуха; используют как инертную среду и сырьё | Сжижение и разделение воздуха; в лаборатории NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O |
Условие. Рассчитайте относительную молекулярную массу азота N₂ и массовую долю азота в этой молекуле. Для атома азота используйте относительную атомную массу Aᵣ(N) = 14. Поскольку молекула состоит только из атомов азота, масса всей молекулы приходится на этот элемент.
Ответ: Mᵣ(N₂) = 28; массовая доля азота равна 100 %.
Условие. Составьте уравнение образования аммиака из азота и водорода и расставьте коэффициенты. Запишите формулы реагентов и продукта: N₂, H₂ и NH₃. Учитывайте, что реакция требует подходящих условий из-за прочности связи в N₂.
Ответ: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃.
Условие. Какой объём азота при нормальных условиях можно получить при разложении 10,1 г NH₄NO₂? Молярный объём газа при нормальных условиях равен 22,4 л/моль. Сначала найдём количество исходного вещества, затем по уравнению определим количество и объём N₂.
Ответ: при нормальных условиях получится примерно 3,54 л азота.
Ошибка — считать, что атмосферный азот состоит из отдельных атомов N. Так могут рассуждать, обращая внимание только на символ элемента, но свободный азот при обычных условиях существует преимущественно как молекулы N₂. Проверка проста: вспомните формулу простого вещества азота и наличие связи между двумя атомами.
Неверно объяснять малую активность азота тем, что он вообще не способен вступать в реакции. Иногда путают медленное протекание реакции с невозможностью реакции, хотя при достаточной температуре или других условиях азот взаимодействует с рядом веществ. Проверьте себя вопросом: можно ли записать уравнения образования аммиака, NO или нитрида металла?
Не следует записывать взаимодействие азота с кислородом как лёгкую реакцию при комнатной температуре. Это заблуждение возникает из-за привычки считать кислород активным окислителем, но молекулу N₂ трудно разрушить. Уравнение N₂ + O₂ → 2NO верно при высокой температуре или электрическом разряде, и эти условия обязательно нужно указать.
Наконец, нельзя смешивать азот воздуха с азотом в соединениях. Свободный N₂ и связанный азот имеют разные свойства: большинство организмов не усваивает атмосферную молекулу напрямую, а использует соединения азота. Чтобы проверить ответ, уточните, о какой форме идёт речь: о простом веществе или об элементе в составе соединения.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодическом законе и внешних электронах: они помогают объяснить положение азота и его степени окисления. Ковалентная связь нужна, чтобы представить строение молекулы N₂ и причину её устойчивости. Позже эти знания пригодятся при изучении аммиака, солей аммония, азотной кислоты и её солей. Круговорот азота связывает химию с биологией и показывает, как вещества переходят между организмами и окружающей средой.
Почему азот воздуха при обычных условиях почти не вступает в реакции?
В молекуле N₂ атомы связаны прочной тройной связью, для разрыва которой требуется много энергии. Поэтому при обычной температуре азот реагирует неохотно, хотя при подходящих условиях вступает в химические реакции.
Чем азот как химический элемент отличается от азота как простого вещества?
Азот как элемент — это атомы с зарядом ядра +7, которые входят в состав разных веществ. Простое вещество азот — газ, состоящий преимущественно из молекул N₂.
При каких условиях азот реагирует с кислородом?
Азот соединяется с кислородом при очень высокой температуре или электрическом разряде. При этом образуется оксид азота(II) NO, например: N₂ + O₂ → 2NO.
Как получают азот из воздуха?
Воздух охлаждают и сжижают, а затем разделяют его компоненты перегонкой. Азот испаряется раньше кислорода, поэтому его можно отделить и собрать.
Почему азот необходим живым организмам, если атмосферный азот малоактивен?
Организмам нужен не свободный N₂, а азот в составе соединений, например белков и нуклеиновых кислот. Некоторые бактерии превращают атмосферный азот в доступные соединения, которые затем переходят по цепям питания.
§ 28. Азот
