§ 27. Азот

Определения и обозначения

Азот как химический элемент — вид атомов с зарядом ядра +7; его символ — N, порядковый номер — 7. Азот находится в 15-й группе, во втором периоде периодической системы. В природе он особенно распространён в атмосфере, но встречается и в составе природных соединений и живых организмов. Эти сведения помогают отличать место элемента в таблице от свойств вещества, которое образуют его атомы.

Молекула азота — частица простого вещества N₂, состоящая из двух атомов азота. Обозначение N относится к химическому элементу или отдельному атому, а N₂ — к веществу, образованному молекулами из двух атомов. Поэтому, говоря об азоте в воздухе, обычно имеют в виду молекулы N₂, а не свободные атомы N. Различие нужно учитывать при составлении формул и уравнений реакций.

Тройная связь — связь между двумя атомами, в которой они совместно используют три пары электронов. В молекуле N₂ такая связь делает её особенно прочной: чтобы атомы начали реагировать с другими частицами, связь нужно ослабить или разорвать. Этим объясняется низкая активность молекулярного азота при обычных условиях. Понятие тройной связи помогает понять, почему распространённый газ не вступает легко во многие реакции.

Фиксация азота — превращение молекулярного N₂ в соединения, которые могут использовать живые организмы или промышленность. Например, некоторые бактерии связывают атмосферный азот, а на заводах его превращают в аммиак. Сам N₂ большинство организмов непосредственно усваивать не может, поэтому переход к соединениям необходим для круговорота азота и производства удобрений. Так термин связывает свойства молекулы с природными и технологическими процессами.

Как это устроено

Порядковый номер 7 показывает заряд ядра атома азота, а в нейтральном атоме — и число электронов. Два электрона занимают первый энергетический уровень, остальные пять — внешний; именно внешние электроны участвуют в образовании связей. Поэтому азоту не хватает трёх электронов до завершения внешнего уровня, и в соединениях он часто проявляет степень окисления −3. В других соединениях степень окисления может быть положительной, вплоть до +5: это зависит от того, с какими атомами связан азот и как распределена электронная плотность.

У каждого атома азота на внешнем уровне есть пять электронов. При сближении двух атомов три пары электронов становятся общими, и возникает тройная связь N≡N; оставшаяся пара у каждого атома не участвует в ней. Такая электронная конфигурация делает молекулу устойчивой. Чтобы химическая реакция началась, нужно преодолеть значительный энергетический барьер, поэтому при обычной температуре азот реагирует медленно, хотя не является абсолютно нереакционноспособным.

При обычных условиях азот — бесцветный газ без запаха; он немного легче воздуха и плохо растворяется в воде. Само по себе отсутствие цвета или запаха не объясняет его химическое поведение: главная причина низкой активности — прочная связь N≡N. Для многих реакций нужны высокая температура, давление, электрический разряд, свет или катализатор. Катализатор ускоряет реакцию, но не расходуется в ней; пример промышленного процесса с катализатором — синтез аммиака из азота и водорода.

Около 78% объёма сухого воздуха приходится на молекулярный азот N₂, поэтому атмосфера — его главный природный резервуар. При этом азот встречается не только в воздухе: он входит в состав нитратов и других минеральных соединений, а также белков и нуклеиновых кислот организмов. Растения усваивают азот преимущественно в виде соединений из почвы, а не напрямую из воздуха. Благодаря этому атомы азота переходят между атмосферой, почвой и живыми организмами в ходе природного круговорота.

Для промышленности азот выделяют из воздуха, который сначала охлаждают и сжижают, а затем разделяют его компоненты по различию температур кипения. В лаборатории газ можно получить при разложении некоторых соединений азота; конкретный способ выбирают с учётом чистоты и нужного количества вещества. Азот используют как сырьё для синтеза аммиака, из которого производят удобрения и другие соединения. Его низкая активность полезна и сама по себе: газовая среда из азота ограничивает контакт материалов с кислородом и уменьшает нежелательные реакции.

Азот: строение, свойства, получение и применение

Таблица помогает сопоставить строение молекулы с физическими и химическими свойствами азота. При подготовке к задаче сначала уточните, спрашивают ли о химическом элементе N или о простом веществе N₂. Затем проверьте, какие условия реакции указаны и нужно ли учитывать коэффициенты уравнения.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, чем различаются понятия «химический элемент азот» и «простое вещество азот». Сопоставьте обозначения и частицы, которые стоят за каждым термином. Важно не принимать символ элемента за формулу вещества.

1. Химический элемент азот — вид атомов с зарядом ядра +7; его символ N.
2. Простое вещество азот состоит из молекул N₂, в каждой из которых по два атома этого элемента.
3. Следовательно, N обозначает элемент или атом, а N₂ — молекулярное простое вещество.

Ответ: элемент — это вид атомов N, простое вещество — молекулы N₂.

Задача 2. Составьте уравнение реакции азота с водородом, при которой образуется аммиак. Записывайте формулы простых веществ с учётом того, что оба газа двухатомны. После этого уравняйте число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Запишем схему: N₂ + H₂ → NH₃.
2. Слева два атома азота, поэтому поставим перед NH₃ коэффициент 2: N₂ + H₂ → 2NH₃.
3. Теперь справа шесть атомов водорода, значит перед H₂ нужен коэффициент 3. Проверка: по обе стороны два атома N и шесть атомов H.

Ответ: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Знак ⇄ показывает, что в условиях синтеза аммиака реакция обратима.

Задача 3. Какой объём азота нужен для реакции с 30 л водорода при одинаковых температуре и давлении? Какой объём аммиака может образоваться? Считаем газы идеальными и предполагаем, что водород полностью прореагировал, а выход продукта равен теоретическому.

1. Уравнение: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. При одинаковых температуре и давлении объёмы газов соотносятся как коэффициенты уравнения.
2. На 3 объёма H₂ требуется 1 объём N₂, поэтому V(N₂) = 30 л ÷ 3 = 10 л.
3. Из 3 объёмов H₂ получаются 2 объёма NH₃: V(NH₃) = 30 л × 2 ÷ 3 = 20 л.

Ответ: требуется 10 л азота; теоретически образуется 20 л аммиака.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что азот в воздухе представлен отдельными атомами. Так могут подумать, увидев символ N в названии элемента, но при обычных условиях газ состоит из молекул N₂. Проверяйте формулу простого вещества и помните о двухатомности азота. В уравнениях реакций записывайте N₂, если речь идёт о молекулярном азоте.

Ошибка — смешивать химический элемент N и простое вещество N₂. Оба обозначения связаны с азотом, поэтому их легко принять за одно и то же, но первое называет вид атомов, а второе — вещество из двухатомных молекул. Проверка простая: спросите себя, говорится ли о частицах элемента или о количестве газа. В формулах уравнений простое вещество записывают как N₂.

Ошибка — объяснять низкую реакционную способность тем, что азот вообще не вступает в реакции. Прочная тройная связь затрудняет начало реакции, но при подходящих условиях она возможна. Такое заблуждение возникает, если принять «малоактивен» за «неактивен». Проверяйте себя примерами: азот реагирует с водородом при промышленных условиях и с кислородом при высокой температуре.

Ошибка — записывать уравнение реакции, не учитывая двухатомность азота, или оставлять его несбалансированным. При составлении формул иногда переносят обозначение N прямо в запись простого вещества, а коэффициенты подбирают наугад. Сначала запишите верные формулы реагентов и продуктов, затем посчитайте атомы каждого элемента с обеих сторон. Если числа не совпадают, расставьте коэффициенты и выполните повторную проверку.

Связь с другими темами

Для понимания азота нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодическом законе: они объясняют, как внешний уровень связан с образованием связей и степенями окисления. Навыки определения валентности и степеней окисления понадобятся при составлении формул соединений азота. Далее эти знания применяются при изучении аммиака, солей аммония, оксидов азота и азотной кислоты. Фиксация азота помогает понять его круговорот в природе и то, как получают азотные удобрения.

Что запомнить

• Символ химического элемента азота — N, порядковый номер — 7.
• Простое вещество азот состоит из двухатомных молекул N₂.
• В молекуле N₂ атомы соединены прочной тройной связью.
• При обычных условиях азот — бесцветный газ без запаха, малоактивный химически.
• Основная часть атмосферного азота находится в виде молекул N₂.
• Азот реагирует с другими веществами при подходящих условиях; один из важных продуктов реакции с водородом — аммиак.
• Азот используют как сырьё и как газовую среду, свойства которой позволяют ограничивать нежелательные реакции.