"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Азот — простое вещество N₂, основная часть воздуха и важный участник природного круговорота веществ. При обычных условиях это бесцветный газ без запаха, который почти не вступает в реакции и не поддерживает горение. Причина его инертности — прочная тройная связь в молекуле. При нагревании, давлении или взаимодействии с активными металлами азот всё же реагирует, образуя аммиак, оксид азота(II) и нитриды.
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, образующий простое вещество N₂. В составе воздуха он составляет около 78 % по объёму, а в природе входит в круговорот азота. Различайте символ N, обозначающий атом элемента, и формулу N₂, обозначающую молекулу простого вещества.
Молекула азота — двухатомная молекула N₂, в которой атомы соединены прочной тройной ковалентной связью. Три общие электронные пары прочно удерживают атомы вместе. Эта особенность строения помогает объяснить, почему азот малоактивен без нагревания или других специальных условий.
Химическая инертность азота — малая реакционная способность N₂ при обычных условиях, обусловленная высокой прочностью тройной связи. Чтобы молекула вступила в реакцию, связь между атомами нужно ослабить или разорвать, а на это требуется энергия. Термин означает относительную, а не абсолютную неспособность реагировать.
Нитриды — бинарные соединения азота с металлами и некоторыми другими элементами. Например, при взаимодействии магния с азотом получается нитрид магния Mg₃N₂. Название помогает распознать класс соединения и отличить нитриды от оксидов, солей и других веществ азота.
При обычных условиях азот — газ, состоящий из бесцветных молекул без запаха и вкуса. Плотность N₂ немного меньше плотности воздуха, поскольку молярная масса азота равна 28 г/моль, а средняя молярная масса воздуха — около 29 г/моль. В воде азот растворяется плохо: молекулы N₂ неполярны и слабо взаимодействуют с полярными молекулами воды. Температура кипения азота составляет примерно −195,8 °C, а плавления — около −210 °C, поэтому при комнатной температуре он остаётся газом.
Азот немного легче воздуха, потому что его молярная масса меньше средней молярной массы воздуха. Это позволяет собирать его вытеснением воздуха вниз: газ поступает в сосуд и вытесняет воздух через верх. Плохая растворимость в воде позволяет собирать азот над водой, не теряя значительного количества газа. Азот не горит, поскольку при обычных условиях не вступает в реакцию окисления с выделением тепла, и обычно не поддерживает горение других веществ, в отличие от кислорода.
Низкая реакционная способность N₂ связана со строением его молекулы. В тройной связи между атомами азота очень велика энергия, необходимая для её разрыва, поэтому столкновений молекул при обычной температуре недостаточно для быстрого начала реакции. Когда связь удаётся ослабить — например, подводом тепла или с помощью катализатора, — азот может образовывать новые вещества. Следовательно, его инертность объясняется энергетическим барьером, а не отсутствием способности вступать в химические реакции.
С водородом азот реагирует при повышенных температуре и давлении в присутствии катализатора; реакция обратимая: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. С кислородом он соединяется при очень высокой температуре или в электрическом разряде: N₂ + O₂ ⇄ 2NO. С активными металлами азот образует нитриды, например при нагревании магния: 3Mg + N₂ → Mg₃N₂. В разных реакциях условия помогают преодолеть прочность связи в N₂ или компенсируют затраты энергии образованием прочных связей в продуктах.
Во всех трёх примерах меняются степени окисления элементов, поэтому реакции являются окислительно-восстановительными. В аммиаке и нитридах степень окисления азота изменяется от 0 до −3: азот принимает электроны и выступает окислителем. В оксиде NO его степень окисления становится +2, то есть азот отдаёт электроны кислороду и выступает восстановителем. Водород и металлы при образовании аммиака и нитридов окисляются, а кислород в реакции с азотом восстанавливается.
Таблица сопоставляет наблюдаемые свойства азота с условиями реакций и их результатами. Для решения задач обращайте внимание на формулу N₂, коэффициенты и условия: они показывают соотношение веществ и возможность реакции. Графа о практическом значении помогает связать свойства с выбором способа хранения или получения газа.
| Группа свойств | Свойство или реакция | Условия | Уравнение или характеристика | Практическое значение |
|---|---|---|---|---|
| Физические свойства: внешний вид и агрегатное состояние | Бесцветный газ без запаха и вкуса | Обычные условия | Молекулы N₂ | Используют как газовую среду |
| Физические свойства: плотность и растворимость в воде | Немного легче воздуха, мало растворим | Обычные условия | M(N₂) = 28 г/моль; M(воздуха) ≈ 29 г/моль | Можно собирать вытеснением воздуха вниз или над водой |
| Физические свойства: температуры кипения и плавления | Кипит при −195,8 °C, плавится около −210 °C | Нормальное давление | При комнатной температуре — газ | Получают и хранят жидкий азот при охлаждении |
| Отношение к горению | Не горит, обычно не поддерживает горение | Обычные условия | Малоактивен по отношению к большинству горящих веществ | Применяют для создания инертной среды |
| Реакция с водородом | Образование аммиака | Повышенные температура и давление, катализатор | N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ | Получение сырья для азотных удобрений |
| Реакция с кислородом | Образование оксида азота(II) | Высокая температура или электрический разряд | N₂ + O₂ ⇄ 2NO | Связь с образованием оксидов азота в атмосфере |
| Реакция с активными металлами | Образование нитридов | Нагревание; для некоторых металлов реакция идёт легче | 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ | Получение нитридов |
| Причина химической инертности при обычных условиях | Прочная тройная связь в N₂ | Обычные условия | Для начала реакции требуется преодолеть энергетический барьер | Объясняет устойчивость азота в воздухе |
Условие. Сравните плотность азота и воздуха и определите, будет ли азот собираться вытеснением воздуха вверх или вниз. Считайте, что газы находятся при одинаковых температуре и давлении. В этих условиях плотности газов пропорциональны их молярным массам.
Ответ: азот немного легче воздуха; его собирают вытеснением воздуха вниз. Это не означает, что азот нельзя собрать другим способом: поскольку он плохо растворяется в воде, подходит и сбор над водой.
Условие. Составьте и уравняйте реакции азота с водородом и магнием, укажите условия и определите окислитель. Учитывайте, что простое вещество азот записывают как N₂. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
Ответ: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ (повышенные температура и давление, катализатор); 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ (нагревание). В обоих случаях окислитель — азот.
Условие. Какой объём H₂ нужен для получения 20 л NH₃ по уравнению N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ при одинаковых условиях и полном превращении реагентов? При одинаковых температуре и давлении объёмы газов относятся как коэффициенты в уравнении. Поэтому количество вещества и давление отдельно вычислять не требуется.
Ответ: потребуется 30 л водорода. Расчёт предполагает одинаковые условия для газов и полное превращение реагентов; обратимость промышленного процесса здесь не учитывается.
Считать азот абсолютно нереакционноспособным. Так думают, потому что при комнатной температуре многие реакции N₂ действительно не заметны. Но при нагревании, высоком давлении, электрическом разряде или контакте с активными металлами азот реагирует. Проверяйте утверждение по условиям: «малоактивен при обычных условиях» точнее, чем «не реагирует».
Путать свойства азота и кислорода. Иногда азоту приписывают способность поддерживать горение, поскольку оба газа входят в состав воздуха. Это свойство характерно для кислорода, тогда как азот обычно не горит и не поддерживает горение. Для самопроверки вспомните, какой газ расходуется при горении, а какой в основном разбавляет воздух.
Записывать простое вещество как N вместо N₂. Символ N обозначает атом, и такая запись нарушает состав молекулярного азота в уравнении. В результате можно ошибиться в количестве атомов и коэффициентах. Перед уравниванием проверьте, что реагент записан как N₂.
Неверно уравнивать образование аммиака и нитридов. Частая причина ошибки — подбор коэффициентов только по одному элементу без повторной проверки остальных. Например, для аммиака нужно получить N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃, а для нитрида магния — 3Mg + N₂ → Mg₃N₂. Пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа: их числа должны совпадать.
Чтобы понять свойства азота, пригодятся знания о его положении в Периодической системе, строении атома, ковалентной связи и степенях окисления. Уравнения реакций опираются на закон сохранения атомов и правила расстановки коэффициентов. Далее свойства азота помогают изучать аммиак, азотную кислоту, нитраты, минеральные удобрения и круговорот азота в природе. Сравнение плотностей и расчёт объёмов газов нужны для выбора способа их собирания.
Почему азот не поддерживает горение, хотя содержится в воздухе?
В воздухе горение поддерживает кислород, а азот при обычных условиях малоактивен и не вступает в реакции, необходимые для продолжения большинства процессов горения. Поэтому он разбавляет кислород в воздухе, но сам не является окислителем в обычных условиях.
Почему молекула азота записывается как N₂, а не N?
Простое вещество азот состоит из двухатомных молекул: в каждой два атома N соединены тройной ковалентной связью. Запись N обозначает один атом азота, а N₂ — молекулу простого вещества.
Можно ли считать азот полностью химически инертным?
Нет, инертность азота относительна: она означает малую реакционную способность при обычных условиях, а не невозможность реакций. При нагревании, высоком давлении, электрическом разряде или контакте с активными металлами азот образует соединения.
При каких условиях азот реагирует с кислородом?
При очень высокой температуре или в электрическом разряде азот реагирует с кислородом воздуха. Образуется оксид азота(II): N₂ + O₂ ⇄ 2NO; затем NO может окисляться кислородом до NO₂.
Чем азот отличается от кислорода по физическим и химическим свойствам?
Оба вещества при обычных условиях — бесцветные газы без запаха, но азот немного легче воздуха, а кислород немного тяжелее. Кислород поддерживает горение и химически активнее, тогда как молекулярный азот обычно не поддерживает горение из-за прочной тройной связи.
18.2. Физические и химические свойства азота
