Salipéter adás – így fordítják a nitrogén szót latinból. Ez a nitrogén neve - egy 7-es rendszámú kémiai elem, amely a periódusos rendszer hosszú változatában a 15. csoportot vezeti. Egyszerű anyag formájában eloszlik a Föld léghéjában - a légkörben. Különféle nitrogénvegyületek találhatók a földkéregben és az élő szervezetekben, és széles körben használják az iparban, a katonai ügyekben, a mezőgazdaságban és az orvostudományban.
Miért nevezték a nitrogént „fullasztónak” és „élettelennek”?
Ahogy a kémiatörténészek sugallják, Henry Cavendish (1777) volt az első, aki megkapta ezt az egyszerű anyagot. A tudós levegőt engedett át forró szénen, és lúgot használt a reakciótermékek elnyelésére. A kísérlet eredményeként a kutató színtelen, szagtalan gázt fedezett fel, amely nem reagált a szénnel. Cavendish "fullasztó levegőnek" nevezte, mert nem képes fenntartani a légzést és az égést.
Egy modern vegyész elmagyarázná, hogy az oxigén reakcióba lép a szénnel, és szén-dioxidot képez. A levegő maradék "fojtó" része többnyire N2 molekulából állt. Cavendish és más tudósok akkor még nem tudtak erről az anyagról, bár a nitrogén- és salétromvegyületeket akkoriban széles körben használták a gazdaságban. A tudós jelentette a szokatlan gázt kollégájának, aki hasonló kísérleteket végzett, Joseph Priestley-nek.
Ugyanakkor Karl Scheele felhívta a figyelmet a levegő egy ismeretlen összetevőjére, de nem tudta helyesen megmagyarázni annak eredetét. Csak Daniel Rutherford ismerte fel 1772-ben, hogy a kísérletekben jelenlévő „fojtogató” „elromlott” gáz a nitrogén. Melyik tudóst tekinthetjük felfedezőjének – a tudománytörténészek még mindig vitatkoznak erről.
15 évvel Rutherford kísérletei után a híres kémikus, Antoine Lavoisier azt javasolta, hogy a nitrogénre utaló „elromlott levegő” kifejezést cseréljék le egy másikra, a nitrogénre. Addigra bebizonyosodott, hogy ez az anyag nem ég, nem támogatja a légzést. Ugyanakkor megjelent az orosz "nitrogén" név, amelyet különféleképpen értelmeznek. A kifejezést leggyakrabban azt mondják, hogy "élettelen". A későbbi munkák megcáfolták az anyag tulajdonságairól elterjedt véleményt. A nitrogénvegyületek - fehérjék - az élő szervezetek összetételének legfontosabb makromolekulái. Felépítésükhöz a növények felszívják a talajból az ásványi táplálék szükséges elemeit - NO32- és NH4+ ionokat..
A nitrogén egy kémiai elem
A periodikus rendszer (PS) segít megérteni az atom szerkezetét és tulajdonságait. Egy kémiai elemnek a periódusos rendszerben elfogl alt helyzete alapján meg lehet határoznimagtöltés, protonok és neutronok száma (tömegszám). Figyelni kell az atomtömeg értékére - ez az elem egyik fő jellemzője. A periódusszám az energiaszintek számának felel meg. A periódusos rendszer rövid változatában a csoportszám a külső energiaszinten lévő elektronok számának felel meg. Foglaljuk össze a nitrogén általános jellemzőire vonatkozó összes adatot a periódusos rendszerben elfogl alt helyzete alapján:
- Ez egy nem fém elem, a PS jobb felső sarkában található.
- Kémiai jel: N.
- Rendelési szám: 7.
- Relatív atomtömeg: 14.0067.
- Az illékony hidrogénvegyület képlete: NH3 (ammónia).
- A legmagasabb oxidot termeli N2O5, amelyben a nitrogén vegyértéke V.
A nitrogénatom szerkezete:
- Alaptöltés: +7.
- Protonok száma: 7; neutronok száma: 7.
- Energiaszintek száma: 2.
- Az elektronok teljes száma: 7; elektronikus képlet: 1s22s22p3.
A 7-es számú elem stabil izotópjait részletesen tanulmányozták, tömegszámuk 14 és 15. Közülük a könnyebbik atomtartalma 99,64%. A rövid élettartamú radioaktív izotópok magjában 7 proton is található, a neutronok száma pedig nagyon változó: 4, 5, 6, 9, 10.
Nitrogén a természetben
A Föld léghéja egy egyszerű anyag molekuláit tartalmazza, amelyek képlete N2. A légkör gáznemű nitrogéntartalma térfogatban kifejezvekörülbelül 78,1%. Ennek a kémiai elemnek a földkéregben található szervetlen vegyületei a különböző ammóniumsók és nitrátok (nitrátok). A vegyületek képlete és néhány legfontosabb anyag neve:
- NH3, ammónia.
- NINCS2, nitrogén-dioxid.
- NaNO3, nátrium-nitrát.
- (NH4)2SO4, ammónium-szulfát.
Nitrogén vegyértéke az utolsó két vegyületben - IV. A szén, a talaj, az élő szervezetek is tartalmaznak kötött N atomokat. A nitrogén az aminosav-makromolekulák, a DNS- és RNS-nukleotidok, a hormonok és a hemoglobin szerves része. Egy kémiai elem teljes tartalma az emberi szervezetben eléri a 2,5%-ot.
Egyszerű anyag
A kétatomos molekulák formájában lévő nitrogén a légköri levegő legnagyobb része térfogatban és tömegben. Az N2 képletû anyagnak nincs szaga, színe vagy íze. Ez a gáz a Föld légburokának több mint 2/3-át teszi ki. Folyékony formában a nitrogén színtelen anyag, amely vízhez hasonlít. Forr -195,8 °C-on. M (N2)=28 g/mol. Az egyszerű anyag, a nitrogén valamivel könnyebb, mint az oxigén, sűrűsége levegőben közel 1.
A molekulában lévő atomok szilárdan megkötnek 3 közös elektronpárt. A vegyület nagy kémiai stabilitást mutat, ami megkülönbözteti az oxigéntől és számos más gáznemű anyagtól. Ahhoz, hogy egy nitrogénmolekula szétessen az alkotó atomokra, 942,9 kJ / mol energiát kell elkölteni. A három elektronpár kötése nagyon erős.2000 °C fölé hevítve lebomlik.
Normál körülmények között gyakorlatilag nem megy végbe a molekulák atomokká történő disszociációja. A nitrogén kémiai tehetetlensége annak is köszönhető, hogy molekuláiban teljesen hiányzik a polaritás. Nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba egymással, ez az oka a gáz halmazállapotú anyagnak normál nyomáson és szobahőmérséklethez közeli hőmérsékleten. A molekuláris nitrogén alacsony reakcióképessége különféle eljárásokban és eszközökben alkalmazható, ahol inert környezet kialakítására van szükség.
A molekulák disszociációja N2 a napsugárzás hatására a felső légkörben előfordulhat. Atomi nitrogén képződik, amely normál körülmények között néhány fémmel és nemfémmel (foszfor, kén, arzén) reagál. Ennek eredményeként olyan anyagok szintézise zajlik, amelyeket közvetetten, földi körülmények között nyernek.
Nitrogén vegyértékszám
Az atom külső elektronrétegét 2 s és 3 p elektronok alkotják. Ezek a negatív nitrogénrészecskék feladhatják, ha más elemekkel kölcsönhatásba lépnek, ami megfelel redukáló tulajdonságainak. A hiányzó 3 elektront az oktetthez kapcsolva az atom oxidáló képességet mutat. A nitrogén elektronegativitása kisebb, nem fémes tulajdonságai kevésbé hangsúlyosak, mint a fluoroké, oxigéneké és klóroké. Amikor ezekkel a kémiai elemekkel kölcsönhatásba lép, a nitrogén elektronokat ad fel (oxidálódik). A negatív ionokká redukálást más nemfémekkel és fémekkel való reakciók kísérik.
A nitrogén tipikus vegyértéke a III. Ebben az esetbenkémiai kötések jönnek létre a külső p-elektronok vonzása és közös (kötő)párok létrehozása következtében. A nitrogén magányos elektronpárja révén képes donor-akceptor kötést kialakítani, ahogy az ammóniumionban előfordul: NH4+.
Laboratóriumi és ipari termelés
Az egyik laboratóriumi módszer a réz-oxid oxidációs tulajdonságain alapul. Nitrogén-hidrogén vegyületet használunk - ammónia NH3. Ez a bűzös gáz reakcióba lép porított fekete réz-oxiddal. A reakció eredményeként nitrogén szabadul fel, és fémes réz (vörös por) jelenik meg. A reakció másik terméke, a vízcseppek leülepednek a cső falán.
Egy másik laboratóriumi módszer, amely nitrogént fémekkel kombinál, az azid, például a NaN3. Kiderült, hogy egy gáz, amelyet nem kell megtisztítani a szennyeződésektől.
Az ammónium-nitritet a laboratóriumban nitrogénre és vízre bomlik le. A reakció megindulásához melegítésre van szükség, majd a folyamat hőleadással megy végbe (exoterm). A nitrogén szennyeződésekkel szennyezett, ezért megtisztítják és szárítják.
Nitrogén előállítása az iparban:
- folyékony levegő frakcionált desztillációja – olyan módszer, amely a nitrogén és az oxigén fizikai tulajdonságait használja (különböző forráspontok);
- levegő kémiai reakciója vörösen izzó szénnel;
- adszorpciós gázleválasztás.
Kölcsönhatás fémekkel és hidrogénnel – oxidáló tulajdonságok
Erős molekulák tehetetlenségenem teszi lehetővé bizonyos nitrogénvegyületek közvetlen szintézissel történő előállítását. Az atomok aktiválásához az anyag erős melegítése vagy besugárzása szükséges. A nitrogén szobahőmérsékleten reagálhat a lítiummal, a magnéziummal, kalciummal és nátriummal a reakció csak melegítéskor megy végbe. A megfelelő fém-nitridek keletkeznek.
A nitrogén és a hidrogén kölcsönhatása magas hőmérsékleten és nyomáson megy végbe. Ehhez a folyamathoz katalizátorra is szükség van. Kiderült, hogy az ammónia - a kémiai szintézis egyik legfontosabb terméke. A nitrogén, mint oxidálószer, vegyületeiben három negatív oxidációs állapotot mutat:
- −3 (az ammónia és a nitrogén egyéb hidrogénvegyületei nitridek);
- −2 (hidrazin N2H4);
- −1 (hidroxil-amin NH2OH).
A legfontosabb nitridet – az ammóniát – nagy mennyiségben állítják elő az iparban. A nitrogén kémiai tehetetlensége sokáig nagy probléma maradt. A salétrom volt a nyersanyagforrás, de az ásványi készletek gyorsan csökkenni kezdtek a termelés növekedésével.
A kémiai tudomány és gyakorlat nagy vívmánya volt az ammóniás nitrogénkötési módszer ipari méretekben történő megalkotása. A közvetlen szintézist speciális oszlopokban hajtják végre - ez egy reverzibilis folyamat a levegőből nyert nitrogén és a hidrogén között. Ha olyan optimális körülményeket teremtünk, amelyek a reakció egyensúlyát a termék felé tolják el, katalizátor használatával az ammónia hozama eléri a 97%-ot.
Kölcsönhatás oxigénnel – redukáló tulajdonságok
A nitrogén és oxigén reakciójának elindításához erős melegítésre van szükség. Egy elektromos ív és egy villámkisülés a légkörben elegendő energiával rendelkezik. A legfontosabb szervetlen vegyületek, amelyekben a nitrogén pozitív oxidációs állapotban van:
- +1 (nitrogén-monoxid (I) N2O);
- +2 (nitrogén-monoxid NO);
- +3 (nitrogén-oxid (III) N2O3; salétromsav HNO2, sói nitritek);
- +4 (nitrogén(IV)-dioxid NO2);
- +5 (nitrogén-pentoxid (V) N2O5, salétromsav HNO3, nitrátok).
Jelentés a természetben
A növények ammóniumionokat és nitrát-anionokat szívnak fel a talajból, kémiai reakciókhoz felhasználják a sejtekben folyamatosan zajló szerves molekulák szintézisét. A légköri nitrogént a gócbaktériumok – mikroszkopikus méretű lények – képesek felvenni, amelyek a hüvelyesek gyökerein növedékeket képeznek. Ennek eredményeként ez a növénycsoport megkapja a szükséges tápelemet, gazdagítja vele a talajt.
Trópusi felhőszakadások során a légköri nitrogénoxidációs reakciók lépnek fel. Az oxidok feloldódása során savakat képeznek, ezek a vízben lévő nitrogénvegyületek bejutnak a talajba. Az elem természetben való keringésének köszönhetően a földkéregben és a levegőben lévő készletei folyamatosan feltöltődnek. A nitrogént tartalmazó összetett szerves molekulákat a baktériumok szervetlen komponensekre bontják.
Gyakorlati használat
A legfontosabb kapcsolatokA mezőgazdasági nitrogén jól oldódó sók. A karbamidot, a sót (nátrium, kálium, kalcium), az ammóniumvegyületeket (ammónia, klorid, szulfát, ammónium-nitrát vizes oldata) a növények asszimilálják.nitrátok. A növényi szervezet egyes részei képesek makrotápanyagokat „a jövő számára” tárolni, ami rontja a termékek minőségét. A zöldségekben és gyümölcsökben lévő nitráttöbblet mérgezést, rosszindulatú daganatok növekedését okozhatja az emberekben. A nitrogénvegyületeket a mezőgazdaságon kívül más iparágakban is használják:
- gyógyszereket kapni;
- makromolekuláris vegyületek kémiai szintéziséhez;
- a robbanóanyagok trinitrotoluolból (TNT) történő gyártásában;
- festékek gyártására.
A sebészetben NO-oxidot használnak, az anyag fájdalomcsillapító hatású. Már a nitrogén kémiai tulajdonságaival foglalkozó első kutatók is észrevették, hogy e gáz belélegzésekor az érzések elvesznek. Így jelent meg a triviális "nevetőgáz" név.
Nitrátprobléma a mezőgazdasági termékekben
A salétromsav sók – nitrátok – egyszeresen töltött aniont tartalmaznak NO3-. Eddig ennek az anyagcsoportnak a régi nevét használták - salétrom. A nitrátokat szántók trágyázására, üvegházakban, gyümölcsösökben használják. Kora tavasszal vetés előtt alkalmazzák, nyáron - folyékony csávázószer formájában. Az anyagok önmagukban nem jelentenek nagy veszélyt az emberre, dea szervezetben nitritté, majd nitrozaminokká alakulnak. A NO2- nitrit ionok mérgező részecskék, a hemoglobin molekulákban lévő vas (vas) háromértékű ionokká történő oxidációját okozzák. Ebben az állapotban az emberek és állatok vérének fő anyaga nem képes oxigént szállítani és szén-dioxidot eltávolítani a szövetekből.
Mi a veszélye az élelmiszerek nitrátszennyezésének az emberi egészségre:
- rosszindulatú daganatok, amelyek akkor fordulnak elő, amikor a nitrátok nitrozaminokká (rákkeltő anyagokká) alakulnak;
- colitis ulcerosa kialakulása,
- hipotenzió vagy magas vérnyomás;
- szívelégtelenség;
- véralvadási zavar
- máj, hasnyálmirigy, cukorbetegség kialakulása;
- veseelégtelenség kialakulása;
- vérszegénység, károsodott memória, figyelem, intelligencia.
Különböző, nagy dózisú nitráttartalmú élelmiszerek egyidejű fogyasztása akut mérgezéshez vezet. Forrása lehet növények, ivóvíz, elkészített húsételek. A tiszta vízben való áztatás és a főzés csökkentheti az ételek nitráttartalmát. A kutatók azt találták, hogy nagyobb dózisú veszélyes vegyületeket találtak az éretlen és üvegházhatású növényi termékekben.
A foszfor a nitrogén alcsoport egyik eleme
A periódusos rendszer ugyanabban a függőleges oszlopában lévő kémiai elemek atomjai közös tulajdonságokat mutatnak. A foszfor a harmadik periódusban található, a nitrogénhez hasonlóan a 15. csoportba tartozik. Az atomok szerkezeteaz elemek hasonlóak, de vannak különbségek a tulajdonságokban. A nitrogén és a foszfor negatív oxidációs állapotot és III vegyértéket mutat fémekkel és hidrogénnel alkotott vegyületeikben.
A foszfor sok reakciója normál hőmérsékleten megy végbe, kémiailag aktív elem. Az oxigénnel kölcsönhatásba lépve magasabb oxidot képez P2O5. Ennek az anyagnak a vizes oldata sav (metafoszforsav) tulajdonságokkal rendelkezik. Ha melegítjük, ortofoszforsavat kapunk. Többféle sót képez, amelyek közül sok ásványi műtrágyaként szolgál, például szuperfoszfátok. A nitrogén- és foszforvegyületek fontos részét képezik bolygónkon az anyag- és energiakörforgásnak, ipari, mezőgazdasági és egyéb tevékenységi területeken használják őket.
