Što je dušik? Masa dušika. Molekula dušika

Nemetalni element 15. Grupa [Va] periodičkog - dušikov atom 2 koji se kombiniraju tako da tvore molekulu - bezbojan, bez mirisa i okusa plin čini velik dio Zemljinu atmosferu i koji je dio svih živih bića.

Povijest otkrivanja

Dušik je plin oko 4/5 Zemljine atmosfere. To je izoliran u ranom Air Research. U 1772, švedski kemičar Carl Wilhelm Scheele prvo dokazati da je takav dušika. Prema njegovim riječima, zrak je smjesa dvaju plinova, od kojih je jedan bio pod nazivom „vatra zrak”, koji je za izgaranje, a drugi - .. „Nečista zrak” jer to ostaje nakon prvog konzumira. To su kisik i dušik. Otprilike u isto vrijeme dušik je izoliran je škotski botaničar Daniel Rutherford, koji je prvi objavio svoje nalaze, kao i britanski kemičar Henry Cavendish i britanske kanonik i znanstvenik Joseph Priestley koji je dijelio s Scheele primat otkrića kisika. Daljnja istraživanja pokazuju da je novi plin ulazi u nitrata ili kalijevim nitratom (kno₃), I, sukladno tome, imenovan je od dušika ( „roditi salitra”) po francuski kemičar Chaptal 1790. Dušik je bio prvi klasificiran kao kemijski elementi Lavoisier, čije objašnjenje uloge kisika u izgaranja pobijaju teoriju flogiston - popularan u XVIII stoljeću. izgaranja zabluda. Nesposobnost tog kemijskog elementa za održavanje života (na grčkom zeta-omega-ή) bio je razlog zbog kojeg je Lavoisier nazvao dušik plina.

Pojava i distribucija

Što je dušik? Prevalencija kemijskih elemenata zauzima šesto mjesto. Zemljina atmosfera je 75,51% težine, a 78,09% volumena sastoji se od ovog elementa i njegov je glavni izvor za industriju. Atmosfera također sadrži malu količinu amonijaka i amonijevih soli, kao i dušikovih oksida i dušična kiselina, formirana tijekom grmljavina, kao i kod motora s unutarnjim izgaranjem. Slobodni dušik se nalazi u mnogim meteoritima, vulkanskim i mlinskim plinovima i nekim mineralnim izvorima, na suncu, zvijezdama i maglicama.

Dušik se također nalazi u mineralnim naslagama kalij nitrata i natrija, ali nije dovoljno da zadovolji ljudske potrebe. Drugi materijal bogat u ovom elementu je guano, koji se može naći u špiljama gdje se nalaze mnogi šišmiši, ili na suhim mjestima koja posjećuju ptice. Također se dušik nalazi u kiši i tlu u obliku amonijaka i amonijevih soli, te u morskoj vodi u obliku amonijevih iona (NH₄⁺), nitrita (NO₂^-) i nitrati (NO₃^-). U prosjeku je oko 16% složenih organskih spojeva, kao što su proteini, prisutni u svim živim organizmima. Njegov prirodni sadržaj u zemljinoj koru je 0,3 dijelova na 1000. Prevalencija u prostoru je 3 do 7 atoma po atomu silicija.

Najveće zemlje koje proizvode dušik (u obliku amonijaka) početkom XXI. Stoljeća bile su Indija, Rusija, Sjedinjene Države, Trinidad i Tobago, Ukrajina.

Komercijalna proizvodnja i uporaba

Industrijska proizvodnja dušika temelji se na frakcijskoj destilaciji ukapljenog zraka. Vrelište je -195.8 ° C, što je 13 ° C niže od one kisika, što je tako odvojeno. Dušik se također može proizvesti u velikoj mjeri spaljivanjem ugljika ili ugljikovodika u zraku i razdvajanjem rezultirajućeg ugljičnog dioksida i vode od preostalog dušika. Na maloj skali, čisti dušik se proizvodi zagrijavanjem barijevog azida Ba (N₃)₂. Laboratorijske reakcije uključuju zagrijavanje otopine amonijevog nitrita (NH₄NE₂), oksidaciju amonijaka vodenom otopinom broma ili zagrijavanjem bakar oksid:

• NH₄⁺+NE₂^-→ N₂+2H₂O.
• 8NH₃+3Br₂→ N₂+6NH₄⁺+6bR^-.
• 2NH₃+3CuO → N₂+3H₂O + 3Cu.

Elementarni dušik može se koristiti kao inertna atmosfera za reakcije koje zahtijevaju isključivanje kisika i vlage. Također se koristi tekući dušik. Vodik, metan, ugljikov monoksid, fluor i kisik jedine su tvari koje se ne prerade u čvrstu kristalnu vodu u točki vrenja dušika.

U kemijskoj industriji ovaj kemijski element koristi se za sprečavanje oksidacije ili drugog kvarenja proizvoda, poput inertnog razrjeđivača reaktivnog plina, za uklanjanje toplote ili kemikalija i kao inhibitor požara ili eksplozije. U prehrambenoj industriji, dušik se koristi za sprječavanje kvarenja proizvoda i tekućina - za sustave sušenja i hlađenja smrzavanjem. U elektroindustriji, plin sprječava oksidaciju i druge kemijske reakcije, stvara pritisak u kabelskoj ovojnici i štiti električne motore. U metalurgiji se dušik koristi u zavarivanju i lemljenju, sprečava oksidaciju, carburizaciju i dekarburizaciju. Kao neaktivni plin koristi se u proizvodnji porozne gume, plastike i elastomera, služi kao propelant u spremnicima aerosola, a također stvara pritisak tekućeg goriva u mlaznim zrakoplovima. U medicini se brzo očuvanje s tekućim dušikom koristi za očuvanje krvi, koštane srži, tkiva, bakterija i spermija. Pronašao je aplikaciju u kriogenom istraživanju.

veze

Većina dušika koristi se u proizvodnji kemijskih spojeva. Trostruka veza između atoma elementa je toliko jaka (226 kcal po molu, dvostruko veća od molekularnog vodika) da molekula dušika jedva ulazi u druge spojeve.

Glavna industrijska metoda za fiksiranje elementa je Haber-Boschov postupak za sintezu amonijaka, razvijen tijekom Prvog svjetskog rata, kako bi se smanjila ovisnost Njemačke o Čileanski amonijev nitrat. To uključuje izravnu NH sintezu₃ - bezbojni plin s oštrim, iritirajućim mirisom - izravno iz njegovih elemenata.

Većina amonijaka pretvara se u dušičnu kiselinu (HNO₃) i nitrati - soli i esteri dušične kiseline, kalcinirani soda (Na₂CO₃), hidrazin (N₂H₄) Je li bezbojna tekućina upotrijebljena kao propelant i u mnogim industrijskim procesima.

Dušična kiselina je još jedan veliki komercijalni spoj ovog kemijskog elementa. Bezbojna, visoko korozivna tekućina koristi se u proizvodnji gnojiva, boja, lijekova i eksploziva. Amonij nitrat (NH₄NE₃) - sol amonijaka i dušične kiseline - najčešća je komponenta dušičnih gnojiva.

Dušik + kisik

S kisikom, dušik tvori niz oksida, uključujući dušični oksid (N₂O), u kojem je njegova valencija +1, oksid (NO) (+2) i dioksid (NO₂) (+4). Mnogi dušični oksidi su izrazito nestabilni, oni su glavni izvor zagađenja u atmosferi. Dušikov oksid, također poznat kao plin za gorenje, ponekad se koristi kao anestetik. Kada se udahne, uzrokuje blagu hipnozu. Dušikov oksid reagira brzo s kisikom kako bi nastala smeđi dioksid, intermedijer u proizvodnja dušične kiseline i snažan oksidator u kemijskim procesima i raketnim gorivima.

Također se koriste neki nitridi nastali kombinacijom metala s dušikom na povišenim temperaturama. Nitroni bora, titana, cirkonija i tantala imaju posebne primjene. Na primjer, jedan kristalni oblik borovog nitrida (BN) nije slabiji od dijamanta u tvrdoći i slabo je oksidiran, stoga se upotrebljava kao abrazivna temperatura visoke temperature.

Anorganski cianidi sadrže CN grupu^-. Vodikov cijanid, ili hidrocijanata HCN je izuzetno nestabilan i vrlo otrovni plin, koji se koristi za fumigaciju, koncentraciju ruda, u drugim industrijskim procesima. Dican (CN)₂ se koristi kao intermedijarna kemikalija i za fumigaciju.

Azidi su spojevi koji sadrže skupinu od tri atoma dušika -N₃. Većina ih je nestabilna i vrlo osjetljiva na šokove. Neki od njih, kao što je olovni azid Pb (br₃)₂, se koriste u detonatorima i kapsulama. Azidi, poput halogena, lako su u interakciji s drugim tvarima i formiraju različite spojeve.

Dušik je dio nekoliko tisuća organskih spojeva. Većina njih dobivaju se od amonijaka, vodikovog cijanida, cijanogena, dušičnog oksida ili dušične kiseline. Amini, aminokiseline, amidi, na primjer, dobiveni su iz ili su usko povezani s amonijakom. Nitroglicerin i nitroceluloza su esteri nitratne kiseline. Nitriti se dobivaju iz dušične kiseline (HNO₂). Purini i alkaloidi su heterociklički spojevi u kojima dušik zamjenjuje jedan ili više ugljikovih atoma.

Svojstva i reakcije

Što je dušik? To je bezbojni, mirisni plin koji se kondenzira na -195.8 ° C u tekućinu bez boje, niske viskoznosti. Element postoji u obliku N molekula₂, zastupljena u obliku: N ::: N: za koju je energija vezanja, koja je jednaka 226 kcal po molu, druga samo na ugljični monoksid (256 kcal po molu). Iz tog razloga, energija aktivacije molekularnog dušika je vrlo visoka, pa je u normalnim uvjetima element relativno inertan. Dodatno, vrlo stabilna molekula dušika značajno doprinosi termodinamičkoj nestabilnosti mnogih spojeva koji sadrže dušik u kojem su veze, iako dovoljno jake, slabije od molekularnih veza dušika.

Relativno nedavno i neočekivano, otkrivena je sposobnost molekula dušika da služe kao ligandi u složenim spojevima. Promatranje da neka rješenja rutenijskih kompleksa mogu apsorbirati atmosferski dušik dovela je do činjenice da se uskoro može pronaći jednostavniji i bolji način popravljanja ovog elementa.

Aktivni dušik se može dobiti prolaženjem niskotlačnog plina kroz električno pražnjenje visokog napona. Proizvod svijetli žuto i mnogo je spremniji reagirati od one molekularne, s atomskim vodikom, sumporom, fosforom i različitim metalima, a također je sposoban razgraditi NO do N₂ i O₂.

Jasna ideja o tome što je dušik, može se dobiti iz njegove elektroničke strukture, koja ima formu 1s²2s²2p³. Pet elektrona vanjskih školjaka slabo štiti naboj, zbog čega se efektivno nuklearno napajanje osjeća na udaljenosti kovalentnog radijusa. Atomi dušika su relativno mali i imaju visoku elektronegativnost, smještenu između ugljika i kisika. Elektronska konfiguracija obuhvaća tri polu ispunjena vanjska orbitala, koja omogućuju formiranje tri kovalentne veze. Stoga dušikov atom mora imati iznimno visoku reaktivnost, stvarajući stabilne binarnim spojevima s većinom drugih elemenata, posebno kada se drugi element bitno razlikuje u elektronegativnosti, što daje značajnu polarnost vezama. Kada je elektronegativnost drugog elementa niža, polaritet daje atom dušika djelomični negativni naboj koji oslobađa svoje nepodijeljene elektrone da sudjeluju u koordinacijskim vezama. Kada je drugi element više elektronegativan, djelomično pozitivan naboj dušika bitno ograničava donorska svojstva molekule. Na niskoj polarnosti veze, zbog jednake elektronegativnosti drugog elementa, višestruke veze prevladavaju nad pojedinačnim vezama. Ako neusklađenost atomske dimenzije sprečava formiranje višestrukih veza, tada će nastala jednostavna veza vjerojatno biti relativno slaba, a veza će biti nestabilna.

Analitička kemija

Često postotak dušika u plinskoj smjesi može se odrediti mjerenjem njezinog volumena nakon apsorpcije drugih komponenata kemijskim reagensima. Razlaganje nitrata s sumpornom kiselinom u prisutnosti žive otpušta dušikov oksid, koji se može mjeriti kao plin. Dušik je oslobođen od organskih spojeva kada gori preko bakrenog oksida, a slobodni dušik može se izmjeriti kao plin nakon apsorpcije ostalih proizvoda izgaranja. Dobro poznati Kjeldahl metoda za određivanje tvari ovdje razmatra u organskim spojevima sastoji raspadaju spoja s koncentrirane sumporne kiseline (po izboru sadrži žive ili njen oksid, i razne soli). Tako se dušik prevodi u amonijev sulfat. Dodavanjem natrijevog hidroksida oslobađa se amonijak koji se skuplja uobičajenom kiselinom - rezidualna količina neizreagirane kiseline se zatim određuje titracijom.

Biološko i fiziološko značenje

Uloga dušika u živim tvarima potvrđuje fiziološku aktivnost organskih spojeva. Većina živih organizama ne može izravno koristiti ovaj kemijski element i mora imati pristup svojim spojevima. Stoga je fiksiranje dušika od velike važnosti. U prirodi, to je rezultat dvaju glavnih procesa. Jedan od njih je učinak električne energije na atmosferu, zbog čega se dušična i kisikova molekula disociraju, što omogućuje slobodnim atomima da formiraju NO i NO₂. Dioksid zatim reagira s vodom: 3NO₂+H₂O → 2HNO₃+NO.

HNO₃ otapa i dolazi na Zemlju kišom u obliku slabe otopine. Tijekom vremena, kiselina postaje dio kombiniranog dušika tla, gdje se neutralizira, tvore nitrite i nitrate. Sadržaj N u kultiviranim tlima, u pravilu, obnavlja se zbog uvođenja gnojiva koja sadrže nitrate i amonijeve soli. Izolacija životinja i biljaka i njihova razgradnja vraćaju dušikove spojeve u tlo i zrak.

Drugi osnovni proces prirodnog fiksacije je životna aktivnost mahunarki. Zahvaljujući simbiozi s bakterijama, ove su kulture sposobne pretvoriti atmosferski dušik izravno u svoje spojeve. Neki mikroorganizmi, kao što su Azotobacter Chroococcum i Clostridium pasteurianum, mogu sami sami popraviti N.

Sam plin, inertan, je bezopasan, osim kada se disanje pod pritiskom i otapa u krvi i drugim tjelesnim tekućinama pri većim koncentracijama. To uzrokuje opojni učinak, a ako se pritisak prebrzo smanji, višak dušika se oslobađa u obliku plinskih mjehurića u različitim dijelovima tijela. To može uzrokovati bol u mišićima i zglobovima, nesvjesticu, djelomičnu paralizu, pa čak i smrt. Ovi simptomi se nazivaju dekompresijska bolest. Stoga, oni koji su prisiljeni disati zrak pod takvim uvjetima, trebaju vrlo sporo smanjiti pritisak na normalno, tako da višak dušika izlazi kroz pluća bez formiranja mjehurića. Najbolja alternativa je koristiti disanje mješavine kisika i helija. Helij je mnogo manje topiv u tjelesnim tekućinama, a opasnost se smanjuje.

izotopi

Dušik postoji u obliku dva stabilna izotopa: ¹⁴N (99,63%) i ¹⁵N (0,37%). Oni se mogu odvojiti kemijskom izmjenom ili toplinskom difuzijom. Masa dušika u obliku umjetnih radioaktivnih izotopa je u rasponu od 10-13 i 16-24. Najstabilniji poluživot je 10 minuta. Prva umjetno inducirana nuklearna transmutacija napravljena je 1919. od strane britanskog fizičara Ernest Rutherford, koji je, bombardiranjem dušika-14 s alfa česticama, primio kisik-17 jezgre i protone.

nekretnine

Konačno, navodimo glavna svojstva dušika:

• Atomski broj: 7.
• Atomska težina dušika: 14.0067.
• Talište: -209,86 ° C.
• Točka vrelišta: -195.8 ° C.
• Gustoća (1 atm, 0 ° C): 1.2506 g dušika po litri.
• Zajedničke oksidacijske stanja: -3, +3, +5.
• Elektronička konfiguracija: 1s²2s²2p³.