Дата публикации 16.02.2013 03:40

Азот – химический элемент периодической системы, обозначающийся буквой N и имеющий порядковый номер 7. Существует в виде молекулы N2, состоящей из двух атомов. Это химическое вещество представляет собой бесцветный, без запаха и без вкуса газ, он является инертным при стандартных условиях. Плотность азота при нормальных условиях (при 0 °C и давлении 101,3 кПа) равна 1,251 г/дм3. Элемент входит в состав атмосферы Земли в количестве 78,09 % от ее объема. Впервые был обнаружен как компонент воздуха шотландским врачом Даниэлем Резерфордом в 1772 году.

Жидкий азот является криогенной жидкостью. При атмосферном давлении он кипит при температуре – 195,8 °C. Поэтому его можно хранить только в изолированных сосудах, которыми являются стальные баллоны для сжиженных газов или сосуды Дюара. Только в этом случае его можно хранить или транспортировать без особых потерь из-за испарения. Как и сухой лед (сжиженный углекислый газ, иначе называемый углекислота), жидкий азот используется в качестве хладагента. Кроме того, его применяют для криоконсервации крови, половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток), а также других биологических образцов и материалов. Он востребован и в клинической практике, например, в криотерапии при удалении кисты и бородавок на коже. Плотность жидкого азота равняется 0,808 г/см3.

Многие промышленно важные соединения, такие, как азотная кислота, аммиак, органические нитраты (взрывчатые вещества, топливо) и цианиды, содержат N2. Чрезвычайно сильные связи элементарного азота в молекуле вызывают трудности для участия его в химических реакциях, этим объясняется его инертность при стандартных условиях (температуре и давлении). В том числе и по этим причинам N2 имеет большое значение во многих научных и производственных сферах. Например, он необходим для поддержания внутрипластового давления при добыче нефти или газа. Любое его практическое или научное применений требует знать, какова будет плотность азота при конкретном давлении и температуре. Из законов физики и термодинамики известно, что при постоянном объеме с ростом температуры будет расти давление и плотность газа, и наоборот.

Когда и зачем нужно знать плотность азота ? Расчет этого показателя применяется при проектировании технологических процессов, протекающих с применением N2, в лабораторной практике и на производстве. Используя известное значение плотности газа, можно рассчитать его массу в определенном объеме. Например, известно, что газ занимает при нормальных условиях объем 20 дм3. В этом случае можно рассчитать его массу: m = 20 1,251 = 25,02 г. Если условия отличные от стандартных, и известен объем N2 при этих условиях, то потребуется сначала найти (по справочникам) плотность азота при определенном давлении и температуре, а затем эту величину умножить на объем, занимаемый газом.

Подобные расчеты проводят на производстве при составлении материальных балансов технологических установок. Они необходимы для ведения технологических процессов, выбора контрольно-измерительных приборов, расчета технико-экономических показателей и прочее. Например, после остановки химического производства все аппараты и трубопроводы должны перед их вскрытием и выводом в ремонт продуваться инертным газом – азотом (он самый дешевый и наиболее доступный по сравнению, например, с гелием или аргоном). Как правило, они продуваются таким количеством N2, который в несколько раз превышает объем аппаратов или трубопроводов, только так можно удалить из системы горючие газы и пары и исключить взрыв или пожар. Планируя операции перед остановочным ремонтом, технолог, зная объем опорожняемой системы и плотность азота, рассчитывает массу N2, которая потребуется для продувки.

АЗОТ, N (лат. Nitrogenium * а. nitrogen; н. Stickstoff; ф. azote, nitrogene; и. nitrogeno), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Открыт в 1772 английским исследователем Д. Резерфордом.

Свойства азота

При обычных условиях азот — газ без цвета и запаха. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов: 14 N (99,635%) и 15 N (0,365%). Молекула азота двухатомная; атомы связаны ковалентной тройной связью NN. Диаметр молекулы азота, определённый разными способами, 3,15-3,53 А. Молекула азота очень устойчива — энергия диссоциации 942,9 кДж/моль.

Молекулярный азот

Константы молекулярного азота: f плавления — 209,86°С, f кипения — 195,8°С; плотность газообразного азота 1,25 кг/ м 3 , жидкого — 808 кг/м 3 .

Характеристика азота

В твёрдом состоянии азот существует в двух модификациях: кубической а-форме с плотностью 1026,5 кг/м 3 и гексагональной b-форме с плотностью 879,2 кг/м 3 . Теплота плавления 25,5 кДж/кг, теплота испарения 200 кДж/кг. Поверхностное натяжение жидкого азота в контакте с воздухом 8,5.10 -3 Н/м; диэлектрическая проницаемость 1,000538. Растворимость азота в воде (см 3 на 100 мл Н 2 О): 2,33 (0°С), 1,42 (25°С) и 1,32 (60°С). Внешняя электронная оболочка атома азота состоит из 5 электронов. Степени окисления азота меняются от 5 (в N 2 О 5) до -3 (в NH 3).

Соединение азота

Азот при нормальных условиях может реагировать с соединениями переходных металлов (Ti, V, Mo и др.), образуя комплексы либо восстанавливаясь с образованием аммиака и гидразина. С такими активными металлами, как , азот взаимодействует при нагревании до сравнительно невысоких температур. С большинством других элементов азот реагирует при высокой температуре и в присутствии катализаторов. Хорошо изучены соединения азота с : N 2 О, NO, N 2 О 5 . С азот соединяется только при высокой температуре и в присутствии катализаторов; при этом образуется аммиак NH 3 . С галогенами азот непосредственно не взаимодействует; поэтому все галогениды азота получают только косвенным путём, например фтористый азот NF 3 — при взаимодействии с аммиаком. С серой также не происходит непосредственного соединения азота. При взаимодействии раскалённого с азотом образуется циан (CN) 2 . При действии на обычный азот электрических разрядов, а также при электрических разрядах в воздухе может образоваться активный азот, представляющий собой смесь молекул и атомов азота, обладающих повышенным запасом энергии. Активный азот весьма энергично взаимодействует с кислородом, водородом, парами , и некоторыми металлами.

Азот — один из самых распространённых элементов на Земле, причём основная его масса (около 4.10 15 т) сосредоточена в свободном состоянии в . Ежегодно при вулканической деятельности в атмосферу выделяется 2.10 6 т азота. Незначительная часть азота концентрируется в (среднее содержание в литосфере 1,9.10 -3 %). Природные соединения азота — хлористый аммоний и различные нитраты (селитры). Нитриды азота могут образовываться только при высоких температурах и давлениях, что, по-видимому, имело место на самых ранних стадиях развития Земли. Крупные скопления селитры встречаются только в условиях сухого пустынного климата ( , и др.). Небольшие количества связанного азота находятся в (1-2,5%) и (0,02-1,5%), а также в водах рек, морей и океанов. Азот накапливается в почвах (0,1 %) и живых организмах (0,3%). Азот входит в состав белковых молекул и многих естественных органических соединений.

Круговорот азота в природе

В природе осуществляется круговорот азота, который включает цикл молекулярного атмосферного азота в биосфере, цикл в атмосфере химически связанного азота, круговорот захоронённого с органическим веществом поверхностного азота в литосфере с возвратом его обратно в атмосферу. Азот для промышленности ранее добывался целиком из месторождений природных селитр, число которых в мире весьма ограничено. Особенно крупные залежи азота в виде азотнокислого натрия находятся в Чили; добыча селитры в отдельные годы составляла более 3 млн. т.

Азот - химический элемент периодической системы, обозначающийся буквой N и имеющий порядковый номер 7. Существует в виде молекулы N2, состоящей из двух атомов. Это химическое вещество представляет собой бесцветный, без запаха и без вкуса газ, он является инертным при стандартных условиях. Плотность азота при нормальных условиях (при 0 °C и давлении 101,3 кПа) равна 1,251 г/дм3. Элемент входит в состав в количестве 78,09 % от ее объема. Впервые был обнаружен как компонент воздуха шотландским врачом Даниэлем Резерфордом в 1772 году.

Жидкий азот является криогенной жидкостью. При атмосферном давлении он кипит при температуре - 195,8 °C. Поэтому его можно хранить только в изолированных сосудах, которыми являются стальные баллоны для сжиженных газов или Только в этом случае его можно хранить или транспортировать без особых потерь из-за испарения. Как и сухой лед (сжиженный иначе называемый углекислота), жидкий азот используется в качестве хладагента. Кроме того, его применяют для криоконсервации крови, половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток), а также других биологических образцов и материалов. Он востребован и в клинической практике, например, в криотерапии при удалении кисты и бородавок на коже. Плотность жидкого азота равняется 0,808 г/см3.

Многие промышленно важные соединения, такие, как аммиак, органические нитраты (взрывчатые вещества, топливо) и цианиды, содержат N2. Чрезвычайно сильные связи элементарного азота в молекуле вызывают трудности для участия его в химических реакциях, этим объясняется его инертность при стандартных условиях (температуре и давлении). В том числе и по этим причинам N2 имеет большое значение во многих научных и производственных сферах. Например, он необходим для поддержания внутрипластового давления при добыче нефти или газа. Любое его практическое или научное применений требует знать, какова будет плотность азота при конкретном давлении и температуре. Из законов физики и термодинамики известно, что при постоянном объеме с ростом температуры будет расти давление и и наоборот.

Когда и зачем нужно знать плотность азота? Расчет этого показателя применяется при проектировании технологических процессов, протекающих с применением N2, в лабораторной практике и на производстве. Используя известное значение плотности газа, можно рассчитать его массу в определенном объеме. Например, известно, что газ занимает при нормальных условиях объем 20 дм3. В этом случае можно рассчитать его массу: m = 20 . 1,251 = 25,02 г. Если условия отличные от стандартных, и известен объем N2 при этих условиях, то потребуется сначала найти (по справочникам) плотность азота при определенном давлении и температуре, а затем эту величину умножить на объем, занимаемый газом.

Подобные расчеты проводят на производстве при составлении материальных балансов технологических установок. Они необходимы для ведения технологических процессов, выбора контрольно-измерительных приборов, расчета технико-экономических показателей и прочее. Например, после остановки химического производства все аппараты и трубопроводы должны перед их вскрытием и выводом в ремонт продуваться инертным газом - азотом (он самый дешевый и наиболее доступный по сравнению, например, с гелием или аргоном). Как правило, они продуваются таким количеством N2, который в несколько раз превышает объем аппаратов или трубопроводов, только так можно удалить из системы горючие газы и пары и исключить взрыв или пожар. Планируя операции перед остановочным ремонтом, технолог, зная объем опорожняемой системы и плотность азота, рассчитывает массу N2, которая потребуется для продувки.

Для упрощенных расчетов, не требующих точности, реальные газы приравнивают к идеальным газам и применяют закон Авогадро. Так как масса 1 моль N2 численно равняется 28 граммам, а 1 моль любого идеального газа занимает объем 22,4 литра, то плотность азота будет равняться: 28/22,4 = 1,25 г/л = 1,25 г/дм3. Этот способ быстрого нахождения плотности применим для любого газа, а не только N2. Его часто используют в аналитических лабораториях.

В таблице указана плотность азота и его теплофизические свойства в газообразном состоянии в зависимости от температуры и давления. Теплофизические свойства азота даны при температуре от 0 до 1000°С и давлении от 1 до 100 атмосфер.

Как видно по данным таблицы, такие свойства азота, как температуропроводность и кинематическая вязкость сильно зависят от температуры. При увеличении давления эти свойства азота уменьшают свои значения, при этом значительно возрастает плотность азота . Например, при атмосферном давлении и температуре 0°С плотность азота равна 1,21 кг/м 3 , а при росте давления в 100 раз плотность азота увеличивается до значения 122,8 кг/м 3 при этой же температуре.

Удельная теплоемкость азота с ростом температуры этого газа увеличивается. При увеличении давления удельная теплоемкость азота также растет. Например, при температуре 0°С и атмосферном давлении удельная теплоемкость азота равна 1039 Дж/(кг·град) , а при сжатии этого газа до давления в 100 атмосфер, она составит величину 1242 Дж/(кг·град) при той же температуре.

Следует отметить, что при высоких температурах (около 1000°С) влияние давления на величину удельной теплоемкости азота снижается. Так, при температуре 1000°С и давлении 1 и 100 атм. значение теплоемкости будет соответственно равно 1215 и 1219 Дж/(кг·град) .

В таблице даны следующие свойства азота:

• плотность азота γ , кг/м 3 ;
• удельная теплоемкость C p , кДж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности λ , Вт/(м·град);
• динамическая вязкость μ , ;
• температуропроводность a , м 2 /с;
• кинематическая вязкость ν , м 2 /с;
• число Прандтля Pr .

Плотность диссоциированного азота при высоких температурах.

В таблице даны значения плотности азота в диссоциированном и ионизированном состоянии при давлении от 0,2 до 100 атмосфер при высоких температурах. Плотность азота в газообразном состоянии приведена в диапазоне температур 5000…40000 К в размерности кг/м 3 .

Плотность азота уменьшается с увеличением его температуры и увеличивается при росте давления газа. Значение удельного веса азота (его плотность) в таблице находится в пределах от 0,00043 до 6,83 кг/м 3 . Например, при атмосферном давлении и температуре 5000 К (4727°С) плотность азота составляет величину 0,0682 кг/м 3 . При нагревании азота до температуры 40000 К его плотность снижается до величины 0,00213 кг/м 3 .

Примечание: Будьте внимательны! Плотность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000.

Теплопроводность азота в жидком и газообразном состояниях

В таблице приведены значения теплопроводности азота в жидком и газообразном состояниях в зависимости от температуры и давления.
Теплопроводность азота (размерность Вт/(м·град)) указана в диапазоне температуры от -193 до 1127 °С и давления от 1 до 600 атмосфер.

Теплопроводность диссоциированного азота при высоких температурах.

В таблице даны значения теплопроводности диссоциированного азота при давлении от 0,001 до 100 атмосфер и высоких температурах.
Теплопроводность азота в газообразном состоянии приведена в диапазоне температур 2000…6000 К в размерности Вт/(м·град).

Значение коэффициента теплопроводности азота увеличивается с ростом его температуры и в основном уменьшается при увеличении давления этого газа. Теплопроводность диссоциированного азота в рассмотренных в таблице условиях изменяется в пределах от 0,126 до 6,142 Вт/(м·град).

Будьте внимательны! Теплопроводность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить табличное значение на 1000.

Теплопроводность жидкого азота на линии насыщения.

В таблице представлены значения коэффициента теплопроводности жидкого азота на линии насыщения при низких температурах.
Теплопроводность жидкого азота указана при температурах 90…120 К (-183…-153°С).

По данным таблицы видно, что теплопроводность азота в жидком состоянии уменьшается с ростом его температуры.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000.

Динамическая вязкость азота в зависимости от температуры и давления

В таблице даны значения азота в зависимости от температуры и давления.
Динамическая вязкость азота (размерность Па·с) указана в диапазоне температуры от 80 до 6000 К и давлении от 1 до 400 атмосфер и от 0,001 до 100 атмосфер.

При температуре азота от 3600 К он начинает частично диссоциировать. С ростом температуры газообразного азоат его динамическая вязкость возрастает. При повышении температуры жидкого азота, значение его динамической вязкости также увеличивается.

Примечание: Будьте внимательны! Вязкость азота в таблице указана в степени 10 6 . Не забудьте разделить на 10 6 .

Источники:

1. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

При обычных условиях азот - бесцветный газ, состоящий из молекул N 2 .

Прочная внутримолекулярная связь, небольшой размер и неполярность молекулы азота являются причинами слабого межмолекулярного взаимодействия, поэтому азот имеет низкие температуры кипения и плавления.

Азот не имеет запаха. Мало растворим в воде и немного легче воздуха: масса 1 л азота равна 1,25 г.

Важнейшие константы азота представлены в таблице ниже:

Таблица 1. Физические свойства и плотность азота.

Молекула азота N 2 в основном состоянии имеет следующую электронную конфигурацию: [σ(2s) 2 ][ [σ * (2s) 2 ][π(2p y) 2 ][π(2p x) 2 ][π(2p z) 2 ]. В атоме азота в основном состоянии имеется три неспаренных электрона. Это свидетельствует о том, что валентность азота равна трем. Однако, несмотря на тот факт, что для азота не характерно наличие возбужденного состояния, данный элемент способен проявлять в своих соединениях валентности I, II, IV и V.

Распространенность азота в природе

Азот способен находиться в природе в форме простого вещества в природе (содержание азота в воздухе составляет -78 (об.) %). В виде аминокислот и нуклеиновых кислот азот входит всостав животных и растительных организмов. Из природных минералов промышленное значение имеют чилийская селитра (NaNO 3) и калийная селитра (KNO 3). Общее содержание азота в земной коре (включая гидросферу и атмосферу) составляет 0,04% (масс.).

Краткое описание химических свойств и плотность азота

Молекулярный азот обладает крайне низкой реакционной способностью, что обусловлено наличием в молекуле N 2 прочной тройной связи, а также неполярностью молекулы. Действительно, энергия ионизации молекулы азота 1402 кДж/моль близка к энергии ионизации атома аргона 1520 кДж/моль, иными словами, азот - плохой восстановитель.

Сродство молекулярного азота к электрону -3,6 эВ, поэтому при комнатной температуре он реагирует лишь с некоторыми сильными восстановителями, например, с литием. Процесс протекает через стадию одноэлектронного восстановления с образованием неустойчивого пернитрида Li + N 2 — , который в ходе реакции превращается в нитрид:

6Li + N 2 = 2Li 3 N.

Для образования нитрида магния Mg 3 N 2 из простых веществ требуется нагревание до 300 o С. Нитриды активных металлов представляют собой ионные соединения, гидролизующиеся водой с образованием аммиака.

В электрическом разряде в молекуле азота происходит переход электрона с орбитали σ(2p z) на π * (2p z). Такие возбужденные молекулы быстро возвращаются в обычное состояние, испуская желтое свечение. Иногда оно длится в течение нескольких минут после прекращения разряда. В возбужденном состоянии азот обладает высокой реакционной способностью. Действительно, в электрическом разряде он реагирует с кислородом:

N 2 + O 2 ↔ 2NO.

Реакция с водородом протекает при повышенных значениях температуры (400 o С) и давления (200 атм) в присутствии катализатора (Fe):

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 .

Азот не взаимодействует с серой и галогенами.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2