Å gi salpeter - slik er ordet Nitrogenium oversatt fra latin. Dette er navnet på nitrogen - et kjemisk grunnstoff med atomnummer 7, som leder den 15. gruppen i den lange versjonen av det periodiske systemet. I form av et enkelt stoff er det fordelt i luftskallet på jorden - atmosfæren. En rekke nitrogenforbindelser finnes i jordskorpen og levende organismer, og er mye brukt i industrier, militære saker, landbruk og medisin.
Hvorfor nitrogen ble k alt "kvelende" og "livløs"
Som kjemihistorikere antyder, var Henry Cavendish (1777) den første som mottok dette enkle stoffet. Forskeren førte luft over varme kull ved å bruke alkali for å absorbere reaksjonsproduktene. Som et resultat av forsøket oppdaget forskeren en fargeløs, luktfri gass som ikke reagerte med kull. Cavendish k alte det "kvelende luft" fordi han ikke var i stand til å opprettholde pusten så vel som svie.
En moderne kjemiker vil forklare at oksygen reagerte med karbon for å danne karbondioksid. Den gjenværende "kvelende" delen av luften besto for det meste av N2 molekyler. Cavendish og andre forskere på den tiden visste ennå ikke om dette stoffet, selv om nitrogen- og salpeterforbindelser da ble mye brukt i økonomien. Forskeren rapporterte den uvanlige gassen til sin kollega, som utførte lignende eksperimenter, Joseph Priestley.
Samtidig trakk Karl Scheele oppmerksomheten til en ukjent bestanddel av luften, men klarte ikke å forklare opprinnelsen korrekt. Bare Daniel Rutherford i 1772 innså at den "kvelende" "bortskjemte" gassen som var tilstede i eksperimentene, var nitrogen. Hvilken vitenskapsmann bør betraktes som hans oppdager - vitenskapshistorikere krangler fortsatt om dette.
15 år etter Rutherfords eksperimenter, foreslo den berømte kjemikeren Antoine Lavoisier å endre begrepet "bortskjemt" luft, med henvisning til nitrogen, til et annet - Nitrogenium. På den tiden ble det bevist at dette stoffet ikke brenner, støtter ikke pusten. Samtidig dukket det russiske navnet "nitrogen" opp, som tolkes på forskjellige måter. Begrepet sies oftest å bety "livløs". Etterfølgende arbeid tilbakeviste den utbredte oppfatningen om materiens egenskaper. Nitrogenforbindelser - proteiner - er de viktigste makromolekylene i sammensetningen av levende organismer. For å bygge dem absorberer planter de nødvendige elementene av mineralnæring fra jorda - ioner NO32- og NH4+.
Nitrogen er et kjemisk grunnstoff
Det periodiske systemet (PS) hjelper til med å forstå strukturen til atomet og dets egenskaper. Ved posisjonen til et kjemisk grunnstoff i det periodiske system kan man bestemmekjerneladning, antall protoner og nøytroner (massetall). Det er nødvendig å ta hensyn til verdien av atommasse - dette er en av hovedkarakteristikkene til elementet. Periodenummeret tilsvarer antall energinivåer. I kortversjonen av det periodiske systemet tilsvarer gruppenummeret antall elektroner i det ytre energinivået. La oss oppsummere alle dataene i de generelle egenskapene til nitrogen etter dets posisjon i det periodiske systemet:
- Dette er et ikke-metallisk element, plassert i øvre høyre hjørne av PS.
- Kjemisk tegn: N.
- Bestillingsnummer: 7.
- Relativ atommasse: 14,0067.
- Formel for flyktig hydrogenforbindelse: NH3 (ammoniakk).
- Produserer det høyeste oksidet N2O5, der nitrogenvalensen er V.
Strukturen til nitrogenatomet:
- Kjernebelastning: +7.
- Antall protoner:7; antall nøytroner: 7.
- Antall energinivåer: 2.
- Tot alt antall elektroner: 7; elektronisk formel: 1s22s22p3.
De stabile isotopene til grunnstoff nr. 7 har blitt studert i detalj, deres massetall er 14 og 15. Innholdet av atomer i den lettere av dem er 99,64%. Det er også 7 protoner i kjernene til kortlivede radioaktive isotoper, og antallet nøytroner varierer veldig: 4, 5, 6, 9, 10.
Nitrogen i naturen
Jordens luftskall inneholder molekyler av et enkelt stoff, hvis formel er N2. Innholdet av gassformig nitrogen i atmosfæren er etter volumrundt 78,1 %. Uorganiske forbindelser av dette kjemiske elementet i jordskorpen er forskjellige ammoniums alter og nitrater (nitrater). Formler for forbindelser og navn på noen av de viktigste stoffene:
- NH3, ammoniakk.
- NO2, nitrogendioksid.
- NaNO3, natriumnitrat.
- (NH4)2SO4, ammoniumsulfat.
Valens av nitrogen i de to siste forbindelsene - IV. Kull, jord, levende organismer inneholder også bundne N-atomer. Nitrogen er en integrert del av aminosyremakromolekyler, DNA- og RNA-nukleotider, hormoner og hemoglobin. Det totale innholdet av et kjemisk grunnstoff i menneskekroppen når 2,5%.
Enkel substans
Nitrogen i form av diatomiske molekyler er den største delen av den atmosfæriske luften etter volum og masse. Et stoff med formelen N2 har ingen lukt, farge eller smak. Denne gassen utgjør mer enn 2/3 av jordens luftkappe. I flytende form er nitrogen et fargeløst stoff som ligner vann. Koker ved -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Det enkle stoffet nitrogen er litt lettere enn oksygen, dens tetthet i luft er nær 1.
Atomer i et molekyl binder 3 vanlige elektronpar. Forbindelsen viser høy kjemisk stabilitet, noe som skiller den fra oksygen og en rekke andre gassformige stoffer. For at et nitrogenmolekyl skal desintegreres i dets atomer, er det nødvendig å bruke en energi på 942,9 kJ / mol. En binding av tre elektronpar er veldig sterk.brytes ned ved oppvarming over 2000 °C.
Under normale forhold skjer det praktisk t alt ikke dissosiasjonen av molekyler til atomer. Den kjemiske tregheten til nitrogen skyldes også det fullstendige fraværet av polaritet i molekylene. De samhandler svært svakt med hverandre, noe som er årsaken til materiens gassformige tilstand ved norm alt trykk og temperatur nær romtemperatur. Den lave reaktiviteten til molekylært nitrogen finner anvendelse i ulike prosesser og enheter der det er nødvendig å skape et inert miljø.
Dissosiasjon av molekyler N2 kan skje under påvirkning av solstråling i den øvre atmosfæren. Atomisk nitrogen dannes, som under normale forhold reagerer med enkelte metaller og ikke-metaller (fosfor, svovel, arsen). Som et resultat er det en syntese av stoffer som oppnås indirekte under terrestriske forhold.
Nitrogenvalency
Det ytre elektronlaget til et atom er dannet av 2 s og 3 p elektroner. Disse negative partiklene av nitrogen kan gi opp når de samhandler med andre elementer, noe som tilsvarer dets reduserende egenskaper. Ved å feste de manglende 3 elektronene til oktetten, utviser atomet oksiderende evner. Elektronegativiteten til nitrogen er lavere, dens ikke-metalliske egenskaper er mindre utt alte enn fluor, oksygen og klor. Ved interaksjon med disse kjemiske elementene gir nitrogen fra seg elektroner (oksideres). Reduksjon til negative ioner er ledsaget av reaksjoner med andre ikke-metaller og metaller.
Typisk valens av nitrogen er III. I dette tilfelletkjemiske bindinger dannes på grunn av tiltrekningen av eksterne p-elektroner og dannelsen av vanlige (bindings-) par. Nitrogen er i stand til å danne en donor-akseptorbinding på grunn av dets ensomme elektronpar, slik det forekommer i ammoniumionet NH4+.
Laboratorie- og industriproduksjon
En av laboratoriemetodene er basert på de oksiderende egenskapene til kobberoksid. Det brukes en nitrogen-hydrogenforbindelse - ammoniakk NH3. Denne illeluktende gassen reagerer med pulverisert svart kobberoksid. Som et resultat av reaksjonen frigjøres nitrogen og metallisk kobber (rødt pulver) vises. Vanndråper, et annet produkt av reaksjonen, legger seg på veggene i røret.
En annen laboratoriemetode som bruker en kombinasjon av nitrogen med metaller er azid, for eksempel NaN3. Det viser seg en gass som ikke trenger å renses fra urenheter.
Ammoniumnitritt sp altes til nitrogen og vann i laboratoriet. For at reaksjonen skal starte, kreves oppvarming, deretter fortsetter prosessen med frigjøring av varme (eksotermisk). Nitrogen er forurenset med urenheter, så det renses og tørkes.
Produksjon av nitrogen i industrien:
- fraksjonert destillasjon av flytende luft - en metode som bruker de fysiske egenskapene til nitrogen og oksygen (ulike kokepunkter);
- kjemisk reaksjon av luft med glødende kull;
- adsorpsjonsgassseparasjon.
Interaksjon med metaller og hydrogen - oksiderende egenskaper
Inerthet av sterke molekylertillater ikke oppnåelse av noen nitrogenforbindelser ved direkte syntese. For å aktivere atomer er sterk oppvarming eller bestråling av stoffet nødvendig. Nitrogen kan reagere med litium ved romtemperatur, med magnesium, kalsium og natrium skjer reaksjonen kun ved oppvarming. De tilsvarende metallnitridene dannes.
Samspillet mellom nitrogen og hydrogen skjer ved høye temperaturer og trykk. Denne prosessen krever også en katalysator. Det viser seg ammoniakk - et av de viktigste produktene av kjemisk syntese. Nitrogen, som et oksidasjonsmiddel, viser tre negative oksidasjonstilstander i sine forbindelser:
- −3 (ammoniakk og andre hydrogenforbindelser av nitrogen er nitrider);
- −2 (hydrazin N2H4);
- −1 (hydroksylamin NH2OH).
Det viktigste nitrid - ammoniakk - produseres i store mengder i industrien. Den kjemiske inertheten til nitrogen forble et stort problem i lang tid. Salpeter var kilden til råvarer, men mineralreservene begynte å avta raskt etter hvert som produksjonen økte.
En stor prestasjon innen kjemisk vitenskap og praksis var etableringen av ammoniakkmetoden for nitrogenfiksering i industriell skala. Direkte syntese utføres i spesielle kolonner - en reversibel prosess mellom nitrogen hentet fra luft og hydrogen. Når man skaper optimale forhold som forskyver likevekten til denne reaksjonen mot produktet, ved bruk av en katalysator, når ammoniakkutbyttet 97%.
Interaksjon med oksygen - reduserende egenskaper
For å starte reaksjonen av nitrogen og oksygen er sterk oppvarming nødvendig. En elektrisk lysbue og en lynutladning i atmosfæren har tilstrekkelig energi. De viktigste uorganiske forbindelsene der nitrogen er i positive oksidasjonstilstander:
- +1 (nitrogenoksid (I) N2O);
- +2 (nitrogenmonoksid NO);
- +3 (nitrogenoksid (III) N2O3; salpetersyrling HNO2, dets s alter er nitritter);
- +4 (nitrogen (IV) dioksid NO2);
- +5 (nitrogenpentoksid (V) N2O5, salpetersyre HNO3, nitrater).
Mening in nature
Planter absorberer ammoniumioner og nitratanioner fra jorda, bruker til kjemiske reaksjoner syntesen av organiske molekyler, som stadig foregår i cellene. Atmosfærisk nitrogen kan absorberes av knutebakterier - mikroskopiske skapninger som danner vekster på røttene til belgfrukter. Som et resultat får denne gruppen av planter det nødvendige næringselementet, beriker jorda med det.
Under tropiske regnskyll oppstår atmosfæriske nitrogenoksidasjonsreaksjoner. Oksider løses opp for å danne syrer, disse nitrogenforbindelsene i vann kommer inn i jorda. På grunn av sirkulasjonen av elementet i naturen fylles dets reserver i jordskorpen og luften stadig opp. Komplekse organiske molekyler som inneholder nitrogen dekomponeres av bakterier til uorganiske komponenter.
Praktisk bruk
De viktigste forbindelsenenitrogen til landbruk er svært løselige s alter. Urea, salpeter (natrium, kalium, kalsium), ammoniumforbindelser (en vandig løsning av ammoniakk, klorid, sulfat, ammoniumnitrat) assimileres av planter, nitrater. Deler av planteorganismen er i stand til å lagre makronæringsstoffer "for fremtiden", noe som forverrer kvaliteten på produktene. Et overskudd av nitrater i grønnsaker og frukt kan forårsake forgiftning hos mennesker, vekst av ondartede neoplasmer. I tillegg til landbruket brukes nitrogenforbindelser i andre næringer:
- å motta medisiner;
- for kjemisk syntese av makromolekylære forbindelser;
- i produksjon av eksplosiver fra trinitrotoluen (TNT);
- for produksjon av fargestoffer.
NO oksid brukes i kirurgi, stoffet har en smertestillende effekt. Tapet av sensasjoner ved innånding av denne gassen ble lagt merke til selv av de første forskerne av nitrogens kjemiske egenskaper. Slik dukket det trivielle navnet «lattergass» opp.
Problem med nitrater i landbruksprodukter
Salpetersyres alter - nitrater - inneholder et enkeltladet anion NO3-. Til nå er det gamle navnet på denne gruppen av stoffer brukt - salpeter. Nitrater brukes til å gjødsle åkre, i drivhus, frukthager. De påføres tidlig på våren før såing, om sommeren - i form av flytende dressinger. Stoffene i seg selv utgjør ingen stor fare for mennesker, meni kroppen blir de til nitritter, deretter til nitrosaminer. Nitrittioner NO2- er giftige partikler, de forårsaker oksidasjon av jernholdig jern i hemoglobinmolekyler til treverdige ioner. I denne tilstanden er ikke hovedstoffet i blodet til mennesker og dyr i stand til å frakte oksygen og fjerne karbondioksid fra vev.
Hva er faren for nitratforurensning av mat for menneskers helse:
- ondartede svulster som oppstår når nitrater omdannes til nitrosaminer (kreftfremkallende stoffer);
- utvikling av ulcerøs kolitt,
- hypotensjon eller hypertensjon;
- hjertesvikt;
- blodkoagulasjonsforstyrrelse
- lever, bukspyttkjertel, diabetesutvikling;
- utvikling av nyresvikt;
- anemi, nedsatt hukommelse, oppmerksomhet, intelligens.
Samtidig inntak av ulike matvarer med høye doser nitrater fører til akutt forgiftning. Kilder kan være planter, drikkevann, tilberedte kjøttretter. Bløtlegging i rent vann og matlaging kan redusere nitratinnholdet i matvarer. Forskerne fant at høyere doser av farlige forbindelser ble funnet i umodne planteprodukter og veksthusprodukter.
Fosfor er et element i nitrogenundergruppen
Atomer av kjemiske grunnstoffer som er i samme vertikale kolonne i det periodiske systemet, viser vanlige egenskaper. Fosfor ligger i den tredje perioden, tilhører den 15. gruppen, som nitrogen. Strukturen til atomerelementer er like, men det er forskjeller i egenskaper. Nitrogen og fosfor viser en negativ oksidasjonstilstand og valens III i sine forbindelser med metaller og hydrogen.
Mange reaksjoner av fosfor finner sted ved vanlige temperaturer, det er et kjemisk aktivt grunnstoff. Den samhandler med oksygen for å danne et høyere oksid P2O5. En vandig løsning av dette stoffet har egenskapene til en syre (metafosforsyre). Når det varmes opp, oppnås ortofosforsyre. Det danner flere typer s alter, hvorav mange fungerer som mineralgjødsel, for eksempel superfosfater. Forbindelser av nitrogen og fosfor er en viktig del av kretsløpet av stoffer og energi på planeten vår, de brukes i industri, landbruk og andre virksomhetsområder.