Ο Carl Scheele, ένας Σουηδός χημικός, και ο Daniel Rutherford, ένας Σκωτσέζος βοτανολόγος, ανακάλυψαν το άζωτο ξεχωριστά το 1772. Ο αιδεσιμότατος Cavendish και ο Lavoisier επίσης έλαβαν ανεξάρτητα άζωτο περίπου την ίδια εποχή. Το άζωτο αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά ως στοιχείο από τον Lavoisier, ο οποίος το ονόμασε "azo", που σημαίνει "άψυχο". Ο Chaptal ονόμασε το στοιχείο άζωτο το 1790. Το όνομα προέρχεται από την ελληνική λέξη "νιτρικό" (νιτρικό που περιέχει άζωτο σε νιτρικά)
Nitrogen Production Manufacturers - China Nitrogen Production Factory & Suppliers (xinfatools.com)
Πηγές Αζώτου
Το άζωτο είναι το 30ο πιο άφθονο στοιχείο στη Γη. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το άζωτο αντιπροσωπεύει τα 4/5 του ατμοσφαιρικού όγκου, ή περισσότερο από το 78%, έχουμε σχεδόν απεριόριστες ποσότητες αζώτου στη διάθεσή μας. Το άζωτο υπάρχει επίσης με τη μορφή νιτρικών αλάτων σε μια ποικιλία ορυκτών, όπως το άλας Χιλής (νιτρικό νάτριο), το νιτρικό νάτριο ή το νιτρικό (νιτρικό κάλιο) και μέταλλα που περιέχουν άλατα αμμωνίου. Το άζωτο υπάρχει σε πολλά πολύπλοκα οργανικά μόρια, συμπεριλαμβανομένων των πρωτεϊνών και των αμινοξέων που υπάρχουν σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς
Φυσικές ιδιότητες
Το άζωτο N2 είναι ένα άχρωμο, άγευστο και άοσμο αέριο σε θερμοκρασία δωματίου και συνήθως είναι μη τοξικό. Η πυκνότητα αερίου υπό τυπικές συνθήκες είναι 1,25 g/L. Το άζωτο αποτελεί το 78,12% της συνολικής ατμόσφαιρας (κλάσμα όγκου) και είναι το κύριο συστατικό του αέρα. Υπάρχουν περίπου 400 τρισεκατομμύρια τόνοι αερίου στην ατμόσφαιρα.
Υπό τυπική ατμοσφαιρική πίεση, όταν ψύχεται στους -195,8 ℃, γίνεται άχρωμο υγρό. Όταν ψύχεται στους -209,86℃, το υγρό άζωτο γίνεται στερεό σαν το χιόνι.
Το άζωτο είναι μη εύφλεκτο και θεωρείται ασφυξιακό αέριο (δηλαδή, η αναπνοή καθαρού αζώτου στερεί από το ανθρώπινο σώμα οξυγόνο). Το άζωτο έχει πολύ χαμηλή διαλυτότητα στο νερό. Σε 283Κ, ένας όγκος νερού μπορεί να διαλύσει περίπου 0,02 όγκους Ν2.
Χημικές ιδιότητες
Το άζωτο έχει πολύ σταθερές χημικές ιδιότητες. Είναι δύσκολο να αντιδράσει με άλλες ουσίες σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά μπορεί να υποστεί χημικές αλλαγές με ορισμένες ουσίες σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής ενέργειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή νέων ουσιών χρήσιμες για τον άνθρωπο.
Ο μοριακός τροχιακός τύπος των μορίων αζώτου είναι KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Τρία ζεύγη ηλεκτρονίων συμβάλλουν στον δεσμό, δηλαδή σχηματίζονται δύο δεσμοί π και ένας δεσμός σ. Δεν υπάρχει καμία συνεισφορά στη σύνδεση και οι ενέργειες δεσμού και αντισυγκόλλησης αντισταθμίζονται κατά προσέγγιση και είναι ισοδύναμες με ζεύγη μεμονωμένων ηλεκτρονίων. Δεδομένου ότι υπάρχει ένας τριπλός δεσμός N≡N στο μόριο N2, το μόριο N2 έχει μεγάλη σταθερότητα και χρειάζονται 941,69 kJ/mol ενέργειας για να αποσυντεθεί σε άτομα. Το μόριο N2 είναι το πιο σταθερό από τα γνωστά διατομικά μόρια και η σχετική μοριακή μάζα του αζώτου είναι 28. Επιπλέον, το άζωτο δεν καίγεται εύκολα και δεν υποστηρίζει την καύση.
Μέθοδος δοκιμής
Βάλτε τη ράβδο Mg που καίγεται στη φιάλη συλλογής αερίου γεμάτη με άζωτο και η ράβδος Mg θα συνεχίσει να καίγεται. Εκχυλίστε την υπόλοιπη τέφρα (ελαφρώς κίτρινη σκόνη Mg3N2), προσθέστε μια μικρή ποσότητα νερού και παράγετε ένα αέριο (αμμωνία) που μετατρέπει το υγρό κόκκινο χαρτί λακκούβας μπλε. Εξίσωση αντίδρασης: 3Mg + N2 = ανάφλεξη = Mg3N2 (νιτρίδιο μαγνησίου); Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH) 2 + 2NH3↑
Χαρακτηριστικά σύνδεσης και δομή δεσμού σθένους του αζώτου
Επειδή η μεμονωμένη ουσία N2 είναι εξαιρετικά σταθερή υπό κανονικές συνθήκες, οι άνθρωποι συχνά πιστεύουν λανθασμένα ότι το άζωτο είναι ένα χημικά ανενεργό στοιχείο. Μάλιστα, αντίθετα, το στοιχειακό άζωτο έχει υψηλή χημική δράση. Η ηλεκτραρνητικότητα του N (3.04) είναι δεύτερη μόνο μετά τα F και O, υποδεικνύοντας ότι μπορεί να σχηματίσει ισχυρούς δεσμούς με άλλα στοιχεία. Επιπλέον, η σταθερότητα του μορίου N2 μιας ουσίας δείχνει απλώς τη δραστηριότητα του ατόμου Ν. Το πρόβλημα είναι ότι οι άνθρωποι δεν έχουν βρει ακόμη τις βέλτιστες συνθήκες για την ενεργοποίηση των μορίων N2 σε θερμοκρασία και πίεση δωματίου. Αλλά στη φύση, ορισμένα βακτήρια σε οζίδια φυτών μπορούν να μετατρέψουν το N2 στον αέρα σε ενώσεις αζώτου υπό συνθήκες χαμηλής ενέργειας σε κανονική θερμοκρασία και πίεση και να τα χρησιμοποιήσουν ως λίπασμα για την ανάπτυξη των καλλιεργειών.
Ως εκ τούτου, η μελέτη της δέσμευσης αζώτου ήταν πάντα ένα σημαντικό επιστημονικό ερευνητικό θέμα. Επομένως, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε λεπτομερώς τα χαρακτηριστικά σύνδεσης και τη δομή του δεσμού σθένους του αζώτου.
Τύπος ομολόγου
Η δομή του στρώματος ηλεκτρονίων σθένους του ατόμου Ν είναι 2s2p3, δηλαδή υπάρχουν 3 μονά ηλεκτρόνια και ένα ζεύγος μοναχικών ζευγών ηλεκτρονίων. Με βάση αυτό, κατά το σχηματισμό ενώσεων, μπορούν να δημιουργηθούν οι ακόλουθοι τρεις τύποι δεσμών:
1. Σχηματισμός ιοντικών δεσμών 2. Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών 3. Σχηματισμός δεσμών συντονισμού
1. Σχηματισμός ιοντικών δεσμών
Τα άτομα Ν έχουν υψηλή ηλεκτραρνητικότητα (3,04). Όταν σχηματίζουν δυαδικά νιτρίδια με μέταλλα με χαμηλότερη ηλεκτραρνητικότητα, όπως Li (ηλεκτραρνητικότητα 0,98), Ca (ηλεκτραρνητικότητα 1,00) και Mg (ηλεκτραρνητικότητα 1,31), μπορούν να λάβουν 3 ηλεκτρόνια και να σχηματίσουν ιόντα N3-. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ανάφλεξη= Mg3N2 Τα ιόντα N3- έχουν μεγαλύτερο αρνητικό φορτίο και μεγαλύτερη ακτίνα (171pm). Θα υδρολυθούν έντονα όταν συναντήσουν μόρια νερού. Επομένως, οι ιοντικές ενώσεις μπορούν να υπάρχουν μόνο σε ξηρή κατάσταση και δεν θα υπάρχουν ενυδατωμένα ιόντα N3-.
2. Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών
Όταν τα άτομα Ν σχηματίζουν ενώσεις με αμέταλλα με υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα, σχηματίζονται οι ακόλουθοι ομοιοπολικοί δεσμοί:
⑴Ν άτομα λαμβάνουν κατάσταση υβριδισμού sp3, σχηματίζουν τρεις ομοιοπολικούς δεσμούς, διατηρούν ένα ζεύγος μεμονωμένων ζευγών ηλεκτρονίων και η μοριακή διαμόρφωση είναι τριγωνική πυραμιδική, όπως NH3, NF3, NCl3, κ.λπ. Εάν σχηματιστούν τέσσερις ομοιοπολικοί απλοί δεσμοί, η μοριακή διαμόρφωση είναι ένα κανονικό τετράεδρο, όπως τα ιόντα NH4+.
⑵ Τα άτομα N λαμβάνουν κατάσταση υβριδισμού sp2, σχηματίζουν δύο ομοιοπολικούς δεσμούς και έναν δεσμό και διατηρούν ένα ζεύγος μεμονωμένων ζευγών ηλεκτρονίων και η μοριακή διαμόρφωση είναι γωνιακή, όπως Cl—N=O. (Το άτομο Ν σχηματίζει έναν δεσμό σ και έναν δεσμό π με το άτομο Cl και ένα ζεύγος μονών ζευγών ηλεκτρονίων στο άτομο Ν κάνει το μόριο τριγωνικό.) Εάν δεν υπάρχει μονό ζεύγος ηλεκτρονίων, η μοριακή διαμόρφωση είναι τριγωνική, όπως το μόριο HNO3 ή ιόν ΝΟ3. Στο μόριο του νιτρικού οξέος, το άτομο Ν σχηματίζει τρεις δεσμούς σ με τρία άτομα Ο αντίστοιχα, και ένα ζεύγος ηλεκτρονίων στο τροχιακό π του και τα μεμονωμένα π ηλεκτρόνια δύο ατόμων Ο σχηματίζουν έναν δεσμό π τριών κέντρων τεσσάρων ηλεκτρονίων. Στο νιτρικό ιόν, σχηματίζεται ένας μεγάλος π δεσμός τεσσάρων κεντρικών έξι ηλεκτρονίων που έχει μετατοπιστεί μεταξύ τριών ατόμων Ο και του κεντρικού ατόμου Ν. Αυτή η δομή κάνει τον φαινομενικό αριθμό οξείδωσης του ατόμου Ν στο νιτρικό οξύ +5. Λόγω της παρουσίας μεγάλων π δεσμών, τα νιτρικά είναι αρκετά σταθερά υπό κανονικές συνθήκες. ⑶Το άτομο Ν υιοθετεί τον υβριδισμό sp για να σχηματίσει έναν ομοιοπολικό τριπλό δεσμό και διατηρεί ένα ζεύγος μοναχικών ζευγών ηλεκτρονίων. Η μοριακή διαμόρφωση είναι γραμμική, όπως η δομή του ατόμου Ν σε μόριο N2 και CN-.
3. Σχηματισμός δεσμών συντονισμού
Όταν τα άτομα αζώτου σχηματίζουν απλές ουσίες ή ενώσεις, συχνά διατηρούν μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων, έτσι τέτοιες απλές ουσίες ή ενώσεις μπορούν να λειτουργήσουν ως δότες ζευγών ηλεκτρονίων για να συντονιστούν με τα μεταλλικά ιόντα. Για παράδειγμα, [Cu(NH3)4]2+ ή [Tu(NH2)5]7, κ.λπ.
Κατάσταση οξείδωσης-Διάγραμμα ελεύθερης ενέργειας Gibbs
Μπορεί επίσης να φανεί από το διάγραμμα κατάστασης οξείδωσης-ελεύθερης ενέργειας Gibbs του αζώτου ότι, εκτός από τα ιόντα NH4, το μόριο N2 με αριθμό οξείδωσης 0 βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο της καμπύλης στο διάγραμμα, γεγονός που δείχνει ότι το N2 είναι θερμοδυναμικά σταθερό σε σχέση με ενώσεις αζώτου με άλλους αριθμούς οξείδωσης.
Οι τιμές των διαφόρων ενώσεων αζώτου με αριθμούς οξείδωσης μεταξύ 0 και +5 είναι όλες πάνω από τη γραμμή που συνδέει τα δύο σημεία HNO3 και N2 (η διακεκομμένη γραμμή στο διάγραμμα), επομένως αυτές οι ενώσεις είναι θερμοδυναμικά ασταθείς και επιρρεπείς σε αντιδράσεις δυσαναλογίας. Το μόνο στο διάγραμμα με χαμηλότερη τιμή από το μόριο N2 είναι το ιόν NH4+. [1] Από το διάγραμμα κατάστασης οξείδωσης-Gibbs ελεύθερης ενέργειας του αζώτου και τη δομή του μορίου N2, μπορεί να φανεί ότι το στοιχειακό N2 είναι ανενεργό. Μόνο υπό υψηλή θερμοκρασία, υψηλή πίεση και παρουσία καταλύτη μπορεί το άζωτο να αντιδράσει με το υδρογόνο για να σχηματίσει αμμωνία: Υπό συνθήκες εκκένωσης, το άζωτο μπορεί να συνδυαστεί με το οξυγόνο για να σχηματίσει μονοξείδιο του αζώτου: N2+O2=εκκένωση=2NO Το μονοξείδιο του αζώτου συνδυάζεται γρήγορα με το οξυγόνο για να από διοξείδιο του αζώτου 2NO+O2=2NO2 Το διοξείδιο του αζώτου διαλύεται στο νερό για να σχηματίσει νιτρικό οξύ, νιτρικό οξείδιο 3NO2+H2O=2HNO3+NO Σε χώρες με ανεπτυγμένη υδροηλεκτρική ενέργεια, αυτή η αντίδραση έχει χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή νιτρικού οξέος. Το N2 αντιδρά με το υδρογόνο για την παραγωγή αμμωνίας: N2+3H2=== (αναστρέψιμο πρόσημο) 2NH3 N2 αντιδρά με μέταλλα με χαμηλό δυναμικό ιοντισμού και των οποίων τα νιτρίδια έχουν υψηλή ενέργεια πλέγματος για να σχηματίσουν ιοντικά νιτρίδια. Για παράδειγμα: το N2 μπορεί να αντιδράσει απευθείας με το μεταλλικό λίθιο σε θερμοκρασία δωματίου: 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 αντιδρά με μέταλλα αλκαλικών γαιών Mg, Ca, Sr, Ba σε θερμοκρασίες πυρακτώσεως: 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 μπορεί αντιδρούν μόνο με το βόριο και το αλουμίνιο σε θερμοκρασίες πυράκτωσης: 2 B + N2=== 2 BN (μακρομοριακή ένωση) Το N2 γενικά αντιδρά με πυρίτιο και άλλα στοιχεία ομάδας σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 1473K.
Το μόριο του αζώτου συνεισφέρει τρία ζεύγη ηλεκτρονίων στον δεσμό, σχηματίζοντας δηλαδή δύο δεσμούς π και έναν δεσμό σ. Δεν συμβάλλει στη συγκόλληση και οι ενέργειες δεσμού και αντισυγκόλλησης αντισταθμίζονται κατά προσέγγιση και ισοδυναμούν με ζεύγη μοναχικών ηλεκτρονίων. Επειδή υπάρχει ένας τριπλός δεσμός N≡N στο μόριο N2, το μόριο N2 έχει μεγάλη σταθερότητα και χρειάζονται 941,69 kJ/mol ενέργειας για να αποσυντεθεί σε άτομα. Το μόριο N2 είναι το πιο σταθερό από τα γνωστά διατομικά μόρια και η σχετική μοριακή μάζα του αζώτου είναι 28. Επιπλέον, το άζωτο δεν καίγεται εύκολα και δεν υποστηρίζει την καύση.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουλ-23-2024
