АЗОТ (Nitrogenium, N) - химический элемент V группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, атом, номер 7, атомная масса 14,0067. Открыт Резерфордом (D. Rutherford) в 1772 году. Известны следующие изотопы азота (табл.).

В различных соединениях азота обладает переменной валентностью, которая может быть равна - 3, +1, +2, +3, +4 и +5.

Распространение в природе. Общее содержание азота в земной коре составляет около 0,016 вес. %. Основная его масса находится в воздухе в свободном, молекулярном виде - N 2 . Сухой воздух содержит в среднем 78,09% по объему (или 75,6% по весу) свободного азота. В относительно малых количествах свободный азот находится в растворенном состоянии в водах океанов. Азот в виде соединений с другими элементами (связанный азот) входит в состав всех растительных и животных организмов.

Жизнь неразрывно связана со свойствами легко изменяющихся сложных азотистых веществ - белков. В состав белков в среднем входит 15-17% азота. При отмирании организмов сложные азотистые соединения их в процессе круговорота азота превращаются в более простые соединения: аммиак, аммонийные соли, нитриты и нитраты. Все соединения азота, как органические, так и неорганические, содержащиеся в почве, объединяются под названием «азот почвы».

Получение азота

В лабораториях чистый азот получают обычно нагреванием концентрированного водного раствора азотисто-кислого аммония или раствора смеси хлористого аммония с азотистокислым натрием:

NH 4 Cl + NaNO 2 = N 2 + NaCl + 2H 2 O.

В технике азота с примесью до 3% аргона получают фракционированной перегонкой жидкого воздуха.

Свойства азота

В свободном состоянии азот представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, состоящий из двухатомных молекул - N 2 . Вес 1 л его при t° 0° и давлении 760 мм рт. ст. равен 1,2506 г, t° кип - 195,8°, t° пл - 209,86°; плотность жидкого А. 0,808 (при t° - 195,8°), твердого - 1,026 (при t ° - 255°). В 1 мл воды при t° 0°, 20° и 38° и парциальном давлении азота, равном 760 мм, растворяется соответственно 0,0235, 0,0154 и 0,0122 мл азота.

Растворимость азота в крови меньше; она составляет при t° 38° 0,0110 мл А. При малых парциальных давлениях азота его растворимость в крови несколько больше, чем в воде.

В обычных условиях азот физиологически инертен, но при вдыхании воздуха, сжатого до 2-2,5 атм, наступает состояние, называемое азотным наркозом, сходное с опьянением алкоголем. Это явление может иметь место при водолазных работах (см.) на глубине нескольких десятков метров. Для предупреждения возникновения подобного состояния иногда пользуются искусственными газовыми смесями, в которых азот заменен гелием или каким-либо другим инертным газом. При резком и значительном снижении парциального давления азота растворимость его в крови и тканях настолько снижается, что часть его выделяется в виде пузырьков, что является одной из причин возникновения кессонной болезни, наблюдающейся у водолазов при быстром их подъеме на поверхность и у летчиков при больших скоростях взлета самолетов в верхние слои атмосферы (см. Декомпрессионная болезнь).

Применение азота

Свободный азот как химически неактивный газ применяется в лабораторной практике и технике во всех случаях, когда наличие в окружающей атмосфере кислорода недопустимо или нежелательно, например при проведении биологического эксперимента в анаэробных условиях, при переливании больших количеств горючих жидкостей (для предотвращения пожаров) и так далее. Основная же масса свободного азота используется в промышленности для синтеза аммиака, цианамида кальция и азотной кислоты, которые являются исходными веществами для получения азотных удобрений, взрывчатых веществ, красок, лаков, фармацевтических препаратов и другое.

Соединения азота

Свободный азот при обычных температурах химически инертен; при высокой температуре вступает в соединение со многими элементами.

С водородом азот образует ряд соединений, основными из которых являются следующие:

3. Азотистоводородная кислота (HN 3) - бесцветная, кипящая при t° 37° жидкость с резким запахом. Взрывается с большой силой при нагревании. В водных растворах устойчива и проявляет свойства слабой кислоты. Соли ее - азиды - неустойчивы и взрываются при нагревании или ударе. Азид свинца Pb(N 3) 2 применяется в качестве детонатора. Вдыхание паров HN3 вызывает сильную головную боль и раздражение слизистых оболочек.

С кислородом азот образует пять окислов.

1. Закись азота, или веселящий газ (N 2 O), - бесцветный газ, получают при нагревании (выше 190°) азотнокислого аммония:

NH 4 NO 3 = N 2 O + 2H 2 O. В смеси с кислородом закись азота применяют как слабый наркотик, вызывающий состояние опьянения, эйфории, притупление болевой чувствительности. Применяется для ингаляционного наркоза (см.).

2. Окись азота (NO) - бесцветный газ, плохо растворимый в воде; в лабораториях получают действием азотной кислоты средней концентрации на медь:

8HNO 3 + 3Cu = 2NO + 3Cu (NO 3) 2 + 4H 2 O, в технике - продуванием воздуха через пламя электрической дуги. На воздухе мгновенно окисляется, образуя красно-бурые пары двуокиси азота; вместе с последней вызывает отравления организма (см. ниже - Профессиональные вредности соединений азота).

3. Двуокись азота (NO 2) - красно-бурый газ, имеющий характерный запах и состоящий из собственно двуокиси А. и ее бесцветного полимера - четырехокиси азота (N 2 O 4) - азотноватого ангидрида. Двуокись азота легко сгущается в красно-бурую жидкость, кипящую при t° 22,4° и затвердевающую при t° - 11° в бесцветные кристаллы. Растворяется в воде с образованием азотистой и азотной кислот:

2NO 2 + H 2 O = HNO 2 + HNO 3 .

Является сильным окислителем и опасным ядом. Двуокись азота образуется при получении азотной кислоты, при реакциях нитрования, травлении металлов и тому подобное и поэтому представляет собой профессиональный яд.

4. Трехокись азота, ангидрид азотистой к-ты (N 2 O 3), - темно-синяя жидкость, затвердевающая при t° - 103° в голубые кристаллы. Устойчива лишь при низких температурах. С водой образует слабую и непрочную азотистую кислоту, со щелочами - соли азотистой кислоты - нитриты.

5. Пятиокись азота, ангидрид азотной к-ты (N 2 O 5), - бесцветные призматические кристаллы, имеющие плотность 1,63, плавящиеся при t° 30° в желтую, слегка разлагающуюся жидкость; разложение усиливается при нагревании и при действии света. Температура кипения около 50°. С водой образует сильную, довольно устойчивую азотную кислоту, со щелочами - соли этой кислоты - нитраты.

При нагревании азот непосредственно соединяется со многими металлами, образуя нитриды металлов, например Li3N, Mg 3 N 2 , AlN и др. Многие из них разлагаются водой с образованием аммиака, например

Mg 3 N 2 + 6H 2 O = 2NH 3 + 3Mg(OH) 2 .

Азот входит в состав большого числа органических соединений, среди которых особое значение имеют алкалоиды, аминокислоты, амины, нитросоединения, цианистые соединения и наиболее сложные природные соединения - белки.

Фиксация атмосферного азота. В течение долгого времени исходными веществами для получения разнообразных соединений азота, необходимых для сельского хозяйства, промышленности и военного дела, служили природная чилийская селитра и аммиак, получаемый при сухой перегонке каменного угля. С истощением залежей чилийской селитры человечеству грозил «азотный голод». Проблема азотного голода была разрешена в конце 19 и начале 20 века путем разработки ряда промышленных методов фиксации атмосферного азота. Наиболее важным из них является синтез аммиака по схеме:

Определение азота

Для определения свободного азота анализируемый газ приводят в контакт с нагретым магнием; при наличии азота образуется нитрид магния, который с водой дает аммиак.

Круговорот азота

Азот является важнейшим биогенным элементом, необходимым для построения белков и нуклеиновых кислот. Однако азот атмосферы недоступен для животных и большей части растений. Поэтому в круговороте азота первостепенное значение имеет процесс его биологической фиксации (фиксация молекулярного азота атмосферы). Азотфиксация осуществляется азотфиксирующими микроорганизмами, например бактериями из рода Rhizobium, или клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе (см.) с бобовыми растениями (горох, люцерна, соя, люпин и другие), на корнях которых образуются клубеньки, содержащие бактерии, способные усваивать молекулярный азот. К симбиотическим азотфиксаторам относятся также некоторые актиномицеты, живущие в корневых клубеньках ольхи, лоха, облепихи и так далее. Активными азотфиксаторами являются также некоторые свободноживущие микроорганизмы, обитающие в почве, пресных и соленых водоемах. Это анаэробная спороносная бактерия клостридиум (Clostridium pasteurianum), открытая С. Н. Виноградским, аэробная бактерия - азотобактер (см. Azotobacter). Способностью усваивать молекулярный азот обладают, кроме того, микобактерии, некоторые виды сине-зеленых водорослей (Nostoc, Anabaena и др.), а также фотосинтезирующие бактерии.

Наибольшее значение в обогащении почвы азотом имеют клубеньковые бактерии. В результате деятельности этих бактерий в почву вносится 100-250 кг/га за сезон; сине-зеленые водоросли на рисовых полях фиксируют до 200 кг/га азота в год. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии связывают несколько десятков килограммов азота на один гектар почвы.

С. Н. Виноградский впервые (1894) высказал предположение о том, что первоначальным продуктом процесса биологической азотфиксации является аммиак. В настоящее время это предположение полностью подтверждено. Доказано, что превращение N 2 в NH 3 представляет собой ферментативный процесс. Фермент, осуществляющий этот процесс (нитрогеназа), состоит из двух белковых компонентов, активен только в отсутствие кислорода, а сам процесс происходит за счет энергии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Растения, а также микроорганизмы затем превращают неорганический аммонийный азот в его органические соединения (аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты и так далее), и в таком виде он становится доступным для животных и человека, включаясь в обменные процессы, протекающие в их организмах. Органический азот животных и растений попадает в почву (с выделениями животных или продуктами их разложения) и перерабатывается обитающими там различными червями, моллюсками, нематодами, насекомыми, а также микроорганизмами. Микроорганизмы почвы - аммонификаторы (гнилостные бактерии, некоторые актиномицеты и грибы) - минерализуют в свою очередь органический азот почвы (тела животных и растений, органические удобрения, гумус) до аммония. Аммонификация - комплекс ферментативных процессов, протекающих в основном в два этапа: гидролиз белков и нуклеиновых кислот до аминокислот и азотистых оснований и последующее разложение этих соединений до аммиака. Образовавшийся аммиак нейтрализуется, реагируя с содержащимися в почве органическими и неорганическими кислотами. При этом происходит образование аммонийных солей. Аммонийные соли и аммиак в свою очередь подвергаются нитрификации под воздействием нитрифицирующих бактерий (открытых в 1890 году С. Н. Виноградским) с образованием нитратов и нитритов.

Процессы нитрификации и аммонификации обеспечивают растения легко усваиваемыми соединениями азота. Аммонийные соли и нитраты усваиваются растениями и микроорганизмами, превращаясь в азотные органических соединений. Однако часть азота превращается в почве в молекулярный азот в результате процесса денитрификации, осуществляемого живущими в почве микроорганизмами - денитрификаторами (рис.). Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе, встречаясь в большом количестве в почве, навозе и в меньшем - в воде рек, озер и морей. Наиболее типичные денитрификаторы - подвижные, грамотрицательные палочки. К ним относятся Bacterium fluorescens, В. denitrificans, В. pyocyaneum и другое.

Процесс денитрификации приводит к потере доступного растениям азота, однако постоянно идущий процесс азотфиксации в какой-то степени компенсирует эти потери, а в известных условиях (в частности, при богатстве почвы безазотистыми органическими веществами) и значительно обогащает почву связанным азотом.

В целом совокупное действие процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации имеет большое биогеохимическое значение, способствуя сохранению динамического равновесия между содержанием молекулярного азота в атмосфере и связанного азота почвы, растительного и животного мира.

Круговорот азота, таким образом, играет важнейшую роль в поддержании жизни на Земле.

Профессиональные вредности соединений азота

К числу наиболее вредных в профессиональном отношении соединений азота относятся азотная кислота (см.), аммиак (см.), аминосоединения (см. Амины) и амидосоединения (см. Амиды), а также смеси окислов азота, или нитрогазов (N 2 O, NO, NO 2 , N 2 O 4 и N 2 O 5). Последние образуются при производстве и применении азотной кислоты (в процессе взаимодействия ее с различными металлами или органическими веществами), в процессе термического окисления азота воздуха при электро- и газосварке, работе дизельных и карбюраторных двигателей, сжигании топлива в мощных котельных, а также при взрывных работах и так далее. Общий характер действия нитрогазов на организм зависит от содержания в газовой смеси различных окислов азота. В основном отравление протекает по раздражающему, или нитритному,типу действия. При контакте окислов азота с влажной поверхностью легких образуются азотная и азотистая кислоты, которые поражают легочную ткань, вызывая отек легких. Одновременно в крови образуются нитраты (см.) и нитриты (см.), непосредственно действующие на кровеносные сосуды, расширяя их и вызывая снижение кровяного давления. Нитриты, взаимодействуя с оксигемоглобином, превращают его в метгемоглобин, вызывая метгемоглобинемию (см.). Общим следствием действия окислов азота является кислородная недостаточность.

В производственных условиях возможны случаи воздействия отдельных окислов азота (см. ниже).

Закись азота. Большие ее концентрации вызывают шум в ушах, асфиксию, потерю сознания. Смерть наступает от паралича дыхательного центра.

Окись азота действует на центральную нервную систему, воздействует на гемоглобин (переводит оксигемоглобин в метгемоглобин).

При легком отравлении окисью азота наблюдается общая слабость, сонливость, головокружение (симптомы обратимы).

При более тяжелом отравлении начальные симптомы усиливаются, к ним присоединяется тошнота, иногда рвота, наступает полуобморочное состояние. При отравлениях средней тяжести резкая слабость и головокружение продолжаются много часов, нередко наблюдается синюшность слизистых оболочек и кожи, учащение пульса. При тяжелых отравлениях начальные явления нередко стихают, но после 1-3-дневной ремиссии появляются слабость и головокружение, наблюдаются снижение кровяного давления, серо-синяя окраска слизистых оболочек и кожи, увеличение и болезненность печени; границы сердца расширены, тоны глухие, пульс замедлен. Возникают полиневриты, полиневралгии. Кровь шоколадно-бурого цвета, повышенной вязкости. Последствия тяжелого отравления могут длиться более года: нарушение ассоциативных способностей, ослабление памяти и мышечной силы, общая слабость, головная боль, головокружение, быстрая утомляемость.

Двуокись азота. Острое отравление начинается с легкого кашля, в более тяжелых случаях - с сильного кашля, чувства стеснения в груди, головной боли, иногда рвоты, саливации. Период относительно удовлетворительного состояния длится 2-18 час. Затем появляются признаки нарастающего отека легких: сильная слабость, увеличивающийся кашель, боли в груди, цианоз, в легких много влажных хрипов, учащенное сердцебиение, иногда озноб, повышение температуры. Нередки значительные расстройства со стороны желудочно-кишечного тракта: тошнота, рвота, понос, сильные боли в верхней части живота. Отек легких характеризуется тяжелым состоянием (резкий цианоз, сильная одышка, учащенный пульс, кашель с пенистой мокротой, иногда с кровью). Кровяное давление в норме, в крови - увеличение количества эритроцитов и гемоглобина, лейкоцитоз, замедленная РОЭ. Рентгенологически - пониженная прозрачность легочных полей, в обоих легких большое количество хлопьевидных затемнений различной величины. Токсический отек легких сопровождается «синим» типом гипоксемии, при осложнении коллапсом наблюдается «серый» тип (см. Гипоксия). Нередки осложнения пневмонией. Возможен смертельный исход. На секции - отек легких, кровоизлияния в них, темная жидкая кровь в сердце и сосудах. Состояние отравленных и прогноз ухудшается, если пострадавшие до отравления страдали заболеваниями сердца или легких.

При хронических отравлениях - хронические воспалительные заболевания верхних дыхательных путей, хронические бронхиты, эмфизема, понижение кровяного давления, зеленоватый налет на зубах, разрушение коронок резцов.

Ангидрид азотистой кислоты действует на организм аналогично окиси азота и другим низшим его окислам.

Первая помощь при отравлениях соединениями азота - перенести пострадавшего на свежий воздух; обеспечить полный покой, вдыхание кислорода. По показаниям - сердечные средства, при остановке дыхания - лобелин. Затем обязательная транспортировка пострадавшего в лежачем положении в стационар. При признаках начинающегося отека легких - внутривенно 10-20 мл 10% раствора хлорида кальция, 20 мл 40% раствора глюкозы с аскорбиновой к-той (500 мг), кислородная терапия.

Лечение развившегося отека легких зависит от типа гипоксемии. При «синем» типе - прерывистое введение кислорода (карбоген противопоказан), кровопускание (200-300 мл), при необходимости - повторение его через 6-8 час.; рекомендуются средства, понижающие кровяное давление, сердечные средства. При «сером» типе аноксемии - стимуляция дыхательного и вазомоторного центра путем прерывистого вдыхания карбогена, кофеин, эфедрин, внутривенно 50-100 мл 40% раствора глюкозы. Кровопускание противопоказано.

В целях профилактики и лечения пневмоний - раннее назначение сульфаниламидов и антибиотиков.

Профилактика: индивидуальная защита - фильтрующие противогазы марок В, М, KB, кислотозащитные перчатки и сапоги, герметичные очки, специальная одежда. Необходима полная герметизация производственного оборудования, где могут образоваться и выделяться нитрогазы, укрытие фиксированных источников выделения этих газов, местная вентиляционная система.

Предельно допустимая концентрация для окислов азота в воздухе рабочих помещений 5 мг/м 3 (в пересчете на NО 2), в атмосферном воздухе населенных пунктов 0,085 мг/м 3 или 0,4 мг/м 3 (для азотной кислоты).

Определение в воздухе окислов азота основано на поглощении двуокиси и четырехокиси азота раствором йодида калия и колориметрическом определении образовавшейся азотистой кислоты с реактивом Грисса-Илошваи.

Библиография: Некрасов Б. В. Основы общей химии, т. 1, с. 377, М., 1969; Реми Г. Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, с. 560, М., 1972.

Круговорот А. - Виноградский С. Н. Микробиология почвы, М., 1952; Кретович В. Л. Обмен азота в растениях, М., 1972, библиогр.; Мишустин Е. Н. и Шильникова В. К. Биологическая фиксация атмосферного азота, М., 1968, библиогр.

Профессиональные вредности соединений А. - Вредные вещества в промышленности, под ред. Н. В. Лазарева, ч. 2, с. 136, Л., 1971; Гигиена труда в химической промышленности, под ред. З. А. Волковой и др., с. 373, М., 1967; Гуртовой Ю. А. Отравление парами азотной кислоты, Суд.-мед. экспертиза, т. 12, № 3, с. 45, 1969; Неймарк Е. З. и Зингер Ф. X. Профессиональные отравления рабочих угольных шахт, их лечение и профилактика, с. 34, М., 1961; Перегуд Е. А., Быховская М. С. и Гернет Е. В. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе, с. 67, М., 1970; Сафронов В. А. Особенности клинического течения отека легких при комбинированных поражениях азотной кислотой, Воен.-мед. журн., № 7, с. 32, 1966; Air quality criteria for nitrogen oxides, Washington, 1971, bibliogr.

В. П. Мишин; З. Г. Евстигнеева, В. Л. Кретович (круговорот А.); Е. Н. Марченко (проф.).

Свойства элементов V-A подгруппы

1. Строение атомов химических элементов

Наличие трех неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне объясняет то, что в нормальном, невозбужденном состоянии валентность элементов подгруппы азота равна трем.

У атомов элементов подгруппы азота (кроме азота - внешний уровень азота состоит только из двух подуровней - 2s и 2p) на внешних энергетических уровнях имеются вакантные ячейки d-подуровня, поэтому они могут распарить один электрон с s-подуровня и перенести его на d-подуровень. Таким образом, валентность фосфора, мышьяка, сурьмы и висмута равна 5.

Элементы группы азота образуют с водородом соединения состава RH 3 , а с кислородом оксиды вида - R 2 O 3 и R 2 O 5 . Оксидам соответствуют кислоты HRO 2 и HRO 3 (и ортокислоты H 3 PO 4 , кроме азота).

Высшая степень окисления этих элементов равна +5, а низшая -3.

Так как заряд ядра атомов увеличивается, число электронов на внешнем уровне постоянно, число энергетических уровней в атомах растёт и радиус атома увеличивается от азота к висмуту, притяжение отрицательных электронов к положительному ядру ослабевает испособность к отдаче электронов увеличивается, и, следовательно, в подгруппе азота с ростом порядкового номера неметаллические свойства убывают, а металлические усиливаются.

Азот - неметалл, висмут - металл. От азота к висмуту прочность соединений RH 3 уменьшается, а прочность кислородных соединений возрастает.

Наибольшее значение среди элементов подгруппы азота имеют азот и фосфор .

Азот, физические и химические свойства, получение и применение

1. Азот – химический элемент

N +7) 2) 5

1 s 2 2 s 2 2 p 3 незавершённый внешний уровень, p -элемент, неметалл

Ar (N )=14

2. Возможные степени окисления

Из-за наличия трёх неспаренных электронов азот очень активен, находится только в виде соединений. Азот проявляет в соединениях степени окисления от «-3» до «+5»

3. Азот – простое вещество, строение молекулы, физические свойства

Азо́т (от греч. ἀ ζωτος - безжизненный, лат. Nitrogenium ), вместо предыдущих названий («флогистированный», «мефитический» и «испорченный» воздух) предложил в 1787 году Антуан Лавуазье . Как показано выше, в то время уже было известно, что азот не поддерживает ни горения, ни дыхания. Это свойство и сочли наиболее важным. Хотя впоследствии выяснилось, что азот, наоборот, крайне необходим для всех живых существ, название сохранилось во французском и русском языках.

N 2 – ковалентная неполярная связь, тройная (σ, 2π), молекулярная кристаллическая решётка

Вывод:

1. Малая реакционная способность при обычной температуре

2. Газ, без цвета, запаха, легче воздуха

Mr ( B оздуха)/ Mr ( N 2 ) = 29/28

4. Химические свойства азота

5. Получение:

В промышленности азот получают из воздуха. Для этого воздух сначала охлаждают, сжижают, а жидкий воздух подвергают перегонке (дистилляции). Температура кипения азота немного ниже (–195,8°C), чем другого компонента воздуха - кислорода (–182,9°C), поэтому при осторожном нагревании жидкого воздуха азот испаряется первым. Потребителям газообразный азот поставляют в сжатом виде (150 атм. или 15 МПа) в черных баллонах, имеющих желтую надпись «азот». Хранят жидкий азот в сосудах Дьюара.

В лаборатории чистый («химический») азот получают добавляя при нагревании насыщенный раствор хлорида аммония NH 4 Cl к твердому нитриту натрия NaNO 2:

NaNO 2 + NH 4 Cl = NaCl + N 2 + 2H 2 O.

Можно также нагревать твердый нитрит аммония:

NH 4 NO 2 = N 2 + 2H 2 O. ОПЫТ

6. Применение:

В промышленности газ азот используют главным образом для получения аммиака. Как химически инертный газ азот применяют для обеспечения инертной среды в различных химических и металлургических процессах, при перекачке горючих жидкостей. Жидкий азот широко используют как хладагент, его применяют в медицине, особенно в косметологии. Важное значение в поддержании плодородия почв имеют азотные минеральные удобрения.

7. Биологическая роль

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16-18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла,гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле - около 2,5 % (четвертое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9·10 11 т. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитраN 2 → Li 3 N → NH 3

№2. Составьте уравнения реакции взаимодействия азота с кислородом, магнием и водородом. Для каждой реакции составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.

№3. В одном цилиндре находится газ азот, в другом - кислород, а в третьем - углекислый газ. Как различить эти газы?

№4. В некоторых горючих газах содержится в виде примеси свободный азот. Может ли при сгорании таких газов в обыкновенных газовых плитах образоваться оксид азота (II). Почему?

Часть I

1. Строение атома –

2. Строение молекулы.

3. Характеристика химической связи в молекуле:
- по ЭО ковалентная неполярная;
- по кратности тройная.

4. Физические свойства: газ, входит в состав воздуха, без цвета и запаха, инертен.

5. Химические свойства.
1) Окислительные по отношению к М и Н2. Запишите уравнения реакций и рассмотрите их с позиций окисления-восстановления.

2) Восстановительные свойства

6. Азот в природе.

7. Получение в промышленности: из жидкого воздуха.

Часть II

1. Заполните схему «Применение азота».

2. Приведите полную классификационную характеристикуреакции синтеза аммиака.

3. Приведите полную классификационную характеристикуреакции синтеза оксида азота (II).

4. Определите формулы неизвестных реагентов и запишите уравнения реакций для переходов:

5. Какой объём азота можно получить из 540 м3 воздуха путём его фракционной перегонки?

6. Вычислите массу полученного в задании 5 объёма азота.

7. Какие микроорганизмы решают проблему связанного азота? Какие две группы таких микроорганизмов можно выделить? (в случае затруднения найдите дополнительную информацию с помощью Интернета.)
1) Клубеньковые азотфиксирующие бактерии, связывающие свободный атом N2 в усваиваемую форму.
2) Почвенные водоросли, в частности, синезеленые – также связывают атмосферный азот.

8. Напишите синквейн о веществе азоте.
1) азот N2
2) бесцветный, без запаха
3) инертен, неметалл
4) получают из жидкого воздуха
5) воздух

Азот

Урок-исследование 9 класс

Жизнь ставит цели науке;
наука освещает путь жизни.
Н.Михайловский

Цели урока.

Обучающие: изучить взаимосвязь состава, строения, свойств и применения азота и его соединений.

Развивающие: продолжить развитие умений логически мыслить, самостоятельно работать с учебником и дополнительной литературой, находить главное, сравнивать, делать выводы; совершенствование способности к рефлексии.

Воспитательные: сформировать у учащихся гражданскую позицию на примере решения одной из глобальных проблем человечества.

Методы и методические приемы . Проблемный, частично-поисковый; самостоятельная работа с учебной и дополнительной литературой, беседа, химический эксперимент, составление опорного конспекта, самопроверка.

Организационные формы работы. Коллективная, индивидуальная, групповая с различными видами самостоятельной деятельности учащихся.

Оборудование и реактивы. План-схема (на доске ), схемы, опорные конспекты на каждом столе (см. приложение ), плакат с изображением вариантов приборов для сбора газа, карточки с заданиями для групп, стаканы, кристаллизатор с водой, цилиндр, свеча на кусочке пенопласта, спички; 25%-й раствор аммиака, универсальный индикатор, азотная кислота, раствор белка, образец почвы.

Опорный конспект заполняется учащимися по ходу урока.

ХОД УРОКА

I. Ориентировочно-мотивационный этап

Учитель. Сегодня мы будем изучать химический элемент, с которым связан не один «парадокс».

Про него говорят «безжизненный», и в то же время без него нет жизни. Его называют «источником танталовых мук человечества», элементом трагедий, войн и катастроф. Этот элемент – азот.

Давайте проведем исследование и вынесем свое заключение, каков этот элемент? Полезен он или вреден? Какова природа противоречий, его окружающих? Ответить на эти вопросы нам поможет план-схема на доске (схема 1).

Итак, наша цель: дать характеристику азоту, как химическому элементу и как простому веществу. Работать будем в группах, каждая группа получает свое задание.

Г р у п п а I. История открытия элемента азота. Происхождение названия. Применение азота.

Г р у п п а II. Нахождение азота в природе.

Г р у п п а III. Строение атома. Степени окисления.

Г р у п п а IV. Вид химической связи простого вещества азота. Физические свойства.

Г р у п п а V. Химические свойства азота. Получение азота.

II. Операционно-исполнительский этап

Учитель. На подготовку ответов выделяется 10 минут. Затем слушаем отчеты групп. (Во время подготовки учитель оказывает помощь группам, отдельным учащимся.) Во время отчетов групп каждому следует заполнить опорный конспект, который будет оцениваться в конце урока. Первая группа расскажет об истории открытия азота, происхождении названия этого химического элемента.

Г р у п п а I.

1-й ученик. Воздух всегда был объектом исследования естествоиспытателей и, казалось бы, должен быть хорошо изучен, но его основные части – азот и кислород – определили только в конце ХVIII в.

Официальной датой открытия азота считается 1772 г., а лавры первооткрывателя отданы Даниэлю Резерфорду. Однако еще в 1770 г. Карл Шееле – помощник аптекаря, будущий академик – выделил азот из сгоревшего воздуха. Открытие «носилось в воздухе», несколько исследователей вплотную подходили к нему. Но первое описание элемента дал Резерфорд. Он исследовал и охарактеризовал часть воздуха, оставшуюся в закрытом сосуде, где погибла от удушья подопытная мышь.

2-й ученик. С названием азоту не повезло. Резерфорд называл его «постоянным или удушливым воздухом». Джозеф Пристли – «флогистированный воздух», Карл Шееле – «дурной воздух», а Лавуазье дал название «азот» (от греч. – частица отрицания, – жизнь), т.е. «безжизненный».

Но почему символ азота – N, если первая буква названия «а»? Дело в том, что название «азот» сохранилось только в русском и французском языках, а англоязычные ученые называют азот Nitrogen, от латинского названия Nitrogenium, что означает «рождающий селитру».

Название прошло путь от «безжизненного» до «рождающего». Слово Nitrogenium пытались перевести на русский, и азот называли селитротвором, но название не прижилось, в 1824 г. вернулись к термину «азот».

Учитель. В наше время применение к азоту прилагательного «безжизненный» звучит парадоксально, ведь основу жизни на Земле составляют соединения, в которые входит азот. Вторая группа расскажет о том, где в природе встречается азот.

Г р у п п а II.

1-й ученик. Название «азот» расшифровывают как безжизненный. Да, живое существо в атмосфере азота гибнет, этот газ не поддерживает процессы горения. Но разве можно назвать «безжизненным» элемент, входящий в состав белков – носителей жизни? Из них построены ткани человеческого организма, белки входят в состав клеток животных и растений, причем в значительных количествах. Содержание элемента азота в организме при массе тела 70 кг – 1,8 кг, в мышечной ткани его – 7,2 %, в костной ткани – 4,3 %.

В атмосфере Земли этого газа содержится 78,09 % по объему или 75,6 % по массе. Над каждым гектаром земной поверхности «висят» 8 тысяч тонн азота. Сейчас мы продемонстрируем опыт, подтверждающий содержание азота и кислорода в воздухе.

2-й ученик. Зажигаю свечу, которая укреплена на пенопласте и свободно плавает в кристаллизаторе с водой; накрываю свечу цилиндром, объем которого разделен на пять равных частей с помощью делений. В цилиндре находился воздух, после того, как свеча погасла, в него поднялась вода на одно деление. В результате горения кислород израсходовался (кислород занимает 1/5 часть или приблизительно 20 % по объему в воздухе), остался азот и другие составляющие воздуха (их содержание незначительно). Можно сделать вывод, что на газ азот приходится четыре пятых части от объема воздуха, или около 80 %.

3-й ученик. Основной «фабрикой» белковых веществ на Земле являются растения. Они служат источником азотного питания для животных. Растения используют лишь «связанный» азот, который усваивают из почвы в виде ионов, например нитратов. Подсчитано, что один гектар пахотного чернозема содержит 18 т азота. А связанный азот появился в почве в результате жизнедеятельности микроорганизмов, которые живут в клубеньках на корнях бобовых растений (клевера, гороха, вики, люпина и др.).

Из природных минералов, содержащих связанный азот, наиболее известна чилийская селитра – NaNO 3 .

4-й ученик (демонстрирует схему (схема 2) содержания азота в природе). В природе азот в свободном состоянии содержится в воздухе (78 % по объему), в связанном состоянии азот содержат некоторые минералы, органические вещества, в том числе входящие в состав живых организмов.

Учитель. Азота довольно много в природе, но, по словам американского биохимика М.Камена, «азот – это вечные терзания голода среди океана изобилия». По данным ООН 1/3 населения планеты голодает, каждую минуту несколько человек умирает именно по этой причине. Почему именно азот связывают с нехваткой пищи, с голодом? Для ответа на этот вопрос сначала рассмотрим строение атома азота.

Г р у п п а III.

1-й ученик (дает у доски характеристику элемента по его положению в периодической системе). Азот – элемент V группы, главной подгруппы, 2-го периода. Его порядковый номер – 7, относительная атомная масса – 14. Число электронов в атоме – 7, число протонов в ядре – 7, число нейтронов в ядре – 7. Схема строения атома: +7, 2е, 5е. Электронная схема: 1s 2 2s 2 2p 3 . Электронно-графическая схема:

Атом азота имеет три неспаренных электрона на 2р-подуровне.

Степени окисления азота в соединениях: –3, +1, +2, +3, +4, +5.

Учитель (дает задание классу). Определите степени окисления азота в соединениях: HNО 3 , NН 3 , NO, KNО 2 , NО 2 , N 2 О, НNO 2 .

С а м о п р о в е р к а. Для этого ученик из группы III вывешивает карточки с правильными ответами на доску:

Учитель. Мы рассмотрели строение атома, знаем, что азота в воздухе довольно много. В чем же причина того, что растениям довольно трудно усвоить азот из воздуха? Рассмотрим вид химической связи в молекуле азота N 2 .

Г р у п п а IV.

1-й ученик. В свободном состоянии азот существует в виде двухатомной молекулы N 2 . В этой молекуле два атома азота связаны очень прочной тройной ковалентной неполярной связью.

Приводится схема образования ковалентной связи в молекуле N 2 , а также структурная формула:

1-й ученик. Вывод: именно прочностью молекулы обусловлена химическая инертность азота.

Учитель. Продолжаем выяснять, что представляет собой азот как простое вещество.

2-й ученик рассказывает о физических свойствах азота, демонстрируя схему-«паучок» (схема 3).

Учитель. Как можно собрать азот в лаборатории, основываясь на знании физических свойств?

Учащиеся IV группы дают аргументированный ответ, используя плакат с изображением нескольких вариантов приборов для сбора газов.

3-й ученик. Собрать азот в лаборатории можно методом вытеснения воздуха (пробирку-приемник закрепляют отверстием вниз), т.к. азот немного легче воздуха, а также методом вытеснения воды, т.к. он малорастворим в воде.

Учитель. Рассмотрим химические свойства азота.

Г р у п п а V.

1-й ученик (демонстрирует обобщенную схему (схема 4) химических свойств азота). Азот – химически инертен. При обычных условиях взаимодействует только с литием, образуя нитрид – Li 3 N. C другими металлами взаимодействует только при высоких температурах. При температуре 450–500 °С и высоком давлении 30–100 МПа в присутствии катализатора (порошка железа с примесью оксидов алюминия и калия) реагирует с водородом, образуя аммиак. При температуре электрической дуги взаимодействует с кислородом, образуя оксид азота(II).

2-й ученик. Большинство организмов используют азот в виде соединений (т.е. связанный), а содержащийся в воздухе молекулярный азот действительно практически инертен. В природе разрыв тройной связи между атомами азота происходит во время грозовых разрядов: при этом образуются первоначально оксиды азота, а затем и слабоконцентрированная азотная кислота (оксиды азота соединяются с каплями дождя). Это – путь связывания азота в природе и попадания его в почву.

Другой путь введения азота в почву выработала также сама природа – на корнях бобовых культур образуются клубеньки, содержащие микроорганизмы, фиксирующие газообразный азот.

Учитель. В природе постоянно происходит круговорот азота: соли азотной кислоты усваиваются из почвы растениями; с растительной пищей азот переходит в организмы животных и людей; затем снова попадает в почву с продуктами жизнедеятельности, гниения, разложения; кроме того, азот частично переходит в атмосферу и т.д. Однако в ходе круговорота количество «связанного» азота в почве уменьшается, и растения начинают ощущать его недостаток. Истощенная земля дает низкие урожаи. Как вернуть земле чудесную силу, сделать ее плодородной?

3-й ученик. Нужно вносить в землю азотные удобрения. Где их взять? Есть небольшие месторождения селитры в Чили, Калифорнии, Африке, Малой Азии, но они быстро могут иссякнуть.

Первая мировая война, 1914 г. Многие страны охватил пожар войны. Селитра нужна была для военных целей. Германия начала задыхаться в тисках «азотного голода».

Немецкий ученый Франц Габер сделал выдающееся открытие: он получил аммиак, используя при этом стальной цилиндр, высокое давление, нагревание, катализатор. Из аммиака затем нетрудно получить азотную кислоту. Таким образом была решена проблема «связывания» азота.

Учитель. Можно ли вносить аммиак или азотную кислоту непосредственно в почву?

4-й ученик. Проведем опыты.

а) Испытаем раствор аммиака (нашатырный спирт) индикатором. Среда щелочная. Аммиак – летучее вещество, имеет неприятный запах, вызывает ожоги. Вывод: вносить азот в почву в таком виде нельзя.

б) Исследуем действие азотной кислоты на белок (произошла денатурация); на водную вытяжку из почвы (идет реакция с выделением углекислого газа).

Вывод: вносить в почву непосредственно азотную кислоту нельзя.

Что же можно вносить в почву? Азотные удобрения, полученные при нейтрализации этих веществ, например аммиачную селитру:

NН 3 + НNО 3 = NH 4 NO 3 .

Учитель. Давайте рассмотрим вопрос, как получают азот в промышленности?

5-й ученик. Для технических целей азот получают из воздуха. При испарении жидкого воздуха азот улетучивается первым (t кип (азота) = –196 °С, а t кип (киcлорода) = –183 °С). В лаборатории чистый азот получают при разложении некоторых его соединений.

Учитель. Каковы же области применения азота? Ответ на этот вопрос готовила группа I.

Ученик. Азот применяется для получения удобрений, взрывчатых веществ, для создания инертной среды в электротехнике, в медицине, а также для заполнения теннисных мячей.

III. Рефлексивно-оценочный этап

Учитель. Подведем итоги урока. Как может быть решена проблема голода на Земле?

Ответ таков. Азот – это элемент жизни, т.к. входит в состав белков. Из белков построены ткани живых организмов. Человек и животные получают белки с пищей, растения сами способны синтезировать их из неорганических веществ, содержащихся в почве. При недостатке азота в почве его вносят в виде удобрений. Их, в свою очередь, получают, связывая атмосферный азот.

Химия пришла на помощь земледельцам. Неистощимый океан азота, в котором купается наша Земля, был покорен. Химики избавили человечество от «азотного голода». Таким образом:
«...жизнь ставит цель науке; наука освещает путь жизни» (Михайловский Н.).

Домашнее задание. Изучить параграф 23, подготовить рассказ о круговороте азота а природе (рисунок 27, стр. 110).

Л и т е р а т у р а

Габриелян О.С. Химия. 9 класс. М.: Дрофа, 1991; Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. М.: Просвещение, 1983; Митряева И.В . Источник танталовых мук человечества. Химия в школе, 2001, № 2, с. 18–20; Что мы знаем о химии? Под ред. проф. Ю.Н.Кукушкина. М.: Высшая школа, 1993.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Опорный конспект по теме «Азот»

Фамилия, имя ученика

1. История открытия азота:

………………………….…………………..…………………..………………

………………………….…………………..…………………..………………

………………………….…………………..…………………..……….…… .

2. Нахождение в природе:

3. Положение азота в периодической системе:

порядковый номер: ………………………….………………….………… ;

группа ………………………….…………………..…………...............… ;

подгруппа ………………………….…………………..…….........……… .

4. Строение атома:

а) N {……… e , ……… p , ……… n };

б) N + ........................................ ;

в) электронная схема: ............... ;

г) электронографическая схема: ........................................ ;

д) степени окисления (подпишите значения на числовой оси):

5. Строение молекулы азота: ........................................ ;

а) химическая формула: ........................................ ;

б) вид химической связи в молекуле: ........................................ ;

в) схема образования связи: ........................................ ;

г) прочность связи: ........................................ .

Вывод о химических свойствах азота:

………………………….…………………..…………

………………………….…………………..…………

………………………….…………………..……….. .

7. Химические свойства азота (запишите уравнения реакций, указав условия их протекания, назовите продукты реакций):

а) ........................................ ;

б) ........................................ ;

в) ........................................ .

8. Получение азота в промышленности.

Из чего получают азот? ........................................ .

На чем основано получение? ........................................ .

9. Применение азота: ........................................ .

Азот является одним из самых распространенных на Земле элементов - в атмосфере его содержание превышает 78%. Существование такого большого количества азота в свободном состоянии говорит о его инертности и трудном взаимодействии с другими элементами в обычных условиях.

В связанном состоянии это вещество можно найти в органической и неорганической материи. Связанный с углеродом и кислородом, азот находится в белках животных и растений.

Само по себе название «азот» придумал Лавуазье, который в ходе многочисленных опытов установил наличие в атмосфере некоего инертного вещества. Ученый счел эту субстанцию безжизненной - по-гречески «azote».

Азотный цикл

Несмотря на инертность азота, в природе происходят постоянные процессы его фиксации или связывания. Так, например, в корнях бобовых растений накапливаются особые бактерии, которые фиксируют азот, перерабатывая его в нитраты.

В атмосфере этот газ окисляется во время разряда молний. Затем растворяются в осадках, образуя и азотистую. Со снегом, дождем, туманом азот попадает в почву, где происходит превращение его в нитриты или нитраты. Затем различные растения используют их для строительства белка. Животные питаются растениями, и перерабатывается в животный. При разложении растений и животных после смерти все азотные соединения в их организмах превращаются в аммиак. Бактерии разрушают его до простейших элементов, выделяя при этом вновь чистый азот и водород. Так происходит азотный цикл или круговорот азота в природе.

Химические свойства азота

Его основное свойство в нормальных условиях - это инертность, т.е. минимальная химическая активность. Атом азота может образовывать связь с другим атомом азота, что достаточно необычно для химических элементов (исключение составляют лишь кремний и углерод).

При нагревании этот элемент реагирует с большинством металлов. При этом образуются ионные, ковалентные или промежуточные нитриды с отрицательно заряженным ионом азота.

В реакции с водородом азот образует достаточно устойчивые соединения - азотоводороды, которые отдаленно напоминают углеводороды. К подобным веществам относятся аммиак, гидразин и азотистоводородная кислота.

Получение и применение азота

Соединения этого вещества, играют важную роль в промышленности и сельском хозяйстве. Способ получения азота в виде химического элемента зависит от необходимой степени его чистоты. Больше всего азота необходимо для но при этом допускается незначительное содержание в нем благородных газов.

Получение азота из атмосферы

Это один из самых экономичных способов, в ходе которого очищенный воздух последовательно сжижают путем охлаждения и расширения. Полученный перегоняют через фракции, медленно поднимая при этом температуру. При этом процессе сначала выделяются благородные газы, а затем азот. Остается только

Подобное получение азота позволяет произвести много миллионов тонн этого вещества каждый год. Используют азот в основном для последующего производства аммиака, который, в свою очередь, выступает в роли сырья для получения промышленных и сельскохозяйственных азотосодержащих соединений.

Чистую азотную атмосферу также могут использовать, когда необходимо полное отсутствие кислорода.

Получение азота в лаборатории

В небольших количествах этот газ получают, окисляя ионы аммония или аммиак. В частности, ион аммония можно окислить нитрит-ионом.

Получение азота в процессе разложения

При нагревании разлагаются азиды, аммиак разлагается нитриты разлагаются от взаимодействия с мочевиной или сульфаминовой кислотой - в результате всех этих реакций образуется азот.