Азот
Общие сведения
Азот представляет собой простое вещество, являющееся двухатомным газом без цвета, вкуса и запаха. Данный элемент получил широкое распространение в природе, особенно в составе земной атмосферы. Открытие азота датируется тысяча семьсот семьдесят вторым годом. Считается, что элемент был открыт практически одновременно тремя исследователями восемнадцатого века, среди которых числятся Генри Кавендиш, Даниэль Резерфорд и Карл Шееле. В русскоязычной научной терминологии закрепилось название французского происхождения, в то время как во многих других языках используется корень, связанный со словом «нитроген».
Свойства и характеристики
Молекула азота состоит из двух атомов, соединенных прочной тройной связью, что обуславливает высокую химическую инертность вещества и требует значительных затрат энергии для ее разрушения. В стандартных условиях азот находится в газообразном состоянии и не образует межмолекулярных связей, аналогичных водородным связям в воде. Жидкое агрегатное состояние для данного вещества нехарактерно и достигается лишь при температуре минус сто девяносто пять градусов Цельсия. Переход в твердое состояние происходит при температуре минус двести десять градусов Цельсия. Твердый азот способен существовать в трех различных модификациях в зависимости от показателей давления. Несмотря на общую инертность, при нормальных условиях азот способен вступать в реакцию с литием. При воздействии высоких температур или электрических разрядов вещество взаимодействует с различными металлами и неметаллами, образуя нитриды. Наиболее важным соединением является нитрид водорода, известный как аммиак. Также азот способен образовывать пять различных оксидов, большинство из которых обладают токсичными свойствами. Сам по себе газообразный азот безопасен для дыхания, однако при повышенном давлении он способен вызывать эффекты наркоза, опьянения и удушья, а резкое снижение давления при дыхании азотными смесями приводит к развитию кессонной болезни.
Нахождение в природе
Азот является одним из наиболее распространенных элементов. Он присутствует в газовых туманностях, атмосфере Солнца, а также в значительных количествах на Уране и Нептуне. Атмосферы таких небесных тел, как Титан, Тритон и Плутон, преимущественно состоят из азота, что делает их химический состав близким к земному. На планете Земля азот составляет семьдесят восемь процентов атмосферы. Помимо атмосферы, элемент присутствует в мантии и земной коре. Предполагается, что первичный атмосферный азот на Земле образовался в результате активной вулканической деятельности в катархее, когда газ выбрасывался из мантии. В гидросфере азот находится в растворенном состоянии, однако его концентрация там относительно невелика из-за динамического равновесия процессов растворения и выделения. Элемент играет критически важную роль для всех живых организмов, входя в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот и ферментов. В природе существует непрерывный круговорот азота. Его фиксация может происходить абиогенным путем во время грозовых разрядов с образованием оксидов, а также биологическим путем с помощью азотфиксирующих бактерий и некоторых видов грибов. Данные микроорганизмы переводят атмосферный азот в форму иона аммония, который затем усваивается растениями. После гибели живых организмов происходят процессы гниения, в результате которых азот возвращается в атмосферу, либо скапливается в виде органических и неорганических остатков, формируя месторождения селитры. Постоянная утечка атмосферного азота в космическое пространство частично компенсируется выбросами вулканов.
Получение
В лабораторных условиях азот может быть получен посредством разложения нитрита аммония, а также путем нагревания смеси дихромата калия и сульфата аммония. В промышленных масштабах ранее применялся метод взаимодействия атмосферного воздуха с раскаленным коксом, что приводило к образованию смеси азота и инертных газов. В современной промышленности наиболее эффективным способом получения чистого азота признана фракционная перегонка жидкого воздуха, осуществляемая на специализированных азотных станциях. Значительная часть добываемого из воздуха азота направляется на синтез аммиака. Процесс получения аммиака, разработанный в тысяча девятьсот девятом году и реализованный на первом заводе в тысяча девятьсот тринадцатом году, требует использования железного катализатора с оксидами алюминия и калия. Данная химическая реакция протекает при температуре от четырехсот до шестисот градусов Цельсия и давлении от десяти до тысячи атмосфер. В настоящее время промышленным путем из атмосферы ежегодно извлекается около миллиона тонн азота.
Применение
Газообразный азот широко применяется в различных отраслях промышленности благодаря своей химической инертности. Он используется для создания инертной среды, предотвращающей процессы окисления и гниения. Азот закачивают в шины летательных аппаратов и автомобилей, а также применяют при бурении скважин. Жидкий азот активно используется в качестве хладагента в пищевой промышленности и для тушения пожаров, поскольку его низкая температура и отсутствие поддерживающих горение свойств позволяют эффективно прекращать реакцию окисления. Специфическим направлением использования жидкого азота является крионика, предполагающая заморозку биологических организмов и тканей, хотя на современном этапе развития науки данный процесс приводит к необратимому разрушению клеток. Соединения азота, полученные через синтез аммиака, имеют стратегическое значение для производства пороха и взрывчатых веществ. Кроме того, некоторые азотсодержащие соединения находят применение в медицинской практике для обеспечения наркоза.