Kaj je dušik? Masa dušika. Molekula dušika

Nekovinski element 15. skupina [VA] periodnega sistema - atom dušika 2, katerih kombinacija tvori molekulo - barve, vonja in okusa plina predstavljajo velik del zemeljsko atmosfero in ki je del vseh živih bitij.

Zgodovina odkrivanja

Plin dušika je približno 4/5 zemeljskega ozračja. Med raziskavami zgodnjega zraka je bil izoliran. Leta 1772 je švedski kemik Karl-Wilhelm Scheele najprej pokazal, kaj je dušik. Po njegovem mnenju je zrak zmes dveh plinov, od katerih je imenovanih "ogenj zraka", da je za izgorevanje, in drugi - .. "Nečisti zrak", ker je še vedno po prvi porabi. Bilo je kisik in dušik. Približno v istem času dušika je bil izoliran s škotski botanik Daniel Rutherford, ki je prvič objavljen njegove ugotovitve, kot tudi britanski kemik Henry Cavendish in britanski duhovnik in znanstvenik Joseph Priestley, ki je v skupni rabi z Scheele primarnosti odkritju kisika. Nadaljnje študije so pokazale, da je novi plin del nitrata ali kalijevega nitrata (KNO₃), In v skladu s tem, je bil imenovan za dušik ( "dal ob rojstvu otroka Salitra"), ki ga je francoski kemik Chaptal leta 1790 je bila Dušik prvič razvrščene kot kemični elementi Lavoisier, katerih razlaga vlogo kisika pri gorenju ovrgli Flogistonska Teorija - priljubljena v XVIII stoletju. napačna ideja o izgorevanju. Nezmožnost tega kemičnega elementa, da preživi življenje (v grščini zeta-omega-ή) je bil razlog, da je Lavoisier imenoval plinski dušik.

Pojav in distribucija

Kaj je dušik? Zaradi razširjenosti kemičnih elementov zaseda šesto mesto. Zemljina atmosfera je 75,51% teže in 78,09% po prostornini sestoji iz tega elementa in je glavni vir za industrijo. Ozračje vsebuje tudi majhno količino amoniaka in amonijevih soli ter dušikovih oksidov in dušikova kislina, nastala med nevihtami, pa tudi pri motorjih z notranjim izgorevanjem. Brezplačni dušik najdemo v številnih meteoritih, vulkanskih in rudnih plinih ter nekaterih mineralnih izvirih, na soncu, v zvezdah in meglih.

Dušik se nahaja tudi v mineralnih poljih kalijevega nitrata in natrija, vendar to ni dovolj za zadovoljitev potreb ljudi. Naslednji material, bogat s tem elementom, je gvan, ki ga najdemo v jamah, kjer je veliko netopirjev ali na suhih mestih, ki jih gostijo ptice. Tudi dušik vsebuje dež in tla v obliki amoniaka in amonijevih soli ter v morski vodi v obliki amonijevih ionov (NH₄⁺), nitrit (NO₂^-) in nitrati (NO₃^-). V povprečju je približno 16% kompleksnih organskih spojin, kot so beljakovine, prisotne v vseh živih organizmih. Njegova naravna vsebnost v zemeljski skorji je 0,3 delov na 1000. Razpon v prostoru je 3 do 7 atomov na silicij atom.

Največje države, ki proizvajajo dušik (v obliki amonijaka) na začetku XXI stoletja, so Indija, Rusija, Združene države, Trinidad in Tobago, Ukrajina.

Komercialna proizvodnja in uporaba

Industrijska proizvodnja dušika temelji na frakcijski destilaciji utekočinjenega zraka. Vrelišče je -195,8 ° C, kar je 13 ° C nižje od kisika, kar je tako ločeno. Dušik se lahko proizvaja tudi v velikem obsegu s sežiganjem ogljikovih ali ogljikovodikov v zraku in ločevanjem nastalega ogljikovega dioksida in vode iz preostalega dušika. V majhnem obsegu se čisti dušik proizvaja s segrevanjem barijevega azida Ba (N₃)₂. Laboratorijske reakcije vključujejo segrevanje raztopine amonijevega nitrita (NH₄NE₂), oksidacijo amoniaka z vodno raztopino broma ali segrevanjem bakrov oksid:

• NH₄⁺+NE₂^-→ N₂+2H₂O.
• 8NH₃+3Br₂→ N₂+6NH₄⁺+6Br^-.
• 2NH₃+3CuO → N₂+3H₂O + 3Cu.

Elementarni dušik se lahko uporablja kot inertna atmosfera za reakcije, ki zahtevajo izključitev kisika in vlage. Uporablja se tudi tekoči dušik. Vodik, metan, ogljikov monoksid, fluor in kisik so edine snovi, ki se na vrelišču dušika ne pretvorijo v trdno kristalno stanje.

V kemični industriji se ta kemični element uporablja za preprečevanje oksidacije ali drugega poškodb izdelka, kot je inertno razredčilo reaktivnega plina, za odstranjevanje toplote ali kemikalij ter kot inhibitor požara ali eksplozije. V prehrambeni industriji se plin dušika uporablja za preprečevanje uničenja proizvodov in tekočine - za zamrzovanje sušilnih in hladilnih sistemov. V električni industriji plin preprečuje oksidacijo in druge kemične reakcije, ustvari pritisk v kabelski plašč in ščiti električne motorje. V metalurgiji se dušika uporablja pri varjenju in spajanju, kar preprečuje oksidacijo, uplinjanje in razbarvanje. Kot neaktivni plin se uporablja pri proizvodnji porozne gume, plastike in elastomerov, služi kot pogon v aerosolnih pločevinkah in ustvarja pritisk tekočega goriva v reaktivnih letalih. V medicini se za ohranjanje krvi, kostnega mozga, tkiv, bakterij in sperme uporablja hitro zamrzovanje s tekočim dušikom. Našel je aplikacijo v kriogenih raziskavah.

Povezave

Večina dušika se uporablja pri proizvodnji kemičnih spojin. Trojna vez med atomi elementa je tako močna (226 kcal na mol, dvakrat toliko kot molekularni vodik), da molekula dušika skoraj ne vstopa v druge spojine.

Glavna industrijska metoda za določitev elementa je proces Haber-Bosch za sintezo amonijaka, razvit med prvo svetovno vojno, da bi zmanjšali odvisnost Nemčije od Čilski amonijev nitrat. Vključuje neposredno sintezo NH₃ - brezbarvni plin z ostrim, dražilnim vonjem - neposredno iz njegovih elementov.

Večina amoniaka se pretvori v dušikovo kislino (HNO₃) in nitrati - soli in estri dušikove kisline, žgane sode (Na₂CO₃), hidrazin (N₂H₄) Je brezbarvna tekočina, ki se uporablja kot pogonsko sredstvo in v številnih industrijskih procesih.

Dušikova kislina je še ena glavna komercialna spojina tega kemijskega elementa. Brezbarvna, zelo jedka tekočina se uporablja pri proizvodnji gnojil, barvil, zdravil in eksplozivov. Amonijev nitrat (NH₄NE₃) - sol amonijaka in dušikove kisline - je najpogostejša sestavina dušikovih gnojil.

Dušik + kisik

S kisikom dušik tvori vrsto oksidov, vključno z dušikovim oksidom (N₂O), kjer je njegova valenca +1, oksid (NO) (+2) in dioksid (NO₂) (+4). Mnogi dušikovi oksidi so zelo nestanovitni, zato so glavni vir onesnaženja v ozračju. Dušikov oksid, znan tudi kot plin za plin, se včasih uporablja kot anestetik. Pri vdihavanju povzroča blago histerijo. Dušikov oksid hitro reagira s kisikom, da se tvori rjavi dioksid, vmesni produkt v proizvodnja dušikove kisline in močan oksidant v kemičnih procesih in raketnem gorivu.

Prav tako se uporabljajo nekateri nitridi, ki jih tvori kombinacija kovin z dušikom pri povišanih temperaturah. Posebne uporabe imajo nitri bor, titana, cirkonija in tantala. Ena kristalinična oblika bor nitrida (BN), na primer, ni slabša od diamanta v trdoti in je slabo oksidirana, zato jo uporabljamo kot visokotemperativni brusni material.

Anorganski cianidi vsebujejo skupino CN^-. Vodikov cianid, ali cianovodikova kislina HCN, je izjemno nestabilen in izredno strupen plin, ki se uporablja za zaplinjevanje, koncentracijo rude v drugih industrijskih procesih. Dicyan (CN)₂ se uporablja kot vmesna kemikalija in za zaplinjevanje.

Azidi so spojine, ki vsebujejo skupino treh dušikovih atomov -N₃. Večina jih je nestabilna in zelo občutljiva na udarce. Nekateri izmed njih, kot je vodilni azid Pb (N₃)₂, se uporabljajo v detonatorjih in kapsulah. Azidi, kot so halogeni, zlahka delujejo z drugimi snovmi in tvorijo različne spojine.

Dušik je del več tisoč organskih spojin. Večina od njih izhaja iz amonijaka, vodikovega cianida, cianogena, dušikovega oksida ali dušikove kisline. Amini, aminokisline, amidi, na primer, izhajajo iz ali so tesno povezani z amoniakom. Nitroglicerin in nitroceluloza sta estri dušikove kisline. Nitriti so pripravljeni iz dušikove kisline (HNO₂). Purini in alkaloidi so heterociklične spojine, v katerih dušik nadomešča enega ali več ogljikovih atomov.

Lastnosti in reakcije

Kaj je dušik? To je brezbarvni plin, ki ne vsebuje vonja, ki kondenzira pri -195,8 ° C v brezbarvno tekočino z nizko viskoznostjo. Element obstaja v obliki N molekul₂, predstavljena v obliki: N ::: N: pri čemer je energija vezave, enaka 226 kcal na mol, druga samo za ogljikov monoksid (256 kcal na mol). Zato je aktivacijska energija molekularnega dušika zelo visoka, zato je v običajnih pogojih element relativno inerten. Poleg tega zelo stabilna dušikova molekula bistveno prispeva k termodinamični nestabilnosti številnih dušik vsebujočih spojin, v katerih so vezi, čeprav dovolj močne, slabše od molekulskih dušikovih vezi.

Relativno nedavno in nepričakovano je bila odkrita sposobnost dušikovih molekul, da služijo kot ligandi v kompleksnih spojinah. Opazovanje, da nekatere rešitve kompleksov rutenij lahko absorbirajo atmosferski dušik, je privedlo do tega, da se kmalu poišče enostavnejši in boljši način določanja tega elementa.

Aktivni dušik lahko dosežemo z nizkotlačnim plinom preko visokonapetostnega električnega praznjenja. Izdelek sveti rumeno in je veliko bolj pripravljen reagirati kot molekularni, z atomskim vodikom, žveplom, fosforjem in različnimi kovinami ter je sposoben razgraditi NO do N₂ in O₂.

Jasnejšo predstavo o tem, kaj dušik je, lahko dobimo iz njegove elektronske strukture, ki ima obliko 1s²2s²2p³. Pet elektronov zunanjih lupin šibko ščiti polnjenje, zaradi česar se učinkovito jedrsko polnilo zazna na razdalji kovalentnega polmera. Atomi dušika so relativno majhni in imajo visoko elektronegativnost, ki se nahaja med ogljikom in kisikom. Elektronska konfiguracija vključuje tri polpopolnjene zunanje orbitale, ki omogočajo oblikovanje treh kovalentnih vezi. Zato je treba dušikov atom imajo zelo visoke reaktivnosti, ki tvori z večino drugih elementov stabilne binarne spojine, še posebej, ko je drugi element, bistveno razlikujejo elektronegativnost, vezni pomembne polariteto priključkov. Ko je elektronegativnost drugega elementa nižja, polariteta daje atomu dušika delno negativno energijo, ki osvobaja svoje nedeljene elektrone za sodelovanje v koordinacijskih vezeh. Ko je drugi element bolj elektronegativ, delno pozitivna naboj dušika v bistvu omejuje donatorske lastnosti molekule. Pri nizki polarnosti vezi, zaradi enake elektronegativnosti drugega elementa, prevladujejo večje povezave nad posameznimi vezmi. Če neusklajenost atomskih dimenzij preprečuje nastanek večkratnih vezi, potem je verjetno, da je formirana enostavna vez relativno šibka in povezava bo nestabilna.

Analitska kemija

Pogosto se odstotek dušika v mešanici plinov lahko določi z merjenjem njene prostornine po absorpciji ostalih komponent kemijskih reagentov. Razkrojem žveplovo kislino v prisotnosti živosrebrovega nitrata sprošča dušikov oksid, ki se lahko izmeri kot plin. Dušik sprostimo iz organskih spojin pri izgorevanju nad bakrovega oksida in prosti dušik lahko merimo kot plin po absorpciji drugih produktov zgorevanja. Znani Kjeldahlova metoda za določanje snovi tu obravnavanega v organskih spojin obstoji v razpadajočih spojino s koncentrirano žveplovo kislino (v danem primeru vsebuje živo srebro ali njegovega oksida in različnih soli). Tako se dušik pretvori v amonijev sulfat. Dodajanjem natrijevega hidroksida sprošča amoniak, ki je zberemo s konvencionalnim kislotoy- preostale količine nezreagiranega kisline nato določimo s titracijo.

Biološki in fiziološki pomen

Vloga dušika v žive snovi potrjuje fiziološko aktivnost svojih organskih spojin. Večina živih organizmov ne more neposredno uporabljati tega kemičnega elementa in mora imeti dostop do svojih spojin. Zato je fiksiranje dušika zelo pomembno. V naravi je to rezultat dveh glavnih procesov. Eden od njih je učinek električne energije na atmosfero, zaradi česar se disociira dušikova in kisikova molekula, kar omogoča proste atome, da tvorijo NO in NO₂. Dioksid nato reagira z vodo: 3NO₂+H₂O → 2HNO₃+NE.

HNO₃ se raztopi in pride na Zemlje z dežjem v obliki šibke rešitve. Sčasoma kislina postane del kombiniranega dušika v tleh, kjer se nevtralizira, tvorijo nitrite in nitrate. Vsebnost N v kultiviranih tleh se praviloma obnovi zaradi vnosa gnojil, ki vsebujejo nitrate in amonijeve soli. Osamitev živali in rastlin ter njihova razgradnja vrne dušikove spojine v tla in zrak.

Drug osnovni proces naravne fiksacije je življenjska aktivnost stročnic. Zahvaljujoč simbiozi z bakterijami te kulture lahko pretvorijo atmosferski dušik neposredno v njegove spojine. Nekateri mikroorganizmi, kot sta Azotobacter Chroococcum in Clostridium pasteurianum, lahko N neodvisno določijo.

plin sam, pri čemer je inertni, neškodljiva, razen če dihajo pod tlakom in se raztopi v krvi in ​​drugih telesnih tekočin pri višjih koncentracijah. To povzroči učinek drog, in če je tlak prehitro zmanjša, se presežek dušika sprosti, plinskih mehurčkov na različnih lokacijah v telesu. To lahko povzroči bolečine v mišicah in sklepih, omedlevica, delno paralizo ali celo smrt. Ti simptomi se imenujejo dekompresijska bolezen. Zato je treba tiste, ki so prisiljeni dihati zrak v takih razmerah zelo počasi, da se zmanjša pritisk na normalno do presežnega dušika skozi pljuča brez mehurčkov. Najboljša alternativa je uporaba dihanja mešanice kisika in helija. Helij je veliko manj topen v telesnih tekočinah in nevarnost se zmanjša.

Izotopi

Dušik obstaja v obliki dveh stabilnih izotopov: ¹⁴N (99,63%) in ¹⁵N (0,37%). Lahko jih ločimo s kemično izmenjavo ali toplotno difuzijo. Masa dušika v obliki umetnih radioaktivnih izotopov je v območju 10-13 in 16-24. Najstabilnejši razpolovni čas je 10 minut. Prvo umetno povzročeno jedrsko transmutacijo je leta 1919 izvedel britanski fizik Ernest Rutherford, ki je bombardiranje dušika-14 z alfa delci prejel jedra kisika-17 in protone.

Lastnosti

Nazadnje, naštevamo glavne lastnosti dušika:

• Atomska številka: 7.
• Atomska teža dušika: 14,0067.
• Tališče: -209,86 ° C
• Vrelišče: -195,8 ° C
• Gostota (1 atm, 0 ° C): 1.2506 g dušika na liter.
• Skupna oksidacijska stanja: -3, +3, +5.
• Elektronska konfiguracija: 1s²2s²2p³.