Dušikove spojine. Lastnosti dušika

Proizvodnja nitrata - tako je prevedena iz latinične besede Nitrogenium. To je ime dušika - kemični element z atomsko številko 7, ki vodi v 15. skupino v dolgi različici periodične tabele. V obliki preproste snovi se porazdeli v sestavo zračnega ovoja Zemlje - ozračja. Različne dušikove spojine najdemo v zemeljski skorji in živih organizmih, se pogosto uporabljajo v industriji, vojaških zadevah, kmetijstvu in medicini.

Zakaj je bil dušik imenovan "dušenje" in "brez življenja"

Kot kažejo zgodovinarji kemije, je prvi, ki je prejel to preprosto snov, Henry Cavendish (1777). Znanstvenik je minil zrak preko segretega premoga, da absorbira reakcijske produkte, ki jih uporabljajo alkalije. Kot rezultat poskusa je raziskovalec odkril brezbarven brez vonja plin, ki ni reagiral s premogom. Cavendish ga je imenoval "zadušni zrak" zaradi nezmožnosti vzdrževanja dihanja, pa tudi izgorevanja.

Sodobni kemik bi pojasnil, da se kisik reagira s premogom, nastal je ogljikov dioksid. Preostali "zadušni" del zraka je bil večinoma sestavljen iz molekul N₂. Cavendish in drugi znanstveniki takrat niso poznali te snovi, čeprav so se spojine dušika in soli nato pogosto uporabljale v gospodarstvu. Znanstvenik je svoji kolegi poročal o nenavadnem plinu, ki je izvedel podobne eksperimente - Joseph Priestley.

Hkrati je Karl Scheele opozoril na neznan del zraka, vendar ni pravilno razložil svojega izvora. Samo Daniel Rutherford je leta 1772 ugotovil, da je v eksperimentih prisoten "zadušni" "razvajen" plin - dušik. Kateri znanstveniki ga štejejo za pionirja - zgodovinarji znanosti se še vedno sprašujejo o tem.

15 let po poskusih Rutherford slavni kemik Antoine Lavoisier predlagala, da se izraz zrak "pokvaril" se nanaša na dušik, na drugi - Nitrogenium. Do takrat je bilo dokazano, da ta snov ne gorijo, ne podpira dihanja. Potem se je pojavilo rusko ime "dušik", ki se razlaga na različne načine. Najpogosteje pravijo, da izraz pomeni "brez življenja". Kasnejše delo je zavrnilo razširjeno mnenje o lastnostih snovi. Dušikove spojine - beljakovine - najpomembnejše makromolekule v živih organizmih. Za svoje gradbene rastline absorbirajo iz tal potrebne elemente mineralne prehrane - NE₃^2- in NH⁴⁺.

Dušik je kemični element

Razumevanje strukture atoma in lastnosti pomaga periodični sistem (PS). S položajem kemični element v periodični tabeli je mogoče določiti naboj jedra, število protonov in nevtronov (masna številka). Treba je biti pozoren na vrednost atomske mase - to je ena od glavnih značilnosti elementa. Številka obdobja ustreza številu ravni energije. V kratki različici periodične tabele, številka skupine ustreza številu elektronov na zunanji ravni energije. Povzemimo vse podatke v splošni značilnosti dušika po svojem položaju v periodični tabeli:

• To je nekovinski element, ki se nahaja v zgornjem desnem kotu PS.
• Kemični znak: N.
• Zaporedna številka: 7.
• Relativna atomska masa: 14,0067.
• Formula za hlapno vodikovo spojino: NH₃ (amoniak).
• Tvori najvišji oksid N₂O₅, v katerih je dušikova valenca enaka V.

Struktura dušikovega atoma:

• Polnjenje jedra: +7.
• Število protonov: 7 - število nevtronov: 7.
• Število ravni energije: 2.
• Skupno število elektronov: 7 - elektronska formula: 1s²2s²2p³.

Stabilni izotopi elementa št. 7, njihova masna števila 14 in 15 so podrobno raziskana. Vsebnost atomov vžigalnika je 99,64%. V jedru kratkotrajnih radioaktivnih izotopov je tudi 7 protonov, število nevtronov pa se močno spreminja: 4, 5, 6, 9, 10.

Dušik v naravi

V zračnem ovoju Zemlje so molekule preproste snovi, katere formula je N₂. Vsebnost plinastega dušika v ozračju je približno 78,1% glede na prostornino. Anorganske spojine tega kemijskega elementa v zemeljski skorji so različne amonijeve soli in nitrati (soli). Formule in imena nekaterih najpomembnejših snovi:

• NH_3, amoniak.
• NE_2, dušikov dioksid.
• NaNO_3, natrijev nitrat.
• (NH₄)₂Tako_4, amonijev sulfat.

Valenca dušika v zadnjih dveh spojinah - IV. Premog, tla, živi organizmi vsebujejo tudi atome N v vezani obliki. Dušik je sestavni del aminokislinskih makromolekul, nukleotidov DNA in RNA, hormonov in hemoglobina. Celotna vsebnost kemijskega elementa v človeškem telesu je 2,5%.

Enostavna snov

Dušik v obliki diatomskih molekul je največji volumen in masa zraka v ozračju. Snov s formulo N₂, nima vonja, barve in okusa. Ta plin je več kot 2/3 zemeljskega zračnega ovoja. V tekoči obliki je dušik brezbarvna snov, ki spominja na vodo. Vreli pri -195,8 ° C M (N₂) = 28 g / mol. Enostavna snov, dušik je nekoliko lažji od kisika, njegova gostota skozi zrak je blizu 1.

Atomi v molekuli trdno vežejo 3 skupne elektronske pare. Zmes ima visoko kemijsko stabilnost, ki jo ločuje od kisika in številnih drugih plinastih snovi. Da bi molekula dušika razpadla v svoje sestavne dele, je treba porabiti energijo 942,9 kJ / mol. Povezava treh parov elektronov je zelo močna, se začne segreti, ko se segreje nad 2000 ° C.

V normalnih razmerah se disociacija molekul v atome praktično ne pojavi. Kemijska inertnost dušika je posledica popolne odsotnosti polarnosti v molekulah. Zelo šibko delujejo med seboj, kar pojasnjuje plinasto stanje snovi pri normalnem tlaku in pri temperaturi blizu sobne temperature. Nizka kemična aktivnost molekularnega dušika je uporabna v različnih procesih in napravah, kjer je potrebno ustvariti inerten medij.

Dissociacija N molekul₂ lahko pride pod vplivom sončnega sevanja v zgornjih plasteh atmosfere. Nastane atomski dušik, ki pri normalnih pogojih reagira z določenimi kovinami in ne-metali (fosforjem, žveplom, arzenom). Posledično se sinteza snovi, ki jih posredno pridobivajo kopenske razmere.

Valenca dušika

Zunanja elektronska plast atoma tvori 2 s in 3 p elektronov. Te negativne delce lahko sprosti z dušikom, ko interakcijo z drugimi elementi, kar ustreza njegovim redukcijskim lastnostim. Dodajanje manjkajočih elektronov na oktet 3, atom kaže oksidativne sposobnosti. Elektronegativnost dušika je nižja, njegove nemetalne lastnosti so manj izrazite kot pri fluorih, kisiku in kloru. Med interakcijo s temi kemičnimi elementi dušik sprosti elektrone (oksidira). Reakcijo na negativne ione spremljajo reakcije z drugimi nekovinami in kovinami.

Tipična valenca dušika je III. V tem primeru se oblikujejo kemične vezi zaradi privlačenja zunanjih p-elektronov in ustvarjanja skupnih (veznih) parov. Dušik je sposoben tvoriti donorsko-akceptorsko vez zaradi nenaravljenega para elektronov, kot se zgodi v amonijevem ionu NH⁴⁺.

Pridobivanje v laboratoriju in industriji

Ena od laboratorijskih metod temelji na oksidacijskih lastnostih bakrov oksid. Uporablja se povezava dušika z vodikom - amoniak NH₃. Ta neugodno vonjni plin je v stiku z bakrovim oksidom v prahu črne barve. Zaradi reakcije dušik sprosti in se pojavi kovinski baker (rdeči prašek). Kapljice vode se poravnajo na stenah cevi - drug reakcijski produkt.

Druga laboratorijska metoda, ki uporablja spojino dušikove kovine, je azid, na primer NaN₃. Izkazalo se je plin, ki ga ni treba čistiti z nečistočami.

Laboratorij razgrajuje amonijev nitrit v dušik in vodo. Da bi se reakcija začela, se zahteva ogrevanje, nato pa postopek sproži sproščanje toplote (eksotermna). Dušik je kontaminiran z nečistočami, zato ga očistimo in izpustimo.

Proizvodnja dušika v industriji:

• frakcijska destilacija tekočega zraka - metoda, v kateri se uporabljajo fizikalne lastnosti dušika in kisika (različnih vrelišč);
• kemična reakcija zraka z rdečim premogom;
• ločevanje plina z adsorpcijskim plinom.

Interakcija s kovinami in vodikovimi oksidacijskimi lastnostmi

Inertnost močnih molekul ne omogoča pridobivanja nekaterih dušikovih spojin z direktno sintezo. Za aktiviranje atomov je potrebno močno ogrevanje ali obsevanje snovi. Dušik lahko reagira z litijem pri sobni temperaturi z magnezijem, kalcijem in natrijem, reakcija se zgodi le pri segrevanju. Nastanejo nitridi ustreznih kovin.

Interakcija dušika z vodikom nastane pri visokih temperaturah in tlakih. Za ta proces je potreben katalizator. Izkazalo se je amoniak - eden najpomembnejših produktov kemične sinteze. Dušik kot oksidacijsko sredstvo v svojih spojinah kaže tri negativna oksidacijska stanja:

• minus-3 (amoniak in druge vodikove spojine dušikovih nitridov);
• minus-2 (hidrazin N₂H₄);
• minus-1 (hidroksilamin NH₂OH).

Najpomembnejši nitrid - amoniak - v velikih količinah dobimo v industriji. Kemična inertnost dušika je dolgo ostala velik problem. Njegov vir surovin je bil nitrat, vendar so se zaloge mineralov začele hitro zmanjševati s proizvodnjo.

Velik dosežek kemijske znanosti in prakse je bil ustvarjanje amonijske metode vezanja dušika v industrijskem obsegu. V posebnih stolpcih se izvede neposredna sinteza - reverzibilni proces med dušikom, pridobljenim iz zraka in vodika. Pri ustvarjanju optimalnih pogojev, ki premikajo ravnovesje te reakcije proti proizvodu, donos amonijaka doseže 97%.

Interakcija z lastnostmi, ki zmanjšujejo kisik

Za začetek reakcije dušika in kisika je potrebno močno ogrevanje. Dovolj je energije električni lok in izpusti strele v ozračju. Najpomembnejše anorganske spojine, v katerih je dušik v pozitivnih oksidacijskih stanjih:

• +1 (dušikov oksid (I) N₂O);
• +2 (dušikov monoksid NO);
• +3 (dušikov oksid (III) N₂O₃- dušikova kislina HNO₂, njegove soli nitritov);
• +4 (dušikov dioksid (IV) NE₂);
• +5 (dušikov pentoksid (V) N₂O₅, dušikova kislina HNO₃, nitrati).

Pomen v naravi

Rastline absorbirajo amonijeve ione in anione nitrata iz tal, ki se uporablja za sintezo kemijskih reakcij organskih molekul v celicah stalno teče. Vremenski nodule bakterije dušik lahko asimilirati - mikroskopske subjekti tvorbo gomoljev na korenine stročnic. Kot rezultat, je ta skupina rastlin, ki je prejela zahtevano baterijo, da obogati tla.

Med tropskimi pršicami pride do oksidacijskih reakcij atmosferskega dušika. Oksidi se raztopijo s tvorbo kislin, te dušikove spojine v vodi vstopajo v tla. Zaradi cikla elementa v naravi nenehno dopolnjujejo njene zaloge v zemeljski skorji in zraku. Kompleksne organske molekule, ki vsebujejo dušik v njihovi sestavi, se razkrojijo z bakterijami v anorganske sestavine.

Praktična uporaba

Najpomembnejše dušikove spojine za kmetijstvo so zlahka topne soli. Asimilirane rastline sečnine, sol (natrij, kalij, kalcij), amonijeve spojine (vodne raztopine amoniaka, klorid, sulfat, amonijev nitrat).
Inertne lastnosti dušika, nezmožnost rastlin za asimilacijo iz zraka, vodijo do potrebe po izdelavi velikih količin nitratov na leto. Deli rastlinskega organizma so sposobni hraniti zalogo makrohranil "za prihodnjo uporabo", kar poslabša kakovost izdelkov. Presežek nitrati v zelenjavi in plodovi lahko povzročijo, da imajo ljudje zastrupitve, rast malignih tumorjev. Poleg kmetijstva se dušikove spojine uporabljajo tudi v drugih industrijah:

• prejemati zdravila;
• za kemično sintezo visoko molekularnih spojin;
• pri proizvodnji eksplozivov iz trinitrotoluena (TNT);
• za proizvodnjo barvil.

V operaciji se uporablja NO-oksid, snov ima analgetični učinek. Izguba občutkov pri vdihavanju tega plina so opazili prvi raziskovalci kemijskih lastnosti dušika. Torej je bilo trivialno ime "smeh plina".

Problem nitratov v kmetijskih proizvodih

V soli dušikove kisline - nitrati - vsebuje posamezno napolnjen anion NO^3-. Do sedaj se uporablja staro ime te skupine snovi - soli. Nitrati se uporabljajo za gnojila, v rastlinjakih, sadovnjakih. Prinašajo jih zgodaj spomladi pred setvijo, poleti - v obliki tekočega gnojenja. Sama snov ne predstavlja velike nevarnosti za ljudi, v telesu pa se spreminja v nitrite, nato pa v nitrozamine. Nitritni ioni NE^2- - strupeni delci, povzročajo oksidacijo dvovalentnega železa v molekulah hemoglobina do trivalentnih ionov. V takšnem stanju glavna snov človeške in živalske krvi ni sposobna prenesti kisika in odstraniti ogljikovega dioksida iz tkiv.

Kakšna je nevarna kontaminacija živil za zdravje ljudi:

• maligni tumorji, ki nastanejo, ko se nitrati pretvorijo v nitrozamine (rakotvorne snovi);
• razvoj ulceroznega kolitisa,
• hipotenzija ali hipertenzija;
• srčno popuščanje;
• motnje krvavitve
• lezije jeter, trebušne slinavke, razvoj sladkorne bolezni;
• razvoj ledvične odpovedi;
• anemija, moteni spomin, pozornost, inteligenca.

Hkratna uporaba različnih izdelkov z visokimi odmerki nitratov povzroči akutno zastrupitev. Viri so lahko rastline, pitna voda, pripravljene mesne jedi. Namakanje v čisti vodi in kuhanje lahko zmanjša vsebnost nitratov v hrani. Raziskovalci so ugotovili, da so višji odmerki nevarnih spojin opaženi v nezrelih rastlinskih rastlinskih proizvodih.

Fosfor je del podskupine dušika

Atomi kemijskih elementov, ki so v istem vertikalnem stolpcu periodičnega sistema, imajo skupne lastnosti. Fosfor se nahaja v tretjem obdobju, spada v skupino 15, kot je dušik. Struktura atomov elementov je podobna, vendar so razlike v lastnostih. Dušik in fosfor kažejo negativno stopnjo oksidacije in valence III v svojih spojinah s kovinami in vodikom.

Mnoge fosforjeve reakcije se pojavljajo pri običajnih temperaturah, to je kemično aktiven element. Vpliva na kisik, da se tvori višji oksid P₂O podjetju₅. Vodna raztopina te snovi ima lastnosti kisline (metafosforne kisline). Ko se segreva, dobimo ortofosforno kislino. Nastaja več vrst soli, od katerih jih veliko služi kot mineralna gnojila, na primer superfosfati. Spojine dušika in fosforja so pomemben del cikla snovi in ​​energije na našem planetu, uporabljajo se na industrijskih, kmetijskih in drugih področjih dejavnosti.