Donar salitre: així és com es tradueix la paraula Nitrogeni del llatí. Aquest és el nom del nitrogen, un element químic amb nombre atòmic 7, que encapçala el 15è grup de la versió llarga de la taula periòdica. En forma de substància simple, es distribueix a la capa d'aire de la Terra: l'atmosfera. A l'escorça terrestre i als organismes vius es troben diversos compostos de nitrogen, i s'utilitzen àmpliament en indústries, afers militars, agricultura i medicina.
Per què el nitrogen s'anomenava "asfixiant" i "sense vida"
Com suggereixen els historiadors de la química, Henry Cavendish (1777) va ser el primer a rebre aquesta substància senzilla. El científic va passar aire sobre carbons calents, utilitzant àlcali per absorbir els productes de la reacció. Com a resultat de l'experiment, l'investigador va descobrir un gas incolor i inodor que no reaccionava amb el carbó. Cavendish el va anomenar "aire sufocant" per no poder mantenir la respiració i cremar.
Un químic modern explicaria que l'oxigen va reaccionar amb el carboni per formar diòxid de carboni. La part "ofecosa" restant de l'aire consistia principalment en N2 molècules. Cavendish i altres científics d'aquella època encara no coneixien aquesta substància, tot i que aleshores els compostos de nitrogen i salitre eren àmpliament utilitzats en l'economia. El científic va informar del gas inusual al seu col·lega, que va fer experiments similars, Joseph Priestley.
Al mateix temps, Karl Scheele va cridar l'atenció sobre un constituent desconegut de l'aire, però no va poder explicar correctament el seu origen. Només Daniel Rutherford el 1772 es va adonar que el gas "sufocant" "afectat" present als experiments era nitrogen. Quin científic s'ha de considerar el seu descobridor: els historiadors de la ciència encara discuteixen sobre això.
15 anys després dels experiments de Rutherford, el famós químic Antoine Lavoisier va suggerir canviar el terme "aire malmès", referint-se al nitrogen, per un altre - Nitrogeni. En aquell moment, es va demostrar que aquesta substància no crema, no suporta la respiració. Al mateix temps, va aparèixer el nom rus "nitrogen", que s'interpreta de diferents maneres. El terme més sovint es diu que significa "sense vida". Els treballs posteriors van refutar l'opinió generalitzada sobre les propietats de la matèria. Els compostos nitrogenats -proteïnes- són les macromolècules més importants en la composició dels organismes vius. Per construir-los, les plantes absorbeixen els elements necessaris de nutrició mineral del sòl: ions NO32- i NH4+.
El nitrogen és un element químic
El sistema periòdic (PS) ajuda a entendre l'estructura de l'àtom i les seves propietats. Per la posició d'un element químic a la taula periòdica, es pot determinarcàrrega nuclear, nombre de protons i neutrons (nombre de massa). Cal parar atenció al valor de la massa atòmica: aquesta és una de les característiques principals de l'element. El número de període correspon al nombre de nivells d'energia. A la versió curta de la taula periòdica, el nombre de grup correspon al nombre d'electrons del nivell d'energia exterior. Resumim totes les dades de les característiques generals del nitrogen per la seva posició en el sistema periòdic:
- Aquest és un element no metàl·lic, situat a l'extrem superior dret del PS.
- Signe químic: N.
- Número de comanda: 7.
- Massa atòmica relativa: 14,0067.
- Fórmula del compost d'hidrogen volàtil: NH3 (amoníac).
- Produeix l'òxid més alt N2O5, en què la valència del nitrogen és V.
L'estructura de l'àtom de nitrogen:
- Càrrec bàsic: +7.
- Nombre de protons:7; nombre de neutrons: 7.
- Nombre de nivells d'energia: 2.
- Nombre total d'electrons: 7; fórmula electrònica: 1s22s22p3.
S'han estudiat detalladament els isòtops estables de l'element núm. 7, els seus nombres en massa són 14 i 15. El contingut d'àtoms del més lleuger d'ells és del 99,64%. També hi ha 7 protons als nuclis dels isòtops radioactius de curta vida, i el nombre de neutrons varia molt: 4, 5, 6, 9, 10.
Nitrogen a la natura
La capa d'aire de la Terra conté molècules d'una substància simple, la fórmula de la qual és N2. El contingut de nitrogen gasós a l'atmosfera és en volumal voltant del 78,1%. Els compostos inorgànics d'aquest element químic a l'escorça terrestre són diverses sals d'amoni i nitrats (nitrats). Fórmules de compostos i noms d'algunes de les substàncies més importants:
- NH3, amoníac.
- NO2, diòxid de nitrogen.
- NaNO3, nitrat de sodi.
- (NH4)2SO4, sulfat d'amoni.
València del nitrogen en els dos últims compostos - IV. El carbó, el sòl i els organismes vius també contenen àtoms de N lligats. El nitrogen és una part integral de les macromolècules d'aminoàcids, els nucleòtids d'ADN i ARN, les hormones i l'hemoglobina. El contingut total d'un element químic al cos humà arriba al 2,5%.
substància simple
El nitrogen en forma de molècules diatòmiques és la part més gran de l'aire atmosfèric en volum i massa. Una substància la fórmula de la qual és N2 no té olor, color ni sabor. Aquest gas constitueix més de 2/3 de l'embolcall d'aire de la Terra. En forma líquida, el nitrogen és una substància incolora que s'assembla a l'aigua. Bulli a -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. La substància simple nitrogen és lleugerament més lleugera que l'oxigen, la seva densitat a l'aire és propera a 1.
Els àtoms d'una molècula uneixen fermament 3 parells d'electrons comuns. El compost presenta una alta estabilitat química, cosa que el distingeix de l'oxigen i d' altres substàncies gasoses. Perquè una molècula de nitrogen es desintegri en els seus àtoms constituents, cal gastar una energia de 942,9 kJ/mol. Un enllaç de tres parells d'electrons és molt fort.es descompon quan s'escalfa per sobre dels 2.000 °C.
En condicions normals, pràcticament no es produeix la dissociació de molècules en àtoms. La inercia química del nitrogen també es deu a l'absència total de polaritat en les seves molècules. Interaccionen molt dèbilment entre si, que és la raó de l'estat gasós de la matèria a pressió normal i temperatura propera a la temperatura ambient. La baixa reactivitat del nitrogen molecular troba aplicació en diversos processos i dispositius on és necessari crear un entorn inert.
La dissociació de molècules N2 es pot produir sota la influència de la radiació solar a l'atmosfera superior. Es forma nitrogen atòmic, que en condicions normals reacciona amb alguns metalls i no metalls (fòsfor, sofre, arsènic). Com a resultat, hi ha una síntesi de substàncies que s'obtenen indirectament en condicions terrestres.
València del nitrogen
La capa d'electrons exterior d'un àtom està formada per 2 s i 3 p electrons. Aquestes partícules negatives de nitrogen poden renunciar a la interacció amb altres elements, cosa que correspon a les seves propietats reductores. En connectar els 3 electrons que f alten a l'octet, l'àtom presenta capacitats oxidants. L'electronegativitat del nitrogen és menor, les seves propietats no metàl·liques són menys pronunciades que les del fluor, l'oxigen i el clor. Quan interacciona amb aquests elements químics, el nitrogen cedeix electrons (s'oxida). La reducció a ions negatius va acompanyada de reaccions amb altres no metalls i metalls.
La valència típica del nitrogen és III. En aquest casEls enllaços químics es formen a causa de l'atracció d'electrons p externs i la creació de parells comuns (d'enllaç). El nitrogen és capaç de formar un enllaç donant-acceptador a causa del seu parell d'electrons solitari, com passa en l'ió amoni NH4+.
Producció industrial i de laboratori
Un dels mètodes de laboratori es basa en les propietats oxidants de l'òxid de coure. S'utilitza un compost nitrogen-hidrogen: amoníac NH3. Aquest gas malolor reacciona amb òxid de coure negre en pols. Com a resultat de la reacció, s'allibera nitrogen i apareix coure metàl·lic (pols vermell). Les gotes d'aigua, un altre producte de la reacció, s'assenten a les parets del tub.
Un altre mètode de laboratori que utilitza una combinació de nitrogen amb metalls és l'azida, com ara NaN3. Resulta un gas que no s'ha de purificar de les impureses.
El nitrit d'amoni es descompon en nitrogen i aigua al laboratori. Perquè la reacció comenci, cal escalfar-se, després el procés continua amb l'alliberament de calor (exotèrmica). El nitrogen està contaminat amb impureses, de manera que es purifica i s'asseca.
Producció de nitrogen a la indústria:
- destil·lació fraccionada d'aire líquid: un mètode que utilitza les propietats físiques del nitrogen i l'oxigen (diferents punts d'ebullició);
- reacció química de l'aire amb el carbó ardent;
- separació de gas d'adsorció.
Interacció amb metalls i hidrogen - propietats oxidants
Inercia de molècules fortesno permet obtenir alguns compostos nitrogenats per síntesi directa. Per activar els àtoms, cal un fort escalfament o irradiació de la substància. El nitrogen pot reaccionar amb el liti a temperatura ambient, amb magnesi, calci i sodi la reacció només es produeix quan s'escalfa. Es formen els nitrurs metàl·lics corresponents.
La interacció del nitrogen amb l'hidrogen es produeix a altes temperatures i pressions. Aquest procés també requereix un catalitzador. Resulta que l'amoníac - un dels productes més importants de la síntesi química. El nitrogen, com a agent oxidant, presenta tres estats d'oxidació negatius en els seus compostos:
- −3 (l'amoníac i altres compostos d'hidrogen del nitrogen són nitrurs);
- −2 (hidrazina N2H4);
- −1 (hidroxilamina NH2OH).
El nitrur més important, l'amoníac, es produeix en grans quantitats a la indústria. La inercia química del nitrogen va romandre un gran problema durant molt de temps. El salitre era la seva font de matèries primeres, però les reserves minerals van començar a disminuir ràpidament a mesura que augmentava la producció.
Un gran assoliment de la ciència i la pràctica química va ser la creació del mètode d'amoníac de fixació de nitrogen a escala industrial. La síntesi directa es realitza en columnes especials: un procés reversible entre el nitrogen obtingut de l'aire i l'hidrogen. Quan es creen condicions òptimes que desplacen l'equilibri d'aquesta reacció cap al producte, utilitzant un catalitzador, el rendiment d'amoníac arriba al 97%.
Interacció amb l'oxigen - propietats reductores
Per iniciar la reacció del nitrogen i l'oxigen, cal un fort escalfament. Un arc elèctric i una descàrrega d'un llamp a l'atmosfera tenen energia suficient. Els compostos inorgànics més importants en què el nitrogen es troba en els seus estats d'oxidació positius són:
- +1 (òxid nítric (I) N2O);
- +2 (monòxid de nitrogen NO);
- +3 (òxid nítric (III) N2O3; àcid nitrós HNO2, les seves sals són nitrits);
- +4 (diòxid de nitrogen (IV) NO2);
- +5 (pentòxid de nitrogen (V) N2O5, àcid nítric HNO3, nitrats).
Significat a la natura
Les plantes absorbeixen ions d'amoni i anions nitrats del sòl, utilitzen per a reaccions químiques la síntesi de molècules orgàniques, que es produeix constantment a les cèl·lules. El nitrogen atmosfèric pot ser absorbit per bacteris nòduls: criatures microscòpiques que formen creixements a les arrels dels llegums. Com a resultat, aquest grup de plantes rep l'element nutritiu necessari, enriqueix el sòl amb ell.
Durant els xàfecs tropicals, es produeixen reaccions d'oxidació del nitrogen atmosfèric. Els òxids es dissolen per formar àcids, aquests compostos nitrogenats de l'aigua entren al sòl. A causa de la circulació de l'element a la natura, les seves reserves a l'escorça terrestre i l'aire es reomplen constantment. Les molècules orgàniques complexes que contenen nitrogen són descompostes pels bacteris en components inorgànics.
Ús pràctic
Les connexions més importantsEl nitrogen per a l'agricultura són sals altament solubles. La urea, el salitre (sodi, potassi, calci), els compostos d'amoni (una solució aquosa d'amoníac, clorur, sulfat, nitrat d'amoni) són assimilats per les plantes.nitrats. Parts de l'organisme vegetal són capaços d'emmagatzemar macronutrients "per al futur", cosa que empitjora la qualitat dels productes. Un excés de nitrats en verdures i fruites pot provocar intoxicació en les persones, el creixement de neoplàsies malignes. A més de l'agricultura, els compostos de nitrogen s'utilitzen en altres indústries:
- per rebre medicaments;
- per a la síntesi química de compostos macromoleculars;
- en la producció d'explosius a partir de trinitrotoluè (TNT);
- per a la producció de colorants.
NO s'utilitza òxid en cirurgia, la substància té un efecte analgèsic. La pèrdua de sensacions en inhalar aquest gas es va notar fins i tot pels primers investigadors de les propietats químiques del nitrogen. Així va aparèixer el nom trivial "gas de la risa".
Problema dels nitrats en productes agrícoles
Les sals d'àcid nítric (nitrats) contenen un anió de càrrega individual NO3-. Fins ara, s'utilitza el nom antic d'aquest grup de substàncies: salitre. Els nitrats s'utilitzen per adobar camps, hivernacles, horts. S'apliquen a principis de primavera abans de la sembra, a l'estiu, en forma d'apòsits líquids. Les substàncies en si no suposen un gran perill per als humans, peròal cos, es converteixen en nitrits, després en nitrosamines. Els ions de nitrit NO2- són partícules tòxiques, causen l'oxidació del ferro fèrric de les molècules d'hemoglobina en ions trivalents. En aquest estat, la substància principal de la sang dels humans i dels animals no és capaç de transportar oxigen i eliminar el diòxid de carboni dels teixits.
Quin és el perill de la contaminació dels aliments per nitrats per a la salut humana:
- tumors malignes que es produeixen quan els nitrats es converteixen en nitrosamines (carcinògens);
- desenvolupament de colitis ulcerosa,
- hipotensió o hipertensió;
- insuficiència cardíaca;
- trastorn de la coagulació de la sang
- fetge, pàncrees, desenvolupament de diabetis;
- desenvolupament d'insuficiència renal;
- anèmia, problemes de memòria, atenció, intel·ligència.
El consum simultània de diferents aliments amb dosis elevades de nitrats provoca una intoxicació aguda. Les fonts poden ser plantes, aigua potable, plats de carn preparats. Remull en aigua neta i cuinar pot reduir el contingut de nitrats dels aliments. Els investigadors van trobar que es van trobar dosis més altes de compostos perillosos en productes vegetals immadurs i d'hivernacle.
El fòsfor és un element del subgrup de nitrogen
Els àtoms dels elements químics que es troben a la mateixa columna vertical del sistema periòdic presenten propietats comunes. El fòsfor es troba al tercer període, pertany al grup 15, com el nitrogen. L'estructura dels àtomsels elements són semblants, però hi ha diferències en les propietats. El nitrogen i el fòsfor presenten un estat d'oxidació negatiu i una valència III en els seus compostos amb metalls i hidrogen.
Moltes reaccions del fòsfor tenen lloc a temperatures ordinàries, és un element químicament actiu. Interacciona amb l'oxigen per formar un òxid superior P2O5. Una solució aquosa d'aquesta substància té les propietats d'un àcid (metafosfòric). Quan s'escalfa, s'obté àcid ortofosfòric. Forma diversos tipus de sals, moltes de les quals serveixen com a fertilitzants minerals, com els superfosfats. Els compostos de nitrogen i fòsfor són una part important del cicle de les substàncies i l'energia del nostre planeta, s'utilitzen en camps d'activitat industrials, agrícoles i altres.
