Азот является важнейшим химическим элементом, входящим в состав всех живых организмов. Он может проявлять различные степени окисления от -3 до +5, что определяет многообразие его соединений и широту применения. Рассмотрим подробнее уникальные свойства этого элемента.
Благодаря наличию тройной связи в молекуле, азот отличается высокой инертностью в химических реакциях. Однако его соединения, напротив, часто обладают высокой реакционной способностью. Это связано с тем, что азот в них находится в более низких степенях окисления.
Строение атома и молекулы азота
Азот - химический элемент V группы периодической системы с атомным номером 7. В нейтральном состоянии атом азота имеет 7 протонов в ядре, 7 электронов и обычно 7 нейтронов.
Электронная конфигурация азота в основном состоянии - 1s2 2s2 2p3. На внешнем энергетическом уровне у него 5 валентных электронов, из которых 3 неспаренных p-электрона. Исходя из этого, азот образует максимум 3 ковалентные связи.
Молекула азота N2 состоит из двух атомов, связанных тройной ковалентной связью, которая включает одну сигма-связь и две пи-связи. Длина этой связи составляет 0,110 нм.
Тройная связь в молекуле азота обуславливает такие физические свойства, как низкие температуры плавления (-210°C) и кипения (-196°C). При нормальных условиях азот - это бесцветный непахнущий газ.
Химические свойства азота и его соединений
Азот является химически малоактивным элементом из-за наличия прочной тройной неполярной связи в молекуле N2. Однако азот способен проявлять окислительные и восстановительные свойства благодаря широкому спектру возможных степеней окисления от -3 до +5. Как восстановитель азот реагирует с кислородом, галогенами и серой с образованием соответствующих оксидов, галогенидов и сульфидов. Как окислитель азот реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами с образованием нитридов.
Важнейшие соединения азота - аммиак NH3 и азотная кислота HNO3. Аммиак обладает восстановительными свойствами, легко окисляется кислородом, хлором и другими окислителями. Азотная кислота проявляет свойства сильного окислителя, окисляет металлы и неметаллы. Разбавленная азотная кислота реагирует с металлами с выделением водорода, концентрированная - с образованием оксидов азота.
Азот образует множество оксидов с разными степенями окисления азота - закись азота N2O, оксиды азота(II) NO и азота(IV) NO2, азотистый N2O3 и азотный N2O5 ангидриды. Оксиды являются кислотными и соответствуют азотистой HNO2 и азотной HNO3 кислотам.
Таким образом, богатая шкала степеней окисления азота от -3 до +5 определяет разнообразие химических свойств простого вещества азота и его соединений - аммиака, азотной кислоты и оксидов азота.
Аккуратно вводим соду
Сода - важный ингредиент во многих кулинарных рецептах. Она не только придает блюдам пышность и мягкость, но и помогает сбалансировать вкус. Однако при работе с содой нужно соблюдать осторожность, чтобы не испортить приготовление излишним количеством этого компонента.
Главное правило при использовании соды - строго следовать указанным в рецепте пропорциям. Слишком большое количество соды может не только изменить вкус блюда, сделав его слишком щелочным, но и нарушить консистенцию. К примеру, если добавить соды больше, чем требуется для выпечки теста, оно станет липким и не поднимется должным образом.
Перед введением соды в тесто следует тщательно ее просеивать. Это позволит избавиться от комков и равномерно распределить по всей массе. Старайтесь аккуратно смешивать соду с сухими ингредиентами, а не вводить ее отдельно в жидкость.
Если вы готовите тесто с разрыхлителями, содержащими соду, например с печеньем, реакция начнется сразу после смешивания сухих компонентов с влажными. Поэтому лучше сначала перемешать все, а затем быстро выложить тесто на противень и отправить в духовку, пока оно не начало опадать.
Часто в рецептах указывают добавлять соду вместе с кислыми ингредиентами вроде кефира, йогурта, лимонного сока. Это нужно для нейтрализации кислоты и начала химической реакции выделения углекислого газа. Например, при замешивании теста для оладий на кефире соду лучше всего вводить одновременно с ним.
Иногда содержимое пачки соды за время хранения успевает слежаться и образовать твердые комки. В таком случае комковатую соду лучше предварительно растворить в небольшом количестве теплой воды, дать постоять пару минут, и затем добавлять полученный раствор в тесто. Это позволит равномерно распределить соду.
Таким образом, чтобы успешно использовать соду при выпечке или приготовлении других блюд, нужно строго следовать рецепту, тщательно просеивать ее, смешивать с сухими ингредиентами и вводить вместе с кислыми компонентами. Соблюдая эти несложные правила, вы сможете добиться идеального вкуса и консистенции.
Способы получения азота в лаборатории и промышленности
В промышленных масштабах основным способом получения азота является фракционная перегонка жидкого воздуха. Этот метод основан на различии в температурах кипения азота (-196°C) и кислорода (-183°C). Сжатый и очищенный воздух охлаждают до температуры ниже -196°C, в результате чего основная часть азота конденсируется в жидкое состояние, а кислород и благородные газы остаются в газообразном состоянии. Затем жидкий азот нагревают, он испаряется, и может быть выделен в чистом виде.
Еще один распространенный промышленный метод - это производство азота путем каталитического окисления аммиака. Аммиак нагревают в присутствии катализатора (платиновая сетка) при температуре около 500°C. В результате этой реакции аммиак окисляется кислородом воздуха с образованием азота и водяного пара.
В лабораторных условиях чистый азот можно получить разложением азида натрия при нагревании. Азид натрия разлагается с выделением газообразного азота и натрия:
Еще один лабораторный метод основан на термическом разложении нитратов. Например, при прокаливании нитрата аммония происходит его разложение с выделением азота и паров воды:
Также азот можно получить восстановлением оксидов азота углеродом, водородом или металлами. К примеру, при пропускании оксида азота(IV) через нагретую до красного каления медь, азот восстанавливается до молекулярного:
Еще один способ - это вытеснение азота из воздуха другими газами, например кислородом, диоксидом углерода или водородом. Этот метод основан на различии в растворимости газов. Менее растворимый газ (азот) вытесняется более растворимым (кислородом, СО2, Н2) из воздушно-водяной смеси.
Таким образом, основные промышленные методы получения азота - это фракционная перегонка воздуха и каталитическое окисление аммиака. В лаборатории азот можно получить разложением азидов, нитратов, восстановлением оксидов азота или вытеснением из воздуха другими газами. Во всех этих методах «степень окисления азота» изменяется от высших положительных значений до нулевой в молекулярном азоте.
Реакции азота с металлами и неметаллами
Химическая активность простого вещества азота невелика из-за наличия в молекуле N2 прочной тройной связи. Однако азот может проявлять окислительные свойства по отношению к некоторым химическим элементам.
Азот реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами с образованием соответствующих нитридов и выделением водорода. Реакции азота с щелочноземельными металлами (магнием, кальцием) протекают при нагревании. С щелочными металлами реакция идет уже при комнатной температуре.
С переходными и тяжелыми металлами молекулярный азот химически не взаимодействует. Однако оксиды азота способны окислять некоторые металлы с образованием нитратов. Например, медь окисляется оксидом азота(IV) до нитрата меди(II):
Азот проявляет окислительные свойства и по отношению к неметаллам - сере, фосфору, мышьяку с образованием соответствующих нитридов:
Реакции с неметаллами протекают при нагревании. Исключение составляет кислород, с которым азот соединяется с образованием оксидов азота уже при комнатной температуре.
Также азот способен окислять водород с образованием аммиака. Эта реакция протекает в присутствии катализатора - оксида железа(III) при температуре около 500°C:
Важно отметить, что во всех реакциях азота с металлами и неметаллами «степень окисления азота» увеличивается от 0 в молекуле N2 до +3, +4, +5 в образующихся нитридах и оксидах. Так азот проявляет свои окислительные свойства, окисляя другие элементы.
Аммиак и азотная кислота как важнейшие соединения азота
Аммиак NH3 и азотная кислота HNO3 являются двумя важнейшими соединениями азота, находящими широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. Рассмотрим подробнее их свойства.
Аммиак - бесцветный газ с резким запахом, легко сжижающийся под давлением. Он хорошо растворяется в воде, образуя аммиачную воду. В аммиаке азот находится в отрицательной степени окисления -3, то есть это восстановитель. Аммиак взаимодействует с кислородом, хлором, бромом и другими окислителями:
Также аммиак проявляет основные свойства, взаимодействуя с кислотами и образуя соли аммония:
В промышленности аммиак получают синтезом из азота и водорода под давлением в присутствии катализатора:
Аммиак используется для производства азотных удобрений, например аммиачной селитры, технической и медицинской азотной кислоты, некоторых пластмасс и взрывчатых веществ.
Азотная кислота HNO3 - бесцветная летучая жидкость, обладающая сильными окислительными свойствами. В ней азот находится в положительной степени окисления +5. Разбавленная HNO3 взаимодействует с металлами, выделяя водород:
- Концентрированная азотная кислота окисляет металлы до более высоких степеней окисления с выделением оксидов азота:
- Азотная кислота применяется для получения нитратов, удобрений, в производстве взрывчатых веществ, красителей. Она также используется для травления металлов в металлообработке.
Таким образом, в аммиаке и азотной кислоте степень окисления азота сильно отличается, что определяет различия в их свойствах и применении. Аммиак - восстановитель, азотная кислота - сильный окислитель.
Оксиды азота и соответствующие им кислоты
Азот образует множество оксидов, в которых он проявляет различные положительные степени окисления от +1 до +5. Рассмотрим наиболее важные из них.
Оксид азота(I) N2O представляет собой бесцветный газ с сладковатым привкусом. Он применяется в медицине как наркоз под названием "закись азота".
Оксид азота(II) NO - бесцветный газ, малорастворимый в воде, токсичен. Образуется при горении азотосодержащих веществ в воздухе.
Оксид азота(III) N2O3 - неустойчивое голубое вещество, которое быстро разлагается на NO и NO2. Является ангидридом азотистой кислоты HNO2.
Оксид азота(IV) NO2 - коричневый газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде. Обладает окислительными свойствами, является ангидридом азотной кислоты HNO3.
Оксид азота(V) N2O5 - бесцветные гигроскопичные кристаллы, разлагающиеся при нагревании. Также является ангидридом азотной кислоты.
Азотистая кислота HNO2 - слабая неустойчивая кислота, быстро разлагается с выделением оксидов азота. Образует нитриты при взаимодействии с металлами.
Азотная кислота HNO3 - сильная кислота, обладает окислительными свойствами. Образует нитраты в реакциях с металлами. Имеет важное промышленное значение.
Таким образом, оксиды азота демонстрируют различные положительные «степени окисления азота» от +1 до +5, что определяет свойства соответствующих им азотистой и азотной кислот.
Биологическая роль азота в природе и организме человека
Азот играет важнейшую биологическую роль, являясь необходимым элементом для всех живых организмов. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, витаминов, гормонов и других важнейших соединений.
В природе основным источником азота для растений являются азотсодержащие соединения почвы – нитраты и аммиачные соли. Растения поглощают эти соединения через корневую систему и усваивают азот для синтеза органических веществ, в первую очередь аминокислот и белков. Без достаточного количества азота невозможен нормальный рост и развитие растений.
В почву азот поступает из атмосферы – в результате электрических разрядов молний происходит окисление азота воздуха до нитратов. Также азот фиксируют некоторые бактерии, обитающие на корнях бобовых растений – клубеньковые бактерии. Они способны усваивать молекулярный азот воздуха и переводить его в доступные для растений формы.
Для человека и животных основным источником азота служат белки пищи, которые поступают в организм в составе мяса, рыбы, молока, яиц, растительных продуктов. В пищеварительном тракте под действием ферментов белки расщепляются до аминокислот, из которых уже усваивается азот.
Азот входит в состав всех аминокислот, а следовательно, всех белков организма. Особенно много азота в белках мышц, ферментах, гемоглобине. Азот также входит в состав нуклеиновых кислот, некоторых витаминов, гормонов и других важных соединений.
В организме азот претерпевает ряд превращений. Часть азота расходуется на построение собственных белков, другая часть выводится из организма в виде мочевины, мочевой кислоты и других соединений, в которых «степень окисления азота» увеличивается по сравнению с аминокислотами.
Таким образом, азот незаменим для нормальной жизнедеятельности растений, животных и человека. Он входит в состав важнейших органических соединений, выполняя жизненно необходимые функции в клетках и тканях организма.
