Температура кипения азота: широкий спектр свойств удивительного газа

Азот - один из наиболее распространенных элементов на нашей планете. Хотя это вещество кажется простым, оно обладает множеством удивительных и полезных качеств. Давайте разберемся, что представляет собой температура кипения азота и зачем она нужна.

История открытия азота

В 1772 году английский химик Генри Кавендиш впервые выделил азот. Он пропускал воздух через раскаленный уголь, чтобы поглотить кислород. Получившийся остаточный газ Кавендиш назвал "удушливым воздухом". В том же году азот независимо открыл шведский ученый Карл Шееле. Он также описал атмосферу как смесь двух газов - "огненного воздуха" (кислород) и "испорченного воздуха" (азот).

Современное название "азот" было предложено в 1787 году французским химиком Антуаном Лавуазье. Оно произошло от греческого "азотос" - "лишенный жизни". Это подчеркивало, что азот не поддерживает ни дыхания, ни горения. Позднее выяснилось, что на самом деле азот жизненно необходим всем организмам.

Азот составляет основу всех белков и нуклеиновых кислот, без него невозможна жизнь

Тем не менее, название закрепилось во многих языках, в том числе в русском. В английском языке азот называют nitrogen от латинского nitrum - "селитра" и gens - "рождающий".

Физические свойства азота

При нормальных условиях азот - это бесцветный газ без запаха и вкуса. Он плохо растворим в воде и химически инертен. Азот существует в трех агрегатных состояниях:

• Газообразный азот при 0°C и давлении 1 атм имеет плотность 1,2506 кг/м3.
• Жидкий азот - бесцветная подвижная жидкость плотностью 808 кг/м3.
• Твердый азот образует белые кристаллы.

Основные физические константы азота:

Молекула азота N2 состоит из двух атомов, связанных очень прочной тройной химической связью. Это объясняет химическую инертность азота и трудность вступления в реакции. Даже при температуре 5000°C азот практически не диссоциирует на атомы.

Зная физические свойства азота, в частности его низкую температуру кипения, человек научился использовать этот газ в различных целях.

Получение азота

В лаборатории небольшие количества азота можно получить разложением нитрита аммония при нагревании:

NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O

Эта экзотермическая реакция идет с выделением 80 ккал тепла на 1 моль вещества, поэтому требуется охлаждение.

В промышленности основным источником азота является его выделение из жидкого воздуха при фракционной перегонке. Также применяется разделение газов методами адсорбции и мембранной фильтрации.

Огромные количества азота производятся путем синтеза аммиака из атмосферного азота и водорода:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃

Эта обратимая эндотермическая реакция идет при высоких давлениях в присутствии катализатора. Условия синтеза аммиака:

• Температура: 400-500°C
• Давление: до 1000 атм
• Катализатор: железо с оксидами алюминия и калия

Таким образом, зная физико-химические особенности азота, человек научился эффективно получать этот элемент в промышленных масштабах.

Применение азота

Благодаря своим уникальным физическим свойствам, в том числе низкой температуре кипения, азот нашел широкое применение в различных областях.

Газообразный азот используется в качестве инертной среды, не поддерживающей горение и окисление. Его применяют для продувки резервуаров и трубопроводов в нефтегазовой отрасли, а также тушения пожаров в шахтах.

Жидкий азот служит мощным хладагентом, его используют для заморозки и хранения продуктов, в медицине. При испарении он эффективно тушит пожары, вытесняя кислород из очага возгорания.

Температура кипения азота составляет -195,8°C. Это позволяет использовать его как мощный хладагент.

Азот в природе

В биосфере азот играет важнейшую роль, являясь незаменимым элементом для всех живых организмов. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, аминокислот и других соединений.

Около 78% атмосферы Земли по объему составляет молекулярный азот N2. Однако он недоступен для усвоения большинством организмов. Поэтому в природе идет активная азотфиксация - превращение N2 в соединения аммония бактериями и цианобактериями.

Азот в сельском хозяйстве

Недостаток азота сдерживает рост растений, приводит к хлорозу и снижению урожая. Поэтому фермеры активно используют азотные удобрения, полученные химическим путем.

Однако избыток азота также вреден для растений и может накапливаться в почве в виде нитратов. Поэтому важно рационально применять азотные подкормки.

Азот в пищевой промышленности

Азот активно используется для упаковки и хранения пищевых продуктов. Газообразный азот создает инертную атмосферу, предотвращая окисление и порчу. Жидкий азот позволяет заморозить и сохранить скоропортящиеся продукты.

Также азот применяют для создания пористой структуры и взбивания сливок в производстве десертов и мороженого.

Азот в металлургии

В металлургической промышленности азот находит широкое применение. Газообразный азот используют для продувки жидкого металла, удаления из него кислорода и водорода. Это повышает качество готовых металлических изделий.

Также азот применяют при термической обработке стали для предотвращения окисления поверхности металла. Жидкий азот позволяет быстро охладить расплавленный металл при закалке.

Применение азота в машиностроении

В машиностроительной отрасли азот используется для наполнения амортизационных устройств, пневматических систем, шин и рессор. Благодаря сжимаемости газообразного азота удается смягчить ударные нагрузки на детали машин.

Также азот применяют для испытаний сосудов, трубопроводов и других изделий под давлением, поскольку этот газ химически инертен и безопасен.

Азот в электронной промышленности

В производстве полупроводников и микросхем азот широко используется для создания контролируемой инертной атмосферы, предотвращающей окисление и загрязнение чувствительных элементов электроники.

Газообразный и жидкий азот применяют для быстрого и равномерного охлаждения электронных компонентов. Это позволяет повысить производительность и стабильность работы микросхем.

Применение азота в авиации и космонавтике

В авиастроении и ракетостроении азот используется для наддува топливных баков, создания давления в гидравлических системах. Газообразный азот закачивают в шины самолетов и вертолетов, а также в амортизаторы шасси.

Жидкий азот применяют в системах термостатирования бортовой электроники космических аппаратов. Азотные топливные компоненты используются в ракетостроении.

Прочие области применения азота

Кроме того, азот находит применение в строительстве, пищевой промышленности, медицине, научных исследованиях и во многих других сферах человеческой деятельности. Универсальность этого элемента обусловлена его уникальными физико-химическими свойствами.