Giving salpeter - sådan er ordet Nitrogenium oversat fra latin. Dette er navnet på nitrogen - et kemisk grundstof med atomnummer 7, der leder den 15. gruppe i den lange version af det periodiske system. I form af et simpelt stof er det fordelt i jordens luftskal - atmosfæren. En række nitrogenforbindelser findes i jordskorpen og levende organismer og er meget udbredt i industrier, militære anliggender, landbrug og medicin.
Hvorfor nitrogen blev kaldt "kvælende" og "livløst"
Som kemihistorikere antyder, var Henry Cavendish (1777) den første til at modtage dette simple stof. Forskeren førte luft over varme kul ved at bruge alkali til at absorbere reaktionsprodukterne. Som et resultat af eksperimentet opdagede forskeren en farveløs, lugtfri gas, der ikke reagerede med kul. Cavendish kaldte det "kvælende luft", fordi den ikke var i stand til at holde vejret såvel som forbrænding.
En moderne kemiker ville forklare, at oxygen reagerede med kulstof og dannede kuldioxid. Den resterende "kvælende" del af luften bestod for det meste af N2 molekyler. Cavendish og andre videnskabsmænd på det tidspunkt kendte endnu ikke til dette stof, selvom nitrogen- og salpeterforbindelser dengang blev meget brugt i økonomien. Videnskabsmanden rapporterede den usædvanlige gas til sin kollega, som udførte lignende eksperimenter, Joseph Priestley.
Samtidig henledte Karl Scheele opmærksomheden på en ukendt bestanddel af luften, men undlod at forklare dens oprindelse korrekt. Kun Daniel Rutherford i 1772 indså, at den "kvælende" "fordærvede" gas, der var til stede i eksperimenterne, var nitrogen. Hvilken videnskabsmand skal betragtes som hans opdager - videnskabshistorikere skændes stadig om dette.
15 år efter Rutherfords eksperimenter foreslog den berømte kemiker Antoine Lavoisier at ændre udtrykket "forkælet" luft, der refererer til nitrogen, til et andet - Nitrogenium. På det tidspunkt blev det bevist, at dette stof ikke brænder, understøtter ikke vejrtrækning. Samtidig dukkede det russiske navn "nitrogen" op, som fortolkes på forskellige måder. Udtrykket siges oftest at betyde "livløs". Efterfølgende arbejde tilbageviste den udbredte mening om materiens egenskaber. Nitrogenforbindelser - proteiner - er de vigtigste makromolekyler i sammensætningen af levende organismer. For at bygge dem optager planterne de nødvendige elementer af mineralnæring fra jorden - ioner NO32- og NH4+.
Nitrogen er et kemisk grundstof
Det periodiske system (PS) hjælper med at forstå atomets struktur og dets egenskaber. Ved placeringen af et kemisk grundstof i det periodiske system kan man bestemmekerneladning, antal protoner og neutroner (massetal). Det er nødvendigt at være opmærksom på værdien af atommasse - dette er en af grundstoffets hovedegenskaber. Periodetallet svarer til antallet af energiniveauer. I den korte version af det periodiske system svarer gruppenummeret til antallet af elektroner i det ydre energiniveau. Lad os opsummere alle data i de generelle karakteristika for nitrogen ved dets position i det periodiske system:
- Dette er et ikke-metallisk element, placeret i øverste højre hjørne af PS.
- Kemisk tegn: N.
- Ordrenummer: 7.
- Relativ atommasse: 14,0067.
- Formel for flygtig hydrogenforbindelse: NH3 (ammoniak).
- Producerer det højeste oxid N2O5, hvor nitrogenvalensen er V.
Strukturen af nitrogenatomet:
- Kerneopladning: +7.
- Antal protoner:7; antal neutroner: 7.
- Antal energiniveauer: 2.
- Samlet antal elektroner: 7; elektronisk formel: 1s22s22p3.
De stabile isotoper af grundstof nr. 7 er blevet undersøgt i detaljer, deres massetal er 14 og 15. Indholdet af atomer i den lettere af dem er 99,64%. Der er også 7 protoner i kernerne af kortlivede radioaktive isotoper, og antallet af neutroner varierer meget: 4, 5, 6, 9, 10.
Nitrogen i naturen
Jordens luftskal indeholder molekyler af et simpelt stof, hvis formel er N2. Indholdet af gasformigt nitrogen i atmosfæren er efter volumenomkring 78,1%. Uorganiske forbindelser af dette kemiske element i jordskorpen er forskellige ammoniums alte og nitrater (nitrater). Formler for forbindelser og navne på nogle af de vigtigste stoffer:
- NH3, ammoniak.
- NO2, nitrogendioxid.
- NaNO3, natriumnitrat.
- (NH4)2SO4, ammoniumsulfat.
Valens af nitrogen i de sidste to forbindelser - IV. Kul, jord, levende organismer indeholder også bundne N-atomer. Nitrogen er en integreret del af aminosyremakromolekyler, DNA- og RNA-nukleotider, hormoner og hæmoglobin. Det samlede indhold af et kemisk grundstof i den menneskelige krop når 2,5%.
Simpel substans
Nitrogen i form af diatomiske molekyler er den største del af den atmosfæriske luft målt i volumen og masse. Et stof, hvis formel er N2, har ingen lugt, farve eller smag. Denne gas udgør mere end 2/3 af Jordens luftkappe. I flydende form er nitrogen et farveløst stof, der ligner vand. Koger ved -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Det simple stof nitrogen er lidt lettere end oxygen, dets massefylde i luft er tæt på 1.
Atomer i et molekyle binder fast 3 almindelige elektronpar. Forbindelsen udviser høj kemisk stabilitet, som adskiller den fra ilt og en række andre gasformige stoffer. For at et nitrogenmolekyle kan desintegrere i dets atomer, er det nødvendigt at bruge en energi på 942,9 kJ / mol. En binding af tre elektronpar er meget stærk.nedbrydes ved opvarmning over 2000 °C.
Under normale forhold forekommer dissociationen af molekyler til atomer praktisk t alt ikke. Den kemiske inertitet af nitrogen skyldes også det fuldstændige fravær af polaritet i dets molekyler. De interagerer meget svagt med hinanden, hvilket er årsagen til stoffets gasformige tilstand ved norm alt tryk og temperatur tæt på stuetemperatur. Den lave reaktivitet af molekylært nitrogen finder anvendelse i forskellige processer og enheder, hvor det er nødvendigt at skabe et inert miljø.
Dissociation af molekyler N2 kan forekomme under påvirkning af solstråling i den øvre atmosfære. Der dannes atomisk nitrogen, som under normale forhold reagerer med nogle metaller og ikke-metaller (fosfor, svovl, arsen). Som et resultat er der en syntese af stoffer, der opnås indirekte under terrestriske forhold.
Nitrogenvalency
Det ydre elektronlag af et atom er dannet af 2 s og 3 p elektroner. Disse negative partikler af nitrogen kan give op, når de interagerer med andre elementer, hvilket svarer til dets reducerende egenskaber. Ved at knytte de manglende 3 elektroner til oktetten udviser atomet oxiderende evner. Elektronegativiteten af nitrogen er lavere, dens ikke-metalliske egenskaber er mindre udt alte end fluor, oxygen og klor. Når det interagerer med disse kemiske elementer, afgiver nitrogen elektroner (oxideres). Reduktion til negative ioner ledsages af reaktioner med andre ikke-metaller og metaller.
Den typiske valens af nitrogen er III. I dette tilfældekemiske bindinger dannes på grund af tiltrækningen af eksterne p-elektroner og dannelsen af fælles (bindings)par. Nitrogen er i stand til at danne en donor-acceptorbinding på grund af dets enlige elektronpar, som det sker i ammoniumionen NH4+.
Laboratorie- og industriel produktion
En af laboratoriemetoderne er baseret på kobberoxids oxiderende egenskaber. Der anvendes en nitrogen-hydrogenforbindelse - ammoniak NH3. Denne ildelugtende gas reagerer med pulveriseret sort kobberoxid. Som et resultat af reaktionen frigives nitrogen, og metallisk kobber (rødt pulver) fremkommer. Vanddråber, et andet produkt af reaktionen, sætter sig på rørets vægge.
En anden laboratoriemetode, der bruger en kombination af nitrogen med metaller, er azid, såsom NaN3. Det viser sig en gas, der ikke behøver at blive renset for urenheder.
Ammoniumnitrit nedbrydes til nitrogen og vand i laboratoriet. For at reaktionen kan starte, kræves opvarmning, derefter fortsætter processen med frigivelse af varme (exoterm). Nitrogen er forurenet med urenheder, så det renses og tørres.
Produktion af nitrogen i industrien:
- fraktioneret destillation af flydende luft - en metode, der bruger de fysiske egenskaber af nitrogen og oxygen (forskellige kogepunkter);
- kemisk reaktion af luft med glødende kul;
- adsorptionsgasseparation.
Interaktion med metaller og brint - oxiderende egenskaber
Inertitet af stærke molekylertillader ikke opnåelse af nogle nitrogenforbindelser ved direkte syntese. For at aktivere atomer er stærk opvarmning eller bestråling af stoffet nødvendig. Nitrogen kan reagere med lithium ved stuetemperatur, med magnesium, calcium og natrium sker reaktionen kun ved opvarmning. De tilsvarende metalnitrider dannes.
Interaktionen mellem nitrogen og brint sker ved høje temperaturer og tryk. Denne proces kræver også en katalysator. Det viser sig ammoniak - et af de vigtigste produkter af kemisk syntese. Nitrogen, som et oxidationsmiddel, udviser tre negative oxidationstilstande i dets forbindelser:
- −3 (ammoniak og andre hydrogenforbindelser af nitrogen er nitrider);
- −2 (hydrazin N2H4);
- −1 (hydroxylamin NH2OH).
Det vigtigste nitrid - ammoniak - produceres i store mængder i industrien. Den kemiske inerthed af nitrogen forblev et stort problem i lang tid. Salpeter var dens kilde til råmaterialer, men mineralreserverne begyndte at falde hurtigt, efterhånden som produktionen steg.
En stor bedrift inden for kemisk videnskab og praksis var skabelsen af ammoniakmetoden til nitrogenfiksering i industriel skala. Direkte syntese udføres i specielle kolonner - en reversibel proces mellem nitrogen opnået fra luft og brint. Når der skabes optimale forhold, der flytter ligevægten af denne reaktion mod produktet, ved hjælp af en katalysator, når ammoniakudbyttet 97%.
Interaktion med oxygen - reducerende egenskaber
For at starte reaktionen af nitrogen og ilt er det nødvendigt med kraftig opvarmning. En lysbue og en lynudladning i atmosfæren har tilstrækkelig energi. De vigtigste uorganiske forbindelser, hvori nitrogen er i sin positive oxidationstilstand:
- +1 (nitrogenoxid (I) N2O);
- +2 (nitrogenmonoxid NO);
- +3 (nitrogenoxid (III) N2O3; salpetersyrling HNO2, dets s alte er nitritter);
- +4 (nitrogen (IV) dioxid NO2);
- +5 (nitrogenpentoxid (V) N2O5, salpetersyre HNO3, nitrater).
Mening in nature
Planter absorberer ammoniumioner og nitratanioner fra jorden, bruger til kemiske reaktioner syntesen af organiske molekyler, der konstant foregår i celler. Atmosfærisk nitrogen kan optages af knudebakterier - mikroskopiske væsner, der danner vækster på rødderne af bælgplanter. Som et resultat får denne gruppe planter det nødvendige næringsstof, beriger jorden med det.
Under tropiske regnskyl forekommer atmosfæriske nitrogenoxidationsreaktioner. Oxider opløses for at danne syrer, disse nitrogenforbindelser i vand kommer ind i jorden. På grund af grundstoffets cirkulation i naturen bliver dets reserver i jordskorpen og luften konstant genopfyldt. Komplekse organiske molekyler, der indeholder nitrogen, nedbrydes af bakterier til uorganiske komponenter.
Praktisk brug
De vigtigste forbindelserkvælstof til landbruget er meget opløselige s alte. Urinstof, salpeter (natrium, kalium, calcium), ammoniumforbindelser (en vandig opløsning af ammoniak, chlorid, sulfat, ammoniumnitrat) assimileres af planter, nitrater. Dele af planteorganismen er i stand til at lagre makronæringsstoffer "for fremtiden", hvilket forringer produkternes kvalitet. Et overskud af nitrater i grøntsager og frugter kan forårsage forgiftning hos mennesker, vækst af ondartede neoplasmer. Ud over landbruget bruges nitrogenforbindelser i andre industrier:
- for at modtage medicin;
- til kemisk syntese af makromolekylære forbindelser;
- i produktion af sprængstoffer fra trinitrotoluen (TNT);
- til fremstilling af farvestoffer.
Der bruges INGEN oxid til kirurgi, stoffet har en smertestillende effekt. Tabet af fornemmelser ved indånding af denne gas blev bemærket selv af de første forskere af nitrogens kemiske egenskaber. Sådan opstod det trivielle navn "lattergas".
Problem med nitrater i landbrugsprodukter
Salpetersyres alte - nitrater - indeholder en enkeltladet anion NO3-. Indtil nu er det gamle navn på denne gruppe af stoffer brugt - salpeter. Nitrater bruges til at gøde marker, i drivhuse, frugtplantager. De påføres i det tidlige forår før såning, om sommeren - i form af flydende forbindinger. Stofferne i sig selv udgør ikke den store fare for mennesker, meni kroppen bliver de til nitritter og derefter til nitrosaminer. Nitritioner NO2- er giftige partikler, de forårsager oxidation af jernholdigt jern i hæmoglobinmolekyler til trivalente ioner. I denne tilstand er hovedstoffet i blodet hos mennesker og dyr ikke i stand til at transportere ilt og fjerne kuldioxid fra væv.
Hvad er faren for nitratforurening af fødevarer for menneskers sundhed:
- maligne tumorer, der opstår, når nitrater omdannes til nitrosaminer (kræftfremkaldende stoffer);
- udvikling af colitis ulcerosa,
- hypotension eller hypertension;
- hjertesvigt;
- blodkoagulationsforstyrrelse
- lever, bugspytkirtel, diabetes udvikling;
- udvikling af nyresvigt;
- anæmi, nedsat hukommelse, opmærksomhed, intelligens.
Samtidig indtagelse af forskellige fødevarer med høje doser af nitrater fører til akut forgiftning. Kilder kan være planter, drikkevand, tilberedte kødretter. Iblødsætning i rent vand og madlavning kan reducere nitratindholdet i fødevarer. Forskerne fandt ud af, at der blev fundet højere doser af farlige forbindelser i umodne planteprodukter og drivhusprodukter.
Fosfor er et element i nitrogenundergruppen
Atomer af kemiske grundstoffer, der er i den samme lodrette søjle i det periodiske system, udviser fælles egenskaber. Fosfor er placeret i den tredje periode, tilhører den 15. gruppe, ligesom nitrogen. Strukturen af atomerelementer ligner hinanden, men der er forskelle i egenskaber. Nitrogen og phosphor udviser en negativ oxidationstilstand og valens III i deres forbindelser med metaller og hydrogen.
Mange reaktioner af fosfor finder sted ved almindelige temperaturer, det er et kemisk aktivt grundstof. Det interagerer med oxygen og danner et højere oxid P2O5. En vandig opløsning af dette stof har egenskaberne af en syre (metaphosphorsyre). Når det opvarmes, opnås orthophosphorsyre. Det danner flere typer s alte, hvoraf mange tjener som mineralsk gødning, såsom superfosfater. Forbindelser af nitrogen og fosfor er en vigtig del af kredsløbet af stoffer og energi på vores planet, de bruges i industri-, landbrugs- og andre aktivitetsområder.
