Poruka o dušiku. Dušik iz atmosfere. Podrijetlo naziva dušik

Elektronička konfiguracija 2s 2 2p 3 Kemijska svojstva Kovalentni radijus 75 navečer Ionski radijus 13 (+5e) 171 (-3e) popodne Elektronegativnost
(prema Paulingu) 3,04 Potencijal elektrode — Oksidacijska stanja 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -3 Termodinamička svojstva jednostavne tvari Gustoća 0,808 (-195,8 °C)/cm³ Molarni toplinski kapacitet 29,125 (plin N 2) J /( mol) Toplinska vodljivost 0,026 W/( ·) Temperatura topljenja 63,29 Toplina taljenja (N 2) 0,720 kJ/mol Temperatura vrenja 77,4 Toplina isparavanja (N 2) 5,57 kJ/mol Molarni volumen 17,3 cm³/mol Kristalna rešetka jednostavne tvari Rešetkasta struktura kubični Parametri rešetke 5,661 omjer c/a — Debyeova temperatura n/a

N	7
14,00674
2s 2 2p 3
Dušik

Dušik u obliku dvoatomnih molekula N2 čini najveći dio atmosfere, gdje je njegov sadržaj 75,6% (maseni) odnosno 78,084% (volumenni), odnosno oko 3,87 10 15 tona.

Masa dušika otopljenog u hidrosferi, uzimajući u obzir da se istovremeno odvijaju procesi otapanja atmosferskog dušika u vodi i njegovog otpuštanja u atmosferu, iznosi oko 2 10 13 tona, osim toga sadrži oko 7 10 11 tona dušika u hidrosferi u obliku spojeva.

Biološka uloga

Dušik je element neophodan za život životinja i biljaka, ulazi u sastav proteina (16-18% mase), aminokiselina, nukleinskih kiselina, nukleoproteina, klorofila, hemoglobina i dr. U sastavu živih stanica broj dušikovih atoma je oko 2%, po masenom udjelu - oko 2,5% (četvrto mjesto nakon vodika, ugljika i kisika). U tom smislu, značajna količina vezanog dušika sadržana je u živim organizmima, “mrtvoj organskoj tvari” i raspršenoj tvari mora i oceana. Ta se količina procjenjuje na približno 1,9 10 11 tona. Kao rezultat procesa truljenja i razgradnje organske tvari koja sadrži dušik, pod utjecajem povoljnih čimbenika okoliša, mogu nastati prirodne naslage minerala koji sadrže dušik, na primjer, "čileanska salitra" (natrijev nitrat s primjesama drugih spojeva), norveška, indijska salitra.

Kruženje dušika u prirodi

Kruženje dušika u prirodi

Fiksacija atmosferskog dušika u prirodi odvija se u dva glavna smjera - abiogenom i biogenom. Prvi put uključuje uglavnom reakcije dušika s kisikom. Budući da je dušik kemijski vrlo inertan, za oksidaciju su potrebne velike količine energije (visoke temperature). Ti se uvjeti postižu tijekom udara groma kada temperatura dosegne 25 000 °C ili više. U tom slučaju dolazi do stvaranja različitih dušikovih oksida. Također postoji mogućnost da do abiotičke fiksacije dolazi kao rezultat fotokatalitičkih reakcija na površini poluvodiča ili širokopojasnih dielektrika (pustinjski pijesak).

Međutim, glavni dio molekularnog dušika (oko 1,4·10 8 t/god.) biotički se fiksira. Dugo se vremena vjerovalo da samo mali broj vrsta mikroorganizama (iako raširenih na površini Zemlje) može vezati molekularni dušik: bakterije Azotobacter I Clostridium, kvržične bakterije mahunarki Rhizobium, cijanobakterije Anabaena, Nostoc itd. Danas je poznato da tu sposobnost imaju i mnogi drugi organizmi u vodi i tlu, npr. aktinomicete u gomoljima johe i drugog drveća (ukupno 160 vrsta). Svi oni pretvaraju molekularni dušik u amonijeve spojeve (NH 4 +). Ovaj proces zahtijeva značajan utrošak energije (za fiksiranje 1 g atmosferskog dušika bakterije u kvržicama mahunarki troše oko 167,5 kJ, odnosno oksidiraju oko 10 g glukoze). Dakle, vidljiva je uzajamna korist od simbioze biljaka i bakterija koje fiksiraju dušik - prve daju potonjima "mjesto za život" i opskrbu "gorivom" dobivenim fotosintezom - glukozom, potonje daju dušik potrebnim biljkama u obliku koji one mogu apsorbirati.

Dušik u obliku amonijaka i amonijevih spojeva, koji nastaje biogenim procesima fiksacije dušika, brzo se oksidira u nitrate i nitrite (taj se proces naziva nitrifikacija). Potonji, nepovezani biljnim tkivima (i dalje duž hranidbenog lanca biljojedima i grabežljivcima), ne ostaju dugo u tlu. Većina nitrata i nitrita je visoko topljiva, pa ih voda ispire i na kraju završavaju u svjetskim oceanima (taj se protok procjenjuje na 2,5-8·10 7 t/god.).

Dušik koji se nalazi u tkivima biljaka i životinja, nakon njihove smrti, prolazi kroz amonifikaciju (razgradnju kompleksnih spojeva koji sadrže dušik uz oslobađanje amonijaka i amonijevih iona) i denitrifikaciju, odnosno oslobađanje atomskog dušika, kao i njegovih oksida. . Ti se procesi u potpunosti odvijaju zahvaljujući aktivnosti mikroorganizama u aerobnim i anaerobnim uvjetima.

U nedostatku ljudske aktivnosti, procesi fiksacije dušika i nitrifikacije gotovo su potpuno uravnoteženi suprotnim reakcijama denitrifikacije. Dio dušika ulazi u atmosferu iz plašta s vulkanskim erupcijama, dio je čvrsto fiksiran u tlu i mineralima gline, osim toga, dušik neprestano curi iz gornjih slojeva atmosfere u međuplanetarni prostor.

Toksikologija dušika i njegovih spojeva

Sam atmosferski dušik dovoljno je inertan da ima izravan učinak na ljudsko tijelo i sisavce. Međutim, kod visokog krvnog tlaka uzrokuje narkozu, intoksikaciju ili gušenje (zbog nedostatka kisika); Kada se tlak brzo smanjuje, dušik uzrokuje dekompresijsku bolest.

Mnogi dušikovi spojevi su vrlo aktivni i često otrovni.

Priznanica

U laboratorijima se može dobiti reakcijom razgradnje amonijevog nitrita:

NH4NO2 → N2 + 2H2O

Reakcija je egzotermna, oslobađa 80 kcal (335 kJ), pa se posuda mora hladiti dok se odvija (iako se amonijev nitrit mora zagrijati da bi započela reakcija).

U praksi se ova reakcija izvodi dodavanjem kap po kap zasićene otopine natrijevog nitrita u zagrijanu zasićenu otopinu amonijevog sulfata, a amonijev nitrit nastao kao rezultat reakcije izmjene trenutno se raspada.

Plin koji se oslobađa u ovom slučaju onečišćen je amonijakom, dušikovim oksidom (I) i kisikom, od kojih se pročišćava uzastopnim prolaskom kroz otopine sumporne kiseline, željezovog (II) sulfata i preko vrućeg bakra. Dušik se zatim suši.

Druga laboratorijska metoda za proizvodnju dušika je zagrijavanje smjese kalijevog dikromata i amonijevog sulfata (u omjeru 2:1 po težini). Reakcija se odvija prema jednadžbama:

K 2 Cr 2 O 7 + (NH 4) 2 SO 4 = (NH 4) 2 Cr 2 O 7 + K 2 SO 4

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 →(t) Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O

Najčišći dušik može se dobiti razgradnjom metalnih azida:

2NaN 3 →(t) 2Na + 3N 2

Takozvani "zračni" ili "atmosferski" dušik, odnosno mješavina dušika s plemenitim plinovima, dobiva se reakcijom zraka s vrućim koksom:

O 2 + 4N 2 + 2C → 2CO + 4N 2

Time se proizvodi takozvani “generator” ili “zrak” plin - sirovina za kemijsku sintezu i gorivo. Ako je potrebno, dušik se iz njega može odvojiti apsorpcijom ugljičnog monoksida.

Molekularni dušik industrijski se proizvodi frakcijskom destilacijom tekućeg zraka. Ova se metoda također može koristiti za dobivanje "atmosferskog dušika". Postrojenja za proizvodnju dušika koja koriste metode adsorpcije i membranske separacije plinova također se široko koriste.

Jedna od laboratorijskih metoda je propuštanje amonijaka preko bakrovog (II) oksida na temperaturi od ~700°C:

2NH 3 + 3CuO → N 2 + 3H 2 O + 3Cu

Amonijak se zagrijavanjem uzima iz njegove zasićene otopine. Količina CuO je 2 puta veća od izračunate. Neposredno prije upotrebe dušik se pročišćava od kisika i amonijaka prolazom preko bakra i njegovog oksida (II) (također ~700°C), zatim se suši koncentriranom sumpornom kiselinom i suhom lužinom. Proces je prilično spor, ali se isplati: dobiveni plin je vrlo čist.

Svojstva

Fizička svojstva

Optički linijski emisijski spektar dušika

Pod normalnim uvjetima, dušik je plin bez boje, mirisa i slabo topiv u vodi (2,3 ml/100g na 0 °C, 0,8 ml/100g na 80 °C).

U tekućem stanju (vrelište -195,8 °C) je bezbojna, pokretljiva tekućina, poput vode. U dodiru sa zrakom apsorbira kisik iz njega.

Na -209,86 °C dušik prelazi u kruto stanje u obliku snježne mase ili velikih snježnobijelih kristala. U dodiru sa zrakom apsorbira kisik iz njega i topi se pri čemu nastaje otopina kisika u dušiku.

Poznate su tri kristalne modifikacije krutog dušika. U području 36,61 - 63,29 K postoji β-N 2 faza s heksagonalnim tijesnim pakiranjem, prostorna skupina P6 3/mmc, parametri rešetke a=3,93 Å i c=6,50 Å. Na temperaturama ispod 36,61 K, faza α-N 2 s kubičnom rešetkom je stabilna, ima prostornu grupu Pa3 ili P2 1 3 i period a = 5,660 Å. Pod tlakom većim od 3500 atmosfera i temperaturom ispod 83 K nastaje heksagonalna γ-N 2 faza.

Kemijska svojstva, molekularna struktura

Dušik u slobodnom stanju postoji u obliku dvoatomnih molekula N 2 čija je elektronička konfiguracija opisana formulom σ s ²σ s *2 π x, y 4 σ z ², što odgovara trostrukoj vezi između molekula dušika N ≡N (duljina veze d N≡N = 0,1095 nm). Kao rezultat toga, molekula dušika je izuzetno jaka za reakciju disocijacije N 2 ↔ 2N specifična entalpija nastanka ΔH° 298 =945 kJ, konstanta brzine reakcije K 298 =10 -120, odnosno disocijacija molekula dušika u normalnim uvjetima praktički ne dolazi (ravnoteža je gotovo potpuno pomaknuta ulijevo). Molekula dušika je nepolarna i slabo polarizirana, sile međudjelovanja između molekula su vrlo slabe, stoga je u normalnim uvjetima dušik plinovit.

Već pri 3000 °C stupanj toplinske disocijacije N 2 iznosi samo 0,1%, a tek pri temperaturi od oko 5000 °C doseže nekoliko postotaka (pri normalnom tlaku). U visokim slojevima atmosfere dolazi do fotokemijske disocijacije molekula N 2 . U laboratorijskim uvjetima moguće je dobiti atomski dušik propuštanjem plinovitog N 2 pod jakim pražnjenjem kroz polje visokofrekventnog električnog pražnjenja. Atomski dušik mnogo je aktivniji od molekularnog dušika: posebice, na uobičajenim temperaturama reagira sa sumporom, fosforom, arsenom i nizom metala, na primjer, co.

Zbog velike čvrstoće molekule dušika, mnogi njegovi spojevi su endotermni, entalpija njihova nastanka je negativna, a dušikovi spojevi su toplinski nestabilni i prilično se lako razgrađuju zagrijavanjem. Zato je dušik na Zemlji uglavnom u slobodnom stanju.

Zbog svoje značajne inertnosti, dušik reagira samo s litijem u normalnim uvjetima:

6Li + N 2 → 2Li 3 N,

kada se zagrijava, reagira s nekim drugim metalima i nemetalima, također stvarajući nitride:

3Mg + N 2 → Mg 3 N 2,

Najveću praktičnu važnost ima vodikov nitrid (amonijak):

Industrijska fiksacija atmosferskog dušika

Dušikovi spojevi imaju iznimno široku primjenu u kemiji, nemoguće je čak ni nabrojati sva područja u kojima se koriste tvari koje sadrže dušik: to je industrija gnojiva, eksploziva, boja, lijekova itd. Iako su ogromne količine dušika dostupne doslovno "iz zraka", zbog gore opisane snage molekule dušika N 2, problem dobivanja spojeva koji sadrže dušik iz zraka dugo je ostao neriješen; Većina dušikovih spojeva ekstrahirana je iz njegovih minerala, poput čileanske salitre. Međutim, smanjenje zaliha ovih minerala, kao i sve veća potreba za dušikovim spojevima, prisilila je ubrzanje rada na industrijskoj fiksaciji atmosferskog dušika.

Najčešća amonijačna metoda fiksiranja atmosferskog dušika. Reverzibilna reakcija sinteze amonijaka:

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3

egzotermna (toplinski učinak 92 kJ) i dolazi sa smanjenjem volumena, stoga je za pomicanje ravnoteže udesno u skladu s Le Chatelier-Brownovim načelom potrebno hlađenje smjese i visoki tlakovi. Međutim, s kinetičke točke gledišta, snižavanje temperature je nepovoljno, jer se time uvelike smanjuje brzina reakcije - već na 700 °C brzina reakcije je preniska za praktičnu upotrebu.

U takvim slučajevima koristi se kataliza jer odgovarajući katalizator omogućuje povećanje brzine reakcije bez pomicanja ravnoteže. U procesu traženja odgovarajućeg katalizatora isprobano je oko dvadeset tisuća različitih spojeva. Na temelju kombinacije svojstava (katalitička aktivnost, otpornost na trovanja, niska cijena) najrašireniji katalizator je onaj na bazi metalnog željeza s primjesama aluminijevih i kalijevih oksida. Proces se provodi na temperaturama od 400-600°C i pritiscima od 10-1000 atmosfera.

Treba napomenuti da se pri tlaku iznad 2000 atmosfera, sinteza amonijaka iz smjese vodika i dušika odvija velikom brzinom i bez katalizatora. Na primjer, na 850 °C i 4500 atmosfera, prinos proizvoda je 97%.

Postoji još jedna, manje uobičajena metoda za industrijsko vezanje atmosferskog dušika - cijanamidna metoda, koja se temelji na reakciji kalcijevog karbida s dušikom na 1000 °C. Reakcija se odvija prema jednadžbi:

CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + C.

Reakcija je egzotermna, njen toplinski učinak je 293 kJ.

Svake godine se približno 1·10 6 tona dušika industrijski ukloni iz Zemljine atmosfere. Postupak dobivanja dušika detaljno je opisan ovdje GRASYS

Dušikovi spojevi

Oksidacijska stanja dušika u spojevima su −3, −2, −1, +1, +2, +3, +4, +5.

Dušikovi spojevi u oksidacijskom stanju −3 predstavljeni su nitridima, od kojih je praktički najvažniji amonijak;
Manje su tipični dušikovi spojevi u oksidacijskom stanju −2, predstavljeni pernitridima, od kojih je najvažniji vodikov pernitrid N2H4 ili hidrazin (postoji i izrazito nestabilan vodikov pernitrid N2H2, diimid);
Dušikovi spojevi u oksidacijskom stanju −1 NH2OH (hidroksilamin) je nestabilna baza koja se, uz hidroksilamonijeve soli, koristi u organskoj sintezi;
Dušikovi spojevi u oksidacijskom stanju +1 dušikov oksid (I) N2O (dušikov oksid, plin za smijeh);
Dušikovi spojevi u oksidacijskom stanju +2 dušikov oksid (II) NO (dušikov monoksid);
Dušikovi spojevi u oksidacijskom stanju +3 dušikov oksid (III) N2O3, dušikova kiselina, derivati ​​aniona NO2-, dušikov trifluorid NF3;
Dušikovi spojevi u oksidacijskom stanju +4 dušikov oksid (IV) NO2 (dušikov dioksid, smeđi plin);
Dušikovi spojevi u oksidacijskom stanju +5 - dušikov oksid (V) N2O5, dušična kiselina i njezine soli - nitrati itd.

Upotreba i primjena

Tekući dušik niskog vrelišta u metalnoj čaši.

Tekući dušik koristi se kao rashladno sredstvo i za krioterapiju.

Industrijska primjena plinovitog dušika je zbog njegovih inertnih svojstava. Plinoviti dušik otporan je na požar i eksploziju, sprječava oksidaciju i truljenje. U petrokemiji se dušik koristi za pročišćavanje spremnika i cjevovoda, provjeru rada cjevovoda pod tlakom i povećanje proizvodnje polja. U rudarstvu se dušik može koristiti za stvaranje okruženja zaštićenog od eksplozija u rudnicima i za proširenje slojeva stijena. U proizvodnji elektronike, dušik se koristi za pročišćavanje područja koja ne dopuštaju prisutnost oksidirajućeg kisika. U procesu koji se tradicionalno provodi pomoću zraka, ako su oksidacija ili raspadanje negativni čimbenici, dušik može uspješno zamijeniti zrak.

Važno područje primjene dušika je njegova uporaba za daljnju sintezu širokog spektra spojeva koji sadrže dušik, kao što su amonijak, dušična gnojiva, eksplozivi, bojila itd. Velike količine dušika koriste se u proizvodnji koksa („suho gašenje koksa") tijekom istovara koksa iz baterija koksnih peći, kao i za "prešanje" goriva u raketama iz spremnika do pumpi ili motora.

U prehrambenoj industriji dušik je registriran kao prehrambeni aditiv E941, kao plinoviti medij za pakiranje i skladištenje, rashladno sredstvo, a tekući dušik koristi se prilikom punjenja ulja i negaziranih pića za stvaranje nadtlaka i inertnog okruženja u mekim spremnicima.

Tekući dušik često se prikazuje u filmovima kao tvar koja može trenutno zamrznuti prilično velike predmete. Ovo je uobičajena pogreška. Čak i zamrzavanje cvijeta zahtijeva dosta vremena. To je djelomično zbog vrlo niskog toplinskog kapaciteta dušika. Iz istog razloga vrlo je teško ohladiti, recimo, brave na −196 °C i rascijepiti ih jednim udarcem.

Litra tekućeg dušika isparavanjem i zagrijavanjem na 20 °C stvara približno 700 litara plina. Zbog toga se tekući dušik skladišti u posebnim vakuumski izoliranim Dewarovim posudama otvorenog tipa ili kriogenim tlačnim spremnicima. Na istoj činjenici temelji se i princip gašenja požara tekućim dušikom. Isparavanjem dušik istiskuje kisik neophodan za gorenje i vatra prestaje. Budući da dušik, za razliku od vode, pjene ili praha, jednostavno ispari i nestane, gašenje požara dušikom je najučinkovitiji mehanizam za gašenje požara u smislu očuvanja dragocjenosti.

Zamrzavanje živih bića tekućim dušikom uz mogućnost njihovog naknadnog odmrzavanja je problematično. Problem je nemogućnost zamrzavanja (i odmrzavanja) bića dovoljno brzo da nehomogenost smrzavanja ne utječe na njegove vitalne funkcije. Stanislaw Lem, maštajući o ovoj temi u svojoj knjizi "Fijasko", osmislio je sustav za hitno zamrzavanje dušika u kojem je crijevo za dušik, izbijajući zube, gurnuto u usta astronauta i unutra je doveden obilan mlaz dušika.

Označavanje cilindra

Boce za dušik obojene su u crno, moraju imati žuti natpis i smeđu prugu (standardi

Dušik je eksperimentalno otkrio škotski kemičar D. Rutherford 1772. godine. U prirodi je dušik uglavnom u slobodnom stanju i jedan je od glavnih sastojaka zraka. Koja su fizikalna i kemijska svojstva dušika?

opće karakteristike

Dušik je kemijski element V skupine periodnog sustava Mendeljejeva, atomski broj 7, atomska masa 14, formula dušika - N 2. Prijevod imena elementa - "beživotni" - može se odnositi na dušik kao jednostavnu tvar. Međutim, dušik u vezanom stanju jedan je od glavnih elemenata života; ulazi u sastav proteina, nukleinskih kiselina, vitamina itd.

Riža. 1. Elektronička konfiguracija dušika.

Dušik je element druge periode, nema pobuđenih stanja, budući da atom nema slobodnih orbitala. Ali ovaj kemijski element može pokazivati ​​ne samo III, već i IV valenciju u osnovnom stanju zbog stvaranja kovalentne veze kroz donor-akceptorski mehanizam uz sudjelovanje usamljenog elektronskog para dušika. Stupanj oksidacije koji dušik može pokazivati ​​uvelike varira od -3 do +5.

Proučavajući strukturu molekule dušika, potrebno je zapamtiti da se kemijska veza odvija zahvaljujući tri zajednička para p-elektrona, čije su orbitale usmjerene duž osi x, y, z.

Kemijska svojstva dušika

U prirodi se dušik javlja u obliku jednostavne tvari - plina N2 (volumni udio u zraku 78%) i u vezanom stanju. U molekuli dušika atomi su povezani jakom trostrukom vezom. Energija ove veze je 940 kJ/mol. Na uobičajenim temperaturama, dušik može komunicirati samo s litijem (Li 3 N). Nakon prethodne aktivacije molekula zagrijavanjem, zračenjem ili djelovanjem katalizatora, dušik reagira s metalima i nemetalima. Dušik može reagirati s magnezijem, kalcijem ili, na primjer, aluminijem:

3Mg+N2=Mg3N2

3Ca+N2 = Ca3N2

Posebno je važna sinteza amonijaka iz jednostavnih tvari - dušika i vodika u prisutnosti katalizatora (spužvasto željezo): N 2 + 3H 2 = 2NH 3 +Q. Amonijak je bezbojan plin oštrog mirisa. Vrlo je topljiv u vodi, što je uvelike posljedica stvaranja vodikovih veza između molekula amonijaka i vode, kao i reakcije adicije u vodu donor-akceptorskim mehanizmom. Blago alkalna reakcija otopine posljedica je prisutnosti OH- iona u otopini (u maloj koncentraciji, budući da je stupanj disocijacije amonijevog hidroksida vrlo mali - to je slabo topljiva baza).

Riža. 2. Amonijak.

Od šest dušikovih oksida - N 2 O, NO, N 2 O 3, NO 2, N 2 O 4, N 2 O 5, gdje dušik pokazuje oksidacijsko stanje od +1 do +5, prva dva - N 2 O i NO - ne stvaraju soli, ostatak reagira stvarajući soli.

Dušična kiselina, najvažniji dušikov spoj, industrijski se dobiva iz amonijaka u 3 faze :

• oksidacija amonijaka na platinastom katalizatoru:

4NH3 +5O2 =4NO+6H20

• oksidacija NO u NO 2 atmosferskim kisikom:

• apsorpcija NO 2 vodom u suvišku kisika:

4NO2 +2H20+O2 =4HNO3

Dušik također može reagirati na visokim temperaturama i tlaku (u prisutnosti katalizatora) s vodikom:

N2 +3H2=2NH3

Riža. 3. Dušična kiselina.

Primjena dušika

Dušik se uglavnom koristi kao polazni proizvod za sintezu amonijaka, kao i za proizvodnju dušične kiseline, mineralnih gnojiva, bojila, eksploziva i drugih spojeva koji sadrže dušik. Tekući dušik koristi se u rashladnim sustavima. Kako bi čelik dobio veću tvrdoću, povećao otpornost na habanje, otpornost na koroziju i otpornost na toplinu, njegova je površina zasićena dušikom na visokim temperaturama. Ovaj čelik može izdržati zagrijavanje do 500 stupnjeva bez gubitka tvrdoće.

Tablica 1. NEKA FIZIKALNA SVOJSTVA DUŠIKA
Gustoća, g/cm3	0,808 (tekućina)
Talište, °C
Vrelište, °C
Kritična temperatura, °C
Kritični tlak, atma
Kritična gustoća, g/cm3 a
Specifični toplinski kapacitet, J/(molCH)
Elektronegativnost prema Paulingu
Kovalentni polumjer, E
Radijus kristala, E
Potencijal ionizacije, Wb
a Temperatura i tlak pri kojima su gustoće tekućeg i plinovitog dušika jednake.
b Količina energije potrebna za uklanjanje prvih vanjskih i sljedećih elektrona, po 1 molu atomskog dušika.

Gustoća plinovitog dušika pri 0°C je 1,25046 g/dm3, tekućeg dušika (na vrelištu) je 0,808 kg/dm3. Plinoviti dušik pri normalnom tlaku na temperaturi od -195,8°C prelazi u bezbojnu tekućinu, a na temperaturi od -210,0°C u bijelu krutinu. U čvrstom stanju postoji u obliku dvije polimorfne modifikacije: ispod -237,54 ° C oblik s kubičnom rešetkom je stabilan, iznad - s heksagonalnom rešetkom. Kritična temperatura dušika je -146,95°C, kritični tlak je 3,9 MPa, trojna točka je na temperaturi od -210,0°C i tlaku od 125,03 hPa, iz čega proizlazi da dušik na sobnoj temperaturi nije ni na kojem , čak ni pod vrlo visokim pritiskom, ne može se pretvoriti u tekućinu. Toplina isparavanja tekućeg dušika je 199,3 kJ/kg (na vrelištu), toplina taljenja dušika je 25,5 kJ/kg (na temperaturi -210°C).

Tablica 2. OKSIDACIJSKA STANJA DUŠIKA I ODGOVARAJUĆIH SPOJEVA

Kemijska svojstva
Oksidacijsko stanje	Primjeri povezivanja
	Amonijak NH3, amonijev ion NH4+, nitridi M3N2
	Hidrazin N2H4
	Hidroksilamin NH2OH
	Natrijev hiponitrit Na2N2O2, dušikov oksid (I) N2O
	Dušikov(II) oksid NO
	Dušikov(III) oksid N2O3, natrijev nitrit NaNO2
	Dušikov oksid (IV) NO2, dimer N2O4
	Dušikov oksid (V) N2O5, dušična kiselina HNO3 i njene soli (nitrati)

Dušik je sposoban tvoriti kemijske spojeve, budući da je u svim oksidacijskim stanjima od +5 do -3. Dušik tvori spojeve u pozitivnim oksidacijskim stanjima s fluorom i kisikom, a u oksidacijskim stanjima većim od +3 dušik se može naći samo u spojevima s kisikom. Spojevi u kojima je oksidacijsko stanje 3 nazivaju se nitridi.Dušik reagira samo s takvim aktivnim metalima kao što su litij, kalcij, magnezij kada se zagrijava na relativno niske temperature. Dušik reagira s većinom drugih elemenata na visokim temperaturama iu prisutnosti katalizatora. Spojevi dušika s kisikom N2O, NO, N2O3, NO2 i N2O5 dobro su proučeni. Od njih uz izravnu interakciju elemenata (4000°C) nastaje NO oksid, a s kisikom se dušik spaja samo u električnom luku i nastaje dušikov oksid (II):

koji se hlađenjem lako dalje oksidira u oksid (IV) NO2. Dušikovi oksidi u zraku nastaju tijekom atmosferskih pražnjenja. Mogu se dobiti i izlaganjem smjese dušika i kisika ionizirajućem zračenju. Kada se dušični anhidridi N2O3 i dušični anhidridi N2O5 otope u vodi, dobivaju se dušična kiselina HNO2 odnosno dušična kiselina HNO3, pri čemu se tvore soli - nitriti i nitrati. Dušik se spaja s vodikom tek pri visokim temperaturama i u prisutnosti katalizatora te nastaje amonijak NH3. Osim amonijaka, poznati su i brojni drugi spojevi dušika s vodikom, npr. hidrazin H2N-NH2, diimid HN=NH, dušična kiselina HN3(H-N=N?N), oktazon N8H14 i drugi; Većina spojeva dušika s vodikom izolirana je samo u obliku organskih derivata. Poznato je nekoliko dušikovih oksida. Dušik ne reagira izravno s halogenima; posredno se dobivaju NF3, NCl3, NBr3 i NI3 (dušikov fluorid NF3 - interakcijom fluora s amonijakom), kao i nekoliko oksihalogenida (spojevi koji, osim dušika, uključuju atome oba halogen i kisik , na primjer, NOF3).. Dušikovi halogenidi u pravilu su niskootporni spojevi (s izuzetkom NF3); Dušikovi oksihalidi su stabilniji - NOF, NOCl, NOBr, NO2F i NO2Cl. Dušik se također ne spaja izravno sa sumporom; dušični sumpor N4S4 dobiva se kao rezultat reakcije tekućeg sumpora s amonijakom. Kada vrući koks reagira s dušikom, nastaje cijanogen (CN)2. Zagrijavanjem dušika s acetilenom C2H2 na 1500°C može se dobiti cijanovodik HCN. Međudjelovanje dušika s metalima pri visokim temperaturama dovodi do stvaranja nitrida (na primjer, Mg3N2).

Kada je obični dušik izložen električnim pražnjenjima [tlak 130-270 n/m2 (1-2 mm Hg)] ili tijekom razgradnje B, Ti, Mg i Ca nitrida, kao i tijekom električnih pražnjenja u zraku, aktivni dušik može nastati, a to je mješavina molekula dušika i atoma s povećanom rezervom energije. Za razliku od molekularnog dušika, aktivni dušik vrlo energično međudjeluje s kisikom, vodikom, parama sumpora, fosforom i nekim metalima.

Dušik je dio mnogih važnih organskih spojeva (amini, aminokiseline, nitro spojevi i drugi).

Zbog velike čvrstoće molekule N2, procesi razgradnje raznih dušikovih spojeva (uključujući ozloglašeni eksploziv RDX) tijekom zagrijavanja, udara itd. dovode do stvaranja molekula N2. Budući da je volumen nastalog plina puno veći od volumena izvornog eksploziva, dolazi do eksplozije.

Kemijski, dušik je prilično inertan i na sobnoj temperaturi reagira samo s metalnim litijem da bi se stvorio čvrsti litijev nitrid Li3N. U spojevima pokazuje različita oksidacijska stanja (od -3 do +5). S vodikom stvara dušičnovodoničnu kiselinu HN3. Soli ove kiseline su azidi. Olovni azid Pb(N3)2 pri udaru se raspada, pa se koristi kao detonator, primjerice, u kapislama patrona. Dušikovi halogenidi su nestabilni i lako se razgrađuju zagrijavanjem (neki tijekom skladištenja) u jednostavne tvari. Dakle, NI3 se taloži kada se pomiješaju vodene otopine amonijaka i tinkture joda. Čak i uz lagani udar, suhi NI3 eksplodira:

2NI3 = N2 + 3I2.

Dušik ne reagira sa sumporom, ugljikom, fosforom, silicijem i nekim drugim nemetalima. Kad se zagrije, dušik reagira s magnezijem i zemnoalkalijskim metalima, što rezultira nitridima sličnim soli opće formule M3N2, koji se razlažu s vodom u odgovarajuće hidrokside i amonijak, na primjer:

Ca3N2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3.

Slično se ponašaju nitridi alkalijskih metala. Interakcija dušika s prijelaznim metalima dovodi do stvaranja čvrstih nitrida sličnih metalima različitog sastava. Na primjer, kada željezo i dušik međusobno djeluju, nastaju nitridi željeza sastava Fe2N i Fe4N. Zagrijavanjem dušika s acetilenom C2H2 može se dobiti cijanovodik HCN. Od složenih anorganskih dušikovih spojeva najvažniji su dušična kiselina HNO3, njezine nitratne soli, kao i dušična kiselina HNO2 i njezine nitritne soli. Stoga su reakcije adicije jednog H atoma ili H2 molekule na N2 visoko endotermne:

H + N2=N2H (87,8 kJ/mol)

H2 + N2=N2H2 (204,8 kJ/mol)

Slijedi da se hidrogenacija N2 ne može odvijati kroz fazu stvaranja diimida (HN=NH), dok su u slučaju acetilena slične reakcije izrazito egzotermne:

H + S2H2=C2H3 (- 167,2 kJ/mol)

H2 + S2H2=C2H4 (- 175,5 kJ/mol)

Dakle, energetska svojstva N2, zbog osobitosti njegove elektronske strukture, čine ga nereaktivnim u reakcijama s kiselinama i bazama, elektrofilnim (R+, AlCl3) i nukleofilnim (H-, R-, OR-) reagensima, pa čak i sa H atomom.

Do 1964. godine smatralo se malo vjerojatnim da će biti moguće stvoriti katalitičke sustave za fiksaciju dušika koji bi radili u blažim uvjetima od Haber-Bosch procesnih katalizatora i koji bi bili jednostavnije strukture od enzima. Istodobno, tada poznate metode aktivacije inertne molekule CO s kompleksima prijelaznih metala, analogije s aktivacijom tipične trostruke veze u alkinima te poznati podaci o prisutnosti prijelaznih metala (Mo, V, Fe) u aktivnim centrima nitrogenaza omogućio nam je da se nadamo mogućnosti korištenja slabijih redukcijskih sredstava od Li, kada se koriste kompleksi prijelaznih metala kao aktivatori dušika.

Dušik je poznati kemijski element koji se označava slovom N. Taj je element možda temelj anorganske kemije, a počinje se detaljno proučavati u 8. razredu. U ovom članku ćemo pogledati ovaj kemijski element, kao i njegova svojstva i vrste.

Povijest otkrića kemijskog elementa

Dušik je element koji je prvi predstavio poznati francuski kemičar Antoine Lavoisier. Ali mnogi se znanstvenici bore za titulu pronalazača dušika, uključujući Henryja Cavendisha, Karla Scheelea i Daniela Rutherforda.

Kao rezultat eksperimenta, prvi je izolirao kemijski element, ali nikada nije shvatio da je dobio jednostavnu tvar. Izvijestio je o svom iskustvu i također je napravio niz studija. Priestley je vjerojatno uspio izolirati i ovaj element, ali znanstvenik nije mogao shvatiti što je točno dobio, pa nije zaslužio titulu otkrivača. Karl Scheele proveo je isto istraživanje u isto vrijeme kad i oni, ali nije došao do željenog zaključka.

Iste godine Daniel Rutherford uspio je ne samo dobiti dušik, već ga i opisati, objaviti disertaciju i naznačiti osnovna kemijska svojstva elementa. Ali čak ni Rutherford nikada nije u potpunosti shvatio što je dobio. No, upravo se on smatra otkrivačem, jer je bio najbliži rješenju.

Podrijetlo naziva dušik

S grčkog "dušik" se prevodi kao "beživotan". Lavoisier je bio taj koji je radio na pravilima nomenklature i odlučio tako nazvati element. U 18. stoljeću se o ovom elementu znalo samo da ne podržava disanje. Stoga je ovaj naziv usvojen.

Na latinskom se dušik naziva "nitrogenium", što znači "rađanje salitre". Oznaka za dušik dolazi iz latinskog jezika - slovo N. Ali samo ime nije se ukorijenilo u mnogim zemljama.

Prevalencija elementa

Dušik je možda jedan od najzastupljenijih elemenata na našem planetu, četvrti po zastupljenosti. Element se također nalazi u sunčevoj atmosferi, na planetima Uranu i Neptunu. Atmosfere Titana, Plutona i Tritona sastoje se od dušika. Osim toga, Zemljina atmosfera sastoji se od 78-79 posto ovog kemijskog elementa.

Dušik ima važnu biološku ulogu, jer je neophodan za postojanje biljaka i životinja. Čak i ljudsko tijelo sadrži 2 do 3 posto ovog kemijskog elementa. Dio klorofila, aminokiselina, proteina, nukleinskih kiselina.

Tekući dušik

Tekući dušik je bezbojna prozirna tekućina, jedno od agregatnih stanja kemijske tvari dušik, koja se široko koristi u industriji, građevinarstvu i medicini. Koristi se za zamrzavanje organskih materijala, rashladne opreme, te u medicini za uklanjanje bradavica (estetska medicina).

Tekući dušik je netoksičan i neeksplozivan.

Molekularni dušik

Molekularni dušik je element koji se nalazi u atmosferi našeg planeta i čini njen najveći dio. Formula molekulskog dušika je N2. Takav dušik reagira s drugim kemijskim elementima ili tvarima samo pri vrlo visokim temperaturama.

Fizička svojstva

U normalnim uvjetima, kemijski element dušik je bez mirisa, boje i praktički netopljiv u vodi. Tekući dušik ima konzistenciju sličnu vodi, a jednako je proziran i bezbojan. Dušik ima još jedno agregacijsko stanje; na temperaturama ispod -210 stupnjeva pretvara se u krutinu i stvara mnogo velikih snježnobijelih kristala. Apsorbira kisik iz zraka.

Kemijska svojstva

Dušik pripada skupini nemetala i preuzima svojstva od ostalih kemijskih elemenata iz ove skupine. Općenito, nemetali nisu dobri vodiči električne energije. Dušik stvara različite okside, kao što je NO (monoksid). NO ili dušikov oksid je mišićni relaksant (tvar koja značajno opušta mišiće bez ikakvog oštećenja ili drugih učinaka na ljudsko tijelo). Oksidi koji sadrže više dušikovih atoma, na primjer N 2 O, je smiješni plin blago slatkastog okusa, koji se u medicini koristi kao anestetik. Međutim, NO 2 oksid nema nikakve veze s prva dva, jer se radi o prilično štetnom ispušnom plinu, koji se nalazi u ispušnim plinovima automobila i ozbiljno zagađuje atmosferu.

Dušična kiselina, koju tvore atomi vodika, atomi dušika i tri atoma kisika, je jaka kiselina. Široko se koristi u proizvodnji gnojiva, nakita, organskoj sintezi, vojnoj industriji (proizvodnja eksploziva i sinteza otrovnih tvari), proizvodnji boja, lijekova itd. Dušična kiselina je vrlo štetna za ljudski organizam, ostavlja čireve i kemijske opekline na koži.

Ljudi pogrešno vjeruju da je ugljikov dioksid dušik. Zapravo, zbog svojih kemijskih svojstava, element reagira samo s malim brojem elemenata u normalnim uvjetima. A ugljikov dioksid je ugljikov monoksid.

Primjena kemijskog elementa

Tekući dušik koristi se u medicini za liječenje hladnoćom (krioterapija), a također i u kuhanju kao rashladno sredstvo.

Ovaj je element također pronašao široku primjenu u industriji. Dušik je plin koji je otporan na eksploziju i vatru. Osim toga, sprječava truljenje i oksidaciju. Sada se dušik koristi u rudnicima za stvaranje okoline zaštićene od eksplozije. Dušik se koristi u petrokemiji.

U kemijskoj industriji vrlo je teško bez dušika. Koristi se za sintezu raznih tvari i spojeva, na primjer, nekih gnojiva, amonijaka, eksploziva i boja. Danas se velike količine dušika koriste za sintezu amonijaka.

U prehrambenoj industriji ova tvar je registrirana kao prehrambeni aditiv.

Smjesa ili čista tvar?

Čak su i znanstvenici u prvoj polovici 18. stoljeća koji su uspjeli izolirati kemijski element smatrali da je dušik mješavina. Ali postoji velika razlika između ovih pojmova.

Ima cijeli niz trajnih svojstava, kao što su sastav, fizikalna i kemijska svojstva. Smjesa je spoj koji sadrži dva ili više kemijskih elemenata.

Sada znamo da je dušik čista tvar jer je kemijski element.

Kada proučavate kemiju, vrlo je važno razumjeti da je dušik osnova cijele kemije. Tvori razne spojeve s kojima se svi susrećemo, uključujući plin za smijeh, smeđi plin, amonijak i dušičnu kiselinu. Nije uzalud da kemija u školi počinje proučavanjem takvog kemijskog elementa kao što je dušik.

· Svojstva · Dušikovi spojevi · Primjena · Označavanje cilindara · · Vezani članci · Komentari · Bilješke · Literatura · Službena stranica ·

Fizička svojstva

U normalnim uvjetima dušik je plin bez boje, mirisa, slabo topljiv u vodi (2,3 ml/100 g na 0 °C, 0,8 ml/100 g na 80 °C), gustoće 1,2506 kg/m (na bušotini).

U tekućem stanju (vrelište 195,8 °C) je bezbojna pokretljiva tekućina poput vode. Gustoća tekućeg dušika je 808 kg/m. U dodiru sa zrakom apsorbira kisik iz njega.

Na 209,86 °C dušik prelazi u kruto stanje u obliku snježne mase ili velikih snježnobijelih kristala. U dodiru sa zrakom apsorbira kisik iz njega, a osim toga se topi, stvarajući otopinu kisika u dušiku.

Poznate su tri kristalne modifikacije krutog dušika. U rasponu 36,61 - 63,29 K postoji -N 2 faza s heksagonalnim tijesnim pakiranjem, prostorna skupina P6 3/mmc, parametri rešetke a=3,93 i c=6,50. Na temperaturama ispod 36,61 K, faza -N 2 s kubičnom rešetkom je stabilna, ima prostornu grupu Pa3 ili P2 1 3 i periodu a = 5,660. Pod tlakom većim od 3500 atmosfera i temperaturom ispod 83 K nastaje heksagonalna faza -N 2 .

Kemijska svojstva, molekularna struktura

Dušik u slobodnom stanju postoji u obliku dvoatomnih molekula N 2, čija je elektronska konfiguracija opisana formulom s s * 2 x, y 4 z, što odgovara trostrukoj vezi između atoma dušika NN (duljina veze d NN = 0,1095 nm). Kao rezultat toga, molekula dušika je izuzetno jaka za reakciju disocijacije N 2 2N promjena entalpije u reakciji H ° 298 = 945 kJ/mol, konstanta brzine reakcije K 298 = 10 120, odnosno disocijacija molekula dušika praktički se ne događa u normalnim uvjetima (ravnoteža je gotovo potpuno pomaknuta ulijevo). Molekula dušika je nepolarna i slabo polarizirana, sile međudjelovanja između molekula su vrlo slabe, stoga je u normalnim uvjetima dušik plinovit.

Već pri 3000 °C stupanj toplinske disocijacije N 2 iznosi samo 0,1%, a tek pri temperaturi od oko 5000 °C doseže nekoliko postotaka (pri normalnom tlaku). U visokim slojevima atmosfere dolazi do fotokemijske disocijacije molekula N 2 . U laboratorijskim uvjetima moguće je dobiti atomski dušik propuštanjem plinovitog N 2 pod jakim pražnjenjem kroz polje visokofrekventnog električnog pražnjenja. Atomski dušik mnogo je aktivniji od molekularnog dušika: posebno, na uobičajenim temperaturama reagira sa sumporom, fosforom, arsenom i nizom metala, na primjer, živom.

Zbog velike čvrstoće molekule dušika, neki njegovi spojevi su endotermni (mnogi halogenidi, azidi, oksidi), odnosno entalpija njihovog nastanka je pozitivna, a dušikovi spojevi su toplinski nestabilni i zagrijavanjem se prilično lako raspadaju. Zato je dušik na Zemlji uglavnom u slobodnom stanju.

Zbog svoje značajne inertnosti, dušik reagira samo s litijem u normalnim uvjetima:

kada se zagrijava, reagira s nekim drugim metalima i nemetalima, također stvarajući nitride:

Najveću praktičnu važnost ima vodikov nitrid (amonijak) NH 3, dobiven reakcijom vodika s dušikom (vidi dolje).

U električnom pražnjenju reagira s kisikom, stvarajući dušikov oksid (II) NO.

Opisano je nekoliko desetaka kompleksa s molekulskim dušikom.

Industrijska fiksacija atmosferskog dušika

Dušikovi spojevi imaju iznimno široku primjenu u kemiji, nemoguće je čak ni nabrojati sva područja u kojima se koriste tvari koje sadrže dušik: to je industrija gnojiva, eksploziva, boja, lijekova itd. Unatoč činjenici da su kolosalne količine dušika dostupne doslovno „iz zraka“, zbog gore opisane snage molekule dušika N2, problem dobivanja spojeva koji sadrže dušik iz zraka dugo je ostao neriješen; Većina dušikovih spojeva ekstrahirana je iz njegovih minerala, poput čileanske salitre. Istodobno, smanjenje zaliha ovih minerala, a uz to i porast potreba za dušikovim spojevima, prisilili su na ubrzanje rada na industrijskoj fiksaciji atmosferskog dušika.

Najčešća amonijačna metoda fiksiranja atmosferskog dušika. Reverzibilna reakcija sinteze amonijaka:

egzotermna (toplinski učinak 92 kJ) i dolazi sa smanjenjem volumena, stoga je za pomicanje ravnoteže udesno u skladu s Le Chatelier-Brownovim načelom potrebno hlađenje smjese i visoki tlakovi. Međutim, s kinetičke točke gledišta, snižavanje temperature je nepovoljno, jer se uz to jako smanjuje brzina reakcije - već na 700 °C brzina reakcije je preniska za praktičnu primjenu.

U takvim slučajevima koristi se kataliza jer odgovarajući katalizator omogućuje povećanje brzine reakcije bez pomicanja ravnoteže. U procesu traženja odgovarajućeg katalizatora isprobano je oko dvadeset tisuća različitih spojeva. Na temelju kombinacije svojstava (katalitička aktivnost, otpornost na trovanja, niska cijena) najrašireniji katalizator je na bazi metalnog željeza s primjesama aluminijevih i kalijevih oksida. Proces se odvija na temperaturama od 400-600 °C i pritiscima od 10-1000 atmosfera.

Važno je napomenuti da se pri tlaku iznad 2000 atmosfera, sinteza amonijaka iz smjese vodika i dušika odvija velikom brzinom i bez katalizatora. Na primjer, na 850 °C i 4500 atmosfera, prinos proizvoda je 97%.

Postoji još jedna, manje uobičajena metoda za industrijsko vezanje atmosferskog dušika - cijanamidna metoda, koja se temelji na reakciji kalcijevog karbida s dušikom na 1000 °C. Reakcija se odvija prema jednadžbi:

Reakcija je egzotermna, njen toplinski učinak je 293 kJ.

Svake godine se približno 1·10 6 tona dušika industrijski ukloni iz Zemljine atmosfere.