Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z polityką plików cookies.
Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.

Azot

Wstęp

Azot jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 7, zlokalizowanym w 15 (VA) grupie układu okresowego (grupa azotowców). Azotowce w stanie podstawowym mają pięć elektronów na zewnętrznej powłoce i konfigurację elektronową  s2p3. Azot nie mający orbitali d w powłoce walencyjnej nie wytwarza nigdy więcej niż 4 wiązania kowalencyjne. W związkach azot występuję na stopniach utlenienia od - III (związki z wodorem i metalami) do V (związki tlenowe).

Symbol N
Nazwa w jęz. angielskim nitrogen
Nazwa w jęz. łacińskim nitrogenium
Stan skupienia gaz
Charakter chemiczny niemetal
Liczba atomowa 7
Masa atomowa [u] 14,0067
Numer grupy, okres, blok energetyczny 15 (VA), 2, p
Wartościowość I, II, III, IV, V
Konfiguracja elektronowa uproszczona [He] 2s22p3
Elektroujemność wg Paulinga 3,0
Temperatura topnienia [oC] -210,0
Temperatura wrzenia [oC]
-195,8
Gęstość ciekłego azotu [g/cm3] 0,808

Odkrycie

Azot został odkryty w 1772 r. przez Daniela Rutherforda jako składnik powietrza. Rutherford usuwał z powietrza tlen przez spalanie różnych substancji w zamkniętej przestrzeni. W procesie tym tlen przetwarzał się w dwutlenek węgla (CO2), który następnie usuwał przez absorpcję w ługu potasowym.

Występowanie w przyrodzie

Azot w stanie wolnym jest głównym składnikiem atmosfery (75,51% wag., 78,09% obj.). W powietrzu zawarta jest także niewielka ilość azotu w formie związanej: amoniak, który powstaje podczas gnicia substancji organicznej oraz tlenki azotu powstające pod wpływem wyładowań elektrycznych w atmosferze. Tlenki azotu są podstawowym czynnikiem smogu fotochemicznego. Duża zawartość tlenków w atmosferze stanowi bardzo poważny problem ekologiczny.
Związki azotu wchodzą w skład wszystkich organizmów żywych (kwasy nukleinowe, białka). W przyrodzie azot występuje również w minerałach, np. salmiak rodzimy (NH4Cl), saletry (azotany (V) sodu, potasu i wapnia (NaNO3, KNO3, Ca(NO3)2). Bierze udział w obiegu kołowym (cykl azotowy). Łączy się z tlenem podczas wyładowań atmosferycznych i następnie jako HNO3 spływa z deszczem do gleby i tworzy azotany. Następnie rośliny przetwarzają nieorganiczne związki azotu w białka. Cześć azotu atmosferycznego jest wprowadzona od razu do białek przez działanie specjalnych odmian bakterii w takich roślinach jak: fasola, groch, łubin i koniczyna. Zwierzęta przyswajają rośliny wraz z pożywieniem. Azot po obumarciu organizmów żywych podlega naturalnym przemianom prowadzącym do amoniaku (redukcja) lub azotanów (V) (utlenienie, głównie z udziałem bakterii nitryfikacyjnych). Część azotu w procesie denitryfikacji (głównie z udziałem bakterii denitryfikacyjnych) wraca do atmosfery jako N2.
W organizmie człowieka znajduje się ok. 2 kg azotu związanego chemicznie.

Otrzymywanie


W warunkach laboratoryjnych azot można otrzymać z azotynu sodowego. Na skalę przemysłową otrzymuje się go przez frakcyjną destylację ciekłego powietrza. Inna metoda to spalanie metanu w powietrzu, w wyniku którego powstaje CO2 i prawie czysty azot.

Właściwości fizyczne

Azot jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i bez smaku. Rozpuszcza się w wodzie słabiej niż tlen i bardzo trudno się skrapla. W warunkach normalnych 1 litr azotu waży 1,2505 g, nieco mniej niż 1 litr powietrza (1,2928 g). Temperatura topnienia azotu wynosi -210oC, a temperatura wrzenia -195,8oC. W stanie stałym występuje on w dwóch odmianach zawierającej prawdopodobnie cząsteczki N2. Rozpuszczalność azotu w wodzie jest mała i wynosi 23 ml N2 w 1l wody w 0oC.
Azot po praz pierwszy został skroplony w 1883 r. przez polskich fizyków Karola Olszewskiego i Zygmunta Wróblewskiego na Uniwersytecie Jagiellońskim.

Właściwości chemiczne

Azot w temperaturze pokojowej jest bierny chemicznie, natomiast w podwyższonej temp. znacznie łatwiej wstępuje w reakcje chemiczne. Łączy się z niektórymi metalami tworząc azotki (np. Li3N, Mg3N, BN, Si3N4). Aktywność azotu można znacznie zwiększyć poddając go wyładowaniom elektrycznym w warunkach niskiego ciśnienia. Wówczas reaguje on bezpośrednią z siarką, jodem, fosforem i licznymi metalami. Charakterystyczną cechą azotu jest to, że emituje on światło podczas trwania wyładowań elektrycznych oraz przez krótki czas po ich zakończeniu.
Z wodorem azot łączy się tworząc: amoniak (NH3), hydrazynę (N2H4), kwas azotowodorowy (HN3). W połączeniu z tlenem tworzy tlenki azotu, najważniejsze z nich to: podtlenek azotu (N20), tlenek azotu (NO), trójtlenek azotu (N2O3), dwutlenek azotu (NO2),  pięciotlenek dwuazotu (N2O5).

Zastosowanie

Azot stosowany jest głównie do produkcji amoniaku, hydrazyny i kwasu azotowego. Używany również do produkcji nawozów sztucznych, do napełniania żarówek elektrycznych (wraz z argonem), jako gaz ochronny.
Związek azotu - hydrazyna była paliwem pierwszego samolotu odrzutowego, jak i słkadnikiem leków przeciwgruźliczych, produktów włókienniczych, tworzyw sztucznych itp. Amoniak służy do produkcji kwasu azotowego i soli amonowych, do produkcji włókien sztucznych, leków oraz stosuje się go w chłodnictwie. Kwas azotowy stanowi surowiec do wyrobu wielu leków, barwników itp. Natomiast azotany używane są jako nawozy mineralne, do wyrobu materiałów wybuchowych, w fotografii. Azotki np. azotek boru (BN) wykorzystuje się do wyrobu tygli laboratoryjnych oraz do utwardzania stali. Wiele związków azotu stanowi nawozy sztuczne, np. saletra potasowa (KNO3), saletra wapniowa (Ca(NO3)2), azotniak (CaCN2).

Izotopy

Azot naturalny składa się z dwóch trwałych izotopów: 14N (99,634%) i 15N (0,366%). Izotop 15N wykorzystywany jest w badaniach chemicznych i biologicznych jako wskaźnik izotopowy. Wśród sztucznych izotopów promieniotwórczych azotu najdłuższy okres połowicznego rozpadu ma 13N( T1/2= 10,08 min.), pozostałe izotopy są nietrwałe.

Związki azotu

verdana,geneva; font-size: 10pt;">Związki azotu z wodorem

Azot z wodorem tworzy związki typu XH3,  X2H4 i X3H. Przykładem pierwszego związku jest amoniak NH3, który jest jednym z najważniejszych połączeń azotu z wodorem. W temperaturze pokojowej amoniak jest bezbarwnym gazem o bardzo ostrej woni pobudzającej łzy, lżejszym od powietrza. W postaci gazowej skrapla się dość łatwo w temp. pokojowej pod zwiększonym ciśnieniem. Bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie tworząc wodę amoniakalną o odczynie zasadowym. Stężony roztwór zawiera ok. 25% NH3 i to właśnie woda jest w życiu codziennym nazywana amoniakiem.
Amoniak w obecności katalizatora platynowego spala się w temp. ok. 800oC na tlenek azotu (II). Reakcja ta jest przeprowadzana na skalę przemysłową (metoda Ostwalda) w celu otrzymania NO, który jest produktem pośrednim do otrzymania kwasu azotowego (V) (HNO3).
Połączenie typu X2H4 to hydrazyna N2H4. W temp. pokojowej jest to bezbarwna ciecz, wykazująca własności toksyczne. Otrzymuję się ją w wyniku utlenienia amoniaku podchlorynem sodowym. Z wodą hydrazyna tworzy hydrat N2H4 · H2O, czyli (NH2 · NH3)OH, z kwasami tworzy sole zawierające słabą zasadę. Hydrazyna jak i jej pochodne są silnymi środkami redukującymi (redukują sole żelazowe do żelazawych, wydzielają złoto, srebro i platynę z roztworu ich soli).
Przykładem kolejnego połączenie X3H jest kwas azotowodorowy N3H. W stanie czystym jest to bezbarwna ciecz o niemiłym zapachu, silnie trująca. Kwas N3H rozpuszcza się w wodzie z odczynem kwaśnym i ma podobną moc do kwasu octowego. Sole kwasu azotowodorowego noszą nazwę azydków.

Tlenowe związki azotu

Azot tworzy 6 tlenków azotu: 
  • tlenek azotu (I) lub tlenek dwuazotu, podtlenek azotu N2O,
  • tlenek azotu (II) lub tlenek azotu NO,
  • tlenek azotu (III) lub trójtlenek dwuazotu, lub tritlenek diazotu N2O3 ,
  • tlenek azotu (IV) lub ditlenek azotu lub dwutlenek azotu NO2,
  • czterotlenek dwuazotu lub tetratlenek diazotu N2O4,
  • tlenek azotu (V) lub pięciotlenek dwuazotu lub pentatlenek diazotu N2O5.
Powyższe tlenki w zwykłej temp. są gazami z wyjątkiem N2O5
Tlenek azotu (I) jest bezbarwnym gazem, o słodkawym zapachu. Łatwo ulega rozkładowi z wydzieleniem tlenu, przez co podtrzymuje palenie. Podtlenek azotu nie raguje z wodą, aczkolwiek rozpuszcza się w niej i powstaje roztwór o odczynie obojętnym.
Tlenek azotu (II) jest bezbarwnym gazem, słabo rozpuszczalnym w wodzie i łatwo ulega utlenianiu tlenem w zwykłej temp. Ulega on skropleniu w temp. -152oC z wytworzeniem ciemnoniebieskiej cieczy. Tlenek ten można otrzymać w wyniku bezpośredniej syntezy pierwiastków:

\(N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO - \: 43,6 \: kcal\)

Tlenek (IV) azotu jest brązowym gazem, dobrze rozpuszczalnym w wodzie. Jest on tlenkiem kwasowym, którego wodne roztworu mają odczyn kwaśny. Podczas reakcji z wodą następuje reakcja utleniania-redukcji w wyniku której otrzymywane są dwa kwasy azotu:

\(2 NO_2 + H_2O \rightarrow HNO_2 + HNO_3\)

Kwas azotowy III (HNO2) jest słabym i nietrwałym kwasem, który istnieje tylko w roztworach rozcieńczonych.
Kwas azotowy (V) (HNO3) w stanie czystym w warunkach normalnych jest bezbarwną cieczą. Czysty kwas jest nietrwały dlatego używa się stężonego 65%  roztworu kwasu azotowego (V). Stężony kwas rozkłada się pod wpływem ogrzewania oraz pod wpływem światła. W stężonych roztworach jako związek silnie utleniający utlenia wszystkie metale z wyjątkiem złota i platyny. Mieszania stężonego kwasu azotowego (V) i stężonego kwasu solnego w stosunku objętościowym 1:3 nosi nazwę wody królewskiej. Reaguje ona nawet z tymi pierwiastkami i związkami, które opierają się działaniu stężonego HNO3.
Przechowywany w przezroczystych naczyniach z dostępem do światła staje się żółtawy, a po pewnym czasie brązowy.
Tlenek azotu (V) jest bezbarwnym ciałem stałem, topiącym się w temp. ok. 41oC, łatwo ulega rozkładowi na czterotlenek azotu i tlen. Z wodą łączy się energicznie dając kwas azotowy (V). Otrzymuje się go za pomocą odwodnienia kwasu azotowego pięciotlenkiem fosforu.