Sebatian nitrogen. Sifat Nitrogen

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Memberi s altpeter - beginilah cara perkataan Nitrogenium diterjemahkan daripada bahasa Latin. Ini adalah nama nitrogen - unsur kimia dengan nombor atom 7, mengetuai kumpulan ke-15 dalam versi panjang jadual berkala. Dalam bentuk bahan mudah, ia diedarkan dalam cangkang udara Bumi - atmosfera. Pelbagai sebatian nitrogen ditemui dalam kerak bumi dan organisma hidup, dan digunakan secara meluas dalam industri, hal ehwal ketenteraan, pertanian dan perubatan.

Mengapa nitrogen dipanggil "mencekik" dan "tidak bermaya"

Seperti yang dicadangkan oleh ahli sejarah kimia, Henry Cavendish (1777) adalah orang pertama yang menerima bahan mudah ini. Saintis itu menghantar udara ke atas arang panas, menggunakan alkali untuk menyerap produk tindak balas. Hasil daripada eksperimen itu, penyelidik menemui gas tidak berwarna dan tidak berbau yang tidak bertindak balas dengan arang batu. Cavendish memanggilnya "udara yang menyesakkan" kerana tidak dapat mengekalkan pernafasan serta terbakar.

Ahli kimia moden akan menerangkan bahawa oksigen bertindak balas dengan karbon untuk membentuk karbon dioksida. Bahagian udara yang "melemaskan" kebanyakannya terdiri daripada N₂ molekul. Cavendish dan saintis lain pada masa itu belum mengetahui tentang bahan ini, walaupun sebatian nitrogen dan s altpeter kemudiannya digunakan secara meluas dalam ekonomi. Saintis itu melaporkan gas luar biasa itu kepada rakan sekerjanya, yang menjalankan eksperimen serupa, Joseph Priestley.

Pada masa yang sama, Karl Scheele menarik perhatian kepada konstituen udara yang tidak diketahui, tetapi gagal menjelaskan asal usulnya dengan betul. Hanya Daniel Rutherford pada tahun 1772 yang menyedari bahawa gas "rosak" yang "mencemaskan" yang terdapat dalam eksperimen adalah nitrogen. Saintis manakah yang patut dianggap sebagai penemunya - ahli sejarah sains masih berhujah tentang perkara ini.

15 tahun selepas eksperimen Rutherford, ahli kimia terkenal Antoine Lavoisier mencadangkan menukar istilah "udara rosak", merujuk kepada nitrogen, kepada yang lain - Nitrogenium. Pada masa itu, terbukti bahawa bahan ini tidak terbakar, tidak menyokong pernafasan. Pada masa yang sama, nama Rusia "nitrogen" muncul, yang ditafsirkan dengan cara yang berbeza. Istilah ini paling kerap dikatakan bermaksud "tidak bernyawa". Kerja-kerja seterusnya menyangkal pendapat yang meluas tentang sifat-sifat jirim. Sebatian nitrogen - protein - adalah makromolekul terpenting dalam komposisi organisma hidup. Untuk membinanya, tumbuhan menyerap unsur pemakanan mineral yang diperlukan dari tanah - ion NO₃^2- dan NH⁴⁺.

Nitrogen ialah unsur kimia

Sistem berkala (PS) membantu memahami struktur atom dan sifatnya. Dengan kedudukan unsur kimia dalam jadual berkala, seseorang boleh menentukancas nuklear, bilangan proton dan neutron (nombor jisim). Ia adalah perlu untuk memberi perhatian kepada nilai jisim atom - ini adalah salah satu ciri utama unsur. Nombor tempoh sepadan dengan bilangan aras tenaga. Dalam versi pendek jadual berkala, nombor kumpulan sepadan dengan bilangan elektron dalam tahap tenaga luar. Mari kita ringkaskan semua data dalam ciri umum nitrogen mengikut kedudukannya dalam sistem berkala:

• Ini ialah unsur bukan logam, terletak di penjuru kanan sebelah atas PS.
• Tanda kimia: N.
• Nombor pesanan: 7.
• Jisim atom relatif: 14.0067.
• Formula sebatian hidrogen meruap: NH₃ (ammonia).
• Menghasilkan oksida tertinggi N₂O₅, dengan valensi nitrogen ialah V.

Struktur atom nitrogen:

• Caj teras: +7.
• Bilangan proton:7; bilangan neutron: 7.
• Bilangan tahap tenaga: 2.
• Jumlah bilangan elektron: 7; formula elektronik: 1s²2s²2p³.

Isotop stabil unsur No. 7 telah dikaji secara terperinci, nombor jisimnya ialah 14 dan 15. Kandungan atom yang lebih ringan daripadanya ialah 99.64%. Terdapat juga 7 proton dalam nukleus isotop radioaktif jangka pendek, dan bilangan neutron sangat berbeza: 4, 5, 6, 9, 10.

Nitrogen dalam alam semula jadi

Cangkang udara Bumi mengandungi molekul bahan ringkas, formulanya ialah N₂. Kandungan nitrogen gas dalam atmosfera adalah mengikut isipadukira-kira 78.1%. Sebatian tak organik unsur kimia ini dalam kerak bumi adalah pelbagai garam ammonium dan nitrat (nitrat). Formula sebatian dan nama beberapa bahan terpenting:

• NH_3, ammonia.
• NO_2, nitrogen dioksida.
• NaNO_3, natrium nitrat.
• (NH₄)₂SO_4, ammonium sulfate.

Valens nitrogen dalam dua sebatian terakhir - IV. Arang batu, tanah, organisma hidup juga mengandungi atom N terikat. Nitrogen adalah sebahagian daripada makromolekul asid amino, nukleotida DNA dan RNA, hormon dan hemoglobin. Jumlah kandungan unsur kimia dalam tubuh manusia mencapai 2.5%.

Bahan mudah

Nitrogen dalam bentuk molekul diatomik ialah bahagian terbesar udara atmosfera mengikut isipadu dan jisim. Bahan yang formulanya N₂ tidak mempunyai bau, warna atau rasa. Gas ini membentuk lebih daripada 2/3 sampul udara Bumi. Dalam bentuk cecair, nitrogen adalah bahan tidak berwarna menyerupai air. Mendidih pada -195.8 °C. M (N₂)=28 g/mol. Bahan ringkas nitrogen adalah lebih ringan sedikit daripada oksigen, ketumpatannya dalam udara hampir kepada 1.

Atom dalam molekul mengikat kuat 3 pasangan elektron sepunya. Kompaun ini mempamerkan kestabilan kimia yang tinggi, yang membezakannya daripada oksigen dan beberapa bahan gas lain. Untuk membolehkan molekul nitrogen terurai menjadi atom-atom konstituennya, adalah perlu untuk mengeluarkan tenaga sebanyak 942.9 kJ / mol. Ikatan tiga pasang elektron adalah sangat kuat.rosak apabila dipanaskan melebihi 2000 °C.

Dalam keadaan biasa, pemisahan molekul kepada atom secara praktikalnya tidak berlaku. Ketidakupayaan kimia nitrogen juga disebabkan oleh ketiadaan kekutuban sepenuhnya dalam molekulnya. Mereka berinteraksi dengan sangat lemah antara satu sama lain, yang merupakan sebab bagi keadaan gas bahan pada tekanan normal dan suhu hampir dengan suhu bilik. Kereaktifan nitrogen molekul yang rendah mendapat aplikasi dalam pelbagai proses dan peranti yang diperlukan untuk mewujudkan persekitaran lengai.

Penceraian molekul N₂ boleh berlaku di bawah pengaruh sinaran suria di atmosfera atas. Nitrogen atom terbentuk, yang dalam keadaan normal bertindak balas dengan beberapa logam dan bukan logam (fosforus, sulfur, arsenik). Akibatnya, terdapat sintesis bahan yang diperoleh secara tidak langsung dalam keadaan daratan.

Nitrogen valency

Lapisan elektron terluar atom dibentuk oleh 2 s dan 3 elektron p. Zarah negatif nitrogen ini boleh berputus asa apabila berinteraksi dengan unsur lain, yang sepadan dengan sifat pengurangannya. Dengan melekatkan 3 elektron yang hilang pada oktet, atom mempamerkan kebolehan pengoksidaan. Keelektronegatifan nitrogen lebih rendah, sifat bukan logamnya kurang jelas daripada fluorin, oksigen dan klorin. Apabila berinteraksi dengan unsur kimia ini, nitrogen melepaskan elektron (teroksida). Pengurangan kepada ion negatif disertai dengan tindak balas dengan bukan logam dan logam lain.

Vensi biasa nitrogen ialah III. Dalam kes iniikatan kimia terbentuk kerana tarikan p-elektron luar dan penciptaan pasangan sepunya (ikatan). Nitrogen mampu membentuk ikatan penerima penderma disebabkan oleh pasangan elektron tunggalnya, seperti yang berlaku dalam ion ammonium NH⁴⁺.

Pengeluaran makmal dan perindustrian

Salah satu kaedah makmal adalah berdasarkan sifat pengoksidaan kuprum oksida. Sebatian nitrogen-hidrogen digunakan - ammonia NH₃. Gas berbau busuk ini bertindak balas dengan serbuk kuprum oksida hitam. Hasil daripada tindak balas, nitrogen dibebaskan dan kuprum logam (serbuk merah) muncul. Titisan air, hasil tindak balas lain, mendap pada dinding tiub.

Kaedah makmal lain yang menggunakan gabungan nitrogen dengan logam ialah azida, seperti NaN₃. Ternyata gas yang tidak perlu dibersihkan daripada kekotoran.

Ammonium nitrit diuraikan menjadi nitrogen dan air di makmal. Agar tindak balas bermula, pemanasan diperlukan, kemudian proses itu diteruskan dengan pembebasan haba (eksotermik). Nitrogen tercemar dengan bendasing, jadi ia ditulenkan dan dikeringkan.

Pengeluaran nitrogen dalam industri:

• penyulingan pecahan udara cecair - kaedah yang menggunakan sifat fizikal nitrogen dan oksigen (takat didih yang berbeza);
• tindak balas kimia udara dengan arang merah panas;
• pemisahan gas penjerapan.

Interaksi dengan logam dan hidrogen - sifat pengoksidaan

Inertness molekul kuattidak membenarkan mendapatkan beberapa sebatian nitrogen melalui sintesis langsung. Untuk mengaktifkan atom, pemanasan kuat atau penyinaran bahan diperlukan. Nitrogen boleh bertindak balas dengan litium pada suhu bilik, dengan magnesium, kalsium dan natrium tindak balas berlaku hanya apabila dipanaskan. Nitrida logam yang sepadan terbentuk.

Interaksi nitrogen dengan hidrogen berlaku pada suhu dan tekanan tinggi. Proses ini juga memerlukan pemangkin. Ternyata ammonia - salah satu produk sintesis kimia yang paling penting. Nitrogen, sebagai agen pengoksidaan, mempamerkan tiga keadaan pengoksidaan negatif dalam sebatiannya:

• −3 (ammonia dan sebatian hidrogen nitrogen lain ialah nitrida);
• −2 (hidrazin N₂H₄);
• −1 (hydroxylamine NH₂OH).

Nitrida yang paling penting - ammonia - dihasilkan dalam kuantiti yang banyak dalam industri. Ketidakseimbangan kimia nitrogen kekal sebagai masalah besar untuk masa yang lama. S altpeter adalah sumber bahan mentahnya, tetapi rizab mineral mula merosot dengan cepat apabila pengeluaran meningkat.

Pencapaian hebat sains kimia dan amalan ialah penciptaan kaedah ammonia penetapan nitrogen pada skala industri. Sintesis langsung dijalankan dalam lajur khas - proses boleh balik antara nitrogen yang diperoleh daripada udara dan hidrogen. Apabila mencipta keadaan optimum yang mengalihkan keseimbangan tindak balas ini ke arah produk, menggunakan mangkin, hasil ammonia mencapai 97%.

Interaksi dengan oksigen - sifat mengurangkan

Untuk memulakan tindak balas nitrogen dan oksigen, pemanasan yang kuat diperlukan. Arka elektrik dan pelepasan kilat di atmosfera mempunyai tenaga yang mencukupi. Sebatian tak organik yang paling penting di mana nitrogen berada dalam keadaan pengoksidaan positifnya ialah:

• +1 (nitrik oksida (I) N₂O);
• +2 (nitrogen monoksida NO);
• +3 (nitrik oksida (III) N₂O₃; asid nitrus HNO_{2, garamnya adalah nitrit);}
• +4 (nitrogen (IV) dioksida NO₂);
• +5 (nitrogen pentoksida (V) N₂O₅, asid nitrik HNO_{3, nitrat).}

Maksud dalam alam semula jadi

Tumbuhan menyerap ion ammonium dan anion nitrat daripada tanah, gunakan untuk tindak balas kimia sintesis molekul organik, sentiasa berlaku dalam sel. Nitrogen atmosfera boleh diserap oleh bakteria nodul - makhluk mikroskopik yang membentuk pertumbuhan pada akar kekacang. Akibatnya, kumpulan tumbuhan ini menerima unsur nutrien yang diperlukan, memperkayakan tanah dengannya.

Semasa hujan lebat tropika, tindak balas pengoksidaan nitrogen atmosfera berlaku. Oksida larut untuk membentuk asid, sebatian nitrogen dalam air ini memasuki tanah. Disebabkan oleh peredaran unsur di alam semula jadi, rizabnya di kerak bumi dan udara sentiasa diisi semula. Molekul organik kompleks yang mengandungi nitrogen diuraikan oleh bakteria kepada komponen bukan organik.

Penggunaan praktikal

Sambungan yang paling pentingnitrogen untuk pertanian adalah garam yang sangat larut. Urea, s altpeter (natrium, kalium, kalsium), sebatian ammonium (larutan akueus ammonia, klorida, sulfat, ammonium nitrat) diasimilasikan oleh tumbuhan. nitrat. Bahagian organisma tumbuhan dapat menyimpan makronutrien "untuk masa depan", yang memburukkan kualiti produk. Lebihan nitrat dalam sayur-sayuran dan buah-buahan boleh menyebabkan keracunan pada orang, pertumbuhan neoplasma malignan. Selain pertanian, sebatian nitrogen digunakan dalam industri lain:

• untuk menerima ubat;
• untuk sintesis kimia sebatian makromolekul;
• dalam penghasilan bahan letupan daripada trinitrotoluene (TNT);
• untuk penghasilan pewarna.

NO oksida digunakan dalam pembedahan, bahan tersebut mempunyai kesan analgesik. Kehilangan sensasi apabila menyedut gas ini diperhatikan walaupun oleh penyelidik pertama sifat kimia nitrogen. Beginilah nama remeh "gas ketawa" muncul.

Masalah nitrat dalam produk pertanian

Garam asid nitrik - nitrat - mengandungi anion bercas tunggal NO^3-. Sehingga kini, nama lama kumpulan bahan ini digunakan - s altpeter. Nitrat digunakan untuk menyuburkan ladang, di rumah hijau, kebun. Mereka digunakan pada awal musim bunga sebelum menyemai, pada musim panas - dalam bentuk pembalut cecair. Bahan-bahan itu sendiri tidak menimbulkan bahaya besar kepada manusia, tetapidalam badan, mereka bertukar menjadi nitrit, kemudian menjadi nitrosamin. Ion nitrit NO^2- ialah zarah toksik, ia menyebabkan pengoksidaan besi ferus dalam molekul hemoglobin menjadi ion trivalen. Dalam keadaan ini, bahan utama darah manusia dan haiwan tidak dapat membawa oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida daripada tisu.

Apakah bahaya pencemaran nitrat pada makanan untuk kesihatan manusia:

• tumor ganas yang berlaku apabila nitrat ditukar kepada nitrosamin (karsinogen);
• perkembangan kolitis ulseratif,
• hipotensi atau hipertensi;
• kegagalan jantung;
• gangguan pembekuan darah
• hati, pankreas, perkembangan diabetes;
• perkembangan kegagalan buah pinggang;
• anemia, ingatan terjejas, perhatian, kecerdasan.

Penggunaan serentak makanan berbeza dengan dos nitrat yang tinggi membawa kepada keracunan akut. Sumber boleh tumbuh-tumbuhan, air minuman, hidangan daging yang disediakan. Berendam dalam air bersih dan memasak boleh mengurangkan kandungan nitrat dalam makanan. Para penyelidik mendapati bahawa dos sebatian berbahaya yang lebih tinggi ditemui dalam produk tumbuhan yang tidak matang dan rumah hijau.

Fosforus ialah unsur subkumpulan nitrogen

Atom unsur kimia yang berada dalam lajur menegak yang sama bagi sistem berkala mempamerkan sifat sepunya. Fosforus terletak dalam tempoh ketiga, tergolong dalam kumpulan ke-15, seperti nitrogen. Struktur atomunsur adalah serupa, tetapi terdapat perbezaan sifat. Nitrogen dan fosforus mempamerkan keadaan pengoksidaan negatif dan valensi III dalam sebatiannya dengan logam dan hidrogen.

Banyak tindak balas fosforus berlaku pada suhu biasa, ia adalah unsur yang aktif secara kimia. Ia berinteraksi dengan oksigen untuk membentuk oksida yang lebih tinggi P₂O₅. Larutan berair bahan ini mempunyai sifat asid (metafosforik). Apabila ia dipanaskan, asid ortofosforik diperoleh. Ia membentuk beberapa jenis garam, kebanyakannya berfungsi sebagai baja mineral, seperti superfosfat. Sebatian nitrogen dan fosforus merupakan bahagian penting dalam kitaran bahan dan tenaga di planet kita, ia digunakan dalam bidang perindustrian, pertanian dan aktiviti lain.