Dušikove spojine. Lastnosti dušika

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 05:41

Dajanje salitre - tako je beseda Nitrogenium prevedena iz latinščine. To je ime dušika - kemičnega elementa z atomsko številko 7, ki je na čelu 15. skupine v dolgi različici periodnega sistema. V obliki preproste snovi je razporejen v zračni lupini Zemlje - atmosferi. Različne dušikove spojine najdemo v zemeljski skorji in živih organizmih in se pogosto uporabljajo v industriji, vojaških zadevah, kmetijstvu in medicini.

Zakaj so dušik imenovali "zadušljiv" in "neživljenjski"

Kot kažejo zgodovinarji kemije, je bil Henry Cavendish (1777) prvi, ki je prejel to preprosto snov. Znanstvenik je prehajal zrak preko vročega premoga, pri čemer je uporabil alkalije za absorpcijo reakcijskih produktov. Kot rezultat poskusa je raziskovalec odkril brezbarven plin brez vonja, ki ni reagiral s premogom. Cavendish ga je poimenoval "zadušljiv zrak", ker ni mogel vzdrževati dihanja in pekoč.

Sodobni kemik bi pojasnil, da kisik reagira z ogljikom in nastane ogljikov dioksid. Preostali "zadušljivi" del zraka je bil večinoma sestavljen iz N₂ molekul. Cavendish in drugi znanstveniki takrat še niso vedeli za to snov, čeprav so se spojine dušika in salitre takrat široko uporabljale v gospodarstvu. Znanstvenik je o nenavadnem plinu poročal svojemu kolegu, ki je izvajal podobne poskuse, Josephu Priestleyju.

Karl Scheele je hkrati opozoril na neznano sestavino zraka, vendar ni pravilno razložil njenega izvora. Šele Daniel Rutherford je leta 1772 spoznal, da je bil »zadušljiv« »pokvarjen« plin, prisoten v poskusih, dušik. Katerega znanstvenika je treba šteti za njegovega odkritelja - o tem se zgodovinarji znanosti še vedno prepirajo.

15 let po Rutherfordovih poskusih je slavni kemik Antoine Lavoisier predlagal, da se izraz "pokvarjen" zrak, ki se nanaša na dušik, spremeni v drugega - dušik. Do takrat je bilo dokazano, da ta snov ne gori, ne podpira dihanja. Hkrati se je pojavilo rusko ime "dušik", ki se razlaga na različne načine. Izraz najpogosteje pomeni "brez življenja". Kasnejše delo je ovrglo razširjeno mnenje o lastnostih snovi. Dušikove spojine – beljakovine – so najpomembnejše makromolekule v sestavi živih organizmov. Za njihovo izgradnjo rastline absorbirajo potrebne elemente mineralne prehrane iz tal - ione NO₃^2- in NH⁴⁺.

Dušik je kemični element

Periodični sistem (PS) pomaga razumeti strukturo atoma in njegove lastnosti. Po položaju kemičnega elementa v periodnem sistemu je mogoče določitijedrski naboj, število protonov in nevtronov (masno število). Treba je biti pozoren na vrednost atomske mase - to je ena glavnih značilnosti elementa. Število obdobja ustreza številu ravni energije. V kratki različici periodnega sistema številka skupine ustreza številu elektronov na zunanji energijski ravni. Povzemimo vse podatke v splošnih značilnostih dušika po njegovem položaju v periodnem sistemu:

• To je nekovinski element, ki se nahaja v zgornjem desnem kotu PS.
• Kemični znak: N.
• Številka naročila: 7.
• Relativna atomska masa: 14,0067.
• Formula hlapljive vodikove spojine: NH₃ (amoniak).
• Proizvaja najvišji oksid N₂O₅, v katerem je valenca dušika V.

Struktura atoma dušika:

• Osnovna bremenitev: +7.
• Število protonov:7; število nevtronov: 7.
• Število ravni energije: 2.
• Skupno število elektronov: 7; elektronska formula: 1s²2s²2p³.

Stabilni izotopi elementa št. 7 so podrobno raziskani, njuni masni števili sta 14 in 15. Vsebnost atomov vžigalnika je 99,64%. V jedrih kratkoživih radioaktivnih izotopov je tudi 7 protonov, število nevtronov pa se zelo razlikuje: 4, 5, 6, 9, 10.

Dušik v naravi

Zemeljska zračna lupina vsebuje molekule preproste snovi, katerih formula je N₂. Vsebnost plinastega dušika v atmosferi je prostorninapribližno 78,1 %. Anorganske spojine tega kemičnega elementa v zemeljski skorji so različne amonijeve soli in nitrati (nitrati). Formule spojin in imena nekaterih najpomembnejših snovi:

• NH_3, amoniak.
• NE_2, dušikov dioksid.
• NaNO_3, natrijev nitrat.
• (NH₄)₂SO_4, amonijev sulfat.

Valenca dušika v zadnjih dveh spojinah - IV. Premog, tla, živi organizmi vsebujejo tudi vezane atome N. Dušik je sestavni del makromolekul aminokislin, nukleotidov DNK in RNA, hormonov in hemoglobina. Skupna vsebnost kemičnega elementa v človeškem telesu doseže 2,5%.

preprosta snov

Dušik v obliki dvoatomskih molekul je po prostornini in masi največji del atmosferskega zraka. Snov, katere formula je N₂, nima vonja, barve ali okusa. Ta plin predstavlja več kot 2/3 Zemljinega zračnega ovoja. V tekoči obliki je dušik brezbarvna snov, podobna vodi. Vre pri -195,8 °C. M (N₂)=28 g/mol. Preprosta snov dušik je nekoliko lažja od kisika, njegova gostota v zraku je blizu 1.

Atomi v molekuli trdno vežejo 3 skupne elektronske pare. Spojina ima visoko kemijsko stabilnost, kar jo razlikuje od kisika in številnih drugih plinastih snovi. Da bi molekula dušika razpadla na svoje sestavne atome, je potrebno porabiti energijo 942,9 kJ / mol. Vez treh parov elektronov je zelo močna.pokvari se pri segrevanju nad 2000 °C.

V normalnih pogojih se disociacija molekul na atome praktično ne zgodi. Kemična inertnost dušika je tudi posledica popolne odsotnosti polarnosti v njegovih molekulah. Med seboj zelo šibko medsebojno delujejo, kar je razlog za plinasto stanje snovi pri normalnem tlaku in temperaturi blizu sobni. Nizka reaktivnost molekularnega dušika se uporablja v različnih procesih in napravah, kjer je potrebno ustvariti inertno okolje.

Disociacija molekul N₂ lahko nastane pod vplivom sončnega sevanja v zgornji atmosferi. Nastane atomski dušik, ki v normalnih pogojih reagira z nekaterimi kovinami in nekovinami (fosfor, žveplo, arzen). Posledično pride do sinteze snovi, ki so pridobljene posredno v zemeljskih pogojih.

valenca dušika

Zunanjo elektronsko plast atoma tvorijo 2 s in 3 p elektroni. Ti negativni delci dušika se lahko odrečejo pri interakciji z drugimi elementi, kar ustreza njegovim redukcijskim lastnostim. Če na oktet pritrdimo manjkajoče 3 elektrone, izkazuje atom oksidacijske sposobnosti. Elektronegativnost dušika je manjša, njegove nekovinske lastnosti so manj izrazite kot pri fluoru, kisiku in kloru. Pri interakciji s temi kemičnimi elementi dušik odda elektrone (oksidira). Redukcijo na negativne ione spremljajo reakcije z drugimi nekovinami in kovinami.

Tipična valenca dušika je III. V tem primerukemične vezi nastanejo zaradi privlačnosti zunanjih p-elektronov in ustvarjanja skupnih (veznih) parov. Dušik je sposoben tvoriti donorsko-akceptorsko vez zaradi svojega osamljenega para elektronov, kot se dogaja v amonijevem ionu NH⁴⁺.

Laboratorijska in industrijska proizvodnja

Ena od laboratorijskih metod temelji na oksidacijskih lastnostih bakrovega oksida. Uporablja se spojina dušik-vodik - amoniak NH₃. Ta plin neprijetnega vonja reagira s črnim bakrovim oksidom v prahu. Kot rezultat reakcije se sprosti dušik in pojavi se kovinski baker (rdeč prah). Kapljice vode, še en produkt reakcije, se usedejo na stene cevi.

Druga laboratorijska metoda, ki uporablja kombinacijo dušika s kovinami, je azid, kot je NaN₃. Izkazalo se je plin, ki ga ni treba očistiti iz nečistoč.

Amonijev nitrit se v laboratoriju razgradi na dušik in vodo. Da se reakcija začne, je potrebno segrevanje, nato se proces nadaljuje s sproščanjem toplote (eksotermno). Dušik je onesnažen z nečistočami, zato se očisti in posuši.

Proizvodnja dušika v industriji:

• frakcijska destilacija tekočega zraka - metoda, ki uporablja fizikalne lastnosti dušika in kisika (različne točke vrelišča);
• kemična reakcija zraka z vročim premogom;
• odvajanje adsorpcijskih plinov.

Interakcija s kovinami in vodikom - oksidacijske lastnosti

Inertnost močnih molekulne omogoča pridobivanja nekaterih dušikovih spojin z neposredno sintezo. Za aktiviranje atomov je potrebno močno segrevanje ali obsevanje snovi. Dušik lahko reagira z litijem pri sobni temperaturi, z magnezijem, kalcijem in natrijem reakcija nastopi le pri segrevanju. Nastanejo ustrezni kovinski nitridi.

Interakcija dušika z vodikom se pojavi pri visokih temperaturah in tlakih. Ta postopek zahteva tudi katalizator. Izkazalo se je, da je amoniak eden najpomembnejših produktov kemične sinteze. Dušik kot oksidant ima v svojih spojinah tri negativna oksidacijska stanja:

• −3 (amoniak in druge vodikove spojine dušika so nitridi);
• −2 (hidrazin N₂H₄);
• −1 (hidroksilamin NH₂OH).

Najpomembnejši nitrid - amoniak - se proizvaja v velikih količinah v industriji. Kemična inertnost dušika je bila dolgo časa velik problem. S altitra je bila njegov vir surovin, vendar so zaloge mineralov začele hitro upadati, ko se je proizvodnja povečala.

Velik dosežek kemijske znanosti in prakse je bila uvedba amonijakove metode fiksacije dušika v industrijskem obsegu. Neposredna sinteza se izvaja v posebnih kolonah - reverzibilni proces med dušikom, pridobljenim iz zraka, in vodikom. Pri ustvarjanju optimalnih pogojev, ki premikajo ravnotežje te reakcije proti produktu, z uporabo katalizatorja dosežemo donos amoniaka 97%.

Interakcija s kisikom - lastnosti zmanjšanja

Za sprožitev reakcije dušika in kisika je potrebno močno segrevanje. Električni lok in razelektritev strele v ozračju imata dovolj energije. Najpomembnejše anorganske spojine, v katerih je dušik v pozitivnih oksidacijskih stanjih:

• +1 (dušikov oksid (I) N₂O);
• +2 (dušikov monoksid NO);
• +3 (dušikov oksid (III) N₂O₃; dušikova kislina HNO_{2, njegove soli so nitriti);}
• +4 (dušikov (IV) dioksid NO₂);
• +5 (dušikov pentoksid (V) N₂O₅, dušikova kislina HNO_{3, nitrati).}

Pomen v naravi

Rastline absorbirajo amonijeve ione in nitratne anione iz tal, uporabljajo za kemične reakcije sintezo organskih molekul, ki nenehno potekajo v celicah. Atmosferski dušik lahko absorbirajo bakterije vozličev – mikroskopska bitja, ki tvorijo izrastke na koreninah stročnic. Posledično ta skupina rastlin prejme potreben hranilni element, z njim obogati zemljo.

Med tropskimi nalivi se pojavijo reakcije oksidacije atmosferskega dušika. Oksidi se raztopijo in tvorijo kisline, te dušikove spojine v vodi vstopijo v tla. Zaradi kroženja elementa v naravi se njegove zaloge v zemeljski skorji in zraku nenehno polnijo. Kompleksne organske molekule, ki vsebujejo dušik, bakterije razgradijo v anorganske komponente.

Praktična uporaba

Najpomembnejše povezavedušik za kmetijstvo so zelo topne soli. Rastline asimilirajo sečnino, salitro (natrij, kalij, kalcij), amonijeve spojine (vodna raztopina amoniaka, klorida, sulfata, amonijevega nitrata). Deli rastlinskega organizma so sposobni shraniti makrohranila "za prihodnost", kar poslabša kakovost izdelkov. Presežek nitratov v zelenjavi in sadju lahko povzroči zastrupitev ljudi, rast malignih novotvorb. Poleg kmetijstva se dušikove spojine uporabljajo v drugih panogah:

• za prejemanje zdravil;
• za kemično sintezo makromolekularnih spojin;
• pri proizvodnji eksplozivov iz trinitrotoluena (TNT);
• za proizvodnjo barvil.

NO oksid se uporablja v kirurgiji, snov ima analgetični učinek. Izgubo občutkov pri vdihavanju tega plina so opazili že prvi raziskovalci kemičnih lastnosti dušika. Tako se je pojavilo trivialno ime "smejalni plin".

Problem nitratov v kmetijskih proizvodih

Soli dušikove kisline - nitrati - vsebujejo enonabitni anion NO^3-. Do zdaj se uporablja staro ime te skupine snovi - salitra. Nitrati se uporabljajo za gnojenje polj, v rastlinjakih, sadovnjakih. Uporabljajo se zgodaj spomladi pred setvijo, poleti - v obliki tekočih prelivov. Snovi same po sebi ne predstavljajo velike nevarnosti za ljudi, vendarv telesu se spremenijo v nitrite, nato v nitrozamine. Nitritni ioni NO^2- so strupeni delci, povzročajo oksidacijo železovega železa v molekulah hemoglobina v trivalentne ione. V tem stanju glavna snov krvi ljudi in živali ne more prenašati kisika in odstraniti ogljikovega dioksida iz tkiv.

Kakšna je nevarnost kontaminacije hrane z nitrati za zdravje ljudi:

• maligni tumorji, ki nastanejo, ko se nitrati pretvorijo v nitrozamine (karcinogene);
• razvoj ulceroznega kolitisa,
• hipotenzija ali hipertenzija;
• srčno popuščanje;
• motnje strjevanja krvi
• jetra, trebušna slinavka, razvoj sladkorne bolezni;
• razvoj odpovedi ledvic;
• anemija, oslabljen spomin, pozornost, inteligenca.

Hkratno uživanje različnih živil z visokimi odmerki nitratov vodi do akutne zastrupitve. Viri so lahko rastline, pitna voda, pripravljene mesne jedi. Namakanje v čisti vodi in kuhanje lahko zmanjšata vsebnost nitratov v živilih. Raziskovalci so ugotovili, da so v nezrelih in rastlinskih proizvodih iz rastlinjakov našli večje odmerke nevarnih spojin.

Fosfor je element podskupine dušika

Atomi kemičnih elementov, ki so v istem navpičnem stolpcu periodičnega sistema, kažejo skupne lastnosti. Fosfor se nahaja v tretjem obdobju, spada v 15. skupino, tako kot dušik. Struktura atomovelementi so podobni, vendar obstajajo razlike v lastnostih. Dušik in fosfor imata negativno oksidacijsko stanje in valenco III v svojih spojinah s kovinami in vodikom.

Številne reakcije fosforja potekajo pri običajnih temperaturah, je kemično aktiven element. V interakciji s kisikom tvori višji oksid P₂O₅. Vodna raztopina te snovi ima lastnosti kisline (metafosforne). Ko se segreje, dobimo ortofosforno kislino. Tvori več vrst soli, od katerih mnoge služijo kot mineralna gnojila, kot so superfosfati. Spojine dušika in fosforja so pomemben del cikla snovi in energije na našem planetu, uporabljajo se v industrijskih, kmetijskih in drugih področjih dejavnosti.