Davanje salitre - ovako je prevedena riječ Nitrogenium sa latinskog. Ovo je naziv azota - hemijskog elementa sa atomskim brojem 7, koji je na čelu 15. grupe u dugačkoj verziji periodnog sistema. U obliku jednostavne tvari, distribuira se u zračnoj ljusci Zemlje - atmosferi. Razna jedinjenja dušika nalaze se u zemljinoj kori i živim organizmima i naširoko se koriste u industriji, vojnim poslovima, poljoprivredi i medicini.
Zašto se dušik zvao "gušujući" i "beživotni"
Kao što sugerišu istoričari hemije, Henry Cavendish (1777) je bio prvi koji je primio ovu jednostavnu supstancu. Naučnik je propuštao vazduh preko vrućeg uglja, koristeći alkalije da apsorbuje produkte reakcije. Kao rezultat eksperimenta, istraživač je otkrio bezbojni plin bez mirisa koji nije reagirao s ugljem. Cavendish je to nazvao "zagušljivim zrakom" jer nije mogao održati disanje, kao i gori.
Moderni hemičar bi objasnio da kiseonik reaguje sa ugljenikom da nastane ugljen-dioksid. Preostali "gušljivi" dio zraka sastojao se uglavnom od N2 molekula. Cavendish i drugi naučnici u to vrijeme još nisu znali za ovu supstancu, iako su jedinjenja dušika i šalitre tada bila široko korištena u ekonomiji. Naučnik je prijavio neobičan plin svom kolegi, koji je izveo slične eksperimente, Joseph Priestley.
U isto vrijeme, Karl Scheele je skrenuo pažnju na nepoznati sastojak zraka, ali nije uspio ispravno objasniti njegovo porijeklo. Tek je Daniel Rutherford 1772. godine shvatio da je "gušeći" "pokvareni" plin prisutan u eksperimentima dušik. Kojeg naučnika treba smatrati njegovim otkrićem - istoričari nauke se još uvek spore oko toga.
15 godina nakon Rutherfordovih eksperimenata, poznati hemičar Antoine Lavoisier predložio je promjenu termina "pokvareni" zrak, koji se odnosi na dušik, u drugi - Nitrogenium. Do tada je dokazano da ova tvar ne gori, ne podržava disanje. Istovremeno se pojavio ruski naziv "dušik", koji se tumači na različite načine. Za termin se najčešće kaže da znači „beživotno“. Naknadni rad opovrgnuo je široko rasprostranjeno mišljenje o svojstvima materije. Jedinjenja dušika – bjelančevine – najvažnije su makromolekule u sastavu živih organizama. Da bi ih izgradile, biljke apsorbuju neophodne elemente mineralne ishrane iz tla - jone NO32- i NH4+.
Azot je hemijski element
Periodični sistem (PS) pomaže u razumijevanju strukture atoma i njegovih svojstava. Po položaju hemijskog elementa u periodnom sistemu može se odreditinuklearni naboj, broj protona i neutrona (maseni broj). Potrebno je obratiti pažnju na vrijednost atomske mase - to je jedna od glavnih karakteristika elementa. Broj perioda odgovara broju energetskih nivoa. U kratkoj verziji periodnog sistema, broj grupe odgovara broju elektrona na vanjskom energetskom nivou. Hajde da sumiramo sve podatke u opštim karakteristikama azota po njegovom položaju u periodičnom sistemu:
- Ovo je nemetalni element, koji se nalazi u gornjem desnom uglu PS-a.
- Hemijski znak: N.
- Broj narudžbe: 7.
- Relativna atomska masa: 14.0067.
- Formula hlapljivog jedinjenja vodonika: NH3 (amonijak).
- Proizvodi najveći oksid N2O5, u kojem je valencija dušika V.
Struktura atoma azota:
- Osnovni naboj: +7.
- Broj protona:7; broj neutrona: 7.
- Broj energetskih nivoa: 2.
- Ukupan broj elektrona: 7; elektronska formula: 1s22s22p3.
Stabilni izotopi elementa br. 7 su detaljno proučavani, njihovi maseni brojevi su 14 i 15. Sadržaj atoma lakšeg od njih je 99,64%. U jezgrima kratkoživućih radioaktivnih izotopa ima i 7 protona, a broj neutrona jako varira: 4, 5, 6, 9, 10.
Azot u prirodi
Zemljina vazdušna ljuska sadrži molekule jednostavne supstance, čija je formula N2. Sadržaj gasovitog azota u atmosferi je zapreminskioko 78,1%. Neorganska jedinjenja ovog hemijskog elementa u zemljinoj kori su različite amonijumove soli i nitrati (nitrati). Formule jedinjenja i imena nekih od najvažnijih supstanci:
- NH3, amonijak.
- NE2, dušikov dioksid.
- NaNO3, natrijum nitrat.
- (NH4)2SO4, amonijum sulfat.
Valenca azota u poslednja dva jedinjenja - IV. Ugalj, tlo, živi organizmi također sadrže vezane atome N. Azot je sastavni dio makromolekula aminokiselina, nukleotida DNK i RNK, hormona i hemoglobina. Ukupan sadržaj hemijskog elementa u ljudskom tijelu dostiže 2,5%.
Jednostavna supstanca
Azot u obliku dvoatomskih molekula je najveći dio atmosferskog zraka po zapremini i masi. Supstanca čija je formula N2 nema miris, boju ili ukus. Ovaj gas čini više od 2/3 Zemljinog vazdušnog omotača. U tečnom obliku, dušik je bezbojna supstanca koja nalikuje vodi. Vri na -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Prosta supstanca azot je nešto lakša od kiseonika, njena gustina u vazduhu je blizu 1.
Atomi u molekulu čvrsto vezuju 3 zajednička elektronska para. Jedinjenje pokazuje visoku hemijsku stabilnost, što ga razlikuje od kiseonika i niza drugih gasovitih supstanci. Da bi se molekul dušika raspao na sastavne atome, potrebno je potrošiti energiju od 942,9 kJ/mol. Veza od tri para elektrona je vrlo jaka.razgrađuju se pri zagrijavanju iznad 2000 °C.
U normalnim uslovima, disocijacija molekula na atome se praktično ne dešava. Hemijska inertnost dušika također je posljedica potpunog odsustva polariteta u njegovim molekulima. Međusobno međusobno djeluju vrlo slabo, što je razlog plinovitog stanja tvari pri normalnom tlaku i temperaturi bliskoj sobnoj. Niska reaktivnost molekularnog azota nalazi primenu u raznim procesima i uređajima gde je potrebno stvoriti inertnu sredinu.
Disocijacija molekula N2 može nastati pod uticajem sunčevog zračenja u gornjim slojevima atmosfere. Nastaje atomski azot, koji u normalnim uslovima reaguje sa nekim metalima i nemetalima (fosfor, sumpor, arsen). Kao rezultat, dolazi do sinteze supstanci koje se dobijaju indirektno u zemaljskim uslovima.
Valencija dušika
Spoljni elektronski sloj atoma formiraju 2 s i 3 p elektrona. Ove negativne čestice dušika mogu odustati pri interakciji s drugim elementima, što odgovara njegovim redukcijskim svojstvima. Pričvršćivanjem nedostajuća 3 elektrona na oktet, atom pokazuje oksidirajuću sposobnost. Elektronegativnost azota je niža, njegova nemetalna svojstva su manje izražena od fluora, kiseonika i hlora. Prilikom interakcije sa ovim hemijskim elementima, dušik odustaje od elektrona (oksidira se). Redukcija na negativne jone je praćena reakcijama sa drugim nemetalima i metalima.
Tipična valencija dušika je III. U ovom slučajuhemijske veze nastaju zbog privlačenja vanjskih p-elektrona i stvaranja zajedničkih (vezujućih) parova. Azot je sposoban da formira vezu donor-akceptor zbog svog usamljenog para elektrona, kao što se dešava u amonijum jonu NH4+.
Laboratorijska i industrijska proizvodnja
Jedna od laboratorijskih metoda zasniva se na oksidacijskim svojstvima bakarnog oksida. Koristi se azotno-vodikovo jedinjenje - amonijak NH3. Ovaj gas neprijatnog mirisa reaguje sa crnim bakrenim oksidom u prahu. Kao rezultat reakcije, oslobađa se dušik i pojavljuje se metalni bakar (crveni prah). Kapljice vode, još jedan produkt reakcije, talože se na zidovima epruvete.
Druga laboratorijska metoda koja koristi kombinaciju azota i metala je azid, kao što je NaN3. Ispostavilo se da je plin koji ne treba pročišćavati od nečistoća.
Amonijum nitrit se u laboratoriji razlaže na azot i vodu. Da bi reakcija započela potrebno je zagrijavanje, zatim proces teče oslobađanjem topline (egzotermno). Azot je kontaminiran nečistoćama, pa se pročišćava i suši.
Proizvodnja azota u industriji:
- frakciona destilacija tečnog vazduha - metoda koja koristi fizička svojstva azota i kiseonika (različite tačke ključanja);
- hemijska reakcija vazduha sa usijanim ugljem;
- odvajanje adsorpcionih gasova.
Interakcija s metalima i vodonikom - oksidirajuća svojstva
Inertnost jakih molekulane dozvoljava dobijanje nekih azotnih jedinjenja direktnom sintezom. Za aktiviranje atoma potrebno je snažno zagrijavanje ili zračenje tvari. Azot može da reaguje sa litijumom na sobnoj temperaturi, sa magnezijumom, kalcijumom i natrijumom reakcija se javlja samo kada se zagreje. Nastaju odgovarajući metalni nitridi.
Interakcija azota sa vodonikom se dešava na visokim temperaturama i pritiscima. Ovaj proces takođe zahteva katalizator. Ispostavilo se da je amonijak jedan od najvažnijih proizvoda kemijske sinteze. Dušik, kao oksidaciono sredstvo, pokazuje tri negativna oksidaciona stanja u svojim jedinjenjima:
- −3 (amonijak i druga vodonikova jedinjenja azota su nitridi);
- −2 (hidrazin N2H4);
- −1 (hidroksilamin NH2OH).
Najvažniji nitrid - amonijak - proizvodi se u velikim količinama u industriji. Hemijska inertnost azota dugo je bila veliki problem. S altitra je bila njegov izvor sirovina, ali mineralne rezerve su počele naglo opadati kako je proizvodnja rasla.
Veliko dostignuće hemijske nauke i prakse bilo je stvaranje amonijačne metode fiksacije azota u industrijskim razmerama. Direktna sinteza se provodi u posebnim kolonama - reverzibilni proces između dušika dobivenog iz zraka i vodonika. Prilikom stvaranja optimalnih uslova koji pomeraju ravnotežu ove reakcije ka proizvodu, korišćenjem katalizatora, prinos amonijaka dostiže 97%.
Interakcija sa kiseonikom - redukciona svojstva
Da bi se pokrenula reakcija azota i kiseonika potrebno je jako zagrevanje. Električni luk i pražnjenje groma u atmosferi imaju dovoljno energije. Najvažnija neorganska jedinjenja u kojima je dušik u pozitivnom oksidacionom stanju:
- +1 (dušikov oksid (I) N2O);
- +2 (azot monoksid NO);
- +3 (dušikov oksid (III) N2O3; azotna kiselina HNO2, njegove soli su nitriti);
- +4 (azot (IV) dioksid NO2);
- +5 (azot pentoksid (V) N2O5, azotna kiselina HNO3, nitrati).
Značenje u prirodi
Biljke apsorbuju amonijum jone i nitratne anjone iz tla, koriste za hemijske reakcije sintezu organskih molekula, koja se neprestano odvija u ćelijama. Atmosferski dušik mogu apsorbirati kvržice - mikroskopska stvorenja koja stvaraju izrasline na korijenu mahunarki. Kao rezultat, ova grupa biljaka dobija neophodan hranljivi element, obogaćuje tlo njime.
Tokom tropskih pljuskova dolazi do reakcija oksidacije atmosferskog dušika. Oksidi se rastvaraju i formiraju kiseline, ova jedinjenja azota u vodi ulaze u tlo. Zbog kruženja elementa u prirodi, njegove rezerve u zemljinoj kori i zraku stalno se obnavljaju. Složene organske molekule koji sadrže dušik bakterije razlažu na neorganske komponente.
Praktična upotreba
Najvažnije vezeazot za poljoprivredu su visoko rastvorljive soli. Ureu, salitru (natrijum, kalijum, kalcijum), jedinjenja amonijaka (vodeni rastvor amonijaka, hlorida, sulfata, amonijum nitrata) biljke asimiluju nitrati. Dijelovi biljnog organizma u stanju su skladištiti makronutrijente "za budućnost", što pogoršava kvalitetu proizvoda. Višak nitrata u povrću i voću može izazvati trovanje ljudi, rast malignih neoplazmi. Osim u poljoprivredi, jedinjenja azota se koriste i u drugim industrijama:
- za primanje lijekova;
- za hemijsku sintezu makromolekularnih jedinjenja;
- u proizvodnji eksploziva od trinitrotoluena (TNT);
- za proizvodnju boja.
NO oksid se koristi u hirurgiji, supstanca ima analgetski efekat. Gubitak osjeta pri udisanju ovog plina primijetili su čak i prvi istraživači hemijskih svojstava dušika. Ovako se pojavio trivijalni naziv "gas za smijeh".
Problem nitrata u poljoprivrednim proizvodima
Soli azotne kiseline - nitrati - sadrže jednostruko nabijeni anion NO3-. Do sada se koristio stari naziv ove grupe supstanci - salitra. Nitrati se koriste za đubrenje njiva, u plastenicima, voćnjacima. Primjenjuju se u rano proljeće prije sjetve, ljeti - u obliku tečnih preljeva. Same supstance ne predstavljaju veliku opasnost za ljude, aliu tijelu se pretvaraju u nitrite, a zatim u nitrozamine. Nitritni joni NO2- su toksične čestice, uzrokuju oksidaciju gvožđa u molekulima hemoglobina u trovalentne jone. U ovom stanju, glavna tvar krvi ljudi i životinja nije u stanju da prenosi kisik i uklanja ugljični dioksid iz tkiva.
Koja je opasnost od kontaminacije hrane nitratima po zdravlje ljudi:
- maligni tumori koji nastaju kada se nitrati pretvore u nitrozamine (kancerogene);
- razvoj ulceroznog kolitisa,
- hipotenzija ili hipertenzija;
- srčana insuficijencija;
- poremećaj zgrušavanja krvi
- jetra, pankreas, razvoj dijabetesa;
- razvoj zatajenja bubrega;
- anemija, oštećenje pamćenja, pažnje, inteligencije.
Istovremena konzumacija različitih namirnica sa visokim dozama nitrata dovodi do akutnog trovanja. Izvori mogu biti biljke, voda za piće, pripremljena jela od mesa. Namakanje u čistoj vodi i kuhanje mogu smanjiti sadržaj nitrata u hrani. Istraživači su otkrili da su veće doze opasnih jedinjenja pronađene u nezrelim i stakleničkim biljnim proizvodima.
Fosfor je element podgrupe azota
Atomi hemijskih elemenata koji se nalaze u istoj vertikalnoj koloni periodnog sistema pokazuju zajednička svojstva. Fosfor se nalazi u trećem periodu, pripada 15. grupi, kao i azot. Struktura atomaelementi su slični, ali postoje razlike u svojstvima. Azot i fosfor pokazuju negativno oksidaciono stanje i valenciju III u svojim jedinjenjima s metalima i vodonikom.
Mnoge reakcije fosfora odvijaju se na uobičajenim temperaturama, on je hemijski aktivan element. U interakciji sa kiseonikom formira viši oksid P2O5. Vodeni rastvor ove supstance ima svojstva kiseline (metafosforne). Kada se zagrije, dobije se ortofosforna kiselina. Formira nekoliko vrsta soli, od kojih mnoge služe kao mineralna đubriva, kao što su superfosfati. Jedinjenja dušika i fosfora su važan dio kruženja tvari i energije na našoj planeti, koriste se u industrijskim, poljoprivrednim i drugim oblastima djelatnosti.
