Wat is stikstof? Die massa stikstof. Stikstofmolekule

Die nonmetallic element van die 15de groep [Va] van die periodieke tabel is stikstof, waarvan 2 atome 'n molekule, 'n kleurlose, reuklose en smaaklose gas vorm wat die meeste van die Aarde se atmosfeer uitmaak en 'n integrale deel vorm van alle lewende dinge.

Geskiedenis van opsporing

Die stikstofgas is ongeveer 4/5 van die aarde se atmosfeer. Dit was geïsoleer tydens die vroeë lugnavorsing. In 1772 het die Sweedse chemikus Karl-Wilhelm Scheele eers getoon wat stikstof is. Volgens hom is die lug 'n mengsel van twee gasse, waarvan een die brandende lug genoem het, aangesien hy brand, en die ander 'onrein lug', omdat hy gebly het nadat die eerste spandeer is. Dit was suurstof en stikstof. Omstreeks dieselfde tyd is stikstof geïsoleer deur die Skotse plantkundige Daniel Rutherford, wat eers sy bevindings gepubliseer het, asook die Britse chemikus Henry Cavendish en die Britse geestelike en wetenskaplike Joseph Priestley, wat met Sheele die voorrang van die ontdekking van suurstof gedeel het. Verdere navorsing het getoon dat die nuwe gas deel van nitraat- of kaliumnitraat (KNO ₃ ) is, en daarom word dit in 1790 deur die Franse chemikus Shaptal die nitrogeen ("nitraat" genoem). Stikstof word eers toegeskryf aan die chemiese elemente van Lavoisier, Sy verduideliking van die rol van suurstof in verbranding ontken die teorie van phlogiston - gewild in die XVIII eeu. Verkeerde idee van brand. Die onvermoë van hierdie chemiese element om die lewe te onderhou (in Grieks) het veroorsaak dat Lavoisier die gas stikstof noem.

Voorkoms en verspreiding

Wat is stikstof? Deur die voorkoms van chemiese elemente, beslaan dit die sesde plek. Die Aarde se atmosfeer is 75,51% in gewig en 78.09% per volume bestaan uit hierdie element en is die hoofbron vir die industrie. Die atmosfeer bevat ook 'n klein hoeveelheid ammoniak- en ammoniumsoute, asook stikstofoksiede en salpetersuur wat tydens donderstorms, sowel as in binnebrandenjins vervaardig word. Vrye stikstof word gevind in baie meteoriete, vulkaniese en myngasse en sommige minerale bronne, in die son, in sterre en nebulae.

Stikstof word ook gevind in minerale neerslae van kaliumnitraat en natrium, maar dit is nie genoeg om menslike behoeftes te voorsien nie. Nog 'n wesenlike ryk aan hierdie element is die Guano, wat in grotte gevind kan word waar daar baie vlermuise is, of in droë plekke wat deur voëls besoek word. Ook stikstof is in reën en grond in die vorm van ammoniak en ammoniumsoute, en in seewater in die vorm van ammoniumione (NH ₄ ⁺ ), nitriet (NO ₂ ^- ) en nitrate (NO ₃ ^- ). Dit is gemiddeld ongeveer 16% van komplekse organiese verbindings, soos proteïene, teenwoordig in alle lewende organismes. Die natuurlike inhoud in die aardkors is 0.3 dele per 1000. Die voorkoms in die ruimte is 3 tot 7 atome per silikonatoom.

Die grootste lande wat stikstof produseer (in die vorm van ammoniak) aan die begin van die XXI eeu was Indië, Rusland, die Verenigde State, Trinidad en Tobago, Oekraïne.

Kommersiële produksie en gebruik

Die industriële produksie van stikstof is gebaseer op fraksionele distillasie van vloeibare lug. Die kookpunt is -195.8 ° C, wat 13 ° C laer is as dié van suurstof, wat dus geskei word. Stikstof kan ook op groot skaal geproduseer word deur koolstof of koolwaterstowwe in die lug te verbrand en die gevolglike koolstofdioksied en water uit residuele stikstof te skei. Op 'n klein skaal word suiwer stikstof vervaardig deur die bariumasied Ba (N ₃ ) _{2 te} verhit. Laboratoriumreaksies sluit in die verhitting van 'n oplossing van ammoniumnitriet (NH ₄ NO ₂ ), oksiderende ammoniak met 'n waterige oplossing van broom of verhitte koperoksied :

• NH ₄ ⁺ + NO ₂ ^- → N ₂ + 2H ₂ O.
• 8NH ₃ + 3Br ₂ → N ₂ + 6NH ₄ ⁺ + 6Br ^- .
• 2NH3 + 3CuO → N2 + 3H2O + 3Cu.

Elementêre stikstof kan as 'n inerte atmosfeer gebruik word vir reaksies wat die uitsluiting van suurstof en vog vereis. Vloeibare stikstof word ook gebruik. Waterstof, metaan, koolstofmonoksied, fluoor en suurstof is die enigste stowwe wat nie na 'n soliede kristallyne toestand omskep word by die kookpunt van stikstof nie.

In die chemiese industrie word hierdie chemiese element gebruik om oksidasie of ander agteruitgang van die produk te voorkom, soos 'n inerte verdunningsmiddel van 'n reaktiewe gas, om hitte of chemikalieë te verwyder, en ook as 'n brand- of ontploffingsremmer. In die voedselbedryf word stikstofgas gebruik om produkte te vermors, en vloeibare - vir vries droog- en verkoelingstelsels. In die elektriese bedryf verhinder gas oksidasie en ander chemiese reaksies, druk in die kabelskede en beskerm die elektriese motors. In metallurgie word stikstof gebruik in sweiswerk en soldering, wat oksidasie, verassing en dekarburisering voorkom. As 'n onaktiewe gas word dit gebruik in die vervaardiging van poreuse rubber-, plastiek- en elastomere. Dit dien as 'n dryfmiddel in aërosolbottels, en skep ook druk van vloeibare brandstof in straalvliegtuie. In medisyne word vinnige vries met vloeibare stikstof gebruik om bloed, beenmurg, weefsels, bakterieë en sperma te bewaar. Hy het aansoek in kryogene navorsing gevind.

verbindings

Die meeste stikstof word gebruik in die vervaardiging van chemiese verbindings. Die drievoudige binding tussen die atome van die element is so sterk (226 kcal per mol, twee keer dié van molekulêre waterstof) dat die stikstofmolekule skaars ander verbindings binnedring.

Die hoof industriële metode vir die bevestiging van die element is die Haber-Bosch-proses vir ammoniak sintese, ontwikkel tydens die Eerste Wêreldoorlog, om die afhanklikheid van Duitsland op Chilianse nitraat te verminder . Dit sluit direkte sintese van NH _{3 in} - 'n kleurlose gas met 'n skerp, irriterende reuk - direk vanaf sy elemente.

Die meeste van die ammoniak word omskep in salpetersuur (HNO ₃ ) en nitrate - soute en esters van salpetersuur, gekalsineerde soda (Na ₂ CO ₃ ), hidrasien (N ₂ H ₄ ) - 'n kleurlose vloeistof wat as brandstof gebruik word en in baie industriële prosesse.

Stikstof is nog 'n belangrike kommersiële verbinding van hierdie chemiese element. Kleurlose, hoogs roesende vloeistof word gebruik in die vervaardiging van kunsmis, kleurstowwe, medisyne en plofstowwe. Ammoniumnitraat (NH ₄ NO ₃ ) - 'n sout van ammoniak en salpetersuur - is die mees algemene komponent van stikstofbestanddele.

Stikstof + suurstof

Met suurstof vorm stikstof 'n reeks oksiede, insluitend stikstofoksied (N ₂ O), waarin die valensie +1, oksied (NO) (+2) en dioksied (NO ₂ ) (+4) is. Baie stikstofoksiede is uiters wisselvallig; Hulle is die hoofbronne van besoedeling in die atmosfeer. Stikstofoksied, ook bekend as gasgas, word soms as narkose gebruik. Wanneer ingeasem word, veroorsaak dit ligte histerie. Stikstofoksied reageer vinnig met suurstof om 'n bruin dioksied te vorm, 'n intermediêre in die produksie van salpetersuur en 'n kragtige oksidant in chemiese prosesse en vuurpyl.

Sommige nitriede wat gevorm word deur die kombinasie van metale met stikstof by verhoogde temperature word ook gebruik. Nitrides van boor, titanium, sirkonium en tantalium het spesiale toepassings. Een kristallyne vorm van boornitried (BN), byvoorbeeld, is nie minderwaardig aan diamant in hardheid nie en word swak geoksideer. Daarom word dit gebruik as 'n hoë-temperatuur skuurmiddel.

Anorganiese sianiede bevat die groep CN ^- . Waterstofsianied, of hidroksiensuur HCN, is 'n uiters onstabiele en uiters giftige gas wat gebruik word vir ontgassing, erts konsentrasie, in ander industriële prosesse. Dicyan (CN) _{2 word} gebruik as 'n intermediêre chemiese en vir beroking.

Asiede is verbindings wat 'n groep van drie stikstofatome bevat -N3. Die meeste van hulle is onstabiel en baie sensitief vir skokke. Sommige van hulle, soos loodasied Pb (N ₃ ) ₂ , word in detonators en kapsules gebruik. Asiede, soos halogene, skakel maklik met ander stowwe en vorm 'n verskeidenheid verbindings.

Stikstof is deel van 'n paar duisend organiese verbindings. Die meeste van hulle is afgelei van ammoniak, waterstofsianied, sianogeen, stikstofoksied of salpetersuur. Amiene, aminosure, amiede, byvoorbeeld, is afgelei van of nou verwant aan ammoniak. Nitroglycerien en nitrocellulose is salpetersuuresters. Nitriete word voorberei uit stikstofsuur (HNO ₂ ). Puriene en alkaloïede is heterosikliese verbindings waarin stikstof een of meer koolstofatome vervang.

Eienskappe en reaksies

Wat is stikstof? Dit is 'n kleurlose, reuklose gas wat by -195.8 ° C kondenseer in 'n kleurlose vloeistof met lae viskositeit. Die element bestaan as N ₂ molekules, voorgestel as: N ::: N: waarvoor die bindingsenergie, gelyk aan 226 kcal per mol, die tweede is slegs vir koolstofmonoksied (256 kcal per mol). Om hierdie rede is die aktiveringsenergie van molekulêre stikstof baie hoog, dus onder normale omstandighede is die element relatief inert. Daarbenewens dra 'n hoogs stabiele stikstofmolekule aansienlik by tot die termodinamiese onstabiliteit van baie stikstofbevattende verbindings waarin bande, hoewel sterk genoeg, minderwaardig is aan molekulêre stikstofbindings.

Relatief onlangs en onverwags is die vermoë van stikstofmolekules om as ligande in komplekse verbindings te dien, ontdek. Die waarneming dat sommige oplossings van rutheniumkomplekse atmosferiese stikstof kan absorbeer, het gelei tot die feit dat 'n eenvoudiger en beter manier om hierdie element vas te stel gou gevind kan word.

Aktiewe stikstof kan verkry word deur 'n laedrukgas deur 'n hoëspanning elektriese ontlading te slaag. Die produk gloei geel en is baie meer bereid om te reageer as die molekulêre een, met atoomwaterstof, swael, fosfor en verskeie metale, en kan ook NO tot N ₂ en O ₂ ontbind.

'N duideliker idee van wat stikstof is, kan verkry word uit sy elektroniese struktuur, wat die vorm 1s ² 2s ² 2p ^{3 het} . Die vyf elektrone van die buitenste skulpe beskerm die lading swak, waardeur die effektiewe kernlading op 'n afstand van die kovalente radius gevoel word. Stikstofatome is relatief klein en het 'n hoë elektronegatiwiteit, geleë tussen koolstof en suurstof. Die elektroniese konfigurasie sluit drie half gevulde eksterne orbitale in, wat dit moontlik maak om drie kovalente bindings te vorm. Daarom moet die stikstofatoom 'n uiters hoë reaktiwiteit hê, wat stabiele binêre verbindings met die meeste ander elemente vorm, veral wanneer die ander element aansienlik verskil in elektronegatiwiteit, wat 'n beduidende polariteit aan die bindings gee. Wanneer die elektronegatiwiteit van die ander element laer is, gee die polariteit die stikstofatoom 'n gedeeltelike negatiewe lading, wat sy onverdeelde elektrone vrystel om aan koördineringsbindings deel te neem. Wanneer 'n ander element meer elektronegatief is, beperk 'n gedeeltelik positiewe lading van stikstof die donor eienskappe van die molekule. By 'n lae polariteit van die band, as gevolg van die gelyke elektronegatiwiteit van die ander element, heers verskeie verbindings oor enkelbindings. As die wanverhouding van atoom dimensies die vorming van veelvoudige bindings verhoed, sal die gevormde eenvoudige band waarskynlik relatief swak wees en die verbinding sal onstabiel wees.

Analitiese chemie

Dikwels kan die persentasie stikstof in 'n gasmengsel bepaal word deur die volume daarvan te meet na die absorpsie van ander komponente deur chemiese reagense. Die ontbinding van nitrate met swaelsuur in die teenwoordigheid van kwik stel stikstofoksied vry, wat as 'n gas gemeet kan word. Stikstof word vrygestel van organiese verbindings wanneer dit oor koperoksied verbrand, en vrye stikstof kan as 'n gas gemeet word na die opname van ander verbrandingsprodukte. Kjeldahl se bekende metode vir die bepaling van die inhoud van die stof wat ons in organiese verbindings oorweeg, bestaan daarin om die verbinding met gekonsentreerde swaelsuur te ontbind (indien nodig met kwik of sy oksied, sowel as verskillende soute). Dus word die stikstof omskep na ammoniumsulfaat. Toevoeging van natriumhidroksied stel ammoniak vry, wat deur konvensionele suur versamel word; Die oorblywende hoeveelheid nie-gereageerde suur word dan bepaal deur titrasie.

Biologiese en fisiologiese betekenis

Die rol van stikstof in lewende stof bevestig die fisiologiese aktiwiteit van sy organiese verbindings. Die meeste lewende organismes kan nie hierdie chemiese element direk gebruik nie en moet toegang hê tot sy verbindings. Daarom is die vasstelling van stikstof van groot belang. In die natuur is dit die gevolg van twee hoof prosesse. Een van hulle is die effek van elektriese energie op die atmosfeer, waardeur die stikstof- en suurstofmolekule dissosieer, wat vrye atome NO en NO _{2 kan vorm} . Die dioksied reageer dan met water: 3NO ₂ + H ₂ O → 2HNO ₃ + NO.

HNO ₃ los op en kom na die aarde met reën in die vorm van 'n swak oplossing. Met verloop van tyd word die suur deel van die gekombineerde grond stikstof, waar dit geneutraliseer word, nitriet en nitraat vorm. Die N-inhoud in bewerkte gronde word as 'n reël herstel as gevolg van die bekendstelling van kunsmis wat nitrate en ammoniumsoute bevat. Isolasie van diere en plante en hul ontbinding gee stikstofverbindings na grond en lug.

Nog 'n belangrike proses van natuurlike fiksasie is die lewensaktiwiteit van peulplante. Danksy simbiose met bakterieë kan hierdie kulture atmosferiese stikstof direk in sy verbindings omskep. Sommige mikroörganismes, soos Azotobacter Chroococcum en Clostridium pasteurianum, kan N onafhanklik regmaak.

Die gas self, wat inert is, is skadeloos, behalwe as dit onder druk asemhaal, en dit oplos in bloed en ander liggaamsvloeistowwe by hoër konsentrasies. Dit veroorsaak narkotiese effek, en as die druk te vinnig afneem, word oormaat stikstof vrygestel in die vorm van gasborrels in verskillende dele van die liggaam. Dit kan pyn in die spiere en gewrigte, beswyking, gedeeltelike verlamming en selfs die dood veroorsaak. Hierdie simptome word dekompressie siekte genoem. Daarom moet diegene wat gedwing word om lug onder hierdie toestande te blaas, die druk baie stadig verminder sodat oortollige stikstof deur die longe verlaat sonder die vorming van bel. Die beste alternatief is om 'n mengsel van suurstof en helium vir asemhaling te gebruik. Helium is baie minder oplosbaar in liggaamsvloeistowwe, en die gevaar daal.

isotope

Stikstof bestaan as twee stabiele isotope ¹⁴ N (99,63%) en ¹⁵ N (0,37%). Hulle kan geskei word deur chemiese ruil of deur termiese diffusie. stikstof massa in die vorm van kunsmatige radio-aktiewe isotoop is in die reeks 10-13 en 16-24. Die mees stabiele halfleeftyd van 10 minute. Eerste kunsmatig geïnduseerde kern transmutasie gemaak in 1919 deur die Britse fisikus Ernest Rutherford, wat stikstof-14 alfa-deeltjies verkry kern-17 suurstof en protone te bombardeer.

eienskappe

Ten slotte noem die basiese eienskappe van stikstof:

• Atoomgetal: 7.
• Atoomgewig van stikstof: 14,0067.
• Smeltpunt: -209,86 ° C.
• Kookpunt: -195,8 ° C.
• Digtheid (1 atm, 0 ° C): 1,2506 gram stikstof per liter.
• Konvensionele oksidasietoestand van -3, 3, 5.
• Elektronkonfigurasie: 1s 2s ^{2 2 3} 2 p.