Предыдущий урок.
Первый урок.
Следующий химический элемент, идущий после углерода – это азот. И тут вскрывается такой интересный факт: все элементы от лития до углерода, являются твердыми веществами. А азот, внезапно, газ. Странно, не правда ли? Давайте подумаем, почему так. Углерод твердый, потому что его атомы соединяются друг с другом валентными связями, образую прочную кристаллическую решетку, особенно, если это алмаз. Кристаллическая решетка такая прочная, потому что углерод четырехвалентен и присоединят к себе атомы с четырех сторон. Бор – трехвалентен, и тоже образует довольно прочную кристаллическую решетку. Бериллий и литий – металлы, их атомы связаны металлическими связями: они отдают свои электроны, которые свободно блуждают по кристаллу, не позволяя атомам разлетаться, так как теперь атомы положительно заряжены, и они притягиваются к отрицательно заряженным свободным электронам. Но почему так не происходит с азотом? Он тоже трехвалентен, как и бор, но кристаллической структуры не образует. Почему? А потому, что валентность бора и азота имеют разную природу. Бор отдает электроны, а азот их забирает. Ему необходимо добрать на внешнем слое до восьми электронов, а у него там только пять, трех не хватает. Если какой-то атом легко отдает свои электроны, то между ними возникает химическая связь. В частности, такая связь может возникнуть с бором, натрием и другими элементами. Атомы азота могут и друг с другом соединятся. И тут получается такая хитрая штука. Атомы пытаются «отобрать» электроны друг у друга, и намертво сцепляться: не разлучить. Ну, или почти не разлучить.
Вообще, тройная связь обычно слабая. Но не в молекулах азота! Это исключение. Такие молекулы не так-то просто разорвать. Но можно. Например, разрушить молекулу азота может высокая температура или электрический разряд. При грозе, например, образуются свободные атомы азота и кислорода, которые могут реагировать друг с другом, образуя оксиды азота.
Итак, азот – бесцветный газ без цвета и без запаха, из него состоит 4/5 воздуха, которым мы дышим. Почему это газ, теперь, надеюсь, вам понятно – его атомы объединяются в прочные молекулы, и сами эти молекулы очень плохо взаимодействуют друг с другом, поэтому азот – газ. По причине прочности молекулы азот почти инертен, и очень неохотно вступает в реакцию с какими-либо веществами. При обычных условиях азот реагирует разве что с литием:
А вот с такими металлами, как магний, азот вступает в реакцию только при нагревании:
Собственно, как и с бором:
Надо сказать, что азот входит в состав многих органических соединений, в том числе и в состав тех веществ, из которых состоят живые организмы. Растениям, кстати, азот очень нужен, но они не могут извлечь его из атмосферное воздуха (ну или почти не могут), поэтому, для того, чтобы различные садовые и огородные культуры лучше росли, в почву добавляют азотные удобрения, такие, например, как сульфат и хлорид аммония, нитриды (натриевая селитра, кальциевая селитра, калиевая селитра). Некоторые растения, кстати, добывают азот из плоти животных. Которых поймают, естественно. В основном, такие «счастливчики» – это насекомые, которые попадают в ловушки таких растений, как непентес, саррацения, дарлингтония, Венерина мухоловка, росянка, жирянка и другие.
Как вы поняли, азот очень нужен. И вроде взять-то его не проблема, в воздухе полно этого газа. Бери, сжижай, и разделяй методом фракционного разделения (используя различную температуру парообразования). Но жидкий азот можно использовать разве что как хладогент. Ну, еще его можно использовать как огнетушитель. А вот как сделать из азота азотное удобрение… это хороший вопрос, учитывая, что вступает в реакцию этот элемент крайней неохотно. По этой причине долгое время сырьем для производства азотосодержащих соединений служила так называемая чилийская селитра (NaNO3). Тогда ее получали путем переработки природных залежей, большинство из которых были обнаружены в Чили, именно поэтому данное вещество и названо «чилийской селитрой». Правда, сама эта селитра уже является азотным удобрением. Но азот нужен не только для производства удобрений, но еще и лекарств, взрывчатых веществ и многого чего еще. Вот для этого-то и использовали селитру, когда азот еще не умели связывать прямо из воздуха.
А как делают сейчас? А сейчас сначала получают аммиак (NH3), это бесцветный газ с резким запахом. Аммиак делают путем прямой реакции азота и водорода:
Реакция, как видно из уравнения обратима. А еще она идет с выделением тепловой энергии. И еще при высокой температуре и давлении, что только добавляет сложности. При низкой температуре, кстати, такая реакция тоже идет, но очень медленно. А при высокой очень быстро происходит обратное превращение. Но выход есть – использование катализаторов, в частности, пористого железа с примесями оксида алюминия и оксида калия.
Потом из аммиака уже изготавливают другие азотосодержащие соединения. А еще 10%-ый раствор аммиака применяют в медицине в качестве так называемого нашатырного спирта.
Другой способ связывания атмосферного азота – это его реакция с карбидом кальция при температуре 1000 градусов Цельсия:
Эта реакция так же экзотермична, она идет с выделением энергии.
А теперь поговорим о круговороте азота в природе. Существуют бактерии, которые способны связывать атмосферный азот, превращая его в соединения аммония (CH4+). Затем эти соединения окисляются до нитратов и нитритов. Но они быстро потребляются растущими в почте растениями. Затем эти растения поедают травоядные животные, а их поедают хищники. И те и другие когда-нибудь умирают. Если трупик животного гниет, то соединения азота в их тканях подвергаются так называемой аммонификации (обратному процессу, разложению на аммоний и аммиак). Те, в свою очередь, тоже разлагаются, с выделением азота, который «улетает» обратно в атмосферу. Круг замкнулся.
И еще немного о валентности азота. Она, как я уже сказал в самом начале, равна 3, но иногда бывает 4. А степень окисления от -3 до +5. Кстати, возможно, этот термин для вас новый. Если кратко, то степень окисления – это некоторая условная величина, для записи характеристик таких процессов, как окисление, восстановление, и окислительно-восстановительные реакции. Когда-нибудь мы и до них доберемся, вот только кислород изучим. А это будет уже скоро.
Итак, подытожим. Азот практически инертный газ, в реакцию вступает крайне неохотно, но он требуется для получения многих органических (и неорганических) соединений. В химической промышленности атмосферный азот связывают сначала в аммиак, а затем на его основе синтезируют различные азотосодержащие соединения, например, удобрения. В природе таким синтезом заниматься специальные бактерии, а продукты их деятельности в виде азотных соединений потребляют растения. Затем они попадают в животных, а когда те погибают и их трупы разлагаются, происходит обратный процесс. Таким образом, происходит круговорот азота в природе.