Ако плътността на азота при нормални условия е равна. Азот: характеристики, химични свойства, физични свойства, съединения, място в природата. Кратко описание на химичните свойства и плътността на течния азот

Химичният елемент азот има символ N, атомно число 7 и атомна маса 14. В елементарно състояние азотът образува много стабилни двуатомни молекули N 2 със силни междуатомни връзки.

Молекула на азота, нейните размери и газови свойства

Молекулата на азота се образува тройно ковалентна връзкамежду два азотни атома и има химична формула N 2. Размерът на молекулите на повечето вещества като цяло и в частност на азота е доста трудна стойност за определяне и дори самото понятие не е еднозначно. За да разберете принципите на работа на оборудването, което разделя компонентите на въздуха, най-добрата концепция е кинетичен диаметърмолекула, която се определя като най-малкия размер на молекула. Азотът N 2, както и кислородът O 2, са двуатомни молекули, по-подобни по форма на цилиндри, отколкото на сфери - следователно едно от техните измерения, което условно може да се нарече "дължина", е по-значимо от другото, което е условно може да се нарече "диаметър". Дори кинетичният диаметър на молекулата на азота не е недвусмислено определен, но има данни, получени както теоретично, така и експериментално за кинетичния диаметър на молекулите на азота и кислорода (представяме данни за кислорода, тъй като кислородът е вторият основен интегрална част атмосферен въздух, и именно от това се изисква азотът да бъде пречистен, когато се получава в процеса на разделяне на въздуха), включително:
- N 2 3.16Å и O 2 2.96Å - от данни за вискозитет
- N 2 3.14Å и O 2 2.90Å - от данни за силите на Ван дер Ваалс

Азотът N 2 се топи, т.е. преминава от твърда фаза в течна фаза при температура от -210°C и се изпарява (кипи), т.е. преминава от течно в газообразно състояние при температура от - 195,79°С.

Кликнете за уголемяване

Азотният газ е инертен газ, безцветен, без вкус, без мирис, незапалим и нетоксичен. Плътността на азота при нормални атмосферни условия (т.е. при температура 0°C и абсолютно налягане 101325 Pa) е 1,251 kg/m³. Азотът не реагира с практически никакви други вещества (с изключение на редки реакции на свързване на азот с литий и магнезий). Също така, напротив, процесът на Хабер се използва широко в промишлеността, при производството на торове, при които в присъствието на катализатор, железен триоксид Fe 3 O 4, азотът се свързва с водород при висока температура и налягане.

Основната част е азотът земна атмосферакакто по обем (78,3%), така и по маса (75,47%). Азотът присъства във всички живи организми, в мъртвите организми, в отпадъчните продукти на организмите, в протеиновите молекули, нуклеиновите киселини и аминокиселините, уреята, пикочната киселина и др. органични молекули. В природата има и азотсъдържащи минерали: нитрат (калиев нитрат - калиев нитрат KNO 3, амониев нитрат - амониев нитрат NH 4 NO 3, натриев нитрат - натриев нитрат NaNO 3, магнезиев нитрат, бариев нитрат и др.), амоняк съединения (например амониев хлорид NH 4 Cl и др.) и други, предимно доста редки, минерали.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Азот- неметални. IN нормални условияе безцветен газ, който може да кондензира в безцветен течност(плътността на течния азот е 0,808 g / cm3), кипене, за разлика от течен кислород, при по-ниска температура (-195,75 o C) от течния кислород.

В твърдо състояние изглежда като бели кристали.

Азотът е слабо разтворим във вода (по-лошо от кислорода), но е силно разтворим в течен серен диоксид.

Химичен състав и структура на молекулата на течния азот

При нормални условия азотът е безцветен газ, състоящ се от молекули N 2 . Между азотните атоми в молекулата има тройна връзка, в резултат на което нейната молекула е изключително здрава. Молекулярният азот е химически неактивен и слабо поляризиран.

Нека разгледаме образуването на молекула азот (фиг. 1), чийто електронен облак има формата на удължена осмица. Когато два азотни атома се приближат, техните електронни облаци се припокриват. Такова припокриване е възможно само когато електроните имат антипаралелни спинове. В областта на припокриване на облака се увеличава електронната плътност, в резултат на което се увеличават силите на привличане между атомите. Брой споделени електронни двойкив азотна молекула е равно на едно (един електрон от всеки атом). Молекулата има ковалентен (неполярен) тип връзка.

Ориз. 1. Структурата на молекулата на азота.

Кратко описание на химичните свойства и плътността на течния азот

При нормални условия азотът е химически пасивен елемент; не реагира с киселини, основи, амонячен хидрат, халогени, сяра. Реагира в малка степен с водород и кислород под действието на електрически разряд (1, 2). В присъствието на влага реагира с литий при стайна температура(3). При нагряване той реагира с магнезий, калций, алуминий и други метали (4, 5, 6).

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 (1);

N 2 + O 2 ↔ 2NO (2);

N 2 + 6Li = 2Li 3 N (3);

N 2 + 3Mg = Mg 3 N_2 (4);

N2 + 3Ca = Ca3N2 (5);

N 2 + 2Al = 2AlN (6).

Реакциите на азот с флуор и въглерод, както в случая на водород или кислород, протичат под действието на електрически разряд:

N2 + 3F2 = 2NF3;

N 2 + 2C↔C 2 N 2.

При нагряване до температура 500-600 o C, азотът реагира с литиев хидрид (7), но ако температурният диапазон е 300-350 o C, тогава е възможна реакция с калциев карбид (8):

N 2 + 3LiH = Li 3 N + NH 3 (7);

N 2 + CaC 2 = Ca(CN) 2 (8).

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Дата на публикуване 16.02.2013 03:40

Азот– химичен елемент периодичната таблица, обозначен с буквата N и имащ сериен номер 7. Съществува под формата на молекула N2, състояща се от два атома. Това Химическо веществое газ без цвят, мирис и вкус, инертен е при стандартни условия. Плътност на азота при нормални условия(при 0 °C и налягане 101,3 kPa) е равно на 1,251 g/dm3. Елементът е част от земната атмосфера в размер на 78,09% от нейния обем. За първи път е открит като компонент на въздуха от шотландския лекар Даниел Ръдърфорд през 1772 г.

Течен азоте криогенна течност. При атмосферно наляганекипи при температура – ​​195,8 °C. Поради това може да се съхранява само в изолирани контейнери, за които са стоманени цилиндри втечнени газовеили дюаровите колби. Само в този случай може да се съхранява или транспортира без големи загуби поради изпаряване. Като сух лед (втечнен въглероден двуокис, наричан иначе въглероден диоксид), като хладилен агент се използва течен азот. Освен това се използва за криоконсервация на кръв, зародишни клетки (сперма и яйцеклетки), както и други биологични проби и материали. Търси се и в клиничната практика, например в криотерапията за отстраняване на кисти и брадавици по кожата. Плътността на течния азот е 0,808 g/cm3.

Много индустриални важни връзки, като Азотна киселина, амоняк, органични нитрати ( експлозиви, гориво) и цианиди, съдържат N2. Изключително силните връзки на елементарния азот в молекулата затрудняват участието му в химична реакция, това обяснява неговата инертност при стандартни условия (температура и налягане). Също поради тези причини, N2 има голямо значениев много научни и производствени площи. Например, необходимо е да се поддържа вътрешно налягане по време на добив на нефт или газ. Всяко негово практично или научни приложенияизисква да се знае каква ще бъде плътността на азота при определено налягане и температура. От законите на физиката и термодинамиката е известно, че при постоянен обем налягането и плътността на газа ще нарастват с повишаване на температурата и обратно.

Кога и защо трябва да знаете плътност на азота? Изчисляването на този показател се използва при проектирането технологични процесивъзникващи при използването на N2 в лабораторната практика и в производството. Използвайки известна стойностплътност на газ, може да се изчисли неговата маса в определен обем. Например, известно е, че газът заема обем от 20 dm3 при нормални условия. В този случай можете да изчислите неговата маса: m = 20 1,251 = 25,02 г. Ако условията са различни от стандартните и обемът на N2 е известен при тези условия, тогава ще трябва първо да намерите (от справочници) плътността азот при определено налягане и температура и след това умножете тази стойност по обема, зает от газа.

Подобни изчисления се извършват в производството при изготвяне на материални баланси. технологични инсталации. Те са необходими за провеждане на технологични процеси, избор на оборудване, изчисляване на технически и икономически показатели и др. Например след спиране химическо производствовсички устройства и тръбопроводи трябва да бъдат прочистени преди отварянето им и изнасянето им за ремонт инертен газ– азот (той е най-евтиният и достъпен в сравнение например с хелий или аргон). По правило те се продухват с количество N2, което е няколко пъти по-голямо от обема на апарата или тръбопровода, това е единственият начин да се отстранят запалимите газове и пари от системата и да се предотврати експлозия или пожар. При планиране на операциите преди спиране на ремонта, технологът, знаейки обема на системата за изпразване и плътността на азота, изчислява масата на N2, която ще бъде необходима за продухване.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

При нормални условия азот- безцветен газ, състоящ се от N 2 молекули.

Силната вътрешномолекулна връзка, малкият размер и неполярността на азотната молекула са причините за слабото междумолекулно взаимодействие, следователно азотът има ниски температурикипене и топене.

Азотът е без мирис. Слабо разтворим във вода и малко по-лек от въздуха: масата на 1 литър азот е 1,25 g.

Най-важните азотни константи са представени в таблицата по-долу:

Таблица 1. Физични свойства и плътност на азота.

Азотната молекула N2 в основно състояние има следното електронна конфигурация: [σ(2s) 2 ][ [σ * (2s) 2 ][π(2p y) 2 ][π(2p x) 2 ][π(2p z) 2]. Основният азотен атом има три несдвоени електрона. Това показва, че валентността на азота е три. Въпреки факта, че азотът не се характеризира с наличието на възбудено състояние, този елемент е способен да проявява валентности I, II, IV и V в своите съединения.

Естествено изобилие от азот

Азотът може да се намери в природата под формата на просто вещество в природата (съдържанието на азот във въздуха е -78 (об.)%). Под формата на аминокиселини и нуклеинова киселинаазотът се намира в животните и растителни организми. От естествените минерали промишлено значение имат чилийският нитрат (NaNO 3) и калиевият нитрат (KNO 3). Общо съдържаниеазот в земната кора(включително хидросферата и атмосферата) е 0,04% (маса).

Кратко описание на химичните свойства и плътността на азота

Молекулярният азот е изключително нисък реактивност, което се дължи на наличието в молекулата на N 2 на силни тройна връзка, както и неполярността на молекулата. Наистина, йонизационната енергия на азотна молекула, 1402 kJ/mol, е близка до йонизационната енергия на аргонов атом, 1520 kJ/mol; с други думи, азотът е лош редуциращ агент.

Електронният афинитет на молекулния азот е -3,6 eV, така че при стайна температура той реагира само с някои силни редуциращи агенти, като литий. Процесът протича през етапа на едноелектронна редукция с образуването на нестабилен пернитрид Li + N 2 -, който по време на реакцията се превръща в нитрид:

6Li + N 2 = 2Li 3 N.

За образуване на магнезиев нитрид Mg 3 N 2 от прости веществаизисква нагряване до 300 o С. Нитриди активни металипредставлявам йонни съединения, хидролизиран от вода до образуване на амоняк.

IN електрически разрядв азотна молекула възниква електронен преход от орбитала σ(2p z) към π * (2p z). Такива възбудени молекули бързо се връщат към нормално състояние, излъчващ жълт блясък. Понякога продължава няколко минути след спиране на изхвърлянето. Във възбудено състояние азотът е силно реактивен. Наистина, при електрически разряд той реагира с кислорода:

N 2 + O 2 ↔ 2NO.

Реакцията с водород протича при повишени стойноститемпература (400 o C) и налягане (200 atm) в присъствието на катализатор (Fe):

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 .

Азотът не взаимодейства със сярата и халогените.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Таблицата показва плътността на азота и неговата топлина физични свойствав газообразно състояние в зависимост от температурата и налягането. Топлофизични свойстваазот се подават при температури от 0 до 1000°C и налягане от 1 до 100 атмосфери.

Както може да се види от таблицата, такива свойства на азота като топлопроводимост и кинематичен вискозитетсилно зависи от температурата. С увеличаване на налягането тези свойства на азота намаляват своите стойности, докато плътността на азота се увеличава значително. Например при атмосферно налягане и температура 0°C плътността на азота е 1,21 kg/m3, а при повишаване на налягането 100 пъти плътността на азота нараства до 122,8 kg/m3 при същата температура.

Специфичният топлинен капацитет на азота се увеличава с повишаване на температурата на този газ. С увеличаване на налягането се увеличава и специфичният топлинен капацитет на азота. Например при температура 0°C и атмосферно налягане Специфичният топлинен капацитет на азота е 1039 J/(kg deg), и когато този газ се компресира до налягане от 100 атмосфери, той ще бъде 1242 J/(kg deg) при същата температура.

Трябва да се отбележи, че когато високи температури(около 1000°C) влияние на налягането върху стойността специфичен топлинен капацитетазотът се намалява. И така, при температура 1000°C и налягане 1 и 100 atm. стойността на топлинния капацитет ще бъде равна съответно на 1215 и 1219 J/(kg deg).

Таблицата дава следните свойстваазот:

• плътност на азота γ , kg/m 3 ;
• специфична топлина C p , kJ/(kg deg);
• коефициент на топлопроводимост λ , W/(m deg);
• динамичен вискозитет μ , ;
• топлопроводимост а , m 2 /s;
• кинематичен вискозитет ν , m 2 /s;
• Числото на Прандтл Пр .

Плътност на дисоцииран азот при високи температури.

Таблицата дава стойностите на плътността на азота в дисоциирано и йонизирано състояние при налягане от 0,2 до 100 атмосфери при високи температури. Плътността на азота в газообразно състояние е дадена в температурния диапазон 5000...40000 K в размерност kg/m 3.

Плътността на азота намалява с повишаване на температуратаи се увеличава с увеличаване на налягането на газа. Значение специфично теглоазот (неговата плътност) в таблицата варира от 0,00043 до 6,83 kg/m 3. Например при атмосферно налягане и температура 5000 K (4727 ° C) плътността на азота е 0,0682 kg / m 3. Когато азотът се нагрява до температура от 40 000 K, неговата плътност намалява до стойност от 0,00213 kg / m 3.

Забележка: Бъдете внимателни! Плътността на азота в таблицата е посочена в степени на 10 3. Не забравяйте да разделите на 1000.

Топлопроводимост на азота в течно и газообразно състояние

Таблицата показва топлопроводимостта на азота в течно и газообразно състояние в зависимост от температурата и налягането.
Топлопроводимостта на азота (размер W/(m deg)) е показана в температурния диапазон от -193 до 1127 °C и налягане от 1 до 600 атмосфери.

Топлопроводимост на дисоцииран азот при високи температури.

Таблицата дава стойностите на топлопроводимостта на дисоциирания азот при налягане от 0,001 до 100 атмосфери и високи температури.
Коефициентът на топлопроводимост на азота в газообразно състояние е даден в температурния диапазон 2000...6000 K в размерност W/(m deg).

Стойността на коефициента на топлопроводимост на азота се увеличава с повишаване на температуратаи обикновено намалява с увеличаване на налягането на този газ. Топлопроводимостта на дисоциирания азот при условията, разгледани в таблицата, варира от 0,126 до 6,142 W/(m deg).

Бъди внимателен! Топлопроводимостта на азота в таблицата е посочена на степен 10 3. Не забравяйте да споделите таблична стойностс 1000.

Топлопроводимост на течния азот при линията на насищане.

Таблицата показва стойностите на коефициента на топлопроводимост на течния азот на линията на насищане при ниски температури.
Топлинната проводимост на течния азот е показана при температури от 90...120 K (-183...-153°C).

Според таблицата се вижда, че топлопроводимостта на азота в течно състояниенамалява с повишаване на температурата.

Забележка: Бъдете внимателни! Топлопроводимостта на азота в таблицата е посочена на степен 10 3. Не забравяйте да разделите на 1000.

Динамичен вискозитет на азота в зависимост от температурата и налягането

Таблицата показва стойностите на азота в зависимост от температурата и налягането.
Динамичният вискозитет на азота (размер Pa s) е показан в температурния диапазон от 80 до 6000 K и налягане от 1 до 400 атмосфери и от 0,001 до 100 атмосфери.

При температура на азота от 3600 K той започва частично да се дисоциира. С повишаване на температурата на азоатния газ неговият динамичен вискозитет се увеличава. С повишаване на температурата на течния азот стойността на неговия динамичен вискозитет също се увеличава.

Забележка: Бъдете внимателни! Вискозитетът на азота в таблицата е посочен в степени на 10 6. Не забравяйте да разделите на 10 6 .

източници:

1. Физични величини. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковски и др.; Изд. И.С. Григориева, Е.З. Мейлихова. - М.: Енергоатомиздат, 1991. - 1232 с.