Азот

Нахождение в природе и круговорот

В природе азот распределен крайне неравномерно. Его главный резервуар — атмосфера, где он находится в виде простого газа $N_2$. В литосфере твердые минералы азота практически отсутствуют; единственное крупное исключение — залежи чилийской селитры (нитрата натрия, $NaNO_3$) в пустынях Чили. В биосфере элемент накапливается в биомассе, а также в торфе и каменном угле (содержит 1–1,8% азота).

В природе существует парадокс дефицита азота. Растения окружены атмосферой, на 78% состоящей из азота, но часто страдают от его нехватки. Причина кроется в колоссальной прочности молекулы $N_2$, которая не позволяет живым организмам легко включать ее в биохимические циклы. При разложении биомассы азот снова превращается в газ и улетучивается, а его растворимые соли вымываются в водоемы.

Строение атома и степени окисления

Азот — трехвалентный элемент в своем основном состоянии. В отличие от многих других элементов, он не может повысить валентность до пяти путем перехода в возбужденное состояние, так как на его внешнем энергетическом уровне отсутствует d-подуровень.

Единственный способ для азота стать четырехвалентным — отдать один электрон и превратиться в катион $N^+$. В этом случае s-электроны распариваются, образуя четыре неспаренных электрона. Такое возможно только при взаимодействии с более электроотрицательными соседями (фтором или кислородом).

На 2s-подуровне у атома азота есть неподеленная электронная пара. Она обуславливает его свойства как донора (основания) и позволяет образовывать дополнительные связи по донорно-акцепторному механизму (например, в солях аммония или комплексных соединениях).

Степень окисления зависит от окружения:

• В гидразине она равна –2 из-за связи N–N.
• В аминоэтане — –3 (азот оттягивает электроны от C и H).
• В нитробензоле — +3 (азот отдает 4 электрона кислороду, но забирает 1 у углерода).

Простое вещество и химические свойства

Единственное простое вещество элемента — диазот ($N_2$). Это самая устойчивая и наименее реакционноспособная молекула среди всех простых веществ. В ней нет дополнительных разрыхляющих электронов, как у кислорода, поэтому связь является истинно тройной ($:N \equiv N:$).

Из-за этой прочности химические реакции с азотом идут тяжело:

1. При обычных условиях газ инертен и реагирует только с металлическим литием, образуя на его поверхности нитрид: $6Li + N_2 = 2Li_3N$.
2. В водной среде есть специфическая реакция восстановления азота до гидразина в присутствии $V(OH)_2$ (осажденного вместе с $Mg(OH)_2$): $N_2 + 4V(OH)_2 + 4H_2O = N_2H_4 + 4V(OH)_3$.
3. При нагревании до 2000 °C (или при грозовом разряде) эндотермически реагирует с кислородом: $N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO$. Выход продукта составляет всего пару процентов.
4. С водородом реакция экзотермична. Это основа промышленного синтеза аммиака.

Получение и промышленное значение

До начала XX века получение соединений азота было сложнейшей задачей. Прорыв совершил Ф. Габер, разработавший катализатор (железо с оксидами калия и алюминия) для прямого синтеза аммиака из водорода и атмосферного азота.

Процесс идет при давлении 300–500 атм и температуре около 300 °C. Хотя выход продукта за цикл едва превышает 10%, проблему решает рециркуляция непрореагировавшей смеси. Сегодня этот метод дает более 100 млн тонн аммиака в год, который идет на удобрения и взрывчатку.

В природе аналогичный процесс (фиксацию азота в мягких условиях) проводят микроорганизмы — нитробактерии — с помощью фермента нитрогеназы. Ученым пока не удалось создать искусственный аналог этого фермента для работы при нормальных давлении и температуре.

Методы получения чистого $N_2$:

• В промышленности: низкотемпературная ректификация жидкого воздуха (t_{кип} = –195,798 °C) или химическое связывание кислорода.
• В лаборатории: мягкое нагревание растворов нитрита аммония ($NH_4NO_2 \rightarrow N_2 + 2H_2O$) или смеси $NH_4Cl$ с $NaNO_2$. Также азот выделяется при горении аминов.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизм работы фермента нитрогеназы у нитробактерий
• Расчет степеней окисления азота в сложных органических молекулах
• Термодинамика и принцип Ле Шателье в процессе Габера
• Классификация азотсодержащих соединений по степени окисления
• Донорно-акцепторный механизм образования комплексных соединений азота

Другие темы раздела «Глава 11. Элементы группы VA»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.