РОЗДІЛ II. НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ

9. Неметалічні елементи та їхні сполуки. Неметали

9.4. Елементи VA групи

9.4.2. Нітроген

Нітроген — 7-й елемент періодичної таблиці, заряд ядра — +7. Хімічний символ — N. Відносна атомна маса — 14, молярна маса — 28 г/моль. Відомо два стабільні природні ізотопи Нітрогену: ¹⁴N (99,64%), ¹⁵N. Утворює просту речовину азот N₂.

Електронегативність за Полінгом — 3,04. Найхарактерніша валентність — III. Атом Нітрогену може приєднувати 3 електрони, яких йому не вистачає до завершення зовнішнього енергетичного рівня:

Утворюється нітрид-іон, який входить до складу бінарних сполук Нітрогену з типовими металічними елементами: K₃N, Ca₃N₂.

Однак відомі сполуки Нітрогену, у яких він має валентність IV: HNО₃, йон амонію NH₄⁺, N₂О₅. Найнижчий ступінь окиснення — -3, а найвищий (у сполуках з електронегативнішими елементами Флуором і Оксигеном) — +5. Відомі також сполуки з проміжними ступенями окиснення Нітрогену:

Ступені окиснення	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4	+5
Приклади сполук	NH3, K3N	N2H4	NH2OH	N2	N2O	NO	N2O3, HNO2	NO2	N2O5, HNO3

Поширеність Нітрогену в природі

У природі Нітроген існує у вільному стані у вигляді простої речовини азоту N₂. Об’ємна частка азоту в атмосферному повітрі становить 78,1 %. Зв’язаний Нітроген трапляється у вигляді солей нітратної кислоти, які традиційно називають селітрами: чилійською — NaNO₃, натрієвою — NaNO₃, калійною — KNO₃.

Нітроген входить до складу органічних сполук, біологічно активних речовин: вітамінів, гормонів, антибіотиків, міститься в рослинних і тваринних організмах (білки, амінокислоти). Масова частка Нітрогену в організмі людини становить 3 %.

Фізичні властивості азоту

Азот — безбарвний газ без запаху і кольору, погано розчиняється у воді, дещо легший за повітря. При охолодженні до температури -196 °С перетворюється на безбарвну рідину, а при -210 °С твердне. Молекула азоту N₂ складається з двох атомів Нітрогену, сполучених міцним потрійним неполярним ковалентним зв’язком. Ступінь окиснення Нітрогену в азоті — 0, а валентність — III. Кристалічні ґратки твердого азоту молекулярні. Електронна формула — ₇N 1s^-22s²2p³:

Добування азоту

У лабораторії азот добувають нагріванням кристалічного натрій нітриту з амоній хлоридом:

Амоній нітрит термічно нестійкий і відразу ж розкладається:

У промисловості азот добувають з повітря, його фракціонуванням (див. Добування кисню). Повітря дуже охолоджують до перетворення його на рідину, а потім поступово починають підвищувати температуру. Першим з рідкого повітря випаровується азот, оскільки температура його кипіння становить -196 °С.

Хімічні властивості азоту

Азот N₂ має надзвичайно низьку реакційну здатність. Це пояснюється особливою стійкістю його молекули, яка починає розпадатися на атоми за температури 4 000 °С. Структурна формула азоту — N ≡ N, атоми сполучаються трьома ковалентними зв’язками:

Азот не горить і не підтримує горіння. Не реагує з водою, кислотами, лугами, солями. При нагріванні азот взаємодіє з деякими простими речовинами, виявляючи переважно властивості окисника:

1. 3 металами:

За стандартних умов взаємодіє лише з літієм:

Нітриди лужних і лужноземельних металічних елементів — це йонні сполуки, які розкладаються водними розчинами кислот і водою (гідролізують):

2. Азот взаємодіє з воднем за особливих умов (каталізатор — Fe, температура — 500 °С, тиск — ≥ 200 атм):

3. Азот виявляє відновні властивості у реакції з киснем, що відбувається за дуже високої температури (електрична дуга, 2000-3000 °С):

Застосування азоту і біологічне значення Нітрогену

В основному азот використовують для добування аміаку.

Інше застосування зумовлене його інертними властивостями:

• в енергетиці ним продувають охолоджувальні частини турбогенераторів ТЕЦ, ДРЕС, АЕС та електролізери від водню і повітря, а у нафтохімії — резервуари і трубопроводи (для проведення ремонтно-відновлювальних робіт), використовують для забезпечення вибухо- та пожежобезпеки при видобутку, перевезенні, зберіганні, переробці нафтопродуктів і хімічних речовин;

• у вугільній промисловості, при дегазації виробіток і гасінні пожеж, а також для забезпечення пожежної безпеки житлових, промислових споруд, офісів;

• освоєння свердловин у нафтогазовидобувній промисловості;

• у сучасних хіміко-технологічних процесах, де необхідне застосування інертного середовища;

• азотом наповнюють електричні лампочки;

• для тривалого і безвідходного зберігання сільськогосподарської продукції, зокрема фруктів, зерна і насіння в регульованому газовому середовищі;

• у харчовій промисловості, при виробництві олії, жирів, пакуванні продуктів.

Рідкий азот використовують як холодоагент для швидкого заморожування продуктів, для зберігання крові в медицині.

Нітроген — один з основних хімічних елементів живої природи, але ні рослини, ні тварини не можуть засвоювати атмосферного азоту. Цю функцію у природі виконують деякі прокаріоти (бактерії, археї).

Фіксація азоту (азотфіксація, або діазотрофія) — процес зв’язування азоту в хімічні сполуки (аміак, нітрати, нітроген(ІV) діоксид), які можуть використовуються рослинами для інших біохімічних процесів. Мікроорганізми, що фіксують азот, називають діазотрофами (азотфіксувальними мікроорганізмами). Деякі рослини, гриби і тварини формують з ними симбіотичні асоціації.

Найактивнішими фіксаторами атмосферного азоту є бульбочкові бактерії в асоціації з бобовими рослинами. За рік вони можуть нагромадити на площі 1 га до 60-300 кг азоту. Також до 30-60 кг/га азоту на рік зв’язує вільноживуча аеробна ґрунтова бактерія Azotobacter і до 20-40 кг/га — анаеробна маслянокисла бактерія Clostridium. Джерелом енергії і вуглецевого живлення для азотфіксаторів є кореневі виділення рослин, продукти розкладу клітковини та інших органічних решток. Для підвищення азотфіксувальної здатності до ґрунту вносять бактеріальні добрива.