Азот и нитриды
Самая прочная молекула воздуха
Азот составляет 78 % атмосферы по объёму, хотя в земной коре его мало. Между атомами в молекуле \(\ce{N2}\) имеется тройная связь (\(\sigma + 2\pi\)). Её длина составляет 110 пм, а энергия — 945 кДж/моль. Для разрыва этой связи требуется много энергии. Поэтому при обычных условиях азот с трудом вступает в реакции: такую способность называют химической инертностью. Азот не горит и не поддерживает горение и дыхание.
history_eduАзот и аргон
В 1772 году Даниэль Резерфорд выделил из воздуха газ, в котором гибли мыши и гасла свеча. Лавуазье назвал этот газ azote — «безжизненный». Через сто с лишним лет лорд Рэлей обнаружил, что азот, выделенный из воздуха, тяжелее азота, полученного из аммиака: 1,2572 против 1,2505 г/л. Вместе с Уильямом Рамзаем он установил причину различия: в воздухе присутствует другой, более тяжёлый газ — аргон (1894). В 1904 году оба учёных получили Нобелевские премии.
При подходящих условиях азот всё же вступает в реакции. При этом его атомы переходят из молекул \(\ce{N2}\) в состав соединений. Такое превращение называют фиксацией азота. Одни реакции требуют нагревания, а для других нужны катализатор или электрический разряд.
scienceУсловия протекания реакций азота
- \(\ce{6Li + N2 -> 2Li3N}\) — из металлов при комнатной температуре с азотом заметно реагирует только литий.
- \(\ce{3Mg + N2 ->[t] Mg3N2}\) — при нагревании магний горит в азоте.
- \(\ce{N2 + 3H2 <=>[Fe, 450 °C, 200 атм] 2NH3}\) — азот реагирует с водородом при участии железного катализатора.
- \(\ce{N2 + O2 <=>[3000 °C] 2NO}\) — при высокой температуре азот реагирует с кислородом в разряде молнии и в дуговом способе Биркеланда — Эйде (1903).
- \(\ce{CaC2 + N2 ->[1000 °C] CaCN2 + C}\) — при нагревании карбида кальция в азоте образуется цианамид кальция; он стал одним из первых промышленных азотных удобрений (1905).
auto_awesomeАзотфиксация в природе
При комнатной температуре азот фиксируют бактерии-азотфиксаторы, в том числе бактерии в клубеньках бобовых. Восстановление азота у них происходит при участии фермента нитрогеназы. В активном центре нитрогеназы содержится кластер из железа, молибдена и серы с атомом углерода внутри. Биологическая фиксация даёт около 200 млн т азота в год — больше, чем все заводы мира.
Получение азота
В промышленности азот получают главным образом из воздуха. Для разделения жидкого воздуха используют ректификацию, основанную на различии температур кипения компонентов: \(\ce{N2}\) кипит при −196 °C, а \(\ce{O2}\) — при −183 °C. Применяют также мембранное или адсорбционное разделение воздуха.
В лаборатории азот получают химическими реакциями. Выбор способа зависит, в частности, от того, какие примеси допустимы в полученном газе.
scienceЛабораторные способы
- \(\ce{NH4NO2 ->[t] N2 ^ + 2H2O}\) — при нагревании нитрит аммония разлагается; на практике используют смесь \(\ce{NH4Cl}\) и \(\ce{NaNO2}\).
- \(\ce{(NH4)2Cr2O7 ->[t] N2 + Cr2O3 + 4H2O}\) — при разложении дихромата аммония происходит реакция, известная как «вулкан».
- \(\ce{2NH3 + 3CuO ->[t] 3Cu + N2 + 3H2O}\) — при нагревании аммиак реагирует с оксидом меди.
- \(\ce{2NaN3 ->[300 °C] 2Na + 3N2}\) — при разложении азида натрия получают очень чистый азот, в частности не содержащий примеси аргона.
auto_awesomeПодушка безопасности
Разложение азида натрия используют в подушке безопасности. При ударе датчик поджигает заряд, и за 30–40 мс выделяется около 60 л азота. Поскольку образующийся натрий опасен, в смесь добавляют \(\ce{KNO3}\) и \(\ce{SiO2}\). Натрий окисляется до оксида, который затем связывается в силикатное стекло: \(\ce{10Na + 2KNO3 -> K2O + 5Na2O + N2}\).
boltРазличие между азотом из аммиака и из воздуха
Азот, полученный химически из аммиака, не содержит аргона воздуха. Азот, выделенный из воздуха, может содержать около 1 % аргона и небольшие количества других благородных газов. Для многих задач это различие несущественно, но при точных измерениях, подобных измерениям Рэлея, его необходимо учитывать.
Нитриды
В реакциях азота с другими элементами образуются нитриды. Их свойства зависят от характера химической связи. По этому признаку различают ионные, ковалентные и металлоподобные нитриды.
| Тип | Примеры | Свойства |
|---|---|---|
| Ионные нитриды | \(\ce{Li3N}\), \(\ce{Mg3N2}\), \(\ce{Ca3N2}\) | Реагируют с водой с образованием аммиака. |
| Ковалентные нитриды | \(\ce{BN}\), \(\ce{Si3N4}\), \(\ce{AlN}\), \(\ce{GaN}\) | Тугоплавки и химически стойки; среди них есть полупроводники и изоляторы. |
| Металлоподобные нитриды | \(\ce{TiN}\), \(\ce{ZrN}\), \(\ce{Fe4N}\) | Твёрды и проводят ток; некоторые образуют золотистые покрытия. |
Реакции с водой позволяют распознать ионные нитриды по выделению аммиака. Ковалентные нитриды, напротив, ценят за стойкость и используют как материалы.
scienceПолучение нитридов и их реакции
- \(\ce{Mg3N2 + 6H2O -> 3Mg(OH)2 + 2NH3 ^}\) — при реакции нитрида магния с водой образуются гидроксид магния и аммиак.
- \(\ce{Li3N + 3H2O -> 3LiOH + NH3 ^}\) — при реакции нитрида лития с водой образуются гидроксид лития и аммиак.
- \(\ce{B2O3 + 2NH3 ->[t] 2BN + 3H2O}\) — при нагревании образуется нитрид бора; его гексагональная форма известна как «белый графит» и служит смазкой, а кубическая форма, боразон, по твёрдости почти не уступает алмазу.
- \(\ce{3SiCl4 + 4NH3 ->[t] Si3N4 + 12HCl}\) — при нагревании образуется нитрид кремния, керамику из которого применяют для лопаток турбин и подшипников.
auto_awesomeСиний светодиод
Нитрид галлия \(\ce{GaN}\) — полупроводник с широкой запрещённой зоной. Выращивать его качественные кристаллы научились лишь к 1990-м годам; с этой работой связаны имена Акасаки, Амано и Накамуры. Созданные ими синие светодиоды сделали возможными белые светодиодные лампы. За эти достижения учёные получили Нобелевскую премию по физике 2014 года.
boltРеакции ионных нитридов с водой и кислотой
При реакции ионного нитрида с водой образуются гидроксид металла и аммиак. При реакции с кислотой образуются соль металла и соль аммония. Например, нитрид магния реагирует с соляной кислотой согласно уравнению \(\ce{Mg3N2 + 8HCl -> 3MgCl2 + 2NH4Cl}\).
push_pinГлавное
Молекула \(\ce{N#N}\) содержит тройную связь с энергией 945 кДж/моль — одну из самых прочных. Поэтому азот инертен: при обычных условиях из металлов с ним заметно реагирует лишь литий (\(\ce{6Li + N2 -> 2Li3N}\)). При нагревании азот реагирует с магнием, кальцием и алюминием; с водородом он реагирует при участии катализатора и под давлением, а с кислородом — в электрической дуге. В лаборатории азот получают, в частности, разложением \(\ce{NH4NO2}\), а в промышленности — ректификацией воздуха. Ионные нитриды (\(\ce{Li3N}\), \(\ce{Mg3N2}\)) реагируют с водой с выделением аммиака; среди ковалентных нитридов (\(\ce{BN}\), \(\ce{Si3N4}\), \(\ce{AlN}\), \(\ce{GaN}\)) есть материалы для прочной керамики и полупроводники; металлоподобные нитриды, например \(\ce{TiN}\), применяют для твёрдых покрытий.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.