Азот и нитриды
Самая прочная молекула воздуха
Азот — 78 % атмосферы по объёму, но в земной коре его мало. Молекула \(\ce{N2}\) — тройная связь (\(\sigma + 2\pi\)), 110 пм, 945 кДж/моль. Её разрыв требует огромной энергии, поэтому азот «ленив»: не горит, не поддерживает горения и дыхания.
history_eduАзот и аргон
Даниэль Резерфорд в 1772 году выделил из воздуха газ, в котором гибли мыши и гасла свеча. Лавуазье назвал его azote — «безжизненный». Через сто с лишним лет лорд Рэлей заметил, что азот из воздуха тяжелее азота, полученного из аммиака: 1,2572 против 1,2505 г/л. Вместе с Уильямом Рамзаем он нашёл причину — неизвестный тяжёлый газ, аргон (1894). Нобелевские премии 1904 года получили оба.
scienceКак всё-таки заставить азот реагировать
- \(\ce{6Li + N2 -> 2Li3N}\) — единственная реакция при комнатной температуре.
- \(\ce{3Mg + N2 ->[t] Mg3N2}\) — магний горит и в азоте.
- \(\ce{N2 + 3H2 <=>[Fe, 450 °C, 200 атм] 2NH3}\).
- \(\ce{N2 + O2 <=>[3000 °C] 2NO}\) — в молниях и в дуговом способе Биркеланда — Эйде (1903).
- \(\ce{CaC2 + N2 ->[1000 °C] CaCN2 + C}\) — цианамид кальция, первое промышленное азотное удобрение (1905).
auto_awesomeАзотфиксация в природе
Бактерии-азотфиксаторы (в клубеньках бобовых) восстанавливают азот при комнатной температуре ферментом нитрогеназой. В её активном центре — 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
Промышленность: ректификация жидкого воздуха (\(\ce{N2}\) кипит при −196 °C, \(\ce{O2}\) — при −183 °C) и мембранное или адсорбционное разделение.
scienceЛабораторные способы
- \(\ce{NH4NO2 ->[t] N2 ^ + 2H2O}\) (на практике — смесь \(\ce{NH4Cl}\) и \(\ce{NaNO2}\)).
- \(\ce{(NH4)2Cr2O7 ->[t] N2 + Cr2O3 + 4H2O}\) — «вулкан».
- \(\ce{2NH3 + 3CuO ->[t] 3Cu + N2 + 3H2O}\).
- \(\ce{2NaN3 ->[300 °C] 2Na + 3N2}\) — самый чистый азот.
auto_awesomeПодушка безопасности
При ударе датчик поджигает заряд азида натрия: за 30–40 мс выделяется около 60 л азота. Натрий опасен, поэтому в смесь добавляют \(\ce{KNO3}\) и \(\ce{SiO2}\): натрий окисляется до оксида и связывается в силикатное стекло: \(\ce{10Na + 2KNO3 -> K2O + 5Na2O + N2}\).
boltАзот «из аммиака» и «из воздуха»
Азот, полученный химически, чистый; «атмосферный» содержит около 1 % аргона и других благородных газов. Для многих задач это не важно, но для точных измерений (как у Рэлея) — принципиально.
Нитриды
| Тип | Примеры | Свойства |
|---|---|---|
| ионные | \(\ce{Li3N}\), \(\ce{Mg3N2}\), \(\ce{Ca3N2}\) | гидролизуются до аммиака |
| ковалентные | \(\ce{BN}\), \(\ce{Si3N4}\), \(\ce{AlN}\), \(\ce{GaN}\) | тугоплавкие, химически стойкие, полупроводники и изоляторы |
| металлоподобные | \(\ce{TiN}\), \(\ce{ZrN}\), \(\ce{Fe4N}\) | твёрдые, проводят ток, золотистые покрытия |
scienceНитриды в реакциях
- \(\ce{Mg3N2 + 6H2O -> 3Mg(OH)2 + 2NH3 ^}\).
- \(\ce{Li3N + 3H2O -> 3LiOH + NH3 ^}\).
- \(\ce{B2O3 + 2NH3 ->[t] 2BN + 3H2O}\) — нитрид бора: гексагональный («белый графит», смазка) и кубический (боразон, почти алмаз по твёрдости).
- \(\ce{3SiCl4 + 4NH3 ->[t] Si3N4 + 12HCl}\) — керамика 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 (Акасаки, Амано, Накамура). Их синие светодиоды сделали возможными белые светодиодные лампы — Нобелевская премия по физике 2014 года.
boltНитрид — «аммиак» металла
Ионный нитрид с водой всегда даёт гидроксид металла и аммиак; с кислотой — соль металла и соль аммония: \(\ce{Mg3N2 + 8HCl -> 3MgCl2 + 2NH4Cl}\).
push_pinГлавное
\(\ce{N#N}\): тройная связь 945 кДж/моль — одна из самых прочных; поэтому азот инертен и при обычных условиях реагирует лишь с литием (\(\ce{6Li + N2 -> 2Li3N}\)). При нагревании — с магнием, кальцием, алюминием; с водородом — на катализаторе под давлением; с кислородом — в электрической дуге. Лабораторный азот — разложение \(\ce{NH4NO2}\), промышленный — ректификация воздуха. Нитриды: ионные (\(\ce{Li3N}\), \(\ce{Mg3N2}\)) гидролизуются до аммиака; ковалентные (\(\ce{BN}\), \(\ce{Si3N4}\), \(\ce{AlN}\), \(\ce{GaN}\)) — прочная керамика и полупроводники; металлоподобные (\(\ce{TiN}\)) — твёрдые покрытия.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.