Азот. Углекислый газ. Инертные газ.

История открытия азота

Соединения азота – селитра, азотная кислота, аммиак – были известны задолго до получения азота в свободном состоянии.

В 1772 г. Д. Резерфорд, сжигая фосфор и другие вещества в стеклянном колоколе, показал, что остающийся газ не поддерживает дыхания и горения. Д. Резерфорд назвал его «удушливым воздухом».

К. Шееле назвал этот элемент, извлеченный из воздуха, «дурным воздухом».

В 1787 г. А.Лавуазье установил, что «жизненный» и «удушливый» газы, входящие в состав воздуха, это простые вещества, и предложил название «азот». «А» - отсутствие, «зоо» - жизнь. «Безжизненный» - азот.

И не случайно: испытания проводили на лабораторных мышах, помещая их под колпак с азотом, где они погибали.

Физические свойства

Входит в состав воздуха: N = 78%. Также входит в состав других неорганических соединений и состав живой материи.

Азот немного легче воздуха; плотность 1,2506 кг/м³ (при н.у.),

tпл = - 209,8℃, tкип = -195,8℃

Жидкий азот используют для охлаждения различного оборудования и техники; для охлаждения компонентов компьютера при экстремальном разгоне. В химии жидкий азот применяют при работе с вакуумными линиями, для охлаждения веществ и проведения реакций при низких температурах, для создания инертной атмосферы. При этом транспортировка азота осуществляется в сосудах Дьюара.

В воде азот менее растворим чем кислород: при 0℃ в 1м³ H₂O растворяется 23,3 г азота.

Азот не поддерживает дыхание и горение; он чрезвычайно инертен. Малая реакционная способность азота обусловлена строением его молекулы.

N≡N — это самая прочная (из всех двухатомных) молекула. Молекула азота очень устойчива: энергия диссоциации ее на атомы составляет 942,9 кДж/моль, поэтому даже при температуре 3300℃ степень диссоциации азота составляет 0,1%.

Азот – один из распространенных элементов на Земле.

- в атмосфере - 4·10¹⁵ тонн по массе и 78% газообразного азота по объёму;

- литосфере – 1,9·10^-3 % по массе;

- в живых организмах - 0,3% по массе.

В белке животных и человека - 16–17% азота. В организмах человека и плотоядных животных белок образуется за счёт потребляемых белковых веществ травоядных животных и в растениях. “Жизнь - есть способ существования белковых тел на Земле” - по определению Ф.Энгельса.

Способы получения азоты:

Промышленные способы:

Ректификация (разделение) жидкого воздуха:

сначала улетучивается N₂ (tкип = -196℃);

затем О₂ (tкип = -183,0℃)

Лабораторные способы:

Окислительно-восстановительное разложение некоторых солей аммония:

NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O

(NH₄)₂Cr₂O₇ = Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O

Окисление аммиака и солей аммония:

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

8NH₃ + 3Br₂ = N₂ + 6NH₄Br

NaNO₂ + NH₄Cl → NaCl + N₂ + 2H₂O

Химические свойства азота

Молекулярный азот — химически инертное вещество, легко реагирует только с металлами:

N₂ + 6Li → 2Li₃N

Магний горит с образованием не только оксида, но и нитрида магния:

3N₂ + 6Mg → 2Mg₃N₂

N₂ + 2Al → 2AlN

Азот при взаимодействии с металлами проявляет окислительные свойства: образуются нитриды металлов, в которых степень окисления азота равна -3.

С неметаллами азот реагирует тяжелее: для инициирования и ускорения реакций необходимо применять высокие температуры, искровые электрические разряды, ионизирующее излучение, катализаторы (Fe, Cr, V, Ti и их соединения):

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

3F₂ + N₂ → 2NF₃

Cl₂ + N₂ ≠

S + N₂ ≠

Реакция горения азота идет при высокой температуре, в электрическом разряде или в присутствии катализатора:

N₂ + O₂ = 2NO - Q

Обратите внимание: реакция эндотермическая!

Углекислый газ

Углекислый газ CO₂ – это высший оксид углерода.

Валентность углерода и степень окисления углерода в данном оксиде совпадаю и равны 4. Все четыре связи ковалентные.

Физические свойства

Он представляет собой бесцветный газ, слегка кисловатый на вкус. Углекислый газ примерно в полтора раза тяжелее воздуха, поэтому его можно переливать из одного сосуда в другой, как будто он является невидимой жидкостью.

Химические свойства

Несмотря на то, что в CO₂ углерод находится в высшей степени окисления, углекислый газ практически не проявляет окислительных свойств. Он может быть восстановлен лишь при повышенной температуре под действием сильных восстановителей. Так, магний, зажженный на воздухе, продолжает гореть и в атмосфере углекислого газа:

2Mg + CO₂ → 2MgO + C

Взаимодействуя с раскаленным углем, он превращается в угарный газ СО:

CO₂ + C → 2CO

Углекислый газ – типичный кислотный оксид. Реагирует с основными оксидами:

Na₂O + CO₂ → Na₂CO₃

С основаниями, образуя соли угольной кислоты:

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O карбонаты (с избытком щелочи)

NaOH + CO₂ → NaHCO₃ гидрокарбонаты (с недостатком щелочи)

При растворении углекислого газа в воде образуется угольная кислота H₂CO₃, слабая двухосновная кислота, известная лишь в водных растворах.

В водном растворе реагирует с карбонатами активных металлов, образуя кислые соли:

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃

Качественные реакции на углекислый газ

О его присутствии можно судить по помутнению известковой воды вследствие образования нерастворимого в воде карбоната кальция:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Получение углекислого газа

Получают углекислый газ термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов), например, обжиг известняка:

CaCO₃ →CaO + CO₂

 

 

или действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂

Парниковый эффект вокруг планеты связан с наличием вокруг неё устойчивой атмосферы.

Рисунок 1. Физика парникового эффекта.

Земля, для поддержания своего температурного баланса, должна отдавать энергии столько же, сколько получает её от Солнца. Но, атмосфера не однородна, в её состав входят углекислый газ и водяной пар. Они играют роль стекла в теплице, поглощая инфракрасные лучи. Их наличие в атмосфере вызывает образование парниковых газов, некоторые из них частично возвращаются обратно к Земле. У поверхности планеты эти газы повышают температуру, создавая «эффект одеяла».

 

 

Инертные газы

Инертные газы — группа элементов в таблице Менделеева, обладающих однотипными свойствами. Все эти вещества – одноатомные газы, с большим трудом взаимодействующие с другими веществами. Это объясняется тем, что их внешние атомные оболочки полностью «укомплектованы» (кроме гелия) восемью электронами и являются энергетически стабильными. Эти газы еще называют благородными или редкими. В группу входят: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон.

Свойства инертных газов

Газы без цвета, запаха и вкуса. Они всегда есть в атмосферном воздухе, но их невозможно увидеть или почувствовать. Плохо растворяются в воде. Не горят и не поддерживают горение. Плохо проводят тепло. Хорошо проводят ток и при этом светятся. Практически не реагируют с металлами, кислородом, кислотами, щелочами, органическими веществами. Химическая активность растет по мере увеличения атомной массы.