Właściwości azotu oraz jego związków

Odkrycie azotu

Został on odkryty w 1772 r. przez Daniela Rutherforda. Naukowiec ten wydzielił go z powietrza usuwając z powietrza  tlen przez spalanie różnych substancji w zamkniętej przestrzeni. Uwolniony tlen wiązał

w postaci CO2, a następnie  absorbował go w ługu potasowym.

Występowanie azotu w przyrodzie

Zawartość azotu w wynosi 7,9 * 10-3 % wagowego w zewnętrznych strefach Ziemi, czyli jeden atom azotu przypada na 9 tysięcy innych atomów. Najwięcej azotu występuje w atmosferze w stanie wolnym

 - 75,51% wagowych, 78,09% objętościowych. Pozostała część w organizmach żywych (w postaci białka)

i w minerałach (głównie w postaci azotanów(V) zwanych saletrami: NaNO3, KNO3, Ca(NO3)2).

Azot bierze udział w tzw. obiegu kołowym. Wiąże się on z tlenem podczas wyładowań atmosferycznych, następnie spływa z deszczem do gleby jako kwas HNO3. Kwas ten tworzy sole – azotany, które zostają  przetwarzane w  białka przez rośliny.  Część azotu atmosferycznego zostaje od razu wprowadzona do białek przez działanie specjalnych odmian bakterii w takich roślinach jak fasola, groch, łubin i koniczyna. Organizmy zwierzęce przyswajają azot związany w białkach wraz z pokarmem roślinnym.  Białka ulegają rozkładowi do amoniaku i w takiej postaci przechodzą do gleby. Pod działaniem bakterii nitryfikacyjnych amoniak utlenia się do azotanów przyswajanych ponownie przez rośliny. Część azotu zostaje uwolniona do atmosfery w wyniku działalności bakterii denitryfikacyjnych.

Konfiguracja elektronowa

Azot należy do 15 gr układu okresowego, leży w drugim okresie. Jego liczba atomowa wynosi 7, czego konsekwencją jest posiadanie przez ten pierwiastek 7 elektronów na dwóch powłokach. Na powłoce walencyjnej ma 5 elektronów, ponieważ należy do 15 gr. (15 - 10 = 5). Konfiguracja elektronowa przedstawia się następująco:

K2 L5

Azot ma liczbę masową 14, co wiąże się z występowaniem w jadrze 7 (bo 14 – 7 = 7) neutronów.

Pełna konfiguracja elektronowa, z rozbiciem na podpowłoki (1 powłoka ma 1, a 2 - 2 podpowłoki) została zapisana poniżej:

1s2 2s2 2p3

Własności fizyczne:

  •   jest gazem bez barwy, woni i smaku
  •   rozpuszcza się w wodzie słabiej niż tlen
  •   skrapla się bardzo trudno (w temp. -196°C)

Skroplenie azotu zawdzięczamy polskim uczonym: Wróblewskiemu i Olszewskiemu, którzy dokonali tego

16 kwietnia 1883r.

Właściwości chemiczne:

  •   przyjmuje różne wartościowości: I, II, III, IV, V
  •   występuję na stopniach utlenienia: -3, +2, +3, +4, +5
  •   jego związki wykazują odczyn obojętny lub kwaśny
  •   jest związkiem niezbyt aktywnym (mniej aktywny niż fluor, bardziej - niż węgiel)
  • w podwyższonej temperaturze łączy się z niektórymi pierwiastkami tworząc azotki, np. Li3N, Mg3N2, BN, Si3N4
  •   tworzy pięć tlenków azotu:
  •   N2O tlenek azotu (I)
  •   NO tlenek azotu (II)
  • N2O3 tlenek azotu(III) - jest bezwodnikiem kwasu azotawego HNO2
  •   NO2 tlenek azotu (IV) – jest bezwodnikiem kwasu azotowego HNO3
  •   z wodorem azot tworzy:
  •   NH3 amoniak
  •   N2H4 hydrazynę
  •   HN3 kwas azotowodorowy

Otrzymywanie

    • W laboratorium azot można otrzymać z azotynu sodowego.
    • Na skalę przemysłową azot otrzymuje się go przez:
    • destylację frakcyjną ciekłego powietrza
    • spalanie metanu w powietrzu, a powstający CO2 absorbuje się w wodzie

Zastosowanie

  •   stosowany jest do produkcji amoniaku, hydrazyny, kwasu azotowego, nawozów sztucznych
  •   do wytwarzania atmosfery ochronnej
  •   do napełniania żarówek elektrycznych (wraz z argonem)
  •   hydrazyna N2H4 jest składnikiem leków przeciwgruźliczych, produktów włókienniczych, tworzyw sztucznych
  •   amoniak NH3 służy do produkcji kwasu azotowego, soli amonowych, do produkcji włókien sztucznych, leków, w chłodnictwie
  •   kwas azotowy (V) jest surowcem do wyrobu wielu leków, barwników
  •   jako nawozy sztuczne, np. KNO3 saletra potasowa, Ca(NO3)2 saletra wapniowa, CaCN2 azotniak, (NH4)2SO4, NH4NO3, NH4NO3 + CaCO3 saletrzak
  •   azotany stosowane są jako nawozy mineralne, do wyrobu materiałów wybuchowych. w fotografii
  •   azotyn(III) amonu NH4NO2 służy do laboratoryjnego otrzymywania azotu
  •   azotki, np. BN, stosowane są do wyrobu tygli laboratoryjnych, do utwardzania stali

Wpływ azotu na organizm ludzki

Azot w warunkach standartowych nie jest toksyczny. Jednak przy zwiększeniu ciśnienia do 0,4 MPa ludzie mają skłonność do śmiechu i gadulstwa. Organizm reaguje zwolnieniem reakcji na bodźce wzrokowe, węchowe, słuchowe i dotykowe, osłabieniu ulegają czynności umysłowe. Przy dalszym podniesieniu ciśnienia do 1 MPa człowiek zapada na chorobę kesonowa: traci przytomność, występują przy tym zaburzenia ruchów mięśniowych. Powodem takiego stanu jest powstawanie we krwi i tkance tłuszczowej pęcherzyków azotu, tworzących zatory w drobnych naczyniach krwionośnych.

Większość związków azotu jest toksyczna dla ludzi, np. tlenki azotu, hydrazyna.

kwas azotowy(V) HNO3

Własności fizyczne

  •   bezbarwna ciecz
  •   dymi na powietrzu
  •   temperatura wrzenia 86°C
  • gęstość 1,50 g/cm3
  •   tworzy 68-procentowy azeotrop z wodą o temperaturze wrzenia 121,8°C
  •   ma działanie żrące w stosunku do skórę, powoduje gojące się trudno oparzenia

Właściwości chemiczne

  •   ulega rozkładowi wyniku wystawienia na światło na tlenek azot (IV), stąd jego żółte zabarwienie
  •   posiada silne właściwości kwasowe i utleniające
  •   roztwarza większość metali (oprócz platyny, złota, irydu, rodu i tantalu)
  •   powoduje pasywacje niektórych metali, np. żelaza, glinu
  •   działa nitrujaco lub utleniająco w stosunku do substancji organicznych

Otrzymywanie

W przemyśle pospolicie używa się metody kontaktowej. Istotą tego sposobu jest utlenianie amoniaku tlenem

z powietrza atmosferycznego z zastosowaniem katalizatora - siatek platynowych:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

Tlenek azotu (II) ulega samorzutnemu utlenieniu do dwutlenku azotu (NO2), a następnie rozpuszczony

w wodzie destylowanej tworzy kwas. Inną metodą, obecnie nie używaną polega na otrzymywaniu kwasu poprzez przepuszczanie azotu i tlenu poprzez łuk elektryczny.

Zastosowanie

Używany jest powszechnie jako utleniacz.

kwas azotowy(III) HNO2

Właściwości chemiczne

  •   jest słaby i nietrwały, dlatego istnieje wyłącznie w roztworach wodnych rozcieńczonych
  •   ulega reakcji dysproporcjonowania:

3HNO2 = HNO 3 + 2NO + H2O

  •   wykazuje słabe właściwości utleniające jaki i redukujące
  •   tworzy sole  - azotany(III) i sole diazoniowe
  •   tworzy estry  oraz  związki nitrowe

Zastosowanie

Jego pochodna azotan(III) pentylu stosowana jest w lecznictwie.

Obieg azotu

Azot stanowi główny składnik atmosfery (ok. 78%), z tego względu zakłócenia jego obiegu mogą być bardzo groźne w skutkach.

Rośliny zielone pobierają z gleby azotany (III) oraz azotany (V). Sole te służą do biosyntezy białka, składnika niezbędnego każdemu żywemu organizmowi. Zwierzęta uzyskują azot pobierając go z pokarmem pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego. Natomiast wydalają do środowiska w postaci produktów przemiany materii: amoniaku (pot) oraz mocznika.

Azotany (III) i (V) powstają dzięki działalności bakterii nitryfikacyjnych, specjalizujących się w reakcjach utleniania soli amonowych do azotanów (III) w przypadku bakterii z rodziny Nitrosomonas albo azotanów (III) do azotanów (V) dla bakterii z rzędu Nitrobacter.

Bakterie nitryfikacyjne pełnia jeszcze inną, bardzo ważną rolę: uczestniczą w procesach gnilnych białek,

a wytworzone w wyniku ich działalności azotany są przyswajane przez organizmy samożywne.

Wytworzone sole są wykorzystywany, jak już wspomniano, przez rośliny, lub magazynowane w glebie, np.

w postaci saletry. Niestety tam też działają bakterie denitryfikacyjne, sprzyjające rozkładowi w warunkach beztlenowych azotany (III), azotany (V) czy tlenek azotu do amoniaku lub azotu cząsteczkowego. Denitryfikacja (oddychanie azotanowe) jest przyczyną utraty azotanów z gleb, które są miernie przewietrzane.

Należy jednak podkreślić, że zbyt duże stężenie azotanów nie warunkuje intensywnej wegetacji roślin, ponieważ sole te są łatwo wypłukiwane, w przeciwieństwie do kationów amonowych.

Dziura ozonowa

Warstwa ozonowa stanowi środkową część stratosfery, której działanie ochronne związane jest nie tylko z reakcjami O3, O2 czy O,ale także z 150 innymi procesami. Słoneczne promieniowanie nadfioletowe zostaje pochłonięte przez właśnie warstwę ozonową, a dokładniej przez O2. Tlen cząsteczkowy rozpada się

na tlen atomowy, czyli O, który (jako bardzo reaktywny) reaguje z O2 tworząc cząsteczkę ozonu O3. Obecność

w stratosferze tlenku azotu (II) powoduje jego utlenienie do tlenku azotu (IV), a następnie z O prowadząc

do regeneracji tlenku azotu (II). Takie następujące po sobie procesy stanowią reakcje łańcuchowe. W każdym cyklu zostają zużyte: O3 oraz O. Tak więc NO i NO2 są głównymi czynnikami zmniejszającymi stężenie ozonu w stratosferze.

Tlenki azotu powstają przede wszystkim w przemyśle, przy używaniu freonu (lodówki, dezodoranty) czy

w wyniku eksploatowania superszybkich samolotów. Zagrożeniem dla warstwy ozonowej jest także wytwarzania tlenku azotu (I), N2O przez glebę oraz morskie bakterie. Tlenek ten pochłania promieniowanie nadfioletowe, co powoduje jego uaktywnienie do dalszego wchodzenia w reakcje, a w ich wyniku tworzą się, wcześnie wspomniane tlenki, NO oraz NO2.

Zastosowanie azotu i jego pochodnych

Azot jest pierwiastkiem występującym na wielu różnych stopniach utlenienia: od –3 aż do +5. Taka rozpiętość daje możliwość tworzenia dużej ilości związków, zarówno nieorganicznych, jak i organicznych.

Azot

  •   W laboratorium oraz w przemyśle azot wykorzystuje się jako gaz osłonowy, ze względu na jego obojętność chemiczną (zwłaszcza przy kontrolowanym utlenianiu).
  •   Często gaz ten używany jest jako substancja chłodząca.
  •   Do poduszek powietrznych w samochodach

Te elementy wyposażenia samochodu stanowią chronię dla pasażerów w przypadku wypadków drogowych. Azot zastąpił używany przedtem gaz powstający z pirotechnicznego wybuchu ze względu na znacznie wolniejsze nadmuchiwanie poduszki oraz pozostawanie w takim stanie aż 6s, co zwiększa bezpieczeństwo.

Tlenek azotu (I) N2O używany jest:

  •   w anestezjologii do znieczulania
  •   w krioterapii

Metoda ta polega na niszczeniu celowym tkanek w wyniku ich zamrażania. Następuje nagłe zachwianie równowago między komórką a otoczeniem. Obniżenie temperatury prowadzi do: zamrożenia płynu zewnątrzkomórkowego, potem wewnątrzkomórkowego, przedostania się wody na zewnątrz komórki, rozerwanie błony komórkowej, denaturację białka, zamknięcie małych naczyń, zaburzenia elektrolitowe (wzrost stężenia katonów wodorowych, spadek pH.

Zbyt długi narażenie na działanie niskiej temperatury wywołuje martwice tkanek, uszkodzenie białka cytoplazmatycznego.

Krioterpia inaczej zwana kriochirurgią wymaga zastosowania specjalistycznego sprzętu wyposażonego

w krioaplikator precyzyjnie koncentrujący „zimny podmuch” na wybrany obszar ciała. W czasie zabiegu temperatura jest stopniowo obniżana do wartości zależnej od substancji chłodzącej. Tlenek azotu ma zasadniczą zaletę w stosunku do ciekłego azotu: jego temperatura nie ulega zmianom podczas zamrażania.

  •   W motoryzacji – do zwiększenia momentu obrotowego silnika

Rozkład tego tlenku w podwyższonej temperaturze na azot oraz tlen powoduje, że ten drugi zwiększa szybkość spalania, podczas gdy azot ochładza układ. W Polsce metoda ta nie jest zalegalizowana.

Kwas azotowy (V) oraz jego sole są używane do:

  •   Kwas – jako odczynnik, np. w chemii analitycznej do analizy anionów

Osad soli danego anionu w obecności kationów srebra, poddaje się próbie rozpuszczalności w HNO3. Wynik pozwala na zaliczenie tego anionu do II, III albo IV grypy analitycznej w przypadku rozpuszczenia osadu, a do I grupy przy braku rozpuszczalności. 

Najważniejszym zastosowaniem związków azotowych jest produkcja nawozów azotowych. Produkty te stanowią proste substancje chemiczne o dużych stężeniach, łatwo przyswajalne przez rośliny od razu albo też

po prostych przemianach zachodzących w glebie. W tabeli przedstawiono skład wybranych nawozów azotowych:

nawóz

skład

zawartość N [%]

mocznik

CO(NH2)2

46

saletra amonowa

NH4NO3

34

saletrzak

NH4NO3 + CaCO3

28

siarczan amonowy

(NH4)2SO4

20

woda amoniakalna

NH3 x H2O

20

saletra wapniowa

Ca(NO3)2 x H2O

16
  •   Pochodne – jako środki wybuchowe

Najbardziej powszechnymi są nitrogliceryna (triazotan (V) gliceryny) oraz nitroceluloza (triazotan (V) celulozy). Otrzymuje się je działając mieszaniną nitrującą, czyli kwasami siarkowym (VI)

z azotowym (V).

Proch, natomiast, składa się z saletry potasowej (KNO3), siarki oraz węgla drzewnego.

  •   Ich własności wybuchowe wiążą się z nietrwałością w podwyższonej temperaturze czy pod wpływem iskry. Ugrupowania -NO2, -NO3, -NH2, czy -O-O- determinują te specyficzne właściwości. 

Amoniak, NH3, otrzymywany jest na skalę przemysłową przy użyciu metody Habera i Boscha:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

Reakcja ta przebiega w temperaturze 770 - 820 K podciśnieniem 35 MPa przy udziale żelaza aktywowanego jako katalizatora.

Zastosowanie amoniaku:

  •   Do wytwarzania kwasu azotowego (V)

Z amoniaku otrzymuje się tlenek azotu (II) spalając go w obecności platyny (katalizator):

NH3 + O2 → NO + H2O

Potem następuje utlenianie tego tlenku do tlenku azotu (IV) o brunatnym zabarwieniu:

2NO + O2 → 2NO2

Następnie reaguje on z wodą z utworzeniem kwasu azotowego (V). W reakcji tej powstaje również tlenek

azotu (II):

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

  •   Do produkcji tzw. kapiszonów

Wytwarza się je działając na jod roztworem stężonym amoniaku. Powstały jodek azotu (NI3) pod wpływem hałasu czy dotyku wybucha, uwalniając jod cząsteczkowy.

  •   Jako komponent wielu farb do włosów
  •   W cukiernictwie
  •   W produkcji środków odtłuszczających (np. płyny do mycia szyb)
Wpływ azotu i jego związków na środowisko

W Polsce wytwarza się dość duże ilości zanieczyszczeń poprzemysłowych (1,1 ton tlenku azotu (IV)),

a jedynie 37% z nich (dane z 1997r) była oczyszczona. Efektem jest zanieczyszczenie mórz, rzek, oceanów czy jezior, a także powietrza. W naszym kraju stężenie tlenków azotu w powietrzu ma znaczną wartość, ale okazuje się, że nawet 80% pochodzi od państw ościennych.

Obecnie kładzie się większy nacisk na oczyszczanie i ograniczenie emisji trujących gazów. Polacy przyczynili się do powstania Czarnego Trójkąta, propagującego ochronę środowiska terenów przygranicznych Polski, Czech i Niemiec.

Duży wpływ na zanieczyszczenie ma także komunikacja samochodowa, ponieważ podnosi poziom zawartości tlenków azotu w dużych miastach lub w okolicach często używanych szlaków komunikacyjnych.

Zmniejszenie wytwarzania o 70% związków siarki i azotu w postaci tlenków przez elektrownie w Gorzowie, Turowie i Policach, a także ograniczenie produkcji w hutach znacznie poprawiło stan powietrza.

Przygotowania do zjednoczenia z Unią Europejską wymusiły na Polsce dbanie o środowisko.

Oto pozytywne przykłady modernizacji lub tworzenia nowych oczyszczalni:

  •   Zakłady Azotowe w Tarnowie od 2000r. nie przekraczają emisji tlenków azotu
  •   Kombinat Polska Miedź zredukował emisje gazów o 90%
  •   Elektrownia Jaworzno zastosowała fińską metodę absorpcji tlenków azotu, powodując że 50% azotu nie utlenia się

Powszechnym problemem jest zanieczyszczenie gleby oraz wód gruntowych związkami pochodzenia azotowego. Używanie nadmiernej ilości nawozów sztucznych jest szkodliwe dla organizmu ludzkiego. Nawet 70% azotanów występuje w warzywach. Nadmiar związków azotu, nie spożytkowanych przez rośliny, trafia do gleby oraz wód.

W Polsce ten problem nie istnieje na szerszą skalę, ponieważ rolnicy rzadko stosują małe ilości nawozów sztucznych.

Na świecie najwięcej tego rodzaju środków stosowano w latach 1980 – 1990.

Poważnym problemem, blokującym ograniczenie sztucznego nawożenia, jest stale rosnąca ludność świata. Należy jednak podkreślić fakt, że ponad 50% azotanów w postaci nawozów ulega przemianie w gazy wydzielające się z gleby.