АЗО́Т

АЗО́Т (от а... и греч. ζωῄ – жизнь; лат. Ni­tro­genium), N, хи­мич. эле­мент V груп­пы ко­рот­кой фор­мы (15-й груп­пы длинной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы, ат. н. 7, ат. м. 14,00674. В при­ро­де два ста­биль­ных изо­то­па: ¹⁴N (99,635%) и ¹⁵N (0,365%).

Историческая справка

В 1772 шотл. хи­мик Д. Ре­зер­форд впер­вые опи­сал свой­ст­ва га­за, не под­дер­жи­ваю­ще­го го­ре­ния и ды­ха­ния, и на­звал его «удуш­ли­вым воз­ду­хом». В 1787 А. Ла­ву­а­зье ус­та­но­вил, что «удуш­ли­вый» газ, вхо­дя­щий в со­став воз­ду­ха, яв­ля­ет­ся про­стым ве­ще­ст­вом и пред­ло­жил для не­го назв. «азот» (букв. – без­жиз­нен­ный). В 1784 Г. Ка­вен­диш по­казал, что А. вхо­дит в со­став се­лит­ры; в 1790 бы­ло пред­ло­же­но лат. назв. А. (от позд­не­лат. ni­trum – се­лит­ра и греч. γεννάω – ро­ж­дать). К нач. 19 в. окон­чатель­но сло­жилось по­ня­тие о хи­мич. инерт­но­сти А. в сво­бод­ном со­стоя­нии и вы­яс­не­на важ­ная роль свя­зан­но­го азо­та.

Распространённость в природе

В ат­мо­сфе­ре А. ок. 3,9·10¹⁵ т; осн. его часть на­хо­дит­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии (в воз­ду­хе А. 75,6% по мас­се, 78,09% по объ­ё­му); так­же при­сут­ст­ву­ют не­зна­чит. ко­ли­че­ст­ва А. в свя­зан­ном со­стоя­нии в ви­де ам­миа­ка и ок­си­дов. Об­щее со­дер­жа­ние А. в зем­ной ко­ре 1·10^–2% по мас­се. В свя­зан­ном со­стоя­нии А. встре­ча­ется гл. обр. в ви­де нит­ра­тов (се­лит­ры) и ам­мо­ние­вых со­еди­не­ний. Пром. ин­те­рес пред­став­ля­ют на­трие­вая (чи­лий­ская) се­лит­ра NaNO₃ и ка­лие­вая (ин­дий­ская) се­лит­ра KNO₃, зна­чи­тель­ные ско­п­ле­ния ко­торых встре­ча­ют­ся в рай­онах с су­хим пус­тын­ным кли­ма­том. А. об­на­ру­жен в со­ста­ве га­зо­вых об­ла­ков ко­мет, в ту­ман­но­стях и в ат­мо­сфе­ре Солн­ца. В не­боль­ших ко­ли­че­ст­вах со­дер­жит­ся в ка­мен­ном уг­ле (1,0–2,5%), неф­ти (0,2–1,7%), в во­дах рек, мо­рей, океа­нов. А. вхо­дит в со­став всех жи­вых ор­га­низ­мов. В бел­ках рас­те­ний и жи­вот­ных содер­жит­ся до 17% А., в ор­га­низ­ме че­ло­ве­ка в це­лом – ок. 3%.

В при­ро­де осу­ще­ст­в­ля­ет­ся кру­го­во­рот А. гл. обр. в ре­зуль­та­те жиз­не­дея­тель­но­сти нит­ро­фи­ци­рую­щих, де­нит­ро­фи­ци­рую­щих, азот­фик­си­рую­щих мик­ро­ор­га­низ­мов. На­ко­п­ле­ние А. в поч­ве за счёт свя­зы­ва­ния сво­бод­но­го А. не­дос­та­точ­но при совр. куль­ту­ре зем­ле­де­лия, т. к. вы­нос А. из поч­вы с уро­жа­ем пре­вос­хо­дит на­ко­п­ле­ние. Про­бле­ма свя­зы­ва­ния ат­мо­сфер­но­го А., важ­ная как для с. х-ва, так и для мн. от­рас­лей пром-сти, бы­ла ре­ше­на в нач. 20 в. с ос­вое­ни­ем пром. син­те­за ам­миа­ка. См. так­же Азот би­о­ген­ный.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма А. 2s²2p³; сте­пе­ни окис­ле­ния от –3 до +5; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 3,05; ра­диу­сы (в пм): атом­ный 71, ко­ва­лент­ный (про­стая связь) 70, ван-дер-ва­аль­сов 154. В сво­бод­ном со­стоя­нии азот об­ра­зу­ет двух­атом­ную мо­ле­ку­лу N₂, в ко­то­рой ато­мы свя­за­ны трой­ной хи­мич. свя­зью (дли­на 110 пм). Мо­ле­ку­ла А. очень ус­той­чи­ва (энер­гия тер­мич. дис­со­циа­ции 941,64 кДж/моль), по­это­му дис­со­циа­ция в за­мет­ной сте­пе­ни про­исхо­дит лишь при вы­со­ких темп-рах; напр., при 3000 °C дис­со­ции­ру­ет на ато­мы лишь 0,1% мо­ле­кул.

А. – неметалл, газ без цве­та и за­па­ха; t_пл 63,29 К, t_кип 77,4 К, плот­ность в твёр­дом со­стоя­нии 1026 кг/м³ (при 21 К), в жид­ком 808 кг/м³ (77,4 К), в га­зо­об­раз­ном 1,2506 кг/м³ (273 К); кри­тич. темп-ра 126,2 К, кри­тич. дав­ление 3,9 МПа, кри­тич. плот­ность 304 кг/м³. В твёр­дом со­стоя­нии при нор­маль­ном дав­ле­нии и темп-ре ни­же 35 К ус­той­чива α-фор­ма с ку­бич. ре­шёт­кой (плот­ность 1026,5 кг/м³), вы­ше 35 К – β-фор­ма с гек­са­го­наль­ной ре­шёт­кой (плот­ность 879,2 кг/м³); при дав­ле­нии вы­ше 350 МПа су­ще­ст­ву­ет тре­тья мо­ди­фи­ка­ция с тет­ра­го­наль­ной кри­стал­лич. решёт­кой. Рас­тво­ри­мость А. в во­де 0,0291 кг на 1 м³ (при 273 К). В не­ко­торых уг­ле­во­до­ро­дах (напр., гек­са­не, геп­та­не) А. рас­тво­рим луч­ше, чем в воде.

В ниж­них сло­ях стра­то­сфе­ры под дей­ст­ви­ем ней­трон­но­го кос­мич. из­лу­че­ния изо­топ ¹⁴N пре­вра­ща­ет­ся в ра­дио­нук­лид уг­ле­ро­да ¹⁴C. В тер­мо­ядер­ных ре­ак­ци­ях в звёз­дах А. уча­ст­ву­ет в уг­ле­род­но-азот­ном цик­ле.

При нормаль­ных ус­ло­ви­ях мо­ле­ку­ляр­ный А. хи­ми­че­ски инер­тен. С боль­шин­ст­вом про­стых ве­ществ А. всту­па­ет в ре­ак­ции при вы­со­ких темп-ре, дав­лении и в при­сут­ст­вии ка­та­ли­за­то­ров. При темп-ре 400–500 °C А. взаи­мо­дей­ст­ву­ет со ще­лоч­ны­ми и щё­лоч­но­зе­мель­ны­ми ме­тал­ла­ми. При вы­со­ких темп-рах А. окис­ля­ет мн. ме­тал­лы и не­ме­тал­лы, об­ра­зуя нит­ри­ды. С во­до­ро­дом А. реа­ги­ру­ет при вы­со­ких темп-ре и дав­ле­нии в при­сут­ст­вии ка­та­ли­за­то­ра на ос­но­ве ме­тал­лич. же­ле­за с об­ра­зо­ва­ни­ем ам­миа­ка. Кро­ме ам­миа­ка, из­вест­ны др. мно­го­числ. со­еди­не­ния А. с во­до­ро­дом, напр. гид­ра­зин, азо­ти­сто­во­до­род­ная ки­с­ло­та (по­след­няя с ме­тал­ла­ми об­ра­зу­ет ази­ды ме­тал­лов). Нит­ри­ды га­ло­ге­нов и се­ры по­лу­ча­ют толь­ко кос­вен­ны­ми спо­со­ба­ми, напр. NF₃ при взаи­мо­дей­ст­вии фто­ра с ам­миа­ком, N₂S₄ при взаи­модей­ст­вии жид­кой се­ры с ам­миа­ком. В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев эти со­еди­не­ния ма­ло­ус­той­чи­вы, час­то взрыв­ча­ты; бо­лее ус­той­чи­вы ок­со­га­ло­ге­ни­ды, ди­ок­со­га­ло­ге­ни­ды А. (напр., NOCl, NO₂Cl). При вы­со­ких темп-рах А. реа­ги­ру­ет с уг­ле­ро­дом (с рас­ка­лён­ным кок­сом), об­ра­зуя ди­ци­ан (CN)₂. На­гре­ва­ни­ем А. с аце­ти­ле­ном до 1500 °C по­лу­ча­ют циа­но­во­до­род HCN. А. окис­ля­ет­ся ки­сло­ро­дом с об­ра­зо­ва­ни­ем ок­си­дов (см. в ст. Азо­та ок­си­ды); не­по­сред­ст­вен­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем с ки­слоро­дом при темп-рах вы­ше 2000 °C мож­но по­лу­чить толь­ко NO, ко­то­рый да­лее окис­ля­ет­ся до NO₂. К ки­сло­род­со­дер­жа­щим со­еди­не­ни­ям А. от­но­сят­ся так­же азо­ти­стая ки­сло­та HNO₂ и азот­ная ки­сло­та (и их со­ли, со­от­вет­ст­вен­но нит­ри­ты и нит­ра­ты).

Ре­акц. спо­соб­ность мо­ле­ку­лы А. мо­жет быть зна­чи­тель­но уве­ли­че­на за счёт свя­зы­ва­ния её в ком­плек­сы с со­еди­не­ния­ми пе­ре­ход­ных ме­тал­лов (Ti, V, Cr, Mo, Fe); при этом мо­ле­ку­ла N₂ ак­ти­виру­ет­ся и срав­ни­тель­но лег­ко всту­па­ет в ре­ак­ции при нор­маль­ных темп-ре и дав­ле­нии с об­ра­зо­ва­ни­ем ам­миа­ка, гид­ра­зи­на или аро­ма­тич. ами­нов. Под воз­дей­ст­ви­ем элек­трич. раз­ря­да при дав­ле­нии 130–260 Па или при взры­ве сме­си ки­сло­ро­да и окси­да уг­ле­ро­да в при­сутст­вии А. об­ра­зу­ет­ся ак­тив­ный А. (смесь ато­мов и мо­ле­кул А., об­ла­даю­щих по­выш. энер­ги­ей), ко­то­рый при ком­нат­ной темп-ре взаи­мо­дей­ст­ву­ет с ато­мар­ны­ми ки­сло­ро­дом, во­до­ро­дом, па­ра­ми се­ры, фос­фо­ра, не­ко­то­ры­ми ме­тал­ла­ми. А. вхо­дит в со­став мн. ор­га­нич. со­еди­не­ний – ами­дов, ами­нов, нит­ри­лов, нит­ро­со­еди­не­ний и др.

Получение и применение

А. в ла­бора­то­рии мо­жет быть по­лу­чен при на­гре­ва­нии вод­но­го рас­тво­ра нит­ри­та ам­мо­ния: NH₄NO₂= N₂+ 2H₂O. В пром-сти А. из­вле­ка­ют из воз­ду­ха пу­тём его глубо­ко­го ох­ла­ж­де­ния до жид­ко­го со­стоя­ния с по­сле­дую­щим раз­де­ле­ни­ем, напр., ме­то­дом рек­ти­фи­ка­ции (см. Воз­ду­ха раз­де­ле­ние). Ми­ро­вое про­из-во А. ок. 100 млн. т/год (2002). Осн. об­ласть ис­поль­зо­ва­ния А. – син­тез ам­миа­ка с по­сле­дую­щим по­лу­че­ни­ем из не­го азот­ной ки­сло­ты, удоб­ре­ний и мн. др. ве­ществ, со­дер­жа­щих свя­зан­ный азот. Сво­бод­ный А. при­ме­ня­ют как инерт­ную сре­ду в хи­мич. и ме­тал­лур­гич. про­цес­сах, при пе­ре­кач­ке го­рю­чих жид­ко­стей и др.; жид­кий А. – хла­да­гент. Га­зо­об­раз­ный А. хра­нят и транс­пор­ти­ру­ют в сжа­том ви­де в сталь­ных бал­ло­нах, жид­кий А. – в со­су­дах Дьюа­ра.