Азот (N₂) — бесцветный, практически инертный газ при нормальных
условиях. Он составляет около 78% объема атмосферы Земли. Молекула азота
обладает тройной связью между атомами (N≡N), что делает её чрезвычайно
стабильной и химически малореакционноспособной. Температура кипения
азота составляет −195,79 °C, температура плавления −210,00 °C. Азот
плохо растворим в воде (около 20 мг/л при 20 °C), но хорошо растворяется
в органических растворителях.
В химических реакциях молекулярный азот проявляет относительно низкую
активность, однако при высоких температурах, в присутствии катализаторов
или при участии активных реагентов он способен образовывать оксиды,
галогениды и соединения с металлами.
Оксиды азота
Оксиды азота представляют собой группу соединений с различными
степенями окисления азота, от −3 до +5. Они играют ключевую роль в
атмосферной химии, биогеохимическом круговороте азота и промышленном
синтезе.
Классификация оксидов азота:
- N₂O (закись азота, окись азота(I)) – бесцветный
газ, слабый окислитель, применяемый в медицине и химической
промышленности. Образуется при термическом разложении нитратов и
ферментации в почве.
- NO (оксид азота(II)) – газ, легко окисляется
кислородом до NO₂. Образуется при горении топлива при высоких
температурах и участвует в процессах образования кислотных дождей.
- NO₂ (диоксид азота, оксид азота(IV)) – бурый газ с
резким запахом, сильный окислитель, токсичен. Основной компонент смога и
кислотных осадков.
- N₂O₃ (триоксид диазота) – нестойкое соединение,
образующееся при конденсации NO и NO₂; в воде гидролизуется до азотистой
кислоты (HNO₂).
- N₂O₅ (пентаоксид диазота, оксид азота(V)) – твердое
кристаллическое вещество, растворимое в воде с образованием азотной
кислоты (HNO₃). Используется в нитрующей химии.
Оксиды азота обладают разнообразными реакционными свойствами: как
окислители, восстановители и кислотные реагенты.
Азотные кислоты и их соли
Азотная кислота (HNO₃) — сильная минеральная
кислота, бесцветная жидкость, при хранении часто окрашивается в
желтоватый цвет из-за разложения до NO₂. Азотная кислота проявляет
свойства сильного окислителя, особенно при концентрации >50%.
Реагирует с металлами, образуя нитраты, и с неметаллами, окисляя их до
соответствующих оксидов.
Азотистая кислота (HNO₂) — менее устойчива,
разлагается при комнатной температуре до NO и NO₂. Используется для
нитрозирования и синтеза азосоединений.
Соли азотных кислот делятся на:
- Нитраты (соли HNO₃) – соли, содержащие анион NO₃⁻.
Отличаются высокой растворимостью и сильными окислительными свойствами
при термическом разложении (например, KNO₃, NaNO₃, AgNO₃).
- Нитриты (соли HNO₂) – содержат анион NO₂⁻. Менее
стабильны, разлагаются с выделением NO и NO₂. Применяются в органическом
синтезе, консервации пищевых продуктов и в аналитической химии.
Аммоний и аммиак
Аммиак (NH₃) — бесцветный газ с резким запахом,
хорошо растворимый в воде, образует гидратированную форму (аммиачную
воду). Важнейшее соединение азота, ключевой реагент в промышленном
синтезе азотных удобрений, азотных соединений и в холодильной
технике.
Химические свойства аммиака:
- Основные: NH₃ проявляет свойства слабого основания,
реагируя с кислотами с образованием аммониевых солей.
- Восстановительные: при нагревании с активными
металлами (например, CuO) аммиак способен восстанавливать оксиды.
- Комплексообразующие: аммиак образует устойчивые
координационные соединения с переходными металлами.
Аммоний (NH₄⁺) — катион, формируемый при
взаимодействии аммиака с кислотами. Аммонийные соли широко
распространены в природе (минерал аммоний нитрат) и промышленности.
Разложение аммонийных солей часто сопровождается выделением
газообразного NH₃ или N₂, что используется в пиротехнике и химическом
синтезе.
Органические и
неорганические соединения азота
Азот входит в состав множества органических соединений:
- Амины (R–NH₂, R₂–NH, R₃–N) — производные аммиака,
играют важную роль в биохимии и синтетической органической химии.
- Амиды (R–CONH₂) — кислотообразные соединения,
образованные взаимодействием аммиака и карбоновых кислот.
- Нитросоединения (R–NO₂) — содержат нитрогруппу,
используются в производстве взрывчатых веществ и красителей.
Неорганические соединения включают:
- Галогениды азота (NF₃, NCl₃) — сильные окислители и
высокореакционноспособные вещества.
- Цианиды и цианаты — соли и комплексы с
функциональной группой –C≡N, широко применяются в органическом синтезе и
металлургии.
Биогеохимическая роль азота
Азот является ключевым элементом биосферы, входит в состав
аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и ферментов. Основные процессы
цикла азота:
- Азотфиксация — преобразование атмосферного N₂ в
аммиак и органические соединения микроорганизмами.
- Нитрификация — окисление аммиака до нитритов и
нитратов бактериями рода Nitrosomonas и Nitrobacter.
- Денитрификация — восстановление нитратов до N₂ или
NOₓ, возвращение азота в атмосферу.
Эти процессы обеспечивают круговорот азота в экосистемах и регулируют
его биодоступность.
Промышленное значение
азотных соединений
Азот и его соединения играют центральную роль в промышленности:
- Производство удобрений — аммиак, нитраты и
аммонийные соли.
- Химическая промышленность — синтез азотной кислоты,
азотосодержащих органических соединений.
- Энергетика и взрывчатые вещества — нитраты и
нитросоединения используются как окислители и компоненты взрывчатых
веществ.
- Медицина — NO как сосудорасширяющее средство,
закись азота в анестезии.
Азотные соединения обеспечивают широкий спектр реакционной и
технологической активности, что делает их незаменимыми в науке и
технике.