Sloučeniny dusíku. Vlastnosti dusíku

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 05:20

Dávání ledku – tak se překládá slovo Nitrogenium z latiny. Toto je název dusíku - chemického prvku s atomovým číslem 7, který se řadí do 15. skupiny v dlouhé verzi periodické tabulky. Ve formě jednoduché látky je distribuován ve vzdušném obalu Země – atmosféře. V zemské kůře a živých organismech se nacházejí různé sloučeniny dusíku a jsou široce používány v průmyslu, vojenství, zemědělství a medicíně.

Proč byl dusík nazýván „dusivý“a „bez života“

Jak naznačují historici chemie, Henry Cavendish (1777) byl prvním, kdo tuto jednoduchou látku obdržel. Vědec procházel vzduchem přes žhavé uhlí a pomocí alkálií absorboval reakční produkty. V důsledku experimentu výzkumník objevil bezbarvý plyn bez zápachu, který nereagoval s uhlím. Cavendish to nazval „dusivým vzduchem“, protože není schopen udržet dýchání a zároveň hořet.

Moderní chemik by vysvětlil, že kyslík reaguje s uhlíkem za vzniku oxidu uhličitého. Zbývající „dusivá“část vzduchu sestávala převážně z molekul N₂. Cavendish a další vědci v té době ještě o této látce nevěděli, ačkoliv dusík a sloučeniny ledku byly tehdy široce používány v ekonomice. Vědec oznámil neobvyklý plyn svému kolegovi, který prováděl podobné experimenty, Josephu Priestleymu.

Ve stejné době Karl Scheele upozornil na neznámou složku vzduchu, ale nedokázal správně vysvětlit její původ. Teprve Daniel Rutherford si v roce 1772 uvědomil, že „dusivý“„zkažený“plyn přítomný v experimentech byl dusík. Který vědec by měl být považován za jeho objevitele – o tom se historici vědy stále dohadují.

15 let po Rutherfordových experimentech navrhl slavný chemik Antoine Lavoisier změnit termín „zkažený“vzduch, odkazující na dusík, na jiný – Nitrogenium. Do té doby bylo prokázáno, že tato látka nehoří, nepodporuje dýchání. Současně se objevil ruský název "dusík", který se vykládá různými způsoby. Nejčastěji se o tomto termínu říká, že znamená „bez života“. Následné práce vyvrátily rozšířený názor o vlastnostech hmoty. Sloučeniny dusíku – bílkoviny – jsou nejdůležitější makromolekuly ve složení živých organismů. K jejich výstavbě rostliny absorbují z půdy potřebné prvky minerální výživy – ionty NO₃^2- a NH⁴⁺.

Dusík je chemický prvek

Periodický systém (PS) pomáhá pochopit strukturu atomu a jeho vlastnosti. Podle pozice chemického prvku v periodické tabulce lze určitjaderný náboj, počet protonů a neutronů (hmotnostní číslo). Je třeba věnovat pozornost hodnotě atomové hmotnosti - to je jedna z hlavních charakteristik prvku. Číslo periody odpovídá počtu úrovní energie. V zkrácené verzi periodické tabulky odpovídá číslo skupiny počtu elektronů ve vnější energetické hladině. Shrňme všechny údaje v obecných charakteristikách dusíku podle jeho polohy v periodickém systému:

• Toto je nekovový prvek umístěný v pravém horním rohu PS.
• Chemické označení: N.
• Číslo objednávky: 7.
• Relativní atomová hmotnost: 14,0067.
• Vzorec těkavé vodíkové sloučeniny: NH₃ (amoniak).
• Produkuje nejvyšší oxid N₂O₅, ve kterém je valence dusíku V.

Struktura atomu dusíku:

• Poplatek jádra: +7.
• Počet protonů:7; počet neutronů: 7.
• Počet úrovní energie: 2.
• Celkový počet elektronů: 7; elektronický vzorec: 1s²2s²2p³.

Stabilní izotopy prvku č. 7 byly podrobně studovány, jejich hmotnostní čísla jsou 14 a 15. Obsah atomů lehčího z nich je 99,64 %. V jádrech radioaktivních izotopů s krátkou životností je také 7 protonů a počet neutronů se velmi liší: 4, 5, 6, 9, 10.

Dusík v přírodě

Vzduchový obal Země obsahuje molekuly jednoduché látky, jejíž vzorec je N₂. Obsah plynného dusíku v atmosféře je objemovýasi 78,1 %. Anorganickými sloučeninami tohoto chemického prvku v zemské kůře jsou různé amonné soli a dusičnany (dusičnany). Vzorce sloučenin a názvy některých nejdůležitějších látek:

• NH_3, čpavek.
• NE_2, oxid dusičitý.
• NaNO_3, dusičnan sodný.
• (NH₄)₂SO_4, síran amonný.

Valence dusíku v posledních dvou sloučeninách - IV. Uhlí, půda, živé organismy také obsahují vázané atomy N. Dusík je nedílnou součástí makromolekul aminokyselin, nukleotidů DNA a RNA, hormonů a hemoglobinu. Celkový obsah chemického prvku v lidském těle dosahuje 2,5 %.

Jednoduchá látka

Dusík ve formě dvouatomových molekul tvoří objemově a hmotnostně největší část atmosférického vzduchu. Látka, jejíž vzorec je N₂, nemá žádnou vůni, barvu ani chuť. Tento plyn tvoří více než 2/3 vzduchového obalu Země. V kapalné formě je dusík bezbarvá látka připomínající vodu. Vře při -195,8 °C. M (N₂)=28 g/mol. Jednoduchá látka dusík je o něco lehčí než kyslík, její hustota ve vzduchu se blíží 1.

Atomy v molekule pevně vážou 3 společné elektronové páry. Sloučenina vykazuje vysokou chemickou stabilitu, která ji odlišuje od kyslíku a řady dalších plynných látek. Aby se molekula dusíku rozpadla na jednotlivé atomy, je nutné vynaložit energii 942,9 kJ/mol. Vazba tří párů elektronů je velmi silná.rozpadá se při zahřátí nad 2000 °C.

Za normálních podmínek k disociaci molekul na atomy prakticky nedochází. Chemická inertnost dusíku je také způsobena úplnou absencí polarity v jeho molekulách. Vzájemně interagují velmi slabě, což je důvodem plynného skupenství hmoty za normálního tlaku a teploty blízké pokojové teplotě. Nízká reaktivita molekulárního dusíku nachází uplatnění v různých procesech a zařízeních, kde je potřeba vytvořit inertní prostředí.

Disociace molekul N₂ může nastat pod vlivem slunečního záření v horních vrstvách atmosféry. Vzniká atomový dusík, který za normálních podmínek reaguje s některými kovy i nekovy (fosfor, síra, arsen). V důsledku toho dochází k syntéze látek, které jsou získávány nepřímo za pozemských podmínek.

Valence dusíku

Vnější elektronová vrstva atomu je tvořena 2s a 3p elektrony. Tyto negativní částice dusíku se mohou vzdát při interakci s jinými prvky, což odpovídá jeho redukčním vlastnostem. Připojením chybějících 3 elektronů k oktetu atom vykazuje oxidační schopnosti. Elektronegativita dusíku je nižší, jeho nekovové vlastnosti jsou méně výrazné než u fluoru, kyslíku a chloru. Při interakci s těmito chemickými prvky dusík uvolňuje elektrony (je oxidován). Redukce na záporné ionty je doprovázena reakcemi s jinými nekovy a kovy.

Typická valence dusíku je III. V tomto případěchemické vazby vznikají díky přitahování vnějších p-elektronů a vytváření společných (vazebných) párů. Dusík je schopen vytvořit vazbu donor-akceptor díky svému osamocenému páru elektronů, jak se vyskytuje u amonného iontu NH⁴⁺.

Laboratorní a průmyslová výroba

Jedna z laboratorních metod je založena na oxidačních vlastnostech oxidu mědi. Používá se sloučenina dusíku a vodíku - amoniak NH₃. Tento páchnoucí plyn reaguje s práškovým černým oxidem mědi. V důsledku reakce se uvolňuje dusík a objevuje se kovová měď (červený prášek). Kapky vody, další produkt reakce, se usazují na stěnách zkumavky.

Další laboratorní metodou, která využívá kombinaci dusíku s kovy, je azid, jako je NaN₃. Ukáže se plyn, který není třeba čistit od nečistot.

Dusitan amonný se v laboratoři rozkládá na dusík a vodu. Aby se reakce rozběhla, je potřeba zahřátí, poté proces pokračuje s uvolňováním tepla (exotermický). Dusík je kontaminován nečistotami, takže se čistí a suší.

Produkce dusíku v průmyslu:

• frakční destilace kapalného vzduchu – metoda využívající fyzikální vlastnosti dusíku a kyslíku (různé teploty varu);
• chemická reakce vzduchu se žhavým uhlím;
• oddělování adsorpčních plynů.

Interakce s kovy a vodíkem – oxidační vlastnosti

Inertnost silných molekulneumožňuje získat některé dusíkaté sloučeniny přímou syntézou. K aktivaci atomů je nutné silné zahřátí nebo ozáření látky. Dusík může reagovat s lithiem při pokojové teplotě, s hořčíkem, vápníkem a sodíkem k reakci dochází pouze při zahřátí. Vzniknou odpovídající nitridy kovů.

K interakci dusíku s vodíkem dochází při vysokých teplotách a tlacích. Tento proces také vyžaduje katalyzátor. Ukazuje se, že amoniak - jeden z nejdůležitějších produktů chemické syntézy. Dusík jako oxidační činidlo vykazuje ve svých sloučeninách tři negativní oxidační stavy:

• −3 (amoniak a další vodíkové sloučeniny dusíku jsou nitridy);
• −2 (hydrazin N₂H₄);
• −1 (hydroxylamin NH₂OH).

Nejdůležitější nitrid – čpavek – se vyrábí ve velkém množství v průmyslu. Velkým problémem zůstávala dlouhou dobu chemická inertnost dusíku. Ledek byl jeho zdrojem surovin, ale zásoby nerostů začaly rychle klesat, jak rostla produkce.

Velkým úspěchem chemické vědy a praxe bylo vytvoření čpavkové metody fixace dusíku v průmyslovém měřítku. Přímá syntéza se provádí ve speciálních kolonách - reverzibilní proces mezi dusíkem získaným ze vzduchu a vodíkem. Při vytvoření optimálních podmínek, které posunou rovnováhu této reakce směrem k produktu, s použitím katalyzátoru, výtěžek amoniaku dosáhne 97 %.

Interakce s kyslíkem – redukční vlastnosti

Aby byla zahájena reakce dusíku a kyslíku, je nutné silné zahřátí. Elektrický oblouk a výboj blesku v atmosféře mají dostatečnou energii. Nejdůležitější anorganické sloučeniny, ve kterých je dusík ve svých kladných oxidačních stavech:

• +1 (oxid dusnatý (I) N₂O);
• +2 (oxid dusnatý NO);
• +3 (oxid dusnatý (III) N₂O₃; kyselina dusitá HNO_{2, jeho soli jsou dusitany);}
• +4 (oxid dusnatý NO₂);
• +5 (oxid dusnatý (V) N₂O₅, kyselina dusičná HNO_{3, dusičnany).}

Význam v přírodě

Rostliny absorbují amonné ionty a dusičnanové anionty z půdy, využívají k chemickým reakcím syntézu organických molekul, neustále probíhající v buňkách. Atmosférický dusík mohou absorbovat nodulové bakterie – mikroskopické tvory, které tvoří výrůstky na kořenech luštěnin. Výsledkem je, že tato skupina rostlin přijímá nezbytný živný prvek, obohacuje jím půdu.

Během tropických lijáků dochází k reakcím oxidace dusíku v atmosféře. Oxidy se rozpouštějí za vzniku kyselin, tyto dusíkaté sloučeniny ve vodě vstupují do půdy. Vlivem cirkulace prvku v přírodě se jeho zásoby v zemské kůře a vzduchu neustále doplňují. Složité organické molekuly obsahující dusík jsou rozkládány bakteriemi na anorganické složky.

Praktické použití

Nejdůležitější spojenídusík pro zemědělství jsou vysoce rozpustné soli. Močovina, ledek (sodík, draslík, vápník), amonné sloučeniny (vodný roztok čpavku, chlorid, síran, dusičnan amonný) jsou asimilovány rostlinami.dusičnany. Části rostlinného organismu jsou schopny ukládat makroživiny „pro budoucnost“, což zhoršuje kvalitu produktů. Nadbytek dusičnanů v zelenině a ovoci může způsobit otravu u lidí, růst zhoubných novotvarů. Kromě zemědělství se sloučeniny dusíku používají v dalších průmyslových odvětvích:

• dostávat léky;
• pro chemickou syntézu makromolekulárních sloučenin;
• při výrobě výbušnin z trinitrotoluenu (TNT);
• pro výrobu barviv.

NO oxid se používá v chirurgii, látka má analgetický účinek. Ztrátu vjemů při vdechování tohoto plynu si všimli i první výzkumníci chemických vlastností dusíku. Tak se objevil triviální název „smějící se plyn“.

Problém dusičnanů v zemědělských produktech

Soli kyseliny dusičné – dusičnany – obsahují jednoduše nabitý anion NO^3-. Dosud se používá starý název této skupiny látek – ledek. Dusičnany se používají k hnojení polí, ve sklenících, sadech. Aplikují se brzy na jaře před setím, v létě - ve formě tekutých zálivek. Látky samotné nepředstavují pro člověka velké nebezpečí, alev těle se mění na dusitany a poté na nitrosaminy. Ionty dusitanů NO^2- jsou toxické částice, způsobují oxidaci železnatého železa v molekulách hemoglobinu na trojmocné ionty. V tomto stavu není hlavní látka krve lidí a zvířat schopna přenášet kyslík a odstraňovat oxid uhličitý z tkání.

Jaké je nebezpečí kontaminace potravin dusičnany pro lidské zdraví:

• zhoubné nádory, ke kterým dochází při přeměně dusičnanů na nitrosaminy (karcinogeny);
• rozvoj ulcerózní kolitidy,
• hypotenze nebo hypertenze;
• srdeční selhání;
• porucha srážlivosti krve
• játra, slinivka, rozvoj diabetu;
• rozvoj selhání ledvin;
• anémie, zhoršená paměť, pozornost, inteligence.

Současná konzumace různých potravin s vysokými dávkami dusičnanů vede k akutní otravě. Zdrojem mohou být rostliny, pitná voda, upravená masitá jídla. Namáčení v čisté vodě a vaření může snížit obsah dusičnanů v potravinách. Výzkumníci zjistili, že vyšší dávky nebezpečných sloučenin byly nalezeny v nezralých a skleníkových rostlinných produktech.

Fosfor je prvkem podskupiny dusíku

Atomy chemických prvků, které jsou ve stejném vertikálním sloupci periodického systému, vykazují společné vlastnosti. Fosfor se nachází ve třetí periodě, patří do 15. skupiny, stejně jako dusík. Struktura atomůprvky jsou podobné, ale existují rozdíly ve vlastnostech. Dusík a fosfor vykazují negativní oxidační stav a mocenství III ve svých sloučeninách s kovy a vodíkem.

Mnoho reakcí fosforu probíhá za běžných teplot, jde o chemicky aktivní prvek. Interaguje s kyslíkem za vzniku vyššího oxidu P₂O₅. Vodný roztok této látky má vlastnosti kyseliny (metafosforečné). Když se zahřeje, získá se kyselina ortofosforečná. Tvoří několik druhů solí, z nichž mnohé slouží jako minerální hnojiva, jako jsou superfosfáty. Sloučeniny dusíku a fosforu jsou důležitou součástí koloběhu látek a energie na naší planetě, využívají se v průmyslu, zemědělství a dalších oblastech činnosti.