Att ge salpeter - så här översätts ordet Nitrogenium från latin. Detta är namnet på kväve - ett kemiskt element med atomnummer 7, som leder till den 15:e gruppen i den långa versionen av det periodiska systemet. I form av ett enkelt ämne är det fördelat i jordens luftskal - atmosfären. En mängd olika kväveföreningar finns i jordskorpan och i levande organismer och används i stor utsträckning inom industrier, militära angelägenheter, jordbruk och medicin.
Varför kallades kväve "kvävande" och "livlöst"
Som kemihistoriker antyder, var Henry Cavendish (1777) den första som fick denna enkla substans. Forskaren skickade luft över heta kol och använde alkali för att absorbera reaktionsprodukterna. Som ett resultat av experimentet upptäckte forskaren en färglös, luktfri gas som inte reagerade med kol. Cavendish kallade det "kvävande luft" för att inte kunna upprätthålla andning och bränna.
En modern kemist skulle förklara att syre reagerade med kol för att bilda koldioxid. Den återstående "kvävande" delen av luften bestod till största delen av N2 molekyler. Cavendish och andra forskare vid den tiden visste ännu inte om detta ämne, även om kväve- och salpeterföreningar då användes i stor utsträckning i ekonomin. Forskaren rapporterade den ovanliga gasen till sin kollega, som utförde liknande experiment, Joseph Priestley.
Samtidigt uppmärksammade Karl Scheele en okänd beståndsdel i luften, men misslyckades med att korrekt förklara dess ursprung. Endast Daniel Rutherford 1772 insåg att den "kvävande" "bortskämda" gasen som fanns i experimenten var kväve. Vilken vetenskapsman bör betraktas som hans upptäckare - vetenskapshistoriker tvistar fortfarande om detta.
15 år efter Rutherfords experiment, föreslog den berömda kemisten Antoine Lavoisier att man skulle ändra termen "bortskämd" luft, med hänvisning till kväve, till en annan - Nitrogenium. Vid den tiden bevisades det att detta ämne inte brinner, inte stöder andning. Samtidigt dök det ryska namnet "kväve" upp, vilket tolkas på olika sätt. Termen sägs oftast betyda "livlös". Efterföljande arbete motbevisade den utbredda åsikten om materiens egenskaper. Kväveföreningar - proteiner - är de viktigaste makromolekylerna i sammansättningen av levande organismer. För att bygga dem absorberar växter de nödvändiga delarna av mineralnäring från jorden - joner NO32- och NH4+.
Kväve är ett kemiskt element
Det periodiska systemet (PS) hjälper till att förstå atomens struktur och dess egenskaper. Genom placeringen av ett kemiskt element i det periodiska systemet kan man bestämmakärnladdning, antal protoner och neutroner (massatal). Det är nödvändigt att vara uppmärksam på värdet av atommassa - detta är en av elementets huvudegenskaper. Periodnumret motsvarar antalet energinivåer. I den korta versionen av det periodiska systemet motsvarar gruppnumret antalet elektroner i den yttre energinivån. Låt oss sammanfatta alla data i kvävets allmänna egenskaper efter dess position i det periodiska systemet:
- Detta är ett icke-metalliskt element, placerat i det övre högra hörnet av PS:n.
- Kemiskt tecken: N.
- Beställningsnummer: 7.
- Relativ atommassa: 14,0067.
- Flyktiga väteföreningar: NH3 (ammoniak).
- Producerar den högsta oxiden N2O5, där kvävevalensen är V.
Kväveatomens struktur:
- Kärnladdning: +7.
- Antal protoner:7; antal neutroner: 7.
- Antal energinivåer: 2.
- Tot alt antal elektroner: 7; elektronisk formel: 1s22s22p3.
De stabila isotoper av element nr 7 har studerats i detalj, deras massnummer är 14 och 15. H alten av atomer i den lättare av dem är 99,64%. Det finns också 7 protoner i kärnorna i kortlivade radioaktiva isotoper, och antalet neutroner varierar mycket: 4, 5, 6, 9, 10.
Kväve i naturen
Jordens luftskal innehåller molekyler av ett enkelt ämne, vars formel är N2. Innehållet av gasformigt kväve i atmosfären är i volymcirka 78,1 %. Oorganiska föreningar av detta kemiska element i jordskorpan är olika ammoniums alter och nitrater (nitrater). Formler för föreningar och namn på några av de viktigaste ämnena:
- NH3, ammoniak.
- NO2, kvävedioxid.
- NaNO3, natriumnitrat.
- (NH4)2SO4, ammoniumsulfat.
Valens av kväve i de två sista föreningarna - IV. Kol, jord, levande organismer innehåller också bundna N-atomer. Kväve är en integrerad del av aminosyramakromolekyler, DNA- och RNA-nukleotider, hormoner och hemoglobin. Det totala innehållet av ett kemiskt element i människokroppen når 2,5%.
Enkel substans
Kväve i form av diatomiska molekyler är den största delen av den atmosfäriska luften i volym och massa. Ett ämne vars formel är N2 har ingen lukt, färg eller smak. Denna gas utgör mer än 2/3 av jordens lufthölje. I flytande form är kväve ett färglöst ämne som liknar vatten. Kokar vid -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Det enkla ämnet kväve är något lättare än syre, dess densitet i luft är nära 1.
Atomer i en molekyl binder 3 vanliga elektronpar. Sammansättningen uppvisar hög kemisk stabilitet, vilket skiljer den från syre och ett antal andra gasformiga ämnen. För att en kvävemolekyl ska sönderfalla i sina ingående atomer är det nödvändigt att förbruka en energi på 942,9 kJ / mol. En bindning av tre elektronpar är mycket stark.går sönder vid uppvärmning över 2000 °C.
Under normala förhållanden sker praktiskt taget inte dissociering av molekyler till atomer. Den kemiska trögheten hos kväve beror också på den fullständiga frånvaron av polaritet i dess molekyler. De interagerar mycket svagt med varandra, vilket är orsaken till materiens gasformiga tillstånd vid norm alt tryck och temperatur nära rumstemperatur. Den låga reaktiviteten hos molekylärt kväve finner tillämpning i olika processer och anordningar där det är nödvändigt att skapa en inert miljö.
Dissociation av molekyler N2 kan ske under inverkan av solstrålning i den övre atmosfären. Atomiskt kväve bildas, som under normala förhållanden reagerar med vissa metaller och icke-metaller (fosfor, svavel, arsenik). Som ett resultat av detta sker en syntes av ämnen som erhålls indirekt under markförhållanden.
Kvävevalens
Det yttre elektronskiktet i en atom bildas av 2 s och 3 p elektroner. Dessa negativa partiklar av kväve kan ge upp när de interagerar med andra element, vilket motsvarar dess reducerande egenskaper. Genom att fästa de saknade 3 elektronerna till oktetten uppvisar atomen oxiderande förmågor. Kvävets elektronegativitet är lägre, dess icke-metalliska egenskaper är mindre uttalade än fluor, syre och klor. När det interagerar med dessa kemiska element avger kväve elektroner (oxideras). Reduktion till negativa joner åtföljs av reaktioner med andra icke-metaller och metaller.
Typisk valens för kväve är III. I detta fallkemiska bindningar bildas på grund av attraktionen av externa p-elektroner och skapandet av gemensamma (bindande) par. Kväve kan bilda en donator-acceptorbindning på grund av dess ensamma elektronpar, vilket sker i ammoniumjonen NH4+.
Laboratorie- och industriproduktion
En av laboratoriemetoderna är baserad på kopparoxidens oxiderande egenskaper. En kväve-väteförening används - ammoniak NH3. Denna illaluktande gas reagerar med pulveriserad svart kopparoxid. Som ett resultat av reaktionen frigörs kväve och metallisk koppar (rött pulver) uppstår. Vattendroppar, en annan produkt av reaktionen, lägger sig på rörets väggar.
En annan labbmetod som använder en kombination av kväve med metaller är azid, som NaN3. Det visar sig vara en gas som inte behöver renas från föroreningar.
Ammoniumnitrit sönderdelas till kväve och vatten i laboratoriet. För att reaktionen ska starta krävs uppvärmning, sedan fortsätter processen med frigöring av värme (exoterm). Kväve är förorenat med föroreningar, så det renas och torkas.
Produktion av kväve i industrin:
- fraktionerad destillation av flytande luft - en metod som använder de fysikaliska egenskaperna hos kväve och syre (olika kokpunkter);
- kemisk reaktion av luft med glödhett kol;
- adsorptionsgasseparation.
Interaktion med metaller och väte - oxiderande egenskaper
Tröghet hos starka molekylertillåter inte erhållande av vissa kväveföreningar genom direkt syntes. För att aktivera atomer krävs stark uppvärmning eller bestrålning av ämnet. Kväve kan reagera med litium vid rumstemperatur, med magnesium, kalcium och natrium sker reaktionen endast vid upphettning. Motsvarande metallnitrider bildas.
Samverkan mellan kväve och väte sker vid höga temperaturer och tryck. Denna process kräver också en katalysator. Det visar sig ammoniak - en av de viktigaste produkterna av kemisk syntes. Kväve, som ett oxidationsmedel, uppvisar tre negativa oxidationstillstånd i sina föreningar:
- −3 (ammoniak och andra väteföreningar av kväve är nitrider);
- −2 (hydrazin N2H4);
- −1 (hydroxylamin NH2OH).
Den viktigaste nitriden - ammoniak - produceras i stora mängder inom industrin. Kvävets kemiska tröghet förblev ett stort problem under lång tid. Salpeter var dess källa till råvaror, men mineralreserverna började minska snabbt när produktionen ökade.
En stor bedrift inom kemisk vetenskap och praktik var skapandet av ammoniakmetoden för kvävefixering i industriell skala. Direkt syntes utförs i speciella kolonner - en reversibel process mellan kväve som erhålls från luft och väte. När man skapar optimala förhållanden som förskjuter jämvikten för denna reaktion mot produkten, med hjälp av en katalysator, når ammoniakutbytet 97%.
Interaktion med syre - reducerande egenskaper
För att starta reaktionen av kväve och syre krävs kraftig uppvärmning. En elektrisk ljusbåge och en blixtladdning i atmosfären har tillräcklig energi. De viktigaste oorganiska föreningarna i vilka kväve är i sitt positiva oxidationstillstånd:
- +1 (kväveoxid (I) N2O);
- +2 (kvävemonoxid NO);
- +3 (kväveoxid (III) N2O3; salpetersyrlighet HNO2, dess s alter är nitriter);
- +4 (kväve (IV) dioxid NO2);
- +5 (kvävepentoxid (V) N2O5, salpetersyra HNO3, nitrater).
Mening in nature
Växter absorberar ammoniumjoner och nitratanjoner från jorden, använder för kemiska reaktioner syntesen av organiska molekyler, som ständigt pågår i cellerna. Atmosfäriskt kväve kan absorberas av knölbakterier - mikroskopiska varelser som bildar utväxter på baljväxternas rötter. Som ett resultat får denna grupp av växter det nödvändiga näringsämnet, berikar jorden med det.
Under tropiska skyfall inträffar kväveoxidationsreaktioner i atmosfären. Oxider löses upp och bildar syror, dessa kväveföreningar i vatten kommer in i jorden. På grund av elementets cirkulation i naturen fylls dess reserver i jordskorpan och luften ständigt på. Komplexa organiska molekyler som innehåller kväve bryts ned av bakterier till oorganiska komponenter.
Praktisk användning
De viktigaste anslutningarnakväve för jordbruket är mycket lösliga s alter. Karbamid, salpeter (natrium, kalium, kalcium), ammoniumföreningar (en vattenlösning av ammoniak, klorid, sulfat, ammoniumnitrat) assimileras av växter, nitrater. Delar av växtorganismen kan lagra makronäringsämnen "för framtiden", vilket försämrar kvaliteten på produkterna. Ett överskott av nitrater i grönsaker och frukter kan orsaka förgiftning hos människor, tillväxt av maligna neoplasmer. Förutom jordbruket används kväveföreningar i andra industrier:
- att ta emot mediciner;
- för kemisk syntes av makromolekylära föreningar;
- vid tillverkning av sprängämnen från trinitrotoluen (TNT);
- för tillverkning av färgämnen.
INGEN oxid används vid kirurgi, ämnet har en smärtstillande effekt. Förlusten av känslor vid inandning av denna gas märktes även av de första forskarna av kvävets kemiska egenskaper. Så här dök det triviala namnet "skrattgas" ut.
Problem med nitrater i jordbruksprodukter
Salpetersyras alter - nitrater - innehåller en enkelladdad anjon NO3-. Hittills har det gamla namnet på denna grupp av ämnen använts - salpeter. Nitrater används för att gödsla åkrar, i växthus, fruktträdgårdar. De appliceras tidigt på våren före sådd, på sommaren - i form av flytande förband. Ämnena i sig utgör ingen stor fara för människor, meni kroppen omvandlas de till nitriter och sedan till nitrosaminer. Nitritjoner NO2- är giftiga partiklar, de orsakar oxidation av järnh altigt järn i hemoglobinmolekyler till trevärda joner. I detta tillstånd kan huvudsubstansen i blodet hos människor och djur inte transportera syre och avlägsna koldioxid från vävnader.
Vad är faran med nitratkontamination av livsmedel för människors hälsa:
- maligna tumörer som uppstår när nitrater omvandlas till nitrosaminer (cancerframkallande ämnen);
- utveckling av ulcerös kolit,
- hypotension eller hypertoni;
- hjärtsvikt;
- blodkoaguleringsstörning
- lever, bukspottkörtel, diabetesutveckling;
- utveckling av njursvikt;
- anemi, nedsatt minne, uppmärksamhet, intelligens.
Samtidig konsumtion av olika livsmedel med höga doser av nitrater leder till akut förgiftning. Källor kan vara växter, dricksvatten, tillagade kötträtter. Blötläggning i rent vatten och tillagning kan minska nitrath alten i livsmedel. Forskarna fann att högre doser av farliga föreningar hittades i omogna växthusprodukter och växthusprodukter.
Fosfor är ett element i kväveundergruppen
Atomer av kemiska grundämnen som finns i samma vertikala kolumn i det periodiska systemet uppvisar gemensamma egenskaper. Fosfor ligger i den tredje perioden, tillhör den 15: e gruppen, som kväve. Atomernas strukturelement är lika, men det finns skillnader i egenskaper. Kväve och fosfor uppvisar ett negativt oxidationstillstånd och valens III i sina föreningar med metaller och väte.
Många reaktioner av fosfor sker vid vanliga temperaturer, det är ett kemiskt aktivt grundämne. Den interagerar med syre för att bilda en högre oxid P2O5. En vattenlösning av detta ämne har egenskaperna hos en syra (metafosfor). När den värms upp erhålls ortofosforsyra. Det bildar flera typer av s alter, av vilka många fungerar som mineralgödsel, såsom superfosfater. Föreningar av kväve och fosfor är en viktig del av kretsloppet av ämnen och energi på vår planet, de används inom industri, jordbruk och andra verksamhetsområden.