Азо́т (химический символ — N, от ) — химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы пятой группы, VA) второго периода периодической системы Д. И. Менделеева с атомным номером 7.
Как простое вещество (при н. у.) азот — двухатомный газ (химическая формула — N2) без цвета, вкуса и запаха.
Один из самых распространённых элементов на Земле. Основной компонент воздуха: 78 % объёма.
Химически весьма инертен, однако реагирует с комплексными соединениями переходных металлов. Применяется как инертная среда для множества технологических процессов; жидкий азот — хладагент.
Азот — один из основных биогенных элементов, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот.
История открытия В 1772 году Генри Кавендиш провёл опыт: он многократно пропускал воздух над раскалённым углём, затем обрабатывал его щёлочью, в результате получался остаток, который Кавендиш назвал удушливым (или мефитическим) воздухом. С позиций современной химии ясно, что в реакции с раскалённым углём кислород воздуха связывался в углекислый газ, который затем поглощался щёлочью. При этом остаток газа представлял собой по большей части азот. Таким образом, Кавендиш выделил азот, но не сумел понять, что это новое простое вещество (химический элемент), и описал его как мефитический воздух (от ). В том же году Кавендиш сообщил об этом опыте Джозефу Пристли.
Джозеф Пристли в это же время проводил серию экспериментов, в которых также связывал кислород воздуха и удалял полученный углекислый газ, то есть также получал азот, однако, будучи сторонником господствующей в те времена теории флогистона, также неверно истолковал полученные результаты — он решил, что выделил флогистированный (то есть насыщенный флогистоном) воздух.
В сентябре 1772 года шотландский химик Даниэль Резерфорд опубликовал магистерскую диссертацию «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе», в которой описал азот как вредный, ядовитый воздух и предположил, что это новый химический элемент, а также описал основные свойства азота (не реагирует со щелочами, не поддерживает горения, непригоден для дыхания).
В том же году азот выделил шведский химик Карл Шееле: летом 1772 года он получил азот по методу Кавендиша и исследовал его в течение пяти лет, затем опубликовал результаты своих исследований. В этой публикации Шееле первым описал атмосферный воздух как смесь отдельных газов: «огненного воздуха» (кислорода) и «грязного воздуха» (азота). Таким образом, точно установить первооткрывателя азота не представляется возможным.
Происхождение названия Название азо́т (, по наиболее распространённой версии, от «безжизненный»), вместо предыдущих названий (флогистированный, мефитический и «испорченный» воздух) предложил в 1787 году Антуан Лавуазье, который в то время в составе группы других французских учёных разрабатывал принципы химической номенклатуры, в том же году это предложение опубликовано в труде «Метод химической номенклатуры». Как показано выше, в то время уже было известно, что азот не поддерживает ни горения, ни дыхания. Это свойство и сочли наиболее важным. Хотя впоследствии выяснилось, что азот, наоборот, крайне необходим для всех живых существ, название сохранилось во французском и русском языках. Окончательно в русском языке этот вариант названия закрепился после выхода в свет книги Германа Гесса «Основания чистой химии» в 1831 году.
Само слово азот (без связи с газом) известно с древности и употреблялось философами и алхимиками средневековья для обозначения «первичной материи металлов», так называемого меркурия у философов, двойного меркурия у алхимиков. «Первичную материю металлов» алхимики считали «альфой и омегой» всего сущего. И слово для её обозначения составили из начальных и конечных букв алфавитов трёх языков, считавшихся священными, — латинского, греческого и древнееврейского: а, альфа, алеф и зет, омега, тав — AAAZOT. Однако отсутствуют данные о связи этого алхимического термина с названием для газа, предложенным Лавуазье.
Многие современники Лавуазье считали название элемента неудачным, в частности, Жан-Антуан Шапталь предложил название («рождающий селитру») и использовал это название в своей книге «Элементы химии». Поныне соединения азота называют нитраты, нитриты и нитриды.
Во французском языке название нитроген не прижилось, зато в английском, испанском, венгерском и норвежском используется производное от этого слова. В португальском языке в разговорной речи преимущественно используется как название нитрогениу (, европ. порт. nitrogénio), в научных работах, особенно в Португалии и Макао, преобладает название .
В немецком языке используется название , что означает «удушающее вещество», аналогично в нидерландском и шведском; схожие по значению названия используются в некоторых славянских языках, например, , a также в .
Название «азот», помимо французского и русского, принято в итальянском, турецком и ряде славянских языков, а также во многих языках народов России и бывшего СССР.
До принятия символа в России, Франции и других странах использовался символ , который можно видеть, например, в статье А. М. Бутлерова об аминах 1864 года.
Азот в природе
Изотопы
Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14N — 99,635 % и 15N — 0,365 %.
Искусственно получены четырнадцать радиоактивных изотопов азота с массовыми числами от 10 до 13 и от 16 до 25. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13N имеет период полураспада 10 мин.
Спин ядер стабильных изотопов азота: 14N — 1; 15N — 1/2.
Распространённость Азот — один из самых распространённых элементов на Земле. По числу атомов азот занимает наряду с Ne 5—6 место среди элементов по распространённости в Солнечной системе (после H, He, O и C).
Азот в форме двухатомных молекул N2 составляет большую часть атмосферы Земли, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму), то есть около 3,87 т.
Содержание азота в земной коре, по данным разных авторов, составляет (0,7—1,5) т (причём в гумусе — порядка 6 т), а в мантии Земли — 1,3 т. Такое соотношение масс заставляет предположить, что главным источником азота служит верхняя часть мантии, откуда он поступает в другие оболочки Земли с извержениями вулканов.
Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2 т, кроме того, примерно 7 т азота содержатся в гидросфере в виде соединений.
Биологическая роль Азот является химическим элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле — около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, биогенных отложениях литосферы и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9 т. В отличие от углерода, также содержащегося в органических молекулах, в большинстве живых организмах не окисляется, и не может быть источником энергии. В связи с этим, для предотвращения накопления азота, в этих организмах возникли системы выделения (в виде производных мочевины и гуанидиния. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.
Химия гидридов азота при давлениях порядка 800 ГПа (около 8 миллионов атмосфер) более разнообразна, чем химия углеводородов при нормальных условиях. Отсюда появилась гипотеза, что азот может быть основой пока неоткрытой жизни на таких планетах, как Уран и Нептун.
Круговорот азота в природе
Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям: абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).
Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4 т/год) фиксируется биотическим путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium, цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубеньках ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH4+). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий — первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» — глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.
Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они вымываются водой и в результате попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5—8 т/год).
Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации, то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.
В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.
Токсикология азота и его соединений Сам по себе атмосферный азот слишком инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.
Получение
Разложение нитрита аммония В лаборатории азот можно получать по реакции разложения нитрита аммония:
NH4NO2 -> N2 ^ + 2H2O
Реакция экзотермическая, идёт с выделением 80 ккал (335 кДж) тепла на 1 моль вступившего в неё нитрита, поэтому требуется охлаждение сосуда при её протекании (хотя для начала реакции требуется нагревание нитрита аммония).
Практически эту реакцию выполняют, добавляя по каплям насыщенный раствор нитрита натрия в нагретый насыщенный раствор сульфата аммония, при этом образующийся в результате обменной реакции нитрит аммония мгновенно разлагается.
Выделяющийся при этом газ загрязнён аммиаком, оксидом азота (I) и кислородом, от которых его очищают, последовательно пропуская через растворы серной кислоты, сульфата железа(II) и над раскалённой медью. Затем азот осушают.