Азот

Общее описание

Азот – это бесцветный двухатомный газ (N₂). Атомы в молекуле азота удерживает прочная тройная связь, что обуславливает инертность элемента. Азот реагирует с другими элементами и соединениями под действием внешних факторов – высокой температуры, электричества, катализаторов.

Рис. 1. Строение молекулы азота.

Оксиды образуются из солей аммония и азотной кислоты. Формулы оксидов азота и краткая характеристика соединений приведены в таблице.

Рис. 2. Диоксид или оксид азота (IV).

Помимо пяти стабильных оксидов азота известны ещё пять нестабильных соединений – NON₃, NO₂N₃, N(NO₂)₃, нитратный радикал NO₃ и димер, состоящий из двух простых молекул, диоксида азота (N₂O₄).

Химические свойства

Основные реакции оксидов азота с простыми и сложными веществами приведены в таблице.

Рис. 3. Пентаоксид диазота или оксид азота (V).

Оксиды используются для получения азотной кислоты. N₂O используется в качестве наркоза.

Что мы узнали?

Из темы урока узнали, что азот может образовывать пять стабильных оксидов, проявляя переменную валентность I, II, III, IV, V. Только один оксид (NO) можно получить непосредственным взаимодействием азота и кислорода при нагревании или под воздействием электричества. Остальные оксиды выделяются из солей аммония и азотной кислоты. Большинство оксидов – токсичные газы, способные сжижаться. Оксиды реагируют с металлами, неметаллами, щелочами, оксидами.

Влияние оксида азота на организм человека

Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота: NO2, N2O3, N2O4. Наибольшую опасность представляет NO2. Воздействие оксидов азота на человека приводит к нарушения функций легких и бронхов.

Воздействию оксидов азота в большей степени дети и взрослые, страдающие сердечно — сосудистыми заболеваниями. В воздухе оксиды азота в зависимости от концентрации вызывают: раздражения слизистых оболочек носа и глаз С = 0,001 об. % , начало кислородного голодания С = 0,001 об. % , отек легких С = 0,008 об. %.

При контакте диоксида азота с влажной поверхностью (слизистые оболочки глаз, носа, бронхов) образуются азотная и азотистая кислоты, раздражающие слизистые оболочки и поражающие альвеолярную ткань легких. При высоких концентрациях оксидов азота (0,004 — 0,008 %) возникают астматические проявления и отек легких. Вдыхая воздух, содержащий оксиды азота в высоких концентрациях, человек не имеет неприятных ощущений и не предполагает отрицательных последствий.

При длительном воздействии оксидов азота в концентрациях, превышающих норму, люди заболевают хроническим бронхитом, воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, страдают сердечной слабостью, а также нервными расстройствами. NO2 тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

Ощущение запаха и незначительного раздражения во рту отмечается при концентрации NO2 порядка 0,0002 мг/л. Вредное воздействие оказывают оксиды азота и на нервную систему человека. Содержание в атмосферном воздухе оксидов азота свыше 0,28 мг/м3 приводит к повреждению некоторых видов растений вызывает затруднение дыхания, кашель у детей и способствует развитию болезней органов дыхания.

Оксиды азота оказывают отрицательное воздействие и на растительность, образуя на листовых пластинах растворы азотной и азотистой кислот. Этим же свойством обусловлено влияние оксидов азота на строительные материалы и металлические конструкции. Кроме того, они участвуют в фотохимической реакции образования смога. В уходящих газах дизелей концентрации СО и NOx могут достигать 0,5 % (по объему).

Химические свойства

Кислотный оксид. NO₂ отличается высокой химической активностью. Он взаимодействует с неметаллами (фосфор, сера и углерод горят в нём). В этих реакциях NO₂ — окислитель:

2NO2+2C→2CO2+N2{\displaystyle {\mathsf {2NO_{2}+2C\rightarrow 2CO_{2}+N_{2}}}}

10NO2+8P→4P2O5+5N2{\displaystyle {\mathsf {10NO_{2}+8P\rightarrow 4P_{2}O_{5}+5N_{2}}}}

Окисляет SO₂ в SO₃ — на этой реакции основан нитрозный метод получения серной кислоты:

SO2+NO2→SO3+NO{\displaystyle {\mathsf {SO_{2}+NO_{2}\rightarrow SO_{3}+NO}}}

При растворении оксида азота(IV) в воде образуются азотная и азотистая кислоты (реакция диспропорционирования):

2NO2+H2O→HNO3+HNO2{\displaystyle {\mathsf {2NO_{2}+H_{2}O\rightarrow HNO_{3}+HNO_{2}}}}

Поскольку азотистая кислота неустойчива, при растворении NO₂ в тёплой воде образуются HNO₃ и NO:

3NO2+H2O→2HNO3+NO↑{\displaystyle {\mathsf {3NO_{2}+H_{2}O\rightarrow 2HNO_{3}+NO\uparrow }}}

Если растворение проводить в избытке кислорода, образуется только азотная кислота (NO₂ проявляет свойства восстановителя):

4NO2+2H2O+O2→4HNO3{\displaystyle {\mathsf {4NO_{2}+2H_{2}O+O_{2}\rightarrow 4HNO_{3}}}}

При растворении NO₂ в щелочах образуются как нитраты, так и нитриты:

2NO2+2KOH→KNO3+KNO2+H2O{\displaystyle {\mathsf {2NO_{2}+2KOH\rightarrow KNO_{3}+KNO_{2}+H_{2}O}}}

Жидкий NO₂ применяется для получения безводных нитратов:

Zn+2N2O4→Zn(NO3)2+2NO{\displaystyle {\mathsf {Zn+2N_{2}O_{4}\rightarrow Zn(NO_{3})_{2}+2NO}}}

В реакциях с галогенами образует соли нитрония, нитрозила и оксиды галогенов

2NO2+2Cl2→NOCl+NO2Cl+Cl2O↑{\displaystyle {\mathsf {2NO_{2}+2Cl_{2}\rightarrow NOCl+NO_{2}Cl+Cl_{2}O\uparrow }}}

Формулы оксидов азота

Ниже приведены обозначения наиболее значимых соединений элемента N.

Это прежде всего оксид азота, формула которого состоит из двух химических знаков — N и O. За ними ставятся индексы, в зависимости от степени окисления атомов.

• Азота одновалентного оксид имеет формулу N₂O. В нем атом N заряжен +1.
• Азота двухвалентного оксид имеет формулу NO. В нем атом N заряжен +2.
• Азота трехвалентного оксид имеет формулу N₂O₃. В нем атом N заряжен +3.
• Четырехвалентный оксид азота, формула которого NO₂, имеет заряд атома N +4.
• Пятивалентное кислородное соединение обозначается как N₂O₅. В нем атом N заряжен +5.

Оксид углерода (CO – угарный газ)

Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода – продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа).

В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе.

Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1 – 0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей.

Потребляйте продукты, богатые нитратами

Когда вы едите продукты, которые содержат натуральные нитраты, бактерии на вашем языке преобразуют их в нитриты …

… И как только вы проглатываете пищу, бактерии в кишечнике преобразуют нитриты в оксид азота.

Это явление — как вы уже догадались – будет увеличивать уровень оксида азота в организме в зависимости от дозы, которую вы будете потреблять (чем больше нитратов вы едите, тем больше окиси азота ваш язык и кишечник будут производить и преобразовывать).

К счастью, продукты, богатые нитратами, достать легко, к тому же они довольно дешевые …

… Вот список некоторых знаковых продуктов, насыщенных естественными нитратами:

Шпинат, свекла, сельдерей, салат-латук, салат айсберг, морковь, петрушка, капуста, редис, зелень и т.д.

Диоксид азота: влияние на человека

Вещество характеризуется высокой токсичностью. Диоксид азота в воздухе, даже находясь в относительно небольших концентрациях, способен приводить к существенным изменениям в организме человека. Является острым раздражителем, а также характеризуется общетоксическим действием. Воздействует в основном на органы дыхательной системы. В зависимости от концентраций наблюдаются различные последствия — от слабого раздражения слизистых оболочек глаз и носа до отека легких. Также может приводить к изменениям состава крови, в частности, способствует уменьшению содержания гемоглобина. Ниже рассмотрим подробнее некоторые из эффектов, которые способен вызывать у человека диоксид азота.

Получение

В лаборатории NO₂ обычно получают воздействием концентрированной азотной кислоты на медь:

Также взаимодействием нитритов с серной кислотой:

оксид азота(II) NO тотчас же реагирует с кислородом:

Также его можно получить термическим разложением нитрата свинца, однако при проведении реакции следует соблюдать осторожность:

Разработан более совершенный лабораторный способ получения NO2.

Последняя реакция была разработана и реализована в новой химической машине — генераторе окислителя ракетного топлива марки NTO согласно ГОСТ Р ИСО 15859-5-2010.

Другие способы получения оксида азота(IV) перечислены в статье .

Влияние на человека: другие последствия

Азотистая кислота, образующаяся при взаимодействии с влагой в дыхательных путях, вступает в реакцию со щелочными компонентами тканей, превращаясь в результате в нитриты и нитраты. Воздействие этих веществ вызывает ряд негативных последствий. Так, нитриты, всасываясь в кровь, приводят к угнетению центральной нервной системы, образованию метгемоглобина, гемолизу, билирубинемии, расширяют кровеносные сосуды, снижают артериальное давление и пр. Нитраты же при нахождении в кишечнике способны трансформироваться в канцерогенные вещества — нитрозамины.

Согласно ряду литературных источников, воздействие двуокиси азота на организм человека снижает его сопротивляемость к заболеваниям, приводит к кислородному голоданию тканей. Особенно остро это проявляется у детей. Также диоксид азота способствует повышению действия канцерогенных веществ и возникновению в результате этого злокачественных новообразований.

Некоторые из исследователей связывают повышенную смертность от раковых и сердечно-сосудистых заболеваний в определенных районах с высоким содержанием NO₂ в воздушной среде.

Влияние оксида азота на окружающую среду

Оксид азота является естественным компонентом атмосферы. Однако интенсивное использование искусственных азотных удобрений и сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания составляет большую часть антропогенных выбросов оксида азота. На него приходится около 6% глобального потепления. Если общее ежегодное выделение оксидов азота в мире оценивалось в 1967 г. в 53 млн. т, то уже в 1995 г. оно составило 130 млн. т.

Парниковая активность закиси азота в 298 раз выше, чем у углекислого газа. Все оксиды азота физиологически активны, относятся к третьему классу опасности. Оксид азота N₂O обладает наркозным эффектом. Оксид азота NO — сильный яд, оказывающий влияние на центральную нервную систему, а также вызывающий поражение крови за счёт связывания гемоглобина. Относительно высокой токсичностью (при концентрации выше 0,05 мг/л) обладает и оксид азота NO₂. Он раздражает дыхательные пути и угнетает аэробное окисление в легочной ткани, что приводит к развитию токсического отёка легких. Для болеющих астмой и аналогичных больных повышается риск отрицательных легочных эффектов при содержании диоксида азота значительно меньшем, чем тот, на который не наблюдается реакция у здоровых людей. Оксиды азота могут отрицательно влиять на здоровье сами по себе и в комбинации с другими загрязняющими веществами.

Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков. В дополнение к косвенному воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в концентрации 470-1880 мкг/м3 может подавлять рост некоторых растений (например, томатов). Значимость атмосферных эффектов оксидов азота связана с ухудшением видимости. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.

Роль в живых организмах

Роль оксида азота (II) как сигнальной молекулы в живых организмах была открыта в 1980-х годах, а в 1998 Роберт Ферчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за выяснение его функций в сердечно-сосудистой системе. Монооксид азота является паракринным фактором благодаря своей способности быстро диффундировать через мембраны клеток, однако из-за высокой реакционность расстояние такой диффузии ограничена 1 мм а время полжизни молекул NO составляет 5-10 секунд. Азот мооноксид выполняет сигнальную функцию как у животных, так и у растений, даже некоторые бактерии могут чувствовать очень небольшие его концентрации и двигаться в сторону от источника этого соединения.

У млекопитающих NO задействован в ряде физиологических процессов, таких как регуляция артериального давления, передача нервных импульсов, свертывания крови и иммунный ответ. Синтез оксида азота (II) осуществляется путем деаминирование аминокислоты аргинина и обеспечивается ферментом NO-синтазы (NOS), что у млекопитающих трех изоформы: нейрональная (nNOS), индуцибельной (iNOS) и эндотелиальной (eNOS). nNOS и eNOS экспрессируются в соответствующих типах клеток конститутивно и резко увеличивают свою активность в ответ на рост концентрации Ca 2+. Зато активация iNOS осуществляется на уровне транскрипции под влиянием эндотоксинов или цитокинов воспаления, в частности в таких клетках как макрофаги и нейтрофилы, и не зависит от цитоплазматического уровня кальция.

Одной из мишеней монооксида азота в клетках млекопитающих, в том числе и гладких мышцах, является фермент гуанилатциклазы, в активном центре которого он присоединяется к атому железа и таким образом увеличивает энзиматическую активность. Циклический ГМФ, что является продуктом гуанилатциклазы, является вторичным посредником и запускает в клетке каскад реакций, обеспечивающих физиологическую ответ, в случае гладких мышц — их расслабление.

NO может действовать также и цГМФ-независимым путем, например изменять активность белков путем ковалентной нитрозилювання тиольных групп (-SH) специфических остатков цистеина в их составе.

Защитная функция монооксида азота

У растений NO участвует в защитных реакциях во время повреждений и инфекций. Также монооксид азота играет роль в функционировании иммунной системы животных. Активированные макрофаги и нейрофилов (а также клетки эндотелия) производят его в больших количествах во время воспалительных процессов. Вместе с NO они выделяют супероксид-он (O-2), эти два соединения соединяясь образуют очень токсичен пероксинитрит (OONO -) нужен для того, чтобы убить поглощены бактерии.

Медицинские препараты, влияющие на сигналювання NO

Из препаратов, влияющих на сигнальный путь монооксида азота, первым начал использоваться еще в XIX веке нитроглицерин для борьбы со стенокардией. Это соединение медленно расщепляется в организме и действует как источник NO длительное время. NO в свою очередь обеспечивает расширение сосудов и уменьшения нагрузки на сердце. Такое действие нитроглицерина была открыта благодаря наблюдению, что больные стенокардией работники фабрик, на которых изготавливали это соединение, сильнее страдали от боли на выходных

Врачи настолько часто слышали такие сообщения пациентов, обратили внимание на терапевтический эффект нитроглицерина. С тех пор было разработано много других нитровазодиляторив

Сам NO не имеет терапевтического действия при стенокрадии, через очень небольшое время полжизни, однако его иногда используют в вдыхаемой форме для облегчения легочной гипертензии.

Существуют также препараты, имеющие другие мишени в сигнальном пути NO. Например, силденафил подавляет деятельность фосфодиэстеразы, которая расщепляет цГМФ, таким образом продолжая продолжительность действия сигнала. Это соединение была впервые предложена для лечения стенокрадии, однако выяснилось, что она наиболее эффективно влияет на изоформу цГМФ-фосфодиэстеразы, експресуетсья в сосудах пениса, и вызывает их расширение и, соответственно, эрекцию. Поэтому силденафил (под названием Виагра) стал использоваться для лечения эректильной дисфункции.

Польза оксида азота

Оксид азота широко применяется в традиционной медицине при различных заболеваниях и оказывает положительное влияние на:

• Систему кровообращения – регуляторные свойства оксида азота оказывают влияние на циркуляцию крови по всему телу, увеличивают диаметр кровеносных сосудов и предотвращают образование тромбов. Он помогает эндотелиальным клеткам контролировать кровеносные сосуды. Оксид азота также повышает уровень кислорода внутри тела, понижает уровень артериального давления и помогает в оптимальном режиме функционировать сердцу;
• Иммунную систему – иммунные клетки в организме человека синтезируют оксид азота, чтобы уничтожать бактерии и вирусы, способные вызывать инфекции. Известно также свойство оксида азота предотвращать появление доброкачественных и злокачественных опухолей в клетках организма;
• Уровень выносливости — оксид азота повышает уровень выносливости мышечных клеток, что позволяет выдерживать более тяжелые нагрузки и с легкостью вести более активную деятельность;
• Повышение реакции нервных клеток – оксид азота действует как внутриклеточный посредник между различными клетками в организме, в том числе, нервными клетками. При достаточном содержании оксида азота в организме связь между нервными клетками становится быстрее, что приводит к быстроте реакции на внешние раздражители, увеличению фокуса и бдительности;
• Повышение сексуальной энергии – применение оксида азота стимулирует, бодрит и усиливает сексуальные механизмы реагирования в организме. Сенсорные и психические стимуляции, вызываемые нервными клетками под действием оксида азота, приводят к расслаблению мышц и притоку крови к пенису, благодаря чему происходит эрекция. Таким же образом процесс протекает и в женском организме, под действием оксида азота приток крови увеличивается в тканях влагалища;
• Облегчение боли – оксид азота обеспечивает долгосрочное облегчение от боли, связанной с артритом и воспалением суставов. Он способен активировать противовоспалительные механизмы в клетках организма, и способствует уменьшению воспаления;
• Увеличение мышечной массы – добавки содержащие оксид азота расширяют кровеносные каналы, улучшают кровообращение и увеличивают мышечную массу. При увеличении потока крови увеличивается количество питательных веществ в мышцах, что приводит к увеличению их размера;
• Внутриклеточные связи – оксид азота улучшает процесс связи между различными клетками в организме, в том числе, между нервными клетками и клетками мозга. Применение добавок содержащих оксид азота приводит к улучшению памяти, повышению уровня концентрации и способности к обучению.

В дополнение ко всему оксид азота является богатым источником необходимых питательных веществ, таких как b-ситостерин, урсоловая кислота, гликозиды, растительные стерины, а также цинк, кальций, калий, железо и витамины А и С для организма.

Азот N2

Простое вещество. Состоит из неполярных молекул с очень устойчивой ˚σππ-связью N≡N, этим объясняется химическая инертность элемента при обычных условиях.

Бесцветный газ без вкуса и запаха, конденсируется в бесцветную жидкость (в отличие от O₂).

Главная составная часть воздуха 78,09% по объему, 75,52 по массе. Из жидкого воздуха азот выкипает раньше, чем кислород. Малорастворим в воде (15,4 мл/1 л H₂O при 20 ˚C), растворимость азота меньше, чем у кислорода.

При комнатной температуре N₂, реагирует с фтором и в очень малой степени – с кислородом:

N₂ + 3F₂ = 2NF₃,  N₂ + O₂  2NO

Обратимая реакция получения аммиака протекает при температуре 200˚C, под давлением до 350 атм и обязательно в присутствии катализатора (Fe, F₂O₃, FeO, в лаборатории при Pt )

N₂ + 3H₂ 2NH₃ + 92 кДж

В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение выхода аммиака должно происходить при повышении давления и понижении температуры. Однако скорость реакции при низких температурах очень мала, поэтому процесс ведут при 450-500 ˚C, достигая  15%-ного выхода аммиака. Непрориагировавшие  N₂ и H₂ возвращают в реактор  и тем самым увеличивают степень протекания реакции.

Азот химически пассивен по отношению к кислотам и щелочам, не поддерживает горения.

Получение в промышленности – фракционная дистилляция жидкого воздуха или удаление из воздуха кислорода химическим путем, например по реакции 2C(кокс) + O₂ = 2CO при нагревании. В этих случаях получают азот, содержащий так же примеси благородных газов (главным образом аргон).

В лаборатории небольшие количества химически чистого азота можно получить по реакции конмутации при умеренном нагревании:

N-3H₄N3O_2(T) = N₂ + 2H₂O (60-70)

Применяется для синтеза аммиака. Азотной кислоты и других азотсодержащих продуктов, как инертная среда проведения химических и металлургических процессов и хранения огнеопасных веществ.

Описание одновалентного оксида азота

Он еще именуется диазотом, закисью и газом веселящим. Последнее название произошло от действия, связанного с опьянением.

Оксид азота с валентностью I в условиях нормальной температуры существует в форме негорючего газа, без цвета, который проявляет приятный сладковатый привкус и запах. Воздух легче данного соединения. Оксид растворяется в водной среде, этаноле, эфирах и кислоте серной.

Вода, щелочные и кислотные растворы не способны с ним вступать в реакцию, он не образует соли. Не подвергается воспламенению, зато способен поддержать процесс горения.

Аммиак оксид азота переводит в азид (N3NH4).

При соединении с молекулами эфиров, хлорэтана и циклопропана образуется взрывоопасная смесь.

Обычные условия способствуют его инертности. Под действием нагревания вещество восстанавливается.

Применение оксида азота

Оксид азота используется в медицине для расширения кровеносных сосудов при ишемической болезни сердца путем уменьшения нагрузки на сердце.

Оксид азота используется при неотложной помощи для содействия капиллярному расширению легких для лечения первичной легочной гипертензии у новорожденных, связанной с врожденными дефектами. Терапия оксидом азота значительно повышает качество жизни и, в некоторых случаях, спасает жизнь детей с риском развития заболевания сосудов легких.

Оксид азота также вводится в виде спасительной терапии у больных с острой правожелудочковой недостаточностью, которая является вторичной по отношению к легочной эмболии.

В пищевой промышленности оксид азота известен под названием пищевая добавка Е942 и используется в качестве пропеллента и упаковочного газа.

Свойства[2]

Тетраоксид диазота при различных температурах: −196 °C, 0 °C, 23 °C, 35 °C, и 50 °C

В жидкой и газообразной фазах тетраоксид азота находится в равновесии с диоксидом азота:

N2O4⇄2NO2+ΔH{\displaystyle {\mathsf {N_{2}O_{4}\rightleftarrows 2NO_{2}+\Delta H}}}

при нагревании полностью диссоциирует до диоксида азота. Состав смеси зависит от температуры и давления. С увеличением температуры равновесие смещается в сторону диоксида азота, при этом сжиженный N₂O₄ окрашивается в бурый цвет, обусловленный окраской NO₂. Практически полностью диссоциирует при 140 °C. При увеличении давления при постоянной температуре степень диссоциации N₂O₄ уменьшается.

Так, равновесная концентрация NO₂ при температуре кристаллизации (−11.2 °C) в жидкой фазе составляет 0,01 %, при температуре кипения (21,15 °C) в жидкой фазе — 0,1 %, в парах — 15,9 %, при 135 °C — 99 %.

Чистый кристаллический N₂O₄ бесцветен, при загрязнении следами влаги окрашен в бледно-зелёный цвет, существует две аллотропных модификации — нестабильная моноклинная и стабильная кубическая.

Реагирует с водой с образованием смеси азотной и азотистой кислот:

N2O4+H2O→HNO2+HNO3{\displaystyle {\mathsf {N_{2}O_{4}+H_{2}O\rightarrow HNO_{2}+HNO_{3}}}}

Сильный окислитель, крайне токсичен и коррозивен. Смеси с органическими веществами взрывоопасны.