Jaké jsou vlastnosti dusíku?

Dusík je prvkem hlavní podskupiny páté skupiny druhé periody periodického systému chemických prvků s atomovým číslem 7. Označuje se symbolem N (lat. Nitrogenium). Jednoduchá látka dusík (číslo CAS: 7727-37-9) je za normálních podmínek dosti inertní dvouatomový plyn bez barvy, chuti a zápachu (vzorec N₂), který tvoří tři čtvrtiny zemské atmosféry.

Historie objevu

V roce 1772 provedl Henry Cavendish následující experiment: opakovaně procházel vzduchem přes žhavé uhlí, poté jej ošetřil alkálií, což vedlo ke zbytku, který Cavendish nazval dusivý (nebo mephitický) vzduch. Z hlediska moderní chemie je zřejmé, že při reakci se žhavým uhlím byl vzdušný kyslík vázán na oxid uhličitý, který byl následně absorbován alkáliemi. Zbytek plynu byl většinou dusík. Cavendish tedy izoloval dusík, ale nedokázal pochopit, že jde o novou jednoduchou látku (chemický prvek). Téhož roku Cavendish oznámil tuto zkušenost Josephu Priestleymu. Priestley v této době prováděl řadu experimentů, ve kterých také vázal vzdušný kyslík a odstraňoval vzniklý oxid uhličitý, tedy přijímal i dusík, nicméně jako zastánce v té době převládající flogistonové teorie výsledky zcela dezinterpretoval získaný (podle jeho názoru byl proces opačný – nebyl to kyslík, který byl ze směsi plynů odstraněn, ale naopak v důsledku výpalu byl vzduch nasycen flogistonem; zbývající vzduch nazval (dusík) nasycený flogiston, tedy flogistický). Je zřejmé, že Priestley, přestože dokázal izolovat dusík, nedokázal pochopit podstatu svého objevu, a proto není považován za objevitele dusíku. Ve stejné době podobné experimenty se stejným výsledkem provedl Karl Scheele. V roce 1772 dusík (pod názvem „zkažený vzduch“) popsal jako jednoduchou látku Daniel Rutherford, publikoval svou diplomovou práci, kde uvedl základní vlastnosti dusíku (nereaguje s alkáliemi, nepodporuje hoření, je); nevhodné k dýchání). Právě Daniel Rutherford je považován za objevitele dusíku. Rutherford byl však také zastáncem flogistonové teorie, takže také nemohl pochopit, co izoloval. Není tedy možné jednoznačně identifikovat objevitele dusíku. Dusík následně studoval Henry Cavendish (zajímavostí je, že se mu pomocí elektrických výbojů podařilo navázat dusík s kyslíkem a po absorbování oxidů dusíku zůstalo ve zbytku malé množství plynu, absolutně inertního, i když jako v případě dusík, nebyl schopen pochopit, že izoloval nový chemický prvek – inertní plyn argon).

Původ názvu

Dusík (ze starořeckého ἄζωτος – neživý, lat. dusíkium), místo předchozích názvů („flogistický“, „mefický“ a „zkažený“ vzduch) navrhl v roce 1787 Antoine Lavoisier, který byl v té době součástí skupiny dalších francouzských vědců vyvinuli principy chemické nomenklatury. Jak je uvedeno výše, již tehdy bylo známo, že dusík nepodporuje spalování ani dýchání. Tato vlastnost byla považována za nejdůležitější. I když se později ukázalo, že dusík je naopak nezbytný pro všechny živé bytosti, název zůstal zachován ve francouzštině a ruštině. Existuje další verze. Slovo „dusík“ nevymyslel Lavoisier ani jeho kolegové z nomenklaturní komise; do alchymistické literatury se dostal již v raném středověku a používal se k označení „primární hmoty kovů“, která byla považována za „alfu a omegu“ všech věcí. Tento výraz je vypůjčen z Apokalypsy: „Já jsem Alfa a Omega, počátek a konec“ (Zjevení 1:8-10). Slovo se skládá z počátečních a konečných písmen abeced tří jazyků – latiny, řečtiny a hebrejštiny – považovaných za „posvátné“, protože podle evangelií byl nápis na kříži při ukřižování Krista proveden v roce tyto jazyky (a, alfa, aleph a z, omega, tav – AAAZOTH). Sestavovatelé nového chemického názvosloví si byli existence tohoto slova dobře vědomi; Iniciátor jeho vzniku Giton de Morveau zaznamenal alchymický význam tohoto termínu ve své „Metodologické encyklopedii“ (1786). Slovo „dusík“ může pocházet z jednoho ze dvou arabských slov, buď az-zat („esence“ nebo „vnitřní realita“) nebo zibak („rtuť“), v latině se dusík nazývá „nitrogenium“. je „zrození ledku“; anglický název je odvozen z lat. Název používaný v němčině je Stickstoff, což znamená „dusivý“.

Příjem

V laboratořích jej lze získat rozkladnou reakcí dusitanu amonného: NH₄NE₂ →N2↑ + 2H₂O Reakce je exotermická, uvolňuje 80 kcal (335 kJ), takže nádoba musí být v průběhu ochlazována (ačkoli dusitan amonný musí být pro zahájení reakce zahřátý). V praxi se tato reakce provádí přidáváním nasyceného roztoku dusitanu sodného po kapkách do zahřátého nasyceného roztoku síranu amonného a dusitan amonný vzniklý jako výsledek výměnné reakce se okamžitě rozkládá. Uvolňovaný plyn je v tomto případě kontaminován čpavkem, oxidem dusíku (I) a kyslíkem, ze kterých se čistí postupným průchodem roztoky kyseliny sírové, síranu železnatého a přes horkou měď. Dusík se pak suší. Další laboratorní metodou výroby dusíku je zahřívání směsi dichromanu draselného a síranu amonného (v hmotnostním poměru 2:1). Reakce probíhá podle rovnic: K₂Cr₂O₇ + (NH₄)₂SO₄ = (NH₄)₂Cr₂O₄ + K.₂SO₄ (NH₄)₂Cr₂O₇ →(t)Cr₂O₃ + N₂↑ + 4H₂O Nejčistší dusík lze získat rozkladem azidů kovů: 2NaN₃ →(t) 2Na + 3N₂↑ Takzvaný „vzdušný“ nebo „atmosférický“ dusík, tedy směs dusíku s vzácnými plyny, se získává reakcí vzduchu s horkým koksem: O₂+ 4N₂ + 2C -> 2CO + 4N₂ Vzniká tak tzv. „generátor“ nebo „vzdušný“ plyn – surovina pro chemickou syntézu a palivo. V případě potřeby z něj lze dusík oddělit absorpcí oxidu uhelnatého. Molekulární dusík se průmyslově vyrábí frakční destilací kapalného vzduchu. Tuto metodu lze také použít k získání „atmosférického dusíku“. Dusíková zařízení a stanice, které využívají metodu adsorpce a membránové separace plynu, jsou také široce používány. Jednou z laboratorních metod je průchod amoniaku přes oxid měďnatý (II) při teplotě ~700 °C: 2NH₃ + 3CuO →N₂↑ + 3H₂O + 3Cu Amoniak se odebírá z nasyceného roztoku zahříváním. Množství CuO je 2x větší než vypočtené. Bezprostředně před použitím se dusík čistí od kyslíku a amoniaku průchodem přes měď a její oxid (II) (také ~700 °C), poté se suší koncentrovanou kyselinou sírovou a suchou alkálií. Proces je poměrně pomalý, ale stojí za to: získaný plyn je velmi čistý.

Fyzikální vlastnosti

Za normálních podmínek je dusík bezbarvý plyn, bez zápachu, mírně rozpustný ve vodě (2,3 ml/100 g při 0 °C, 0,8 ml/100 g při 80 °C), hustota 1,2506 kg/m³ (ve Well.). V kapalném stavu (bod varu −195,8 °C) je to bezbarvá, pohyblivá kapalina jako voda. Hustota kapalného dusíku je 808 kg/m³. Při kontaktu se vzduchem z něj absorbuje kyslík. Při −209,86 °C se dusík mění v pevné skupenství ve formě sněhové hmoty nebo velkých sněhově bílých krystalů. Při kontaktu se vzduchem z něj absorbuje kyslík a taje, čímž vzniká roztok kyslíku v dusíku.

Video fragment zkoumá strukturní rysy atomu dusíku na konkrétních příkladech ke zkoumání možných oxidačních stavů ve sloučeninách a fyzikálních vlastností dusíku. Jeho chemické vlastnosti jsou podrobně popsány, každá reakce je posuzována z pohledu oxidačně-redukčních procesů. Zde shromažďujeme materiál o biologické úloze dusíku, jeho aplikaci, koloběhu dusíku v přírodě a také o jeho objevu. Pro posílení naučeného materiálu je na konci lekce uveden příklad řešení problému na toto téma.

Přehrávač: YouTube VKontakte

V tuto chvíli nemůžete sledovat ani distribuovat videolekci studentům

Chcete-li získat přístup k tomuto a dalším výukovým videím sady, musíte ji přidat do svého účtu.

Získejte neuvěřitelné příležitosti

1. Otevřete přístup ke všem videolekcím v sadě.

2. Distribuujte video lekce na osobní účty studentů.

3. Podívejte se na statistiky toho, jak studenti prohlížejí videolekce.
Získat přístup

Shrnutí lekce „Dusík, sloučeniny dusíku“

Dusík, sloučeniny dusíku

Dusík – prvek V A skupiny hlavní podskupiny, což znamená, že má 5 elektronů na vnější energetické úrovni. Před dokončením vnější úrovně mu chybí 3 elektrony, které by mohl připojit, v takovém případě bude jeho oxidační stav roven -3. Atom dusíku navíc může darovat elektrony a získat kladné oxidační stavy. Tedy pro atom dusíku ve sloučeninách je to možné oxidační stavy od -3 do +5.

Zvážit sloučenin dusíku.

Například v čpavku – NH₃ – stupeň oxidace dusíku -3; v oxidu dusnatém (I) – N₂O – oxidační stav dusíku +1; v oxidu dusíku (II) – NO – oxidační stupeň dusíku +2; v kyselině dusité – HNO₂ – stupeň oxidace dusíku +3; v oxidu dusnatém (IV) – NO₂ – stupeň oxidace dusíku +4; v kyselině dusičné – HNO₃ – stupeň oxidace dusíku +5.

Pokud je tedy oxidační stav dusíku -3, pak vykazuje obnovující vlastnosti, pokud je oxidační stav +5, pak dusík vykazuje oxidační vlastnostia pokud má dusík ve sloučenině střední oxidační stavy: +1, +2, +3, +4, pak může vykazovat jak oxidační, tak redukční vlastnosti.

Dusík je součástí vzduchu, kde jeho objemový podíl je 78 %, je součástí zemské kůry a živých organismů. Ve vesmíru je dusík na čtvrtém místě po vodíku, heliu a kyslíku.

Součástí je i dusík Chilský dusičnan – NaNO₃ – tato anorganická látka vznikla ze zbytků ptačího trusu v suchém a horkém klimatu. Hojně se používá i dusičnan draselný – KNO₃, nalezený v Indie.

Dusík je součástí všechny bílkoviny a bílkoviny jsou prostě k životu nezbytné. Lidé získávají bílkoviny z rostlinných a živočišných potravin, zatímco zvířata získávají bílkoviny převážně z rostlin. A samotné rostliny jsou zdrojem doplňování dusíku. Proto v přírodě neustále probíhá cyklus dusíku.

Protože dusík je součástí organických sloučenin, není pro rostliny dostupný. Ale v důsledku životně důležité aktivity určité skupiny bakterií se organické sloučeniny přeměňují na anorganické – minerální – to jsou amonné soli a dusičnany. A tyto anorganické látky jsou již absorbovány rostlinami. Poté se zvířata živí rostlinami, které absorbovaly dusík, a z rostlin se získávají potřebné bílkoviny.

Hrají hlavní roli při fixaci dusíku nodulové bakterie, které žijí v uzlinách nahosemenných rostlin (jetel, hrách, lupina). Absorbují vzdušný dusík a přeměňují ho na sloučeniny, které jsou dostupné rostlinám.

Kromě, sloučeniny dusíku v půdě jsou doplňovány bouřkami. Nejprve se z dusíku a kyslíku vytvoří oxid dusnatý (II), který se vlivem vzdušného kyslíku přemění na oxid dusnatý (IV). Tento oxid reaguje s vodou v přítomnosti vzdušného kyslíku za vzniku kyseliny dusičné. Kyselina pak interaguje se sloučeninami sodíku, vápníku a draslíku nacházejícími se v půdě a tvoří soli – dusičnany, které jsou potřebné pro výživu rostlin.

Jednoduchá látka dusík skládá se z dvouatomových molekul – N₂. V molekule dusíku jsou atomy navzájem spojeny trojitá kovalentní nepolární vazba. Toto spojení je velmi silné, takže dusík je málo aktivní látka.

Dusík je bezbarvý plyn, bez zápachu a chuti, o něco lehčí než vzduch. Při běžných teplotách nezkapalňuje, je špatně rozpustný ve vodě, jeho bod tání je -210 0 Ca bod varu je -196 0 C.

Dusík se získává v laboratoři rozklad dusitanu amonného za nízkého tepla.

Příbuzný dusík inertní v chemických reakcích. Nereaguje s kyselinami, vodou ani zásadami.

Za normálních podmínek dusík reaguje pouze s lithiem. Tím vzniká nitrid lithný.

Lithium zvyšuje svůj oxidační stav z 0 na +1 a dusík klesá z 0 na -3. Každý atom hliníku daruje 6 elektronů molekule dusíku, přičemž lithium je redukční činidlo a dusík je oxidační činidlo.

Dusík reaguje s jinými kovy pouze při vysokých teplotách.

Například při reakci s hořčíkem vzniká nitrid hořečnatý. Hořčík mění svůj oxidační stav z 0 na +2 a dusík klesá z 0 na -3. Každý atom hořčíku daruje 3 elektrony molekule dusíku. Hořčík je při reakci redukční činidlo a dusík je oxidační činidlo.

Při vysoké teplotě, tlaku a v přítomnosti katalyzátoru dusík reaguje s vodíkem, čímž se tvoří amoniak. Při této reakci dusík snižuje svůj oxidační stav z 0 na -3 a vodík se zvyšuje z 0 na +1. Dusík je oxidační činidlo a vodík je redukční činidlo.

Jak vidíte, toto složená reakce, protože dvě jednoduché látky tvoří jednu komplexní, reakci exotermickýprotože probíhá s uvolňováním tepla, reverzibilní, to znamená, že jde dopředu i dozadu, katalytický, protože reakce obsahuje katalyzátor – železo. Reakce je redoxní, protože dochází ke změně oxidačních stavů, reakce homogenní, protože látky a reakční produkty vstupující do chemické reakce jsou v jednom skupenství agregace – plynné.

Při vysoké teplotě dusík se slučuje s kyslíkem, tvořící oxid dusnatý 2.

Při této reakci dusík zvyšuje svůj oxidační stav z 0 na +2 a kyslík se snižuje z 0 na -2. Dusík je redukční činidlo a kyslík je oxidační činidlo.

Protože k této reakci dochází se změnou oxidačních stavů, je tomu tak redoxní, to je reakce spojeníI, protože ze dvou jednoduchých látek vzniká jedna složitá látka. Reakce reverzibilní, jde vpřed a vzad, endotermní, protože teplo je absorbováno, reakce nekatalytické, protože nevyžaduje účast katalyzátoru, je homogenní, protože všechny látky jsou v plynném stavu.

Je třeba poznamenat, že při reakcích s kovy a vodíkem má dusík oxidační vlastnosti a při reakcích s kyslíkem redukční vlastnosti.

Základní oblast aplikace dusíku – produkce amoniaku a kyseliny dusičné. Dusík se také používá k vytvoření inertního prostředí při sušení výbušnin a při skladování cenných uměleckých děl a rukopisů. Dusík se dříve používal k plnění elektrických lamp. V chladicích systémech se používá kapalný dusík.

V lékařství se čistý dusík používá jako inertní médium při léčbě plicní tuberkulózy a kapalný dusík se používá při léčbě onemocnění páteře a kloubů.

В 1772 anglický vědec Rutherford a švédský průzkumník Scheele Při pokusech o spalování látek byl objeven plyn, který nepodporuje dýchání a hoření. Později, v 1787 rok, Lavoisier prokázala přítomnost plynu, který nepodporuje dýchání a spalování, ve vzduchu. Dal tomuto plynu jméno „dusík“, což znamená „bez života“ (z latiny а – ne a zoe – život). V 1790 rok Chaptal dal dusíku jiné jméno – dusíkium – znamená „zrodit ledek“.

Pojďme vyřešit problém. Stanovme hmotnost sloučeniny, která vznikne při zahřívání kovového hořčíku o hmotnosti 7,2 g v dusíku o objemu 10 litrů za normálních podmínek.

V zadání problému je uvedena hmotnost hořčíku a objem dusíku. Je nutné najít hmotnost vzniklé sloučeniny, tedy hmotnost nitridu hořečnatého. Zjistíme množství látky hořčíku, abychom to udělali, musíme vydělit hmotnost hořčíku jeho molární hmotností. To znamená, že vydělíme 7,2 g 24 g/mol, dostaneme 0,3 mol, nyní zjistíme množství dusíkaté látky, k tomu musíme vydělit objem dusíku molárním objemem. K tomu vydělte 10 litrů 22,4 litry/mol, dostaneme 0,446 mol. Podle reakční rovnice je zřejmé, že poměr molů hořčíku a dusíku je 3 : 1. Množství dusíkaté látky by tedy mělo být třikrát menší než množství látky hořčíku, tedy 0,1 mol. Výsledkem výpočtů bylo množství dusíkaté látky rovné 0,446 mol. Proto je dusíku nadbytek a množství nitridu hořečnatého se zjistí pomocí hořčíku.

Ukazuje se, že množství látky nitridu hořečnatého bude 0,1 mol, to znamená vynásobte 0,3 1 a vydělte 3 a dostanete 0,1 mol. Nalezneme molární hmotnost nitridu hořečnatého. Chcete-li to provést, vynásobte relativní atomovou hmotnost hořčíku (24) 3 a přidejte relativní atomovou hmotnost dusíku (14) vynásobenou 2, což vede k 100 g/mol. Pojďme zjistit hmotnost této látky. K tomu je třeba látkové množství vynásobit molární hmotností, takže 0,1 mol vynásobíme 100 g/mol a dostaneme 10 g.

Hmotnost nitridu hořečnatého se tedy bude rovnat deseti g.