Азот

Азот - это химический элемент с символом N и атомным номером 7. Азот - неметалл и самый легкий член группы 15 периодической таблицы, которую называют пниктогенами. Он является распространенным элементом во Вселенной и занимает седьмое место по общему количеству в Млечном Пути и Солнечной системе. При стандартной температуре и давлении два атома этого элемента соединяются, образуя N₂, бесцветный и не имеющий запаха двухатомный газ.
N₂ составляет около 78% атмосферы Земли, что делает его самым распространенным некомбинированным элементом. Азот содержится во всех организмах, главным образом в аминокислотах(и, следовательно, в белках), в нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК) и в молекуле переноса энергии аденозинтрифосфате. Человеческое тело содержит около 3% азота по массе, это четвертый по распространенности элемент в организме после кислорода, углерода и водорода. Азотный цикл описывает движение элемента из воздуха в биосферу и органические соединения, а затем обратно в атмосферу.

Положение азота в ПСЭ

Атом азота имеет 7 электронов. В основном состоянии они расположены в электронной конфигурации 1s2s2p1.
Таким образом, он имеет пять валентных электронов на орбиталях 2s и 2p, три из которых(p-электроны) являются неспаренными. Он имеет одну из самых высоких электроотрицательностей среди элементов( 3,04 по шкале Паулинга), которую превышают только хлор( 3,16), кислород(3,44) и фтор( 3,98).

Азот полезно сравнивать с его горизонтальными соседями - углеродом и кислородом, а также с его вертикальными соседями в колонке пниктогенов - фосфором, мышьяком, сурьмой и висмутом.
Азот не разделяет склонность углерода к катенации. Как и углерод, азот склонен образовывать ионные или металлические соединения с металлами. Азот образует с углеродом обширный ряд нитридов, в том числе с цепочечной, графитовой и фуллереноподобной структурой.

Он похож на кислород своей высокой электроотрицательностью и сопутствующей способностью к водородным связям, а также способностью образовывать координационные комплексы, отдавая свои одинокие пары электронов. Существуют некоторые параллели между химией аммиака NH₃ и воды H₂O. Например, способность обоих соединений протонироваться с образованием NH₄⁺ и H₃O⁺ или депротонироваться с образованием NH₂^- и OH^-, причем все они могут быть выделены в твердые соединения.

Азот разделяет с обоими своими горизонтальными соседями предпочтение к образованию множественных связей. Так, например, азот встречается в виде двухатомных молекул и поэтому имеет гораздо более низкие температуры плавления(-210 °C) и кипения(-196 °C), чем остальные члены его группы, поскольку молекулы N₂ удерживаются вместе только слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, и имеется очень мало электронов для создания значительных мгновенных диполей.
Это невозможно для его вертикальных соседей; так, оксиды азота, нитриты, нитраты, нитро-, нитрозо-, азо- и диазосоединения, азиды, цианаты, тиоцианаты и иминопроизводные не находят отклика с фосфором, мышьяком, сурьмой или висмутом. В то же время сложность оксокислот фосфора не находит отклика в азоте.

Изотопы
У азота есть два стабильных изотопа: ¹⁴N и ¹⁵N. Первый встречается гораздо чаще, составляя 99,634% природного азота, а второй(который немного тяжелее) составляет оставшиеся 0,366%. Это приводит к атомному весу около 14,007.
Оба этих стабильных изотопа образуются в цикле CNO в звездах, но 14N более распространен, поскольку захват нейтронов является лимитирующим этапом.

Относительное содержание ¹⁴N и ¹⁵N практически постоянно в атмосфере, но может изменяться в других местах из-за естественного изотопного фракционирования в результате биологических окислительно-восстановительных реакций и испарения природного аммиака или азотной кислоты.
Биологически опосредованные реакции(ассимиляция, нитрификация и денитрификация) сильно контролируют динамику азота в почве. Эти реакции обычно приводят к обогащению субстрата ¹⁵N и обеднению продукта.

Атомный азот, также известный как активный азот, является высокореактивным, поскольку представляет собой трирадикал с тремя неспаренными электронами. Свободные атомы азота легко реагируют с большинством элементов, образуя нитриды, и даже когда два свободных атома азота сталкиваются с образованием возбужденной молекулы N2, они могут выделять столько энергии при столкновении даже с такими стабильными молекулами, как углекислый газ и вода, чтобы вызвать гомолитическое деление на радикалы, такие как CO и O или OH и H.
Атомный азот получают путем пропускания электрического разряда через азотный газ при давлении 0,1-2 мм рт. ст., в результате чего образуется атомарный азот вместе с персиково-желтым излучением, которое медленно затухает как послесвечение в течение нескольких минут даже после прекращения разряда.

Учитывая большую реакционную способность атомарного азота, элементарный азот обычно встречается в виде молекулярного N2, динитрогена. При стандартных условиях эта молекула представляет собой бесцветный, без запаха и вкуса диамагнитный газ: он плавится при -210 °C и кипит при -196 °C.
При комнатной температуре динитроген в основном нереактивен, но, тем не менее, он реагирует с металлическим литием и некоторыми комплексами переходных металлов. Это связано с его связью, которая является уникальной среди двухатомных элементов при стандартных условиях, поскольку он имеет тройную связь N≡N. Тройные связи имеют малую длину(109,76 пм) и высокую энергию диссоциации(945,41 кДж/моль), поэтому они очень прочные, что объясняет химическую инертность динитрогена.

Важно! При чрезвычайно высоком давлении(1,1 млн атм) и высокой температуре(2000 К), как это происходит в ячейке алмазной наковальни, азот полимеризуется в односвязную кубическую кристаллическую структуру гауч. Эта структура похожа на структуру алмаза, и оба они имеют чрезвычайно прочные ковалентные связи, в результате чего азот получил прозвище "азотный алмаз".

При атмосферном давлении молекулярный азот конденсируется(сжижается) при -195,79 °C и замерзает при -210,01 °C в бета-гексагональную аллотропную форму с тесной упаковкой кристаллов. Ниже -237,6 °C азот принимает кубическую кристаллическую аллотропную форму.
Жидкий азот, бесцветная жидкость, напоминающая по внешнему виду воду, но имеющая 80,8% плотности, является распространенным криогеном.
Твердый азот имеет множество кристаллических модификаций. Он образует значительное динамическое покрытие поверхности на Плутоне и внешних лунах Солнечной системы, таких как Тритон. Даже при низких температурах твердый азот достаточно летуч и может возгоняться, образуя атмосферу, или конденсироваться обратно в азотный иней. Он очень слаб и течет в виде ледников, а на Тритоне гейзеры азотного газа выходят из области полярной ледяной шапки.

История
Изучение атмосферы подарило человечеству азот. Хотя его открытие связывается с именем определенного ученого и конкретной датой, следовало бы заметить, что такая простота и ясность обманчивы.

С соединениями азота люди были знакомы с давних времен, например, с селитрой и азотной кислотой и много раз наблюдали выделение бурых паров диоксида азота. Очевидно, не было возможности открыть азот путем разложения его неорганических соединений. Не имея вкуса, запаха, цвета,будучи химически неактивным, он остался бы незамеченным.
Название "азот" было предложено в 1787 году Антуаном Лавуазье и другими французскими учеными, разработавшими принципы новой химической номенклатуры. Его авторы производили слово "азот" от греческой отрицательной приставки "а" и "зое", означающих «жизнь». Безжизненный, не поддерживающий дыхания и горения – в этом качестве видели химики основное свойство азота. Потом оказалось, что это все не так, что азот жизненно необходим растительным организмам. Символ элемента N происходит от латинского названия нитрогениум, означающего «селитрообразующий».

Органические соединения азота
Азот является одним из наиболее важных элементов в органической химии. Многие органические функциональные группы включают в себя связь углерода с азотом, например,
- амиды(R-CONR₂),
- амины (R-3N),
- имины(RC(=NR)R),
- имиды(RCO)2NR),
- азиды(RN₃),
- азосоединения(RN₂R),
- цианаты и изоцианаты(ROCN или RCNO),
- нитраты(RONO₂),
- нитрилы и изонитрилы(RCN или RNC),
- нитриты(RONO),
- нитросоединения(RNO₂),
- нитрозосоединения(RNO),
- оксимы(RCR=NOH) и производные пиридина.
Связи C-N сильно поляризованы в сторону азота. В этих соединениях азот обычно трехвалентен(хотя в четвертичных аммониевых солях он может быть четырехвалентным, R₄N⁺), с одинокой парой, которая может придавать соединению основность, будучи скоординированной с протоном. Это может быть компенсировано другими факторами: например, амиды не являются основными, поскольку одинокая пара делокализована в двойной связи, а пиррол не является кислотным, поскольку одинокая пара делокализована как часть ароматического кольца.
Количество азота в химическом веществе можно определить методом Кьельдаля.
В частности, азот является важнейшим компонентом нуклеиновых кислот, аминокислот и, следовательно, белков, а также молекулы аденозинтрифосфата(АТФ), переносящей энергию, и, таким образом, жизненно необходим для всего живого на Земле.

Возникновение
Азот - самый распространенный чистый элемент на Земле, составляющий 78,1% объема атмосферы. Несмотря на это, он не очень распространен в земной коре, составляя всего 19 частей на миллион, наравне с ниобием, галлием и литием. Единственными важными азотными минералами являются нитраты(нитрат калия, селитра) и содовая селитра(нитрат натрия, чилийская селитра). Однако они не являются важным источником нитратов с 1920-х годов, когда получил распространение промышленный синтез аммиака и азотной кислоты.

Соединения азота постоянно обмениваются между атмосферой и живыми организмами. Сначала азот должен быть переработан, или "зафиксирован", в пригодную для растений форму, обычно в аммиак. В некоторых случаях фиксация азота происходит в результате ударов молнии, в результате которых образуются оксиды азота, но в основном это делают диазотрофные бактерии с помощью ферментов, известных как нитрогеназы.
Когда аммиак попадает в растения, он используется для синтеза белков. Затем эти растения перевариваются животными, которые используют азотные соединения для синтеза своих белков и выделяют азотсодержащие отходы. Наконец, эти организмы умирают и разлагаются, подвергаясь бактериальному и экологическому окислению и денитрификации, возвращая свободный динитроген в атмосферу.

Промышленная фиксация азота с помощью процесса Хабера в основном используется в качестве удобрения, хотя избыток азотсодержащих отходов при выщелачивании приводит к эвтрофикации пресных вод и созданию морских мертвых зон, поскольку рост бактерий, вызванный азотом, истощает кислород воды до такой степени, что все высшие организмы погибают. Кроме того, закись азота, которая образуется в процессе денитрификации, разрушает озоновый слой атмосферы.

Важно! Многие солено-водные рыбы вырабатывают большое количество оксида триметиламина((CH₃)₃NO) для защиты от высокого осмотического воздействия окружающей среды; преобразование этого соединения в диметиламин отвечает за ранний запах у несвежей соленой рыбы. У животных свободный радикал оксида азота(производное аминокислоты) служит важной регулирующей молекулой кровообращения.

Быстрая реакция оксида азота с водой в организме животных приводит к образованию его метаболита - нитрита. Метаболизм азота в белках у животных в целом приводит к выделению мочевины, а метаболизм нуклеиновых кислот - к выделению мочевины и мочевой кислоты. Характерный запах разлагающейся плоти животных вызван образованием длинноцепочечных азотсодержащих аминов, таких как путресцин и кадаверин, которые являются продуктами распада аминокислот орнитина и лизина, соответственно, в разлагающихся белках.

Газообразный азот
Хотя азот нетоксичен, при попадании в замкнутое пространство он может вытеснить кислород и, следовательно, представляет опасность удушья. Это может произойти при незначительных симптомах, поскольку сонная артерия человека является относительно слабой и медленной системой определения низкого содержания кислорода(гипоксии).

При вдыхании азота при высоком парциальном давлении(более 4 бар, что встречается на глубине менее 30 м при подводном плавании) азот является анестезирующим агентом, вызывая азотный наркоз - временное состояние психического расстройства, похожее на опьянение закисью азота.

Азот растворяется в крови и жирах организма. Быстрая декомпрессия(например, когда водолазы поднимаются слишком быстро или астронавты слишком быстро декомпрессируются от давления в кабине до давления в скафандре) может привести к потенциально смертельному состоянию, называемому декомпрессионной болезнью(ранее известной как кессонная болезнь или сгибание), когда пузырьки азота образуются в кровотоке, нервах, суставах и других чувствительных или жизненно важных областях.
Пузырьки других "инертных" газов (газов, отличных от углекислого газа и кислорода) вызывают те же эффекты, поэтому замена азота в дыхательных газах может предотвратить азотный наркоз, но не предотвращает декомпрессионную болезнь.

Жидкий азот
Как криогенная жидкость, жидкий азот может быть опасен тем, что вызывает холодные ожоги при контакте, хотя эффект Лейденфроста обеспечивает защиту при очень коротком воздействии(около одной секунды).
Важно! Проглатывание жидкого азота может вызвать серьезные внутренние повреждения.

Чаще всего это проявляется при приготовлении пищи, когда капли воды разбрызгивают на горячую сковороду. Если температура сковороды находится на уровне или выше точки Лейденфроста, которая для воды составляет примерно 193 °C(379 °F), вода скачет по сковороде и испаряется дольше, чем если бы капли воды были разбрызганы на более холодную сковороду.

Поскольку коэффициент расширения жидкости и газа азота составляет 1:694 при 20 °C, при быстром испарении жидкого азота в замкнутом пространстве может возникнуть огромная сила. Сила взрыва может быть достаточна для того, чтобы пробить потолок непосредственно над резервуаром с азотом, разбить железобетонную балку непосредственно под ним и оторвать стены лаборатории на 0,1-0,2 м от фундамента.

Применение
Помимо использования в удобрениях и накопителях энергии, азот входит в состав таких различных органических соединений, как кевлар, используемый в высокопрочных тканях, и цианоакрилат, используемый в суперклеях.
Азот входит в состав всех основных фармакологических препаратов, включая антибиотики.
Многие лекарства являются имитаторами или пролекарствами природных азотсодержащих сигнальных молекул: например, органические нитраты нитроглицерин и нитропруссид контролируют кровяное давление путем метаболизма в оксид азота.
Многие известные азотсодержащие препараты, такие как природные кофеин и морфин или синтетические амфетамины, действуют на рецепторы животных нейротрансмиттеров.

Многие промышленно важные соединения, такие как аммиак, азотная кислота, органические нитраты(ракетное топливо и взрывчатые вещества) и цианиды, содержат азот.
В химии азота преобладает чрезвычайно прочная тройная связь в элементарном азоте(N≡N), вторая по прочности связь в любой двухатомной молекуле после угарного газа(CO). Это создает трудности для организмов и промышленности в преобразовании N₂ в полезные соединения, но в то же время это означает, что при сжигании, взрыве или разложении азотных соединений с образованием азотного газа выделяется большое количество часто полезной энергии.
Синтетически произведенные аммиак и нитраты являются основными промышленными удобрениями, а нитраты из удобрений - основными загрязнителями, способствующими эвтрофикации водных систем.

До вмешательства человека это был и остается очень медленный естественный процесс, в ходе которого питательные вещества, особенно соединения фосфора и органические вещества, накапливаются в водоемах. Эти питательные вещества образуются в результате деградации и растворения минералов в горных породах и под воздействием лишайников, мхов и грибов, активно извлекающих питательные вещества из горных пород.