Salpeter geven - zo wordt het woord stikstof uit het Latijn vertaald. Dit is de naam van stikstof - een chemisch element met atoomnummer 7, aan de kop van de 15e groep in de lange versie van het periodiek systeem. In de vorm van een eenvoudige substantie wordt het verdeeld in de luchtschil van de aarde - de atmosfeer. Een verscheidenheid aan stikstofverbindingen wordt aangetroffen in de aardkorst en levende organismen, en wordt veel gebruikt in de industrie, militaire zaken, landbouw en geneeskunde.
Waarom stikstof "verstikkend" en "levenloos" werd genoemd
Zoals historici van de scheikunde suggereren, was Henry Cavendish (1777) de eerste die deze eenvoudige stof ontving. De wetenschapper liet lucht over hete kolen gaan en gebruikte alkali om de reactieproducten te absorberen. Als resultaat van het experiment ontdekte de onderzoeker een kleurloos, geurloos gas dat niet reageerde met steenkool. Cavendish noemde het "verstikkende lucht" omdat het niet in staat was om te ademen en te branden.
Een moderne chemicus zou uitleggen dat zuurstof reageerde met koolstof om koolstofdioxide te vormen. Het resterende "verstikkende" deel van de lucht bestond voornamelijk uit N2 moleculen. Cavendish en andere wetenschappers wisten toen nog niets van deze stof af, hoewel stikstof- en salpeterverbindingen toen veel werden gebruikt in de economie. De wetenschapper rapporteerde het ongewone gas aan zijn collega, die soortgelijke experimenten uitvoerde, Joseph Priestley.
Tegelijkertijd vestigde Karl Scheele de aandacht op een onbekend bestanddeel van de lucht, maar kon de oorsprong ervan niet correct verklaren. Alleen Daniel Rutherford realiseerde zich in 1772 dat het "verstikkende" "bedorven" gas dat in de experimenten aanwezig was, stikstof was. Welke wetenschapper moet worden beschouwd als zijn ontdekker - wetenschapshistorici maken hier nog steeds ruzie over.
15 jaar na de experimenten van Rutherford, stelde de beroemde chemicus Antoine Lavoisier voor om de term "bedorven" lucht, verwijzend naar stikstof, te veranderen in een andere - stikstof. Tegen die tijd was bewezen dat deze stof niet brandt, de ademhaling niet ondersteunt. Tegelijkertijd verscheen de Russische naam "stikstof", die op verschillende manieren wordt geïnterpreteerd. Van de term wordt meestal gezegd dat het "levenloos" betekent. Later werk weerlegde de wijdverbreide mening over de eigenschappen van materie. Stikstofverbindingen - eiwitten - zijn de belangrijkste macromoleculen in de samenstelling van levende organismen. Om ze te bouwen, nemen planten de noodzakelijke elementen van minerale voeding uit de bodem op - ionen NO32- en NH4+.
Stikstof is een scheikundig element
Het periodiek systeem (PS) helpt de structuur van het atoom en zijn eigenschappen te begrijpen. Door de positie van een chemisch element in het periodiek systeem, kan men bepalen:kernlading, aantal protonen en neutronen (massanummer). Het is noodzakelijk om aandacht te besteden aan de waarde van atomaire massa - dit is een van de belangrijkste kenmerken van het element. Het periodenummer komt overeen met het aantal energieniveaus. In de korte versie van het periodiek systeem komt het groepsnummer overeen met het aantal elektronen in het buitenste energieniveau. Laten we alle gegevens in de algemene kenmerken van stikstof samenvatten door zijn positie in het periodiek systeem:
- Dit is een niet-metalen element dat zich in de rechterbovenhoek van de PS bevindt.
- Chemisch teken: N.
- Bestelnummer: 7.
- Relatieve atoommassa: 14.0067.
- Volatile waterstofverbinding formule: NH3 (ammoniak).
- Produceert het hoogste oxide N2O5, waarbij de stikstofvalentie V is.
De structuur van het stikstofatoom:
- Kernlading: +7.
- Aantal protonen:7; aantal neutronen: 7.
- Aantal energieniveaus: 2.
- Totaal aantal elektronen: 7; elektronische formule: 1s22s22p3.
De stabiele isotopen van element nr. 7 zijn in detail bestudeerd, hun massagetalen zijn 14 en 15. Het geh alte aan atomen van de aansteker ervan is 99,64%. Er zijn ook 7 protonen in de kernen van kortlevende radioactieve isotopen, en het aantal neutronen varieert sterk: 4, 5, 6, 9, 10.
Stikstof in de natuur
De luchtschil van de aarde bevat moleculen van een eenvoudige stof, waarvan de formule N2 is. Het geh alte aan gasvormige stikstof in de atmosfeer is per volumeongeveer 78,1%. Anorganische verbindingen van dit chemische element in de aardkorst zijn verschillende ammoniumzouten en nitraten (nitraten). Formules van verbindingen en namen van enkele van de belangrijkste stoffen:
- NH3, ammoniak.
- NO2, stikstofdioxide.
- NaNO3, natriumnitraat.
- (NH4)2SO4, ammoniumsulfaat.
Valentie van stikstof in de laatste twee verbindingen - IV. Steenkool, bodem, levende organismen bevatten ook gebonden N-atomen. Stikstof is een integraal onderdeel van aminozuurmacromoleculen, DNA- en RNA-nucleotiden, hormonen en hemoglobine. De totale inhoud van een chemisch element in het menselijk lichaam bereikt 2,5%.
Eenvoudige stof
Stikstof in de vorm van twee-atomige moleculen is qua volume en massa het grootste deel van de atmosferische lucht. Een stof waarvan de formule N2 is, heeft geen geur, kleur of smaak. Dit gas maakt meer dan 2/3 van de luchtomhulling van de aarde uit. In vloeibare vorm is stikstof een kleurloze stof die lijkt op water. Kookt bij -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. De eenvoudige stof stikstof is iets lichter dan zuurstof, de dichtheid in lucht ligt dicht bij 1.
Atomen in een molecuul binden stevig 3 gemeenschappelijke elektronenparen. De verbinding vertoont een hoge chemische stabiliteit, waardoor het zich onderscheidt van zuurstof en een aantal andere gasvormige stoffen. Om een stikstofmolecuul te laten desintegreren in zijn samenstellende atomen, is het nodig om een energie van 942,9 kJ / mol te verbruiken. Een binding van drie elektronenparen is erg sterk.breken af bij verhitting boven 2000 °C.
Onder normale omstandigheden vindt de dissociatie van moleculen in atomen praktisch niet plaats. De chemische inertie van stikstof is ook te wijten aan de volledige afwezigheid van polariteit in zijn moleculen. Ze hebben een zeer zwakke wisselwerking met elkaar, wat de reden is voor de gasvormige toestand van materie bij normale druk en temperatuur dichtbij kamertemperatuur. De lage reactiviteit van moleculaire stikstof vindt toepassing in verschillende processen en apparaten waar het nodig is om een inerte omgeving te creëren.
Dissociatie van moleculen N2 kan optreden onder invloed van zonnestraling in de bovenste atmosfeer. Er ontstaat atoomstikstof, die onder normale omstandigheden reageert met enkele metalen en niet-metalen (fosfor, zwavel, arseen). Hierdoor ontstaat er een synthese van stoffen die indirect onder terrestrische omstandigheden worden verkregen.
Stikstofvalentie
De buitenste elektronenlaag van een atoom wordt gevormd door 2 s en 3 p elektronen. Deze negatieve stikstofdeeltjes kunnen opgeven bij interactie met andere elementen, wat overeenkomt met de reducerende eigenschappen ervan. Door de ontbrekende 3 elektronen aan het octet te hechten, vertoont het atoom oxiderende eigenschappen. De elektronegativiteit van stikstof is lager, de niet-metalen eigenschappen zijn minder uitgesproken dan die van fluor, zuurstof en chloor. Bij interactie met deze chemische elementen geeft stikstof elektronen af (wordt geoxideerd). Reductie tot negatieve ionen gaat gepaard met reacties met andere niet-metalen en metalen.
Typische valentie van stikstof is III. In dit gevalchemische bindingen worden gevormd door de aantrekking van externe p-elektronen en het creëren van gemeenschappelijke (bindende) paren. Stikstof is in staat een donor-acceptorbinding te vormen vanwege het enige elektronenpaar, zoals dat voorkomt in het ammoniumion NH4+.
Laboratorium en industriële productie
Een van de laboratoriummethoden is gebaseerd op de oxiderende eigenschappen van koperoxide. Er wordt een stikstof-waterstofverbinding gebruikt - ammoniak NH3. Dit stinkende gas reageert met poedervormig zwart koperoxide. Als gevolg van de reactie komt stikstof vrij en verschijnt er metallisch koper (rood poeder). Druppels water, een ander product van de reactie, zetten zich af op de wanden van de buis.
Een andere laboratoriummethode die een combinatie van stikstof met metalen gebruikt, is azide, zoals NaN3. Het blijkt een gas te zijn dat niet gezuiverd hoeft te worden van onzuiverheden.
Ammoniumnitriet wordt in het laboratorium afgebroken tot stikstof en water. Om de reactie te laten beginnen, is verwarming vereist, waarna het proces verder gaat met het vrijkomen van warmte (exotherm). Stikstof is verontreinigd met onzuiverheden, dus het wordt gezuiverd en gedroogd.
Productie van stikstof in de industrie:
- fractionele destillatie van vloeibare lucht - een methode waarbij gebruik wordt gemaakt van de fysische eigenschappen van stikstof en zuurstof (verschillende kookpunten);
- chemische reactie van lucht met gloeiend hete kolen;
- adsorptiegasscheiding.
Interactie met metalen en waterstof - oxiderende eigenschappen
Inertheid van sterke moleculenstaat niet toe om sommige stikstofverbindingen door directe synthese te verkrijgen. Om atomen te activeren is sterke verhitting of bestraling van de stof nodig. Stikstof kan bij kamertemperatuur met lithium reageren, met magnesium, calcium en natrium vindt de reactie alleen plaats bij verhitting. De overeenkomstige metaalnitriden worden gevormd.
De interactie van stikstof met waterstof vindt plaats bij hoge temperaturen en drukken. Dit proces vereist ook een katalysator. Het blijkt ammoniak - een van de belangrijkste producten van chemische synthese. Stikstof, als oxidatiemiddel, vertoont drie negatieve oxidatietoestanden in zijn verbindingen:
- −3 (ammoniak en andere waterstofverbindingen van stikstof zijn nitriden);
- −2 (hydrazine N2H4);
- −1 (hydroxylamine NH2OH).
Het belangrijkste nitride - ammoniak - wordt in grote hoeveelheden geproduceerd in de industrie. De chemische inertie van stikstof bleef lange tijd een groot probleem. Salpeter was de bron van grondstoffen, maar de minerale reserves begonnen snel af te nemen naarmate de productie toenam.
Een grote prestatie van de chemische wetenschap en praktijk was de creatie van de ammoniakmethode voor stikstofbinding op industriële schaal. Directe synthese wordt uitgevoerd in speciale kolommen - een omkeerbaar proces tussen stikstof verkregen uit lucht en waterstof. Bij het creëren van optimale omstandigheden die het evenwicht van deze reactie naar het product verschuiven, met behulp van een katalysator, bereikt de ammoniakopbrengst 97%.
Interactie met zuurstof - reducerende eigenschappen
Om de reactie van stikstof en zuurstof te starten, is sterke verwarming noodzakelijk. Een elektrische boog en een bliksemontlading in de atmosfeer hebben voldoende energie. De belangrijkste anorganische verbindingen waarin stikstof zich in zijn positieve oxidatietoestand bevindt:
- +1 (stikstofmonoxide (I) N2O);
- +2 (stikstofmonoxide NO);
- +3 (stikstofmonoxide (III) N2O3; salpeterigzuur HNO2, zijn zouten zijn nitrieten);
- +4 (stikstof (IV) dioxide NO2);
- +5 (stikstofpentoxide (V) N2O5, salpeterzuur HNO3, nitraten).
Betekenis in de natuur
Planten absorberen ammoniumionen en nitraatanionen uit de bodem, gebruiken voor chemische reacties de synthese van organische moleculen, die voortdurend in cellen plaatsvinden. Atmosferische stikstof kan worden opgenomen door knobbelbacteriën - microscopisch kleine wezens die gezwellen vormen op de wortels van peulvruchten. Hierdoor krijgt deze groep planten het nodige voedingselement, verrijkt de bodem ermee.
Tijdens tropische stortbuien treden atmosferische stikstofoxidatiereacties op. Oxiden lossen op tot zuren, deze stikstofverbindingen in water komen in de bodem. Door de circulatie van het element in de natuur worden zijn reserves in de aardkorst en lucht voortdurend aangevuld. Complexe organische moleculen die stikstof bevatten, worden door bacteriën afgebroken tot anorganische componenten.
Praktisch gebruik
De belangrijkste connectiesstikstof voor de landbouw zijn goed oplosbare zouten. Ureum, salpeter (natrium, kalium, calcium), ammoniumverbindingen (een waterige oplossing van ammoniak, chloride, sulfaat, ammoniumnitraat) worden door planten opgenomen nitraten. Delen van het plantenorganisme kunnen macronutriënten "voor de toekomst" opslaan, wat de kwaliteit van producten verslechtert. Een teveel aan nitraten in groenten en fruit kan bij mensen vergiftiging veroorzaken, de groei van kwaadaardige neoplasmata. Naast de landbouw worden stikstofverbindingen in andere industrieën gebruikt:
- medicijnen ontvangen;
- voor de chemische synthese van macromoleculaire verbindingen;
- bij de productie van explosieven uit trinitrotolueen (TNT);
- voor de productie van kleurstoffen.
NO-oxide wordt gebruikt bij operaties, de stof heeft een pijnstillende werking. Het verlies van sensaties bij het inademen van dit gas werd zelfs opgemerkt door de eerste onderzoekers van de chemische eigenschappen van stikstof. Dit is hoe de triviale naam "lachgas" verscheen.
Probleem van nitraten in landbouwproducten
Salpeterzuurzouten - nitraten - bevatten een enkelvoudig geladen anion NO3-. Tot nu toe wordt de oude naam van deze groep stoffen gebruikt - salpeter. Nitraten worden gebruikt om velden, in kassen en boomgaarden te bemesten. Ze worden in het vroege voorjaar vóór het zaaien aangebracht, in de zomer - in de vorm van vloeibare verbanden. De stoffen zelf vormen geen groot gevaar voor de mens, maarin het lichaam veranderen ze in nitrieten en vervolgens in nitrosaminen. Nitrietionen NO2- zijn giftige deeltjes, ze veroorzaken de oxidatie van ferro-ijzer in hemoglobinemoleculen tot driewaardige ionen. In deze toestand is de hoofdsubstantie van het bloed van mensen en dieren niet in staat om zuurstof te vervoeren en koolstofdioxide uit weefsels te verwijderen.
Wat is het gevaar van nitraatverontreiniging van voedsel voor de menselijke gezondheid:
- kwaadaardige tumoren die optreden wanneer nitraten worden omgezet in nitrosaminen (kankerverwekkende stoffen);
- ontwikkeling van colitis ulcerosa,
- hypotensie of hypertensie;
- hartfalen;
- bloedstollingsstoornis
- lever, alvleesklier, diabetes ontwikkeling;
- ontwikkeling van nierfalen;
- bloedarmoede, verminderd geheugen, aandacht, intelligentie.
Gelijktijdige consumptie van verschillende voedingsmiddelen met hoge doses nitraten leidt tot acute vergiftiging. Bronnen kunnen planten, drinkwater, bereide vleesgerechten zijn. Weken in schoon water en koken kan het nitraatgeh alte van voedsel verminderen. De onderzoekers ontdekten dat hogere doses gevaarlijke stoffen werden gevonden in onrijpe en kasplantproducten.
Fosfor is een element van de stikstofsubgroep
Atomen van chemische elementen die zich in dezelfde verticale kolom van het periodiek systeem bevinden, vertonen gemeenschappelijke eigenschappen. Fosfor bevindt zich in de derde periode, behoort tot de 15e groep, net als stikstof. De structuur van atomenelementen lijken op elkaar, maar er zijn verschillen in eigenschappen. Stikstof en fosfor vertonen een negatieve oxidatietoestand en valentie III in hun verbindingen met metalen en waterstof.
Veel reacties van fosfor vinden plaats bij gewone temperaturen, het is een chemisch actief element. Het interageert met zuurstof om een hoger oxide P2O5 te vormen. Een waterige oplossing van deze stof heeft de eigenschappen van een zuur (metafosfor). Wanneer het wordt verwarmd, wordt orthofosforzuur verkregen. Het vormt verschillende soorten zouten, waarvan er vele dienen als minerale meststoffen, zoals superfosfaten. Verbindingen van stikstof en fosfor zijn een belangrijk onderdeel van de cyclus van stoffen en energie op onze planeet, ze worden gebruikt in industriële, landbouw- en andere activiteitsgebieden.
