Azot

Azot

węgiel ← azot → tlen
– ↑ N ↓ P 7 N
Wygląd
bezbarwny i bezwonny gaz
ciekły azot
Widmo emisyjne azotu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	azot, N, 7
Grupa, okres, blok	15, 2, p
Stopień utlenienia	−III, −II, −I, −⅓, I, II, III, IV, V
Właściwości metaliczne	niemetal
Właściwości tlenków	niższe: obojętne; wyższe: kwasowe
Masa atomowa	14,007 ± 0,001
Stan skupienia	gazowy
Gęstość	1,250 g/l (gaz, 0 °C, 1013 mbar) 0,8085 kg/l (ciecz, −196 °C)
Temperatura topnienia	−210,01 °C
Temperatura wrzenia	−195,8 °C
Numer CAS	7727-37-9
PubChem	947
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny • van der Waalsa 65 (obl. 56) pm 75 pm 155 pm Konfiguracja elektronowa [He]2s22p3 Zapełnienie powłok 2, 5 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 3,04 3,07 Potencjały jonizacyjne I 1402,3 kJ/mol II 1402,3 kJ/mol III 1402,3 kJ/mol
Właściwości fizyczne Punkt potrójny 63,18 K; 12,6 kPa Punkt krytyczny −146,94 °C; 3,39 MPa Ciepło parowania 2,7928 kJ/mol Ciepło topnienia 0,3604 kJ/mol Ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu 1040 J/(kg·K) Przewodność cieplna 0,02598 W/(m·K) Układ krystalograficzny heksagonalny Prędkość dźwięku 334 m/s (298,15 K) Objętość molowa 13,54×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 13N {syn.} 9,965 min β+ 2,220 13C 14N 99,634% stabilny izotop z 7 neutronami 15N 0,366% stabilny izotop z 8 neutronami 16N {syn.} 7,13 s β− 10,42 16O
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2020-01-02] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanej karty charakterystyki Uwaga Zwroty H H280 Zwroty P P410+P403 NFPA 704 Na podstawie podanego źródła 0 0 0
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Azot (N, łac. nitrogenium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 7, niemetal z grupy 15 (azotowców) układu okresowego. W warunkach normalnych jest bezbarwnym, bezzapachowym gazem. Został odkryty w 1772 roku przez Daniela Rutherforda.

Azot jest podstawowym składnikiem powietrza (78,09% objętości), a jego zawartość w litosferze Ziemi wynosi 50 ppm. Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy, azotyny oraz wielu ważnych związków organicznych (kwasy nukleinowe, białka, alkaloidy i wiele innych).

Stabilnymi izotopami azotu są ¹⁴N i ¹⁵N. W stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N₂. W cząsteczce te dwa atomy tego pierwiastka są połączone ze sobą wiązaniem potrójnym.

Historia

Czysty azot otrzymał z powietrza Daniel Rutherford, usuwając z niego tlen przez spalanie substancji w zamkniętej przestrzeni. Powstały dwutlenek węgla usunął przez absorpcję w roztworze wodorotlenku potasu.

Łacińska nazwa powstała z połączenia łacińskiego nitrum (saletra) i greckiego genes (tworzący). Jako pierwszy polską nazwę – azot – zaproponował Filip Walter (1844). Używano też nazwy dusień i saletroród.

Otrzymywanie

Azot o wysokiej czystości można uzyskać poprzez termiczny rozkład azotynu amonu, jednak taki azot zawiera małe ilości tlenków azotu:

NH₄NO₂ → N₂↑ + 2H₂O

Najczystszy azot otrzymuje się przez rozkład termiczny w próżni azydku sodowego.

W laboratorium można otrzymać azot w wyniku łagodnego ogrzewania mieszaniny chlorku amonu (salmiaku) i azotynu sodu:

NH₄Cl + NaNO₂ → N₂↑ + NaCl + 2H₂O

W przemysłowej metodzie otrzymywania azotu skrapla się powietrze, stosując odpowiednie ciśnienie i temperaturę. W tych warunkach azot i wszystkie gazy znajdujące się nad nim na skali temperatur wrzenia skraplają się i są w otrzymanej cieczy. Trzy pierwiastki znajdujące się pod azotem: neon, wodór i hel pozostają w stanie gazowym i są przekazywane do oddzielnego procesu. Następny etap to frakcjonowanie poprzez podwyższenie temperatury (lub obniżenie ciśnienia), powodujące odparowanie ciekłego azotu. Odprowadzony azot jest powtórnie skraplany, przechowywany i transportowany w tzw. naczyniach Dewara lub w formie gazowej w temperaturze otoczenia w stalowych butlach.

Wybrane związki azotu

Nieorganiczne:

• Tlenki azotu: tlenek diazotu (N₂O), tlenek azotu (NO), tritlenek diazotu (N₂O₃), dwutlenek azotu (NO₂), tetratlenek diazotu (N₂O₄), pentatlenek diazotu (N₂O₅)
• Związki z wodorem: amoniak, hydrazyna i azotowodór
• Kwasy: kwas azotowy i kwas azotawy
• Sole: azotany i azotyny, sole amonowe
• azotki

Organiczne:

• aminy
• amidy

Właściwości

W warunkach normalnych jest bezbarwnym i bezwonnym gazem. W temperaturze −195,8 °C skrapla się pod normalnym ciśnieniem dając również bezbarwny ciekły azot, a po dalszym schłodzeniu, do −210,01 °C, zestala się.

Jest bierny chemicznie, co spowodowane jest bardzo wysoką energią wiązania potrójnego w cząsteczce N₂, wynosi ona 945,33 ± 0,59 kJ·mol⁻¹. Stopień dysocjacji w temperaturze 4000 K wynosi niecałe 3%. W podwyższonej temperaturze reaguje z metalami dając azotki, a także z innymi pierwiastkami, np. z wodorem tworzy amoniak, a z tlenem tlenki azotu, np.:

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃      ΔG −22,0 kcal (0 °C)

N₂ + O₂ ⇌ 2NO      ΔG 43,2 kcal

Procesy te (współcześnie zwłaszcza synteza amoniaku) wykorzystywane są przemysłowo do wiązania azotu atmosferycznego w celu produkcji licznych związków azotu. Innym wysokotemperaturowym procesem przemysłowym wiązania azotu jest reakcja azotu z karbidem prowadząca do cyjanamidu wapnia:

CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C

Naturalnie azot wiązany jest głównie przez bakterie azotowe w brodawkach roślin motylkowych oraz w trakcie wyładowań atmosferycznych.

Odmiany alotropowe

W fazie stałej występuje w trzech odmianach alotropowych. Dwie pierwsze to α o regularnej strukturze krystalicznej, która w –237,5 °C przechodzi w heksagonalną formę β. Ponadto w 2020 r. uzyskano nową, wysokociśnieniową i wysokotemperaturową odmianę alotropową, której nadano nazwę azot czarny. Powstaje on pod ciśnieniem 1,4 mln atm. i w temp. ok. 4000 °C (dla uzyskania takiego ciśnienia stosuje się prasę wyposażoną w diamentowe kowadła, natomiast odpowiednio wysoką temperaturę zapewnia wiązka lasera). W warunkach tych otrzymano monokryształy tej formy pierwiastka i zbadano je za pomocą synchrotronowej rentgenografii strukturalnej oraz spektroskopii Ramana. Azot czarny ma strukturę polimeryczną, analogiczną do struktury fosforu czarnego. Atomy azotu tworzą pofałdowane warstwy, w których odległości międzyatomowe wynoszą 1,34 i 1,43 Å (dla porównania, odległość między atomami diazotu N≡N wynosi 1,10 Å, natomiast wiązanie N−N w hydrazynie ma 1,45 Å), natomiast minimalna odległość między atomami sąsiednich warstw to 2,33 Å, co wyklucza powstawanie wiązań kowalencyjnych między warstwami.

Znaczenie biologiczne azotu

Należy do pierwiastków o bardzo dużym znaczeniu biologicznym. Wchodzi w skład wielu biocząsteczek, takich jak aminokwasy i białka, nukleotydy i kwasy nukleinowe. Większość organizmów nie jest zdolna do przyswajania azotu pierwiastkowego, z wyjątkiem bakterii azotowych wiążących wolny azot z powietrza, żyjących swobodnie w glebie lub symbiotycznych z roślinami bobowatymi (daw. motylkowatymi) bakterii brodawkowych. Dopiero w związkach, takich jak azotany, azotyny lub sole amonowe, jest przyswajalny przez rośliny.

Wpływ azotu na organizm

Azot atmosferyczny

Azot pod normalnym ciśnieniem jest obojętny dla organizmów żywych. Może jednak wywołać objawy zatrucia u osób przebywających w powietrzu o zwiększonym ciśnieniu. W takich warunkach azot lepiej rozpuszcza się w płynach ustrojowych i tkankach bogatych w lipidy (np. w mózgu), co prowadzi do pojawienia się objawów zatrucia, takich jak:

• przy ciśnieniu 4 atm
  • euforia, skłonność do śmiechu, gadulstwo
  • spowolnienie reakcji na bodźce
• przy ciśnieniu 10 atm
  • ostre zaburzenia pracy mięśni, koordynacji ruchów
  • zawroty głowy
  • zaburzenia świadomości
• przy ciśnieniu powyżej 10 atm
  • po kilku minutach następuje utrata świadomości i śpiączka

Jeszcze bardziej niebezpieczne od rozpuszczania się azotu w tkankach jest jego wydzielanie się w postaci pęcherzyków gazu podczas zmniejszania ciśnienia. Prowadzić to może do groźnej dla zdrowia i życia choroby dekompresyjnej (kesonowej).

Związki azotu w pożywieniu i wodzie pitnej

Woda zawierająca więcej niż 45 ppm związków azotu jest uznawana za szkodliwą dla dzieci. Szczególnie toksyczne są azotyny. Ich obecność w glebie i wodzie pitnej jest jednak znikoma. Dość niebezpieczne dla środowiska jest składowanie związku azotu np. nawozów w zbiornikach z blachy ocynkowanej ze strony wewnętrznej, gdyż związki azotu wchodzą w reakcje ze związkami cynku i żelaza, a po zastosowaniu takiego nawozu powstałe związki przedostają się do wód gruntowych.

Azot w glebie

Azot wolny z atmosfery nie jest przyjmowany przez rośliny, ponieważ wymagają one związków, dodatkowo 99% azotu glebowego pozostaje w związkach organicznych o zbyt złożonej budowie, by mogła je przyjąć większość gatunków roślin. Azotu, który może zostać przyjęty przez roślinny wyższe, jest przeciętnie mniej niż 34 kg/ha, a azotu w związkach – około 3385 kg/ha. Ilość azotu przyjmowanego może wynieść nawet do 112,5 kg/ha.

Wpływ azotu na wzrost roślin

Azot jest potrzebny roślinom głównie w fazie wzrostu, ze względu na możliwość akumulacji azotu przez roślinę, przy wysokim stężeniu azotu w glebie, absorpcja tego pierwiastka jest znacznie szybsza niż wzrost rośliny.

Przy niedoborze azotu rośliny rosną wolno, są słabe, bledsze oraz następuje zahamowanie kwitnienia. Kolor ten jest związany z deficytem chlorofilu, który bierze udział w procesie fotosyntezy. Skrajny niedobór azotu może powodować żółtawobrązowe zabarwienie fragmentów liści. Niedobór azotu w glebie może zostać uzupełniony przez nawożenie nawozami azotowymi lub poprzez zmianę uprawy na potrzebującą mniej azotu.

Nadmiar azotu nie jest w zasadzie szkodliwy dla rośliny, gdyż rośliny mogą sobie go akumulować, jednakże nadmiar związków azotu może powodować nadmierny wzrost rośliny i brak możliwości przyjmowania innych pierwiastków niezbędnych roślinie. Groźny jest za to nadmiar azotu połączony z niedoborem fosforu, potasu lub wody. Nadmiar azotu może szkodzić jakości i wielkości plonów. Nadmiar azotu jest szkodliwy dla drzew w przypadku mrozów. Rośliny mające za dużo azotu są ciemnozielone, wyglądają aż nazbyt dorodnie. Gleba posiadająca za dużo azotu powinna być nawożona nawozami zawierającymi potas i fosfor.

Objawy niedoboru azotu u zwierząt i człowieka

Zaburzenie bilansu azotowego może powodować utratę masy ciała oraz obrzęki. W przypadku długotrwałego niedoboru może występować martwica lub marskość wątroby.

Zastosowanie azotu

Ciekły azot jest stosowany jako środek chłodzący do uzyskiwania temperatur poniżej −100 °C. W postaci gazowej azot wykorzystywany jest jako najtańsza z dostępnych atmosfer ochronnych w wielu procesach przemysłowych, a także jako gaz roboczy w niektórych układach pneumatycznych.

Z azotu otrzymuje się amoniak oraz tlenki azotu wykorzystywane w produkcji kwasu azotowego, związki o dużym znaczeniu przemysłowym. Ponadto szeroko wykorzystuje się azotany, azotyny, hydrazynę, hydroksyloaminę i in. związki zawierające azot.

Zobacz też

• ciekły azot
• azot ogólny
• Pierwiastki biofilne

Bibliografia

• WitoldW. Seńczuk WitoldW. (red.), Toksykologia. Podręcznik dla studentów, lekarzy i farmaceutów, wyd. IV, Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2002, ISBN 83-200-2648-2 . Brak numerów stron w książce

Przeczytaj ostrzeżenie dotyczące informacji medycznych i pokrewnych zamieszczonych w Wikipedii.