ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ
Частина II. НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ
Розділ 10. ПІДГРУПА НІТРОГЕНУ
§ 10.2. Азот. Сигма – та пі-зв’язки
Поширення у природі. Азот у природі трапляється переважно у вільному стані. У повітрі об’ємна частка його становить 78,09 %, а масова частка – 75,6 %. Сполуки нітрогену в невеликих кількостях є у грунті. Нітроген входить до складу білкових речовин і багатьох природних органічних сполук. Загальний вміст азоту у земній корі становить 0,01 %.
Добування. У техніці азот добувають
NH4NO2 = N2 ↑ + 2Н2О.
Сигма – та пі-зв’язки. Для пояснення фізичних і хімічних властивостей простої речовини азоту необхідно детальніше розглянути будову його молекули. Як випливає з електронної будови зовнішнього рівня атома нітрогену (див. § 2.7), його хімічні зв’язки здійснюються трьома неспареними р-електронами кожного атома; р-орбіталі мають форму гантелі і напрямлені вздовж осі просторових координат. Це рх-, Ру – та pz – орбітапі. Утворення хімічних зв’язків є результатом перекривання орбіталей атомів (§ 3.1). Утворення потрійного зв’язку в молекулі азоту можна уявити, як показано на рис. 10.1 (у молекулі N2 хімічний зв’язок здійснюється за рахунок трьох спільних пар р-електронів, орбіталі яких напрямлені по осях х, y, z).
Ковалентний зв’язок, який утворюється при перекриванні орбіталей вздовж лінії, що зв’язує центри атомів, які сполучаються, називається о (сигма)-зв’язком.
Рис. 10.1. σ- і п-Зв’язки у молекулі азоту
Усі одинарні зв’язки є a-зв’язками. ру – і pz-Орбіталі, які залишилися, перекриваються по обидва боки від лінії, що сполучає центри атомів (рис. 10.2).
Ковалентний зв’язок, який виникає при перекриванні орбіталей по обидва боки від лінії, що сполучає центри атомів, які зв язуються, називається п (пі)-зв’язком.
Отже, в молекулі азоту є один σ- зв’язок і два п-зв’язки, разом три зв’язки, що можна зобразити так:
Рис. 10.2. Схема утворення п-зв’язку
Фізичні властивості. Азот – газ без кольору, запаху і смаку, легший за
Повітря. Розчиняється у воді гірше, ніж кисень: при 20 °С в 1 л води розчиняється 15,4 мл азоту (кисню – 31 мл). Тому в повітрі, розчиненому у воді, вміст кисню відносно азоту більший, ніж в атмосферному. Мала розчинність азоту у воді, а також його дуже низька температура кипіння пояснюються досить слабкими міжмолекулярними взаємодіями як між молекулами азоту і води, так і між молекулами азоту.
Природний азот складається з двох стабільних ізотопів з масовими числами 14 (99,64 %) і 15 (0,36 %).
Хімічні властивості. Молекула азоту складається з двох атомів. Довжина зв’язку між ними дуже мала – 0,109 нм. Потрійний зв’язок та його мала довжина роблять молекулу дуже міцною (енергія зв’язку 946 кДж/моль). Цим пояснюється мала реакційна здатність азоту при звичайній температурі (порівняти з O2 і Сl2).
При кімнатній температурі азот безпосередньо сполучається тільки з літієм:
6Li + N2 = 2Li3N.
Нітрид літію
З іншими металами він реагує лише при високій температурі, утворюючи нітриди. Наприклад:
ЗСа + N2 = Са3N2; 2Аl + N2 = 2AlN.
Нітрид кальцію Нітрид алюмінію
З воднем азот сполучається за наявності каталізатора, за високих тиску і температури:
N2 + ЗН2 ⇆ 2NH3.
При температурі електричної дуги (3 000-4 000 °С) азот сполучається з киснем:
N2 + O2 ⇆2NO.
Оскільки на зовнішньому енергетичному рівні атома нітрогену розташовано 5 електронів, нітроген виявляє ступені окиснення -3 і +5, а також +4, +3, +2, +1, -1 і -2.
Застосування. У великих кількостях азот застосовується для добування аміаку. Широко використовується для створення інертного середовища – наповнення електричних ламп розжарювання і вільного простору у ртутних термометрах, при перекачуванні горючих рідин. Ним азотують поверхню стальних виробів, тобто насичують їх поверхню азотом за високої температури. У результаті в поверхневому шарі утворюються нітриди феруму, які надають сталі більшої твердості. Така сталь витримує нагрівання до 500°С без втрати своєї твердості.
Велике значення азот має для життя рослин і тварин, оскільки він входить до складу білкових речовин. Сполуки нітрогену застосовуються у виробництві мінеральних добрив, вибухових речовин і в багатьох інших галузях промисловості.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)