khimie.ru

Свойства азота. Азот — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса газ, более легкий, чем воздух. Вес 1 л чистого азота при 0 °С и 760 мм. рт. ст. равен 1,2505 г, а вес «воздушного азота», содержащего 1,185 об.% аргона, составляет 1,2567 г; вес 1 л воздуха при тех же условиях равен 1,2928 г. Азот сжижается с трудом (критическая температура − 147,1 °С, критическое давление 33,5 атм., критическая плотность 0,3110). Температура кипения жидкого азота равна −195,8 °С, температура плавления твердого азота − 210,5 ºС. В воде азот менее растворим, чем кислород: 1 л воды при 0 °С растворяет 23,6 мл «воздушного азота» или 23,2 мл чистого азота.

Удельная теплоемкость чистого азота составляет при постоянном объеме с_v = 0,178, при постоянном давлении с_р = 0,249 (оба эти зпачения приведены для комнатной температуры); с_р/с_v = 1,40. Удельная теплоемкость жидкого азота вблизи от температуры кипения равна с_р = 0,46; теплота испарения 47,74 кал/г.

Ниже −237,7 °С азот, как это впервые установили Кеезом и Каммерлинг Оннес на основании опытов по исследованию его удельной теплоемкости, превращается в другую модификацию. Эта устойчивая при низких температурах модификация азота ярко светится при освещении катодными лучами, причем спектр этого свочения очень похож на своеобразный спектр северного сияния. Выше температуры превращения азот трудно заставить светиться, и тогда он дает другой спектр.

В газообразном состоянии азот состоит из двухатомных молекул N₂ (межатомное расстояние 1,0945 Å, момент инерции 13,84∙10^-14 г∙см²). Даже при 3000 °С диссоциация этих молекул не достигает еще значительной степени. Уже из этого следует, что работа диссоциации должна быть особенно велика. Спектрографически для нее получают в качестве наиболее вероятной величины значение 9,704 за (225,2 ккал/моль). Заметное расщепление азота на атомы происходит под влиянием тлеющего электрического разряда под уменьшенным давлением. Это явление впервые наблюдал Штрутт. Атомарный азот химически чрезвычайно активен. Например, при обычной температуре он взаимодействует со ртутью, с образованием Нg₃N, а также с серой и фосфором. Рекомбинация атомов азота сопровождается желтым свечением, продолжающимся еще некоторое время после прекращения электрического разряда.

При обычных условиях азот очень инертный газ. Однако при высокой температуре его активность значительно возрастает, и тогда он взаимодействует со многими веществами, образуя нитриды.

Под влиянием искровых разрядов азот соединяется в незначителной степени с водородом, образуя аммиак NН₃. Однако при высоких температурах равновесие:

N₂ + 3H₂  2NH₃

полностью смещено в левую сторону. Поэтому образовавшийся аммиак, лишь только его концентрация превзойдет некоторую минимальную величину, вновь разлагается под влиянием электрических разрядов. Можно, однако, получить большие количества аммиака, если проводить это взаимодействие при возможно более низкой температуре, что и происходит, если реакция протекает в присутствии соответствующих катализаторов. Кроме того, можно сдвинуть равновесие слева направо, применяя высокое давление.

Значительное прямое взаимодействие азота с кислородом воздуха можно вызвать, пользуясь искусственным приемом. Получающееся в этом случае соединение − оксид азота NО хотя и стабильно при очень высоких температурах, однако равновесие:

N₂ + O₂ ↔ 2NO

при понижении температуры все более и более смещается влево. Несмотря на это, существование оксида азота и при обычной температуре объясняется тем, что скорость ее распада при этих условиях практически равняется нулю; оксид азота метастабилен. При нагревании он распадается еще до того, как достигается область температур, при которых равновесие сколько-нибудь заметно сдвигается вправо. По данным Нернста, при 2000 °С в равновесии со смесью азота и кислорода, соответствующей по составу атмосферному воздуху находятся 1,2 об. % NО, а при 3000 °С − 5,3 об.% NО. Поэтому, чтобы получить оксид азота в достаточных концентрациях, необходимо, с одной стороны, применять очень высокие температуры, а с другой, чтобы избежать разложения NО при охлаждении, следует образовавшуюся газовую смесь охлаждать мгновенно, т. е. крайне быстро переводить ее из области температур около 3000 °С до температуры ниже 1000 °С. Достаточно высокие температуры для этой реакции получают при применении электрической дуги, а мгновенное охлаждение практически достигается, например, тем, что пламя электрической дуги при помощи сильного электромагнита растягивают в диск, через который продувают газовую смесь (воздух). Достигаемое таким образом «сжигание воздуха» имеет в настоящее время некоторое практическое значение для получения азотной кислоты (процесс Биркеланда и Эйде).

Еще Пристли установил, что если через смесь азота и кислорода, собранную над водой, долгое время пропускать электрические искры, то происходит уменьшение объема газа. В данном случае сначала образуется оксид азота, из которой затем получается диоксид азота, и, наконец, азотная кислота, образование которой было установлено еще Кавендишем (1784). Так как образующаяся при этом оксид азота удаляется из сферы реакции, то, пропуская очень долго искры и ведя реакцию при избытке кислорода, можно полностью перевести весь азот в азотную кислоту. Для практического получения азотной кислоты этот длительный способ, конечно, не может иметь значения; однако им именно воспользовался Релей для получения аргона.