היווצרות, מדע
מהו חנקן? חנקן המוני. מולקולת חנקן
האלמנט אל המתכתי של הקבוצה ה -15 [Va] הטבלה המחזורית - חנקן האטום 2 מתוכם המצטרפות מולקולה - חסר צבע, גז חסר ריח וחסר טעם המהווים חלק גדול של האטמוספרה של כדור הארץ ואת המהווה חלק של כל יצורי החיים.
היסטוריה של גילוי
גז חנקן הוא כ 4/5 של האטמוספרה של כדור הארץ. זה היה מבודד מחקר האוויר מוקדם. בשנת 1772, שוודי Himik קרל וילהלם שלה הראשון להדגים כי חנקן כזה. לדבריו, באוויר הוא תערובת של שני גזים, שאחד מהם הוא נקרא "אוויר אש", כי הוא לתמוך בעירה, ואחרות - .. "אוויר לא טהור" כי זה נשאר אחרי הראשונים שצרכו. אלה היו החמצן והחנקן. בסביבות אותה חנקן הזמן כבר מבודד על ידי הבוטנאי הסקוטי דניאל Rutherford, שפרסם את ממצאיו ראשונים, כמו גם הכימאי הבריטי הנרי קבנדיש הכומר הבריטי מדען Dzhozefom Pristli, שחלוק עם עליונות Scheele של גילוי החמצן. מחקרים נוספים הראו כי גז חדש הוא חלק חנק חנק או אשלגן (KNO 3), ובהתאם לכך, הוא זכה בתואר של חנקן ( "לתת חנק לידה") על ידי הכימאי צרפתי Chaptal ב 1790 חנקן יוחס תחילה היסודות הכימיים של לבואזיה, שהסברה של תפקיד חמצן הבעירה הפריכה את פלוגיסטון - הפופולרי במאה שמונה עשרה. בעירת טעות. חוסר היכולת של יסוד כימי זה לתמוך בחיים (ζωή יוונית) היא הסיבה לכך לבואזיה בשם גז חנקן.
את ההופעה ואת ההתפשטות
מהו חנקן? על פי שפע של יסודות כימיים, הוא מדורג במקום השישי. האווירה של כדור הארץ כדי 75.51% לפי משקל ו 78.09% לפי נפח מורכב האלמנט וזה מקור עיקרי עבור התעשייה. האווירה מכיל גם כמות קטנה של מלחים אמוניה אמוניום, כמו גם תחמוצות חנקן ו חומצה חנקתית, הנוצרים במהלך סופות רעמים במנועי בעירה פנימית. חנקן חינם נמצא במטאוריטים רבים, גז וולקני ושלי וכמה מעיינות מינרליים, השמש, הכוכבים הערפיליים.
חנקן נמצא גם מרבצי המינרלים של אשלגן חנקתי נתרן, אבל כדי לענות על צרכים אנושיים מספיק. עוד חומר עשיר ברכיב זה הוא גואנו, אשר ניתן למצוא את המערות, שם המון עטלפים, או במקומות היבשים מבקרים ציפור. כמו כן, חנקן כלול הגשם וההאדמה בצורת מלחי אמונית אמוניום, ו במי ים בצורת יוני אמוניום (NH 4 +), ניטריט (NO 2 -) ו חנק (NO 3 -). הממוצע הוא כ 16% של תרכובות מורכבות אורגניים כגון חלבונים, נמצאים בכל היצורים החיים. התוכן טבעי קרום כדור הארץ הוא 0.3 חלקי על ידי 1000. שכיחות בחלל - מ 3 עד 7 אטומים לכל אטום סיליקון.
המפיקות הגדולות של חנקן (אמוניה) בתחילת המאה XXI, היו הודו, רוסיה, ארצות הברית, טרינידד וטובגו, אוקראינה.
ייצור ושימוש מסחרי
ייצור של חנקן תעשייתי מבוסס על בזיקוק של אוויר נוזלי. טמפרטורת הרתיחה שלו היא שווה -195.8 ° C, 13 ° C נמוך מזו של חמצן, אשר ובכך מופרד. חנקן יכול להיות מיוצר גם בקנה מידה גדול על ידי בעירה של פחמן או פחמימנים באוויר הפרדת פחמן דו-חמצני כתוצאה ומים מן חנקן שיורי. בקנה מידה קטנה חנקן טהור מופק על ידי חימום הבריום יזיד Ba (N 3) 2. תגובת מעבדה כוללת חימום פתרון של ניטריט אמוניום (NH 4 NO 2), החמצון של אמוניה עם פתרון ברום מימי או עם מחומם תחמוצת נחושת :
- NH 4 + + NO 2 - → N 2 + 2H 2 O.
- 8NH 3 + 3br 2 → N 2 + 6NH 4 + + 6Br -.
- 2NH 3 + 3CuO → N 2 + 3H 2 O + 3Cu.
חנקן Elemental עשוי לשמש אווירה אינרטי לתגובות מחייב הרחקה של חמצן ולחות. משמש חנקן נוזלי. מימן, מתאן, פחמן חד חמצני, חמצן, פלואור, ועל - החומר היחיד אשר, כאשר נקודת רתיחה של חנקן הוא לא במצב מוצק גבישי.
בתעשייה הכימית, יסוד כימי זה משמש כדי למנוע חמצון או קלקול אחר, כמו diluent אינרטי, גז תגובתי להסיר את החום או כימיקלים, וכן מעכב שריפה או פיצוץ. בתעשיית המזון, גז חנקן משמש כדי למנוע קלקול, ואת הנוזלים - למערכות הקפאת ייבוש וקירור. בשנות ה גז לתעשיית החשמל מונע חמצון ותגובות כימיות אחרות, איטומים נדן כבל ומגן על מנועים. מתכות, החנקן משמש ריתוך הלחמה, מניעת חמצון, carburization, ו decarburization. כמו הגז הפעיל הוא משמש לייצור גומי נקבובי, פלסטיקה אלסטומרים, היא משמשת דלק בבקבוקי תרסיס, וגם יוצרת לחץ על מטוסי דלק הנוזליים. ברפואה, להקפאה מהירה עם חנקן נוזלי משמשת לאחסון דם, מח עצם, רקמה, חיידקים וזרע. הוא מצא יישום במחקר קריוגני.
חיבורים
רוב החנקן משמש בייצור של תרכובות כימיות. הקשר המשולש בין האטומים של היסוד הוא כל כך חזק (226 קלוריות לכל שומה של פעמים גבוהות יותר מזה של מימן מולקולרי), כי מולקולת החנקן בקושי נכנסה לתוך תרכובות אחרות.
אלמנט הקיבוע בשיטה מתועשת העיקרי הוא תהליך הבר-בוש לסינתזה של אמוניה פתחה במהלך מלחמת העולם השנייה, גרמניה כדי להפחית את התלות חנק הצ'יליאני. היא כוללת סינתזה ישירה של NH 3 - גז חסר צבע עם ריח חריף, מעצבן - ישירות מתוך תהומות.
רוב האמוניה מומרת חומצה חנקתית (HNO 3), וכן חנקות - מלחים אסטרים של חומצה חנקתית, אפר סודה (Na 2 CO 3), הידרזין (N 2 H 4) - נוזל חסר צבע משמש דלק, ובהרבה תעשייתי תהליכים.
חומצה חנקתית היא המתחם המסחרי הכימי גדול האחר של האלמנט. נוזל מאכל חסר צבע, מאוד משמש לייצור דשנים, צבעים, תרופות וחומרי נפץ. מלחת (NH 4 NO 3) - מלח של חומצה חנקתית אמוניה - הוא המרכיב דשן חנקני הנפוצים ביותר.
חמצן + חנקן
C יוצר סדרה של חמצן, תחמוצות חנקן, r. H. תחמוצת החנקן (N 2 O), שבו הוא השווה הערכי של 1 תחמוצת (NO) (2) ודו תחמוצת (NO 2) (4). רבות מאוד תחמוצות חנקן תנודתי; הם המקורות העיקריים של זיהום באטמוספרה. תחמוצת החנקן, המכונה גם גז צחוק, ולפעמים משמש כחומר הרדמה. כאשר בשאיפה, זה גורם להיסטריה קלה. תחמוצת חנקן מגיבה במהירות עם חמצן כדי ליצור מוצר ביניים דו חום של ייצור חומצה חנקתית ו מחמצן חזק בתהליכים כימיים הודף.
כמו כן נעשה שימוש הם חלק nitrides נוצר על ידי מתכות עם תרכובת חנקן בטמפרטורות גבוהות. Nitrides של בורון, טיטניום, זירקוניום יש טנטלום יישום מיוחד. צורה גבישית האחת בורון ניטריד (BN), למשל, אינה נחה יהלום קשיות חמצון ולכן הרע משמש גבוה שוחק.
ציאנידים אורגניים מכילים קבוצת CN -. מימן ציאניד או חומצה hydrocyanic HCN, הוא מאוד תנודתי גז רעיל מאוד אשר משמש ריכוזים עשון בצר בתהליכים תעשייתיים אחרים. ציאנוגן (CN) 2 משמש עישון ביניים עבור כימיים.
Azides הם תרכובות המכילות קבוצה של שלושה אטומי חנקן -N 3. רובם אינם יציבים מאוד רגישים לזעזועים. חלקם, כגון אזיד עופרת, Pb (N 3) 2, המשמש נפצים פריימרים. Azides, כמו הלוגנים, אינטראקציה בקלות עם חומרים אחרים כדי ליצור ריבוי של תרכובות.
חנקן הוא חלק מכמה אלפי תרכובות אורגניות. רובם נובעים אמוניה, מימן ציאניד, ציאנוגן, חנקן או חומצה חנקתית. אמינים, חומצות אמינו, ואימידים, למשל, נגזרו אמוניה או קשור קשר הדוק זה. אסטרים חנקתית - ניטרוגליצרין nitrocellulose. ניטריט הוכן מחומצת החנקן (HNO 2). Purines אלקלואידים הם תרכובות הטרוציקליות שבו החנקן מחליף אטום פחמן אחד או יותר.
מאפיינים ותגובות
מהו חנקן? זהו גז חסר צבע, חסר ריח כי מתעבה ב -195,8 ° C, חסרת צבע, בעל צמיגות נמוכה. אלמנט קיים בצורה של מולקולות 2 N, מיוצג בצורה: N ::: N:, שבו אנרגיית קשר שווה 226 קק"ל לכל השומה, שני רק פחמן חד-חמצני (256 קילוקלוריות לכל השומה). מסיבה זו, את אנרגית השפעול של חנקן מולקולרי היא גבוהה מאוד, ולכן בתנאים נורמלים האלמנט הוא יחסית אדיש. כמו כן, מאוד מולקולת חנקן יציבה תורם רבות היציבות התרמודינמית של תרכובות חנקן רבים, בהם הקשר, גם אם חזק מספיק, אבל יחסי נחות חנקן מולקולרי.
יחסית לאחרונה, ואת היכולת של מולקולות החנקן התגלו במפתיע לשמש הליגנדים עבור תרכובות מורכבות. התצפית כי כמה פתרונות של מתחמי רותניום יכולים לספוג חנקן אטמוספרי הובילה מה ניתן למצוא בקרוב פשוט דרך טובה יותר של תיקון היסוד.
חנקן Active ניתן להשיג על ידי העברת גז בלחץ נמוך באמצעות פריקה חשמלית במתח גבוה. המוצר הנו ענבר ועוד בקלות מגיב מ מולקולרי, מימן אטומי, גופרית, זרחן ומתכות שונות, וגם הוא מסוגל נרקב NO ל- N 2 ו- O 2.
הבנה טובה יותר של מה הוא חנקן, ניתן להשיג בשל המבנה האלקטרוני שלה אשר יש לו את טופס 1s 2s 2 2 3 2P. חמש קליפת אלקטרונים חיצונית מעט למסך האישום, וכתוצאה מכך מטען גרעיני יעיל הרגישה באזור של רדיוס קוולנטי. אטומי חנקן הם קטנים יחסית ויש לי אלקטרושליליות גבוהה, הממוקם בין פחמן וחמצן. תצורת E כוללת שלושה אורביטלים חצי חיצוני, מה שמאפשר ליצור שלושה קשרים קוולנטיים. לכן, לאטום החנקן חייב להיות תגובתיות גבוהה מאוד, להרכיב עם רוב האלמנטים אחרים תרכובות בינארית יציבות, במיוחד כאשר האלמנט השני הוא אלקטרושליליות שונה מהותי, מקנה קשרים קוטביים משמעותיים. כאשר אלמנט אחר אלקטרונגטיביות קוטביות תחתונה מחוברת לאטום חנקן של מטען שלילי חלקי, אשר משחרר אלקטרוני unshared שלה להשתתף אג"חי תיאום. כאשר אלמנט אחר מטען חיובי חלקי חנקן אלקטרו יותר מגביל באופן משמעותי תכונות תורמות של המולקולה. בשעה קוטביות נמוך בשל בגלל אלקטרושליליות שווה אלמנט אחר, תקשורת מרובה לגבור על אחת. אם אי-התאמה בגודל אטומי מונע היווצרות של קשרים מרובים היוצרות קשר בודד צפוי להיות חלש יחסית, ואת החיבור אינו יציב.
כימיה אנליטית
לעתים קרובות אחוז החנקן בתערובת הגזים יכול להיקבע על ידי מדידת הנפח שלה לאחר קליטת רכיבים אחרים של ריאגנטים הכימיים. הפירוק של חומצה גופרתית בנוכחות חנק כספית משחרר תחמוצת חנקנית, אשר ניתן למדוד כגז. חנקן הוא משוחרר מן התרכובות אורגניות כאשר הם שרפו מעל תחמוצת נחושת, ואת החנקן החופשי עשוי להימדד כגז לאחר קליטת תוצרי בעירה אחרות. שיטת Kjeldahl ידועה לקביעת חומרים הנחשבת כאן תרכובות אורגניות מורכבת נרקב במתחם עם חומצה גופרתית מרוכזת (כספית המכילה אופציונלית או התחמוצת שלה, ומלחים שונים). לפיכך חנקן מומר אמוניום סולפט. הוספת אמוניה משחרר נתרן הידרוקסידי, אשר נאספה על ידי חומצה קונבנציונלית; הסכום השיורי של חומצה unreacted נקבע אז על ידי טיטרציה.
משמעות ביולוגית ופיזיולוגית
תפקידו של חנקן בעניין חיים מאשרת הפעילות הפיזיולוגית של תרכובות אורגניות. רוב היצורים החיים לא יכולים להשתמש יסוד כימי זה עצמו צריך להיות גישה ותרכובותיו. לכן, קיבוע החנקן הוא חיוני. בטבע, זו מתרחשת כתוצאה משני תהליכים בסיסיים. האחד הוא ההשפעה של אנרגיה חשמלית לאווירה, כך מולקולות חנקן וחמצן לנתק, המאפשר אטומים חופשיים יוצרים ולא ולא 2. דו אז מגיב עם מים: 3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO.
HNO 3 נמס ומגיע לכדור הארץ מהגשם בצורה של ליקר חלש. בסופו של דבר חומצה הופכת לחלק החנקן בקרקע בשילוב אשר מנטרל להקים ניטריטים ו חנקות. התוכן של N ב קרקעות מעובדות בדרך כלל התאושש דרך ניטרטים המכיל הפריה ומלחי אמוניום. ספין בעלי חיים וצמחים ואת הפירוק שלהם מחזיר תרכובת חנקן לתוך האדמה והאוויר.
תהליך נוסף תיקון טבע גדול הוא פעילות חיונית של קטניות. בשל סימביוזה עם חיידקים, תרבויות אלה הם מסוגלים להפוך חנקן אטמוספרי לתוך ותרכובותיו ישירות. מיקרואורגניזמים מסוימים, כגון Azotobacter Chroococcum ו Clostridium pasteurianum, מסוגלים לתקן N. משלהם
הגז עצמו, להיות אדיש, מזיק, למעט כאשר הם נושמים תחת לחץ, והוא המומסים בדם ונוזלי גוף אחרים בריכוזים גבוהים יותר. זה גורם להשפעת הסמים, ואם הלחץ מצטמצם מהר מדי, החנקן עודף משוחרר כמו בועות גז במקומות שונים של הגוף. זה יכול לגרום לכאב שרירים ומפרקים, התעלפות, שיתוק חלקי ואפילו מוות. סימפטומים אלה נקראים מחלת הדקומפרסיה. לכן, מי נאלצים לנשום אוויר בנסיבות כאלה חייבים להיות איטיים מאוד כדי להפחית את הלחץ על נורמלי החנקן העודף החוצה דרך הריאות ללא היווצרות בועות. חלופה טובה יותר היא להשתמש תערובת לנשימה של חמצן והליום. הליום הוא הרבה פחות מסיס בנוזלי גוף, ואת הסיכון פוחת.
איזוטופים
חנקן קיים כשני איזוטופים יציבים 14 N (99,63%) ו 15 N (0,37%). הם יכולים להיות מופרדים על ידי חילופי כימי או על ידי דיפוזיה תרמית. המוני חנקן בצורה של איזוטופ רדיואקטיבי המלאכותי הוא בטווח 10-13 ו 16-24. זמן מחצית החיים היציבים ביותר של 10 דקות. התמרה הגרעינית ראשונה שנגרמה באופן מלאכותי נעשתה 1919 על ידי הפיזיקאי הבריטי ארנסט רתרפורד, אשר הפציץ אלפא-חלקיקי חנקן-14 מתקבלים גרעין-17 חמצן ופרוטונים.
המאפיינים
לבסוף לרשום את המאפיינים הבסיסיים של חנקן:
- מספר אטומי: 7.
- המשקל האטומי של חנקן: 14,0067.
- נקודת התכה: -209,86 ° C.
- נקודת רתיחה: -195,8 ° C.
- צפיפות (1 ATM, 0 ° C): 1.2506 גרם של חנקן לליטר.
- מצב חמצון קונבנציונלי של -3, 3, 5.
- מבנה אלקטרוני: 1s 2s 2 2 3 2P.
Similar articles
Trending Now