Densité de l'azote gazeux dans des conditions normales. Azote : caractéristiques, propriétés chimiques, propriétés physiques, composés, place dans la nature

L'élément chimique azote porte le symbole N, le numéro atomique 7 et la masse atomique 14. À l'état élémentaire, l'azote forme des molécules diatomiques N 2 très stables avec de fortes liaisons interatomiques.

Molécule d'azote, sa taille et ses propriétés gazeuses

La molécule d'azote est formée par une triple liaison covalente entre deux atomes d'azote et répond à la formule chimique N2. La taille des molécules de la plupart des substances en général, et de l'azote en particulier, est une valeur assez difficile à déterminer, et même le concept lui-même n'est pas sans ambiguïté. Pour comprendre les principes de fonctionnement des équipements qui séparent les composants de l'air, le meilleur concept est diamètre cinétique molécule, qui est définie comme la plus petite dimension d’une molécule. L'azote N 2 , ainsi que l'oxygène O 2 , sont des molécules diatomiques, dont la forme ressemble plus à des cylindres qu'à des sphères - par conséquent, l'une de leurs dimensions, que l'on peut classiquement appeler « longueur », est plus significative que l'autre, qui est classiquement peut être appelé « diamètre ». Même le diamètre cinétique d'une molécule d'azote n'est pas déterminé sans ambiguïté, cependant, il existe des données obtenues à la fois théoriquement et expérimentalement sur le diamètre cinétique des molécules d'azote et d'oxygène (nous présentons des données sur l'oxygène car l'oxygène est le deuxième composant principal de l'air atmosphérique, et c'est à partir de lui qu'il faut purifier l'azote lorsqu'il est obtenu lors du processus de séparation de l'air), notamment :
- N 2 3,16Å et O 2 2,96Å - à partir des données de viscosité
- N 2 3,14Å et O 2 2,90Å - à partir de données sur les forces de van der Waals

L'azote N 2 fond, c'est-à-dire passe de la phase solide à la phase liquide, à une température de -210°C, et s'évapore (bouillit), c'est-à-dire passe de l'état liquide à l'état gazeux, à une température de - 195,79°C.

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L'azote gazeux est un gaz inerte, incolore, insipide, inodore, ininflammable et non toxique. La densité de l'azote dans des conditions atmosphériques normales (c'est-à-dire à une température de 0°C et une pression absolue de 101325 Pa) est de 1,251 kg/m³. L'azote ne réagit avec pratiquement aucune autre substance (à l'exception de rares réactions de liaison de l'azote avec le lithium et le magnésium). Au contraire, le procédé Haber est largement utilisé dans l'industrie, dans la production d'engrais, dans lequel, en présence d'un catalyseur, le trioxyde de fer Fe 3 O 4, l'azote est lié à l'hydrogène à haute température et pression.

L'azote constitue la majeure partie de l'atmosphère terrestre, tant en volume (78,3 %) qu'en masse (75,47 %). L'azote est présent dans tous les organismes vivants, dans les organismes morts, dans les déchets des organismes, dans les molécules protéiques, les acides nucléiques et les acides aminés, l'urée, l'acide urique et d'autres molécules organiques. Dans la nature, il existe également des minéraux azotés : nitrate (nitrate de potassium - nitrate de potassium KNO 3, nitrate d'ammonium - nitrate d'ammonium NH 4 NO 3, nitrate de sodium - nitrate de sodium NaNO 3, nitrate de magnésium, nitrate de baryum, etc.), ammoniac composés (par exemple, chlorure d'ammonium NH 4 Cl, etc.) et autres minéraux, pour la plupart assez rares.

Date de publication 16/02/2013 03:40

Azote– un élément chimique du tableau périodique, désigné par la lettre N et ayant un numéro atomique 7. Il existe sous la forme d'une molécule N2, constituée de deux atomes. Ce produit chimique est un gaz incolore, inodore et insipide, inerte dans des conditions standard. La densité de l'azote dans des conditions normales (à 0 °C et pression 101,3 kPa) est de 1,251 g/dm3. L'élément fait partie de l'atmosphère terrestre à hauteur de 78,09 % de son volume. Il a été découvert pour la première fois comme composant de l'air par le médecin écossais Daniel Rutherford en 1772.

Un azote liquide est un liquide cryogénique. À pression atmosphérique, il bout à une température de – 195,8 °C. Par conséquent, il ne peut être stocké que dans des conteneurs isolés, qui sont des bouteilles en acier pour gaz liquéfiés ou des flacons Dewar. Ce n'est que dans ce cas qu'il peut être stocké ou transporté sans trop de pertes dues à l'évaporation. Comme la neige carbonique (dioxyde de carbone liquéfié, autrement appelé dioxyde de carbone), l'azote liquide est utilisé comme réfrigérant. De plus, il est utilisé pour la cryoconservation du sang, des cellules germinales (sperme et ovules), ainsi que d’autres échantillons et matériels biologiques. Il est également demandé dans la pratique clinique, par exemple en cryothérapie pour l'élimination des kystes et des verrues sur la peau. La densité de l'azote liquide est de 0,808 g/cm3.

De nombreux composés industriels importants, tels que l’acide nitrique, l’ammoniac, les nitrates organiques (explosifs, carburants) et les cyanures, contiennent du N2. Les liaisons extrêmement fortes de l'azote élémentaire dans la molécule rendent difficile sa participation aux réactions chimiques, ce qui explique son inertie dans des conditions standards (température et pression). C’est également pour ces raisons que le N2 revêt une grande importance dans de nombreux domaines scientifiques et industriels. Par exemple, il est nécessaire de maintenir une pression in situ lors de la production de pétrole ou de gaz. Toute application pratique ou scientifique nécessite de connaître quelle sera la densité de l’azote à une pression et une température particulières. Il ressort des lois de la physique et de la thermodynamique qu'à volume constant, la pression et la densité du gaz augmentent avec l'augmentation de la température, et vice versa.

Quand et pourquoi vous devez savoir densité d'azote? Le calcul de cet indicateur est utilisé dans la conception de procédés technologiques utilisant le N2, en pratique en laboratoire et en production. En utilisant la densité connue d'un gaz, sa masse dans un certain volume peut être calculée. Par exemple, on sait que le gaz occupe un volume de 20 dm3 dans des conditions normales. Dans ce cas, vous pouvez calculer sa masse : m = 20 1,251 = 25,02 g. Si les conditions sont différentes de la norme et que le volume de N2 est connu dans ces conditions, vous devrez alors d'abord trouver (à partir d'ouvrages de référence) la densité. d'azote à une certaine pression et température, puis multipliez cette valeur par le volume occupé par le gaz.

Des calculs similaires sont effectués en production lors de l'établissement des bilans matières des installations technologiques. Ils sont nécessaires à la conduite des processus technologiques, à la sélection des instruments, au calcul des indicateurs techniques et économiques, etc. Par exemple, après l'arrêt de la production chimique, tous les appareils et canalisations doivent être purgés avec un gaz inerte - l'azote (c'est le moins cher et le plus accessible par rapport, par exemple, à l'hélium ou à l'argon) avant de les ouvrir et de les sortir pour réparation. En règle générale, ils sont purgés avec une quantité de N2 plusieurs fois supérieure au volume de l'appareil ou des canalisations ; c'est le seul moyen d'éliminer les gaz et vapeurs inflammables du système et d'éviter une explosion ou un incendie. Lors de la planification des opérations avant l'arrêt des réparations, le technologue, connaissant le volume du système à vider et la densité de l'azote, calcule la masse de N2 qui sera nécessaire à la purge.

L'azote est un élément chimique du tableau périodique, désigné par la lettre N et portant le numéro d'ordre 7. Il existe sous la forme d'une molécule N2, constituée de deux atomes. Ce produit chimique est un gaz incolore, inodore et insipide, inerte dans des conditions standard. La densité de l'azote dans des conditions normales (à 0 °C et pression 101,3 kPa) est de 1,251 g/dm3. L'élément est inclus dans la composition à hauteur de 78,09 % de son volume. Il a été découvert pour la première fois comme composant de l'air par le médecin écossais Daniel Rutherford en 1772.

L'azote liquide est un liquide cryogénique. À pression atmosphérique, son ébullition atteint - 195,8 °C. Par conséquent, il ne peut être stocké que dans des conteneurs isolés, qui sont des bouteilles en acier pour gaz liquéfiés ou. Ce n'est que dans ce cas qu'il peut être stocké ou transporté sans pertes importantes dues à l'évaporation. Comme la neige carbonique (liquéfiée, autrement appelée dioxyde de carbone), l’azote liquide est utilisé comme réfrigérant. De plus, il est utilisé pour la cryoconservation du sang, des cellules germinales (sperme et ovules), ainsi que d’autres échantillons et matériels biologiques. Il est également demandé dans la pratique clinique, par exemple en cryothérapie pour l'élimination des kystes et des verrues sur la peau. La densité de l'azote liquide est de 0,808 g/cm3.

De nombreux composés industriels importants, tels que l'ammoniac, les nitrates organiques (explosifs, carburants) et les cyanures, contiennent du N2. Les liaisons extrêmement fortes de l'azote élémentaire dans la molécule rendent difficile sa participation aux réactions chimiques, ce qui explique son inertie dans des conditions standards (température et pression). C’est également pour ces raisons que le N2 revêt une grande importance dans de nombreux domaines scientifiques et industriels. Par exemple, il est nécessaire de maintenir une pression in situ lors de la production de pétrole ou de gaz. Toute application pratique ou scientifique nécessite de connaître quelle sera la densité de l’azote à une pression et une température particulières. Il ressort des lois de la physique et de la thermodynamique qu’à volume constant, la pression augmente avec l’augmentation de la température et vice versa.

Quand et pourquoi faut-il connaître la densité de l’azote ? Le calcul de cet indicateur est utilisé dans la conception de procédés technologiques utilisant le N2, en pratique en laboratoire et en production. En utilisant la densité connue d'un gaz, sa masse dans un certain volume peut être calculée. Par exemple, on sait que le gaz occupe un volume de 20 dm3 dans des conditions normales. Dans ce cas, vous pouvez calculer sa masse : m = 20. 1,251 = 25,02 g. Si les conditions sont différentes des conditions standard et que le volume de N2 dans ces conditions est connu, vous devrez alors d'abord trouver (à partir d'ouvrages de référence) la densité de l'azote à une certaine pression et température, puis multiplier cette valeur par le volume occupé par le gaz.

Des calculs similaires sont effectués en production lors de l'établissement des bilans matières des installations technologiques. Ils sont nécessaires à la conduite des processus technologiques, à la sélection des instruments, au calcul des indicateurs techniques et économiques, etc. Par exemple, après l'arrêt de la production chimique, tous les appareils et canalisations doivent être purgés avec un gaz inerte - l'azote (c'est le moins cher et le plus accessible par rapport, par exemple, à l'hélium ou à l'argon) avant de les ouvrir et de les sortir pour réparation. En règle générale, ils sont purgés avec une quantité de N2 plusieurs fois supérieure au volume de l'appareil ou des canalisations ; c'est le seul moyen d'éliminer les gaz et vapeurs inflammables du système et d'éviter une explosion ou un incendie. Lors de la planification des opérations avant l'arrêt des réparations, le technologue, connaissant le volume du système à vider et la densité de l'azote, calcule la masse de N2 qui sera nécessaire à la purge.

Pour les calculs simplifiés qui ne nécessitent pas de précision, les gaz réels sont assimilés aux gaz parfaits et la loi d'Avogadro est appliquée. Puisque la masse de 1 mole de N2 est numériquement égale à 28 grammes et que 1 mole de tout gaz parfait occupe un volume de 22,4 litres, la densité de l'azote sera égale à : 28/22,4 = 1,25 g/l = 1,25 g/ dm3. Cette méthode permettant de trouver rapidement la densité est applicable à n’importe quel gaz, pas seulement au N2. Il est souvent utilisé dans les laboratoires d'analyses.

Le tableau montre la densité de l'azote et ses propriétés thermophysiques à l'état gazeux en fonction de la température et de la pression. Les propriétés thermophysiques de l'azote sont données à des températures de 0 à 1000°C et à des pressions de 1 à 100 atmosphères.

Comme le montre le tableau, les propriétés de l'azote telles que la diffusivité thermique et la viscosité cinématique dépendent fortement de la température. Avec l'augmentation de la pression, ces propriétés de l'azote diminuent leurs valeurs, tandis que la densité de l'azote augmente considérablement. Par exemple, à pression atmosphérique et à une température de 0°C, la densité de l'azote est de 1,21 kg/m3, et avec une augmentation de la pression 100 fois, la densité de l'azote augmente jusqu'à 122,8 kg/m3 à la même température.

La capacité thermique spécifique de l’azote augmente avec l’augmentation de la température de ce gaz. À mesure que la pression augmente, la capacité thermique spécifique de l’azote augmente également. Par exemple, à une température de 0°C et à la pression atmosphérique La capacité thermique spécifique de l'azote est de 1039 J/(kg deg), et lorsque ce gaz est comprimé à une pression de 100 atmosphères, il fera 1242 J/(kg deg) à la même température.

Il convient de noter qu'à des températures élevées (environ 1000°C), l'influence de la pression sur la capacité thermique spécifique de l'azote diminue. Donc à une température de 1000°C et une pression de 1 et 100 atm. la valeur de la capacité thermique sera respectivement égale à 1215 et 1219 J/(kg deg).

Le tableau montre les propriétés suivantes de l'azote :

• densité d'azote γ , kg/m 3 ;
• chaleur spécifique Cp , kJ/(kg deg);
• coefficient de conductivité thermique λ , W/(m deg);
• viscosité dynamique μ , ;
• diffusivité thermique un , m 2 /s;
• viscosité cinématique ν , m 2 /s;
• Numéro Prandtl Pr .

Densité de l'azote dissocié à haute température.

Le tableau donne les valeurs de densité de l'azote à l'état dissocié et ionisé à des pressions de 0,2 à 100 atmosphères à haute température. La densité de l'azote à l'état gazeux est donnée dans la plage de température de 5 000 à 40 000 K dans la dimension kg/m 3.

La densité de l'azote diminue avec l'augmentation de la température et augmente avec l'augmentation de la pression du gaz. La valeur de la densité de l'azote (sa densité) dans le tableau varie de 0,00043 à 6,83 kg/m3. Par exemple, à pression atmosphérique et à une température de 5 000 K (4 727 °C), la densité de l'azote est de 0,0682 kg/m 3. Lorsque l'azote est chauffé à une température de 40 000 K, sa densité diminue jusqu'à une valeur de 0,00213 kg/m 3.

Remarque : Soyez prudent ! La densité de l'azote dans le tableau est indiquée en puissances de 10 3. N'oubliez pas de diviser par 1000.

Conductivité thermique de l'azote à l'état liquide et gazeux

Le tableau montre la conductivité thermique de l'azote à l'état liquide et gazeux en fonction de la température et de la pression.
La conductivité thermique de l'azote (dimension W/(m deg)) est indiquée dans la plage de température de -193 à 1127 °C et de pression de 1 à 600 atmosphères.

Conductivité thermique de l'azote dissocié à haute température.

Le tableau donne les valeurs de conductivité thermique de l'azote dissocié à des pressions de 0,001 à 100 atmosphères et à des températures élevées.
La conductivité thermique de l'azote à l'état gazeux est donnée dans la plage de température 2000...6000 K dans la dimension W/(m deg).

La valeur du coefficient de conductivité thermique de l'azote augmente avec l'augmentation de la température et diminue généralement avec l'augmentation de la pression de ce gaz. La conductivité thermique de l'azote dissocié dans les conditions considérées dans le tableau varie de 0,126 à 6,142 W/(m deg).

Sois prudent! La conductivité thermique de l'azote dans le tableau est indiquée à la puissance 10 3. N'oubliez pas de diviser la valeur du tableau par 1000.

Conductivité thermique de l'azote liquide à la ligne de saturation.

Le tableau présente les valeurs du coefficient de conductivité thermique de l'azote liquide sur la ligne de saturation à basse température.
La conductivité thermique de l'azote liquide est indiquée à des températures de 90...120 K (-183...-153°C).

Le tableau montre que la conductivité thermique de l'azote à l'état liquide diminue avec l'augmentation de la température.

Remarque : Soyez prudent ! La conductivité thermique de l'azote dans le tableau est indiquée à la puissance 10 3. N'oubliez pas de diviser par 1000.

Viscosité dynamique de l'azote en fonction de la température et de la pression

Le tableau montre les valeurs d'azote en fonction de la température et de la pression.
La viscosité dynamique de l'azote (dimension Pa.s) est indiquée dans la plage de température de 80 à 6000 K et de pression de 1 à 400 atmosphères et de 0,001 à 100 atmosphères.

À une température d'azote de 3 600 K, il commence à se dissocier partiellement. À mesure que la température du gaz azoate augmente, sa viscosité dynamique augmente. À mesure que la température de l'azote liquide augmente, la valeur de sa viscosité dynamique augmente également.

Remarque : Soyez prudent ! La viscosité de l'azote dans le tableau est indiquée en puissances de 10 6. N'oubliez pas de diviser par 10 6 .

Sources:

1. Grandeurs physiques. Annuaire. A.P. Babichev, N.A. Babouchkina, A.M. Bratkovski et autres ; Éd. EST. Grigorieva, E.Z. Meilikhova. - M. : Energoatomizdat, 1991. - 1232 p.

DÉFINITION

Azote- non métallique. Dans des conditions normales, c'est un gaz incolore qui peut se condenser en un gaz incolore. liquide(la densité de l'azote liquide est de 0,808 g/cm 3), bouillant, contrairement à l'oxygène liquide, à une température plus basse (-195,75 o C) que l'oxygène liquide.

A l’état solide, il apparaît sous forme de cristaux blancs.

L'azote est peu soluble dans l'eau (pire que l'oxygène), mais il est très soluble dans le dioxyde de soufre liquide.

Composition chimique et structure de la molécule d'azote liquide

Dans des conditions normales, l'azote est un gaz incolore constitué de molécules N 2. Il existe une triple liaison entre les atomes d'azote de la molécule, ce qui rend sa molécule extrêmement forte. L'azote moléculaire est chimiquement inactif et faiblement polarisé.

Considérons la formation d'une molécule d'azote (Fig. 1), dont le nuage électronique a la forme d'un huit allongé. Lorsque deux atomes d’azote se rapprochent, leurs nuages ​​électroniques se chevauchent. Un tel chevauchement n’est possible que lorsque les électrons ont des spins antiparallèles. Dans la zone de chevauchement des nuages, la densité électronique augmente, ce qui entraîne une augmentation des forces d'attraction entre les atomes. Le nombre de paires d'électrons partagées dans une molécule d'azote est égal à un (un électron pour chaque atome). La molécule a une liaison de type covalente (non polaire).

Riz. 1. La structure de la molécule d'azote.

Brève description des propriétés chimiques et de la densité de l'azote liquide

Dans des conditions normales, l’azote est un élément chimiquement passif ; ne réagit pas avec les acides, les alcalis, l'ammoniac hydraté, les halogènes, le soufre. Réagit dans une faible mesure avec l'hydrogène et l'oxygène sous l'action d'une décharge électrique (1, 2). En présence d'humidité, il réagit avec le lithium à température ambiante (3). Lorsqu'il est chauffé, il réagit avec le magnésium, le calcium, l'aluminium et d'autres métaux (4, 5, 6).

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 (1);

N 2 + O 2 ↔ 2NO (2);

N 2 + 6Li = 2Li 3 N (3);

N2 + 3Mg = Mg3N_2 (4);

N 2 + 3Ca = Ca 3 N 2 (5);

N2 + 2Al = 2AlN (6).

Les réactions de l'azote avec le fluor et le carbone, comme dans le cas de l'hydrogène ou de l'oxygène, se produisent sous l'action d'une décharge électrique :

N2 + 3F2 = 2NF3 ;

N2 + 2C↔C2N2.

Lorsqu'il est chauffé à une température de 500 à 600 ° C, l'azote réagit avec l'hydrure de lithium (7), mais si la plage de température est de 300 à 350 ° C, une réaction avec le carbure de calcium (8) est possible :

N 2 + 3LiH = Li 3 N + NH 3 (7);

N 2 + CaC 2 = Ca(CN) 2 (8).

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1