Kepadatan gas nitrogen dalam kondisi normal. Nitrogen: ciri-ciri, sifat kimia, sifat fisik, senyawa, tempat di alam

Unsur kimia nitrogen memiliki lambang N, nomor atom 7 dan massa atom 14. Dalam keadaan unsur, nitrogen membentuk molekul diatomik N 2 yang sangat stabil dengan ikatan antar atom yang kuat.

Molekul nitrogen, ukuran dan sifat gasnya

Molekul nitrogen dibentuk oleh ikatan kovalen rangkap tiga antara dua atom nitrogen dan memiliki rumus kimia N2. Ukuran molekul sebagian besar zat pada umumnya, dan nitrogen pada khususnya, merupakan nilai yang agak sulit ditentukan, dan bahkan konsepnya sendiri pun tidak ambigu. Untuk memahami prinsip pengoperasian peralatan yang memisahkan komponen udara, konsep terbaik adalah diameter kinetik molekul, yang didefinisikan sebagai dimensi terkecil suatu molekul. Nitrogen N 2, serta oksigen O 2, adalah molekul diatomik, bentuknya lebih mirip silinder daripada bola - oleh karena itu, salah satu dimensinya, yang secara konvensional dapat disebut "panjang", lebih penting daripada yang lain, yaitu secara konvensional dapat disebut "diameter". Meskipun diameter kinetik molekul nitrogen tidak ditentukan secara pasti, namun terdapat data yang diperoleh baik secara teoritis maupun eksperimental mengenai diameter kinetik molekul nitrogen dan oksigen (kami menyajikan data tentang oksigen karena oksigen adalah komponen utama kedua udara atmosfer, dan dari situlah nitrogen perlu dimurnikan bila diperoleh selama proses pemisahan udara), antara lain:
- N 2 3.16Å dan O 2 2.96Å - dari data viskositas
- N 2 3.14Å dan O 2 2.90Å - dari data gaya van der Waals

Nitrogen N 2 meleleh, yaitu berpindah dari fase padat ke cair, pada suhu -210°C, dan menguap (mendidih), yaitu berpindah dari cair ke gas, pada suhu -195,79 °C.

Klik untuk memperbesar

Gas nitrogen merupakan gas inert, tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau, tidak mudah terbakar dan tidak beracun. Massa jenis nitrogen dalam kondisi atmosfer normal (yaitu, pada suhu 0°C dan tekanan absolut 101325 Pa) adalah 1,251 kg/m³. Nitrogen tidak bereaksi dengan hampir semua zat lain (kecuali reaksi pengikatan nitrogen dengan litium dan magnesium yang jarang terjadi). Sebaliknya, proses Haber banyak digunakan dalam industri, dalam produksi pupuk, di mana, dengan adanya katalis, besi trioksida Fe 3 O 4, nitrogen digabungkan dengan hidrogen pada suhu dan tekanan tinggi.

Nitrogen menyusun sebagian besar atmosfer bumi, baik berdasarkan volume (78,3%) maupun massa (75,47%). Nitrogen terdapat pada semua organisme hidup, pada organisme mati, pada produk limbah organisme, pada molekul protein, asam nukleat dan asam amino, urea, asam urat dan molekul organik lainnya. Di alam juga terdapat mineral yang mengandung nitrogen: nitrat (kalium nitrat - kalium nitrat KNO 3, amonium nitrat - amonium nitrat NH 4 NO 3, natrium nitrat - natrium nitrat NaNO 3, magnesium nitrat, barium nitrat, dll), amonia senyawa (misalnya, amonium klorida NH 4 Cl, dll.) dan mineral lainnya, yang sebagian besar cukup langka.

Tanggal publikasi 16/02/2013 03:40

Nitrogen– suatu unsur kimia dalam tabel periodik, dilambangkan dengan huruf N dan memiliki nomor atom 7. Ia ada dalam bentuk molekul N2, terdiri dari dua atom. Bahan kimia ini adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa yang bersifat inert dalam kondisi standar. Massa jenis nitrogen pada kondisi normal (0 °C dan tekanan 101,3 kPa) adalah 1,251 g/dm3. Unsur tersebut merupakan bagian dari atmosfer bumi yang besarnya 78,09% volumenya. Ini pertama kali ditemukan sebagai komponen udara oleh dokter Skotlandia Daniel Rutherford pada tahun 1772.

Nitrogen cair adalah cairan kriogenik. Pada tekanan atmosfer, ia mendidih pada suhu – 195.8 °C. Oleh karena itu, hanya dapat disimpan dalam wadah berinsulasi, seperti silinder baja untuk gas cair atau labu Dewar. Hanya dalam hal ini dapat disimpan atau diangkut tanpa banyak kehilangan akibat penguapan. Seperti es kering (karbon dioksida cair, atau dikenal sebagai karbon dioksida), nitrogen cair digunakan sebagai zat pendingin. Selain itu, digunakan untuk kriopreservasi darah, sel germinal (sperma dan telur), serta sampel dan bahan biologis lainnya. Hal ini juga diminati dalam praktik klinis, misalnya dalam cryotherapy untuk menghilangkan kista dan kutil pada kulit. Massa jenis nitrogen cair adalah 0,808 g/cm3.

Banyak senyawa industri yang penting, seperti asam nitrat, amonia, nitrat organik (bahan peledak, bahan bakar) dan sianida, mengandung N2. Ikatan unsur nitrogen yang sangat kuat dalam molekul menyulitkannya untuk berpartisipasi dalam reaksi kimia, yang menjelaskan kelembamannya dalam kondisi standar (suhu dan tekanan). Karena alasan ini juga, N2 sangat penting dalam banyak bidang ilmu pengetahuan dan industri. Misalnya saja, penting untuk menjaga tekanan di lapangan selama produksi minyak atau gas. Penerapan praktis atau ilmiah apa pun memerlukan pengetahuan tentang kepadatan nitrogen pada tekanan dan suhu tertentu. Dari hukum fisika dan termodinamika diketahui bahwa pada volume tetap, tekanan dan massa jenis gas akan bertambah seiring dengan meningkatnya suhu, begitu pula sebaliknya.

Kapan dan mengapa Anda perlu mengetahuinya kepadatan nitrogen? Perhitungan indikator ini digunakan dalam desain proses teknologi menggunakan N2, dalam praktik laboratorium dan produksi. Dengan menggunakan massa jenis suatu gas yang diketahui, massanya dalam volume tertentu dapat dihitung. Misalnya diketahui bahwa gas menempati volume 20 dm3 pada kondisi normal. Dalam hal ini, Anda dapat menghitung massanya: m = 20 1,251 = 25,02 g. Jika kondisinya berbeda dari standar, dan volume N2 pada kondisi ini diketahui, maka Anda harus mencari terlebih dahulu (dari buku referensi) massa jenisnya. nitrogen pada tekanan dan suhu tertentu, lalu kalikan nilainya dengan volume yang ditempati gas.

Perhitungan serupa dilakukan dalam produksi ketika menyusun saldo material dari instalasi teknologi. Mereka diperlukan untuk melakukan proses teknologi, memilih instrumentasi, menghitung indikator teknis dan ekonomi, dll. Misalnya, setelah menghentikan produksi bahan kimia, semua perangkat dan saluran pipa harus dibersihkan dengan gas inert - nitrogen (yang termurah dan paling mudah diakses dibandingkan dengan, misalnya, helium atau argon) sebelum dibuka dan dibawa keluar untuk diperbaiki. Biasanya, mereka dibersihkan dengan jumlah N2 yang beberapa kali lebih besar dari volume peralatan atau pipa; ini adalah satu-satunya cara untuk menghilangkan gas dan uap yang mudah terbakar dari sistem dan mencegah ledakan atau kebakaran. Saat merencanakan operasi sebelum perbaikan penghentian, ahli teknologi, dengan mengetahui volume sistem yang akan dikosongkan dan kepadatan nitrogen, menghitung massa N2 yang diperlukan untuk pembersihan.

Nitrogen adalah salah satu unsur kimia dalam tabel periodik, dilambangkan dengan huruf N dan memiliki nomor urut 7. Ia ada dalam bentuk molekul N2, terdiri dari dua atom. Bahan kimia ini adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa yang bersifat inert dalam kondisi standar. Massa jenis nitrogen pada kondisi normal (0 °C dan tekanan 101,3 kPa) adalah 1,251 g/dm3. Unsur tersebut termasuk dalam komposisi sebesar 78,09% volumenya. Ini pertama kali ditemukan sebagai komponen udara oleh dokter Skotlandia Daniel Rutherford pada tahun 1772.

Nitrogen cair adalah cairan kriogenik. Pada tekanan atmosfer, ia mendidih pada suhu -195,8 °C. Oleh karena itu, hanya dapat disimpan dalam wadah berinsulasi, yaitu silinder baja untuk gas cair atau Hanya dalam hal ini dapat disimpan atau diangkut tanpa kerugian yang berarti akibat penguapan. Seperti es kering (dicairkan, atau dikenal sebagai karbon dioksida), nitrogen cair digunakan sebagai zat pendingin. Selain itu, digunakan untuk kriopreservasi darah, sel germinal (sperma dan telur), serta sampel dan bahan biologis lainnya. Hal ini juga diminati dalam praktik klinis, misalnya dalam cryotherapy untuk menghilangkan kista dan kutil pada kulit. Massa jenis nitrogen cair adalah 0,808 g/cm3.

Banyak senyawa industri yang penting, seperti amonia, nitrat organik (bahan peledak, bahan bakar) dan sianida, mengandung N2. Ikatan unsur nitrogen yang sangat kuat dalam molekul menyulitkannya untuk berpartisipasi dalam reaksi kimia, yang menjelaskan kelembamannya dalam kondisi standar (suhu dan tekanan). Karena alasan ini juga, N2 sangat penting dalam banyak bidang ilmu pengetahuan dan industri. Misalnya saja, penting untuk menjaga tekanan di lapangan selama produksi minyak atau gas. Penerapan praktis atau ilmiah apa pun memerlukan pengetahuan tentang kepadatan nitrogen pada tekanan dan suhu tertentu. Diketahui dari hukum fisika dan termodinamika bahwa pada volume tetap, tekanan akan bertambah seiring dengan meningkatnya suhu dan sebaliknya.

Kapan dan mengapa Anda perlu mengetahui kepadatan nitrogen? Perhitungan indikator ini digunakan dalam desain proses teknologi menggunakan N2, dalam praktik laboratorium dan produksi. Dengan menggunakan massa jenis suatu gas yang diketahui, massanya dalam volume tertentu dapat dihitung. Misalnya diketahui bahwa gas menempati volume 20 dm3 pada kondisi normal. Dalam hal ini, Anda dapat menghitung massanya: m = 20. 1,251 = 25,02 g. Jika kondisinya berbeda dengan kondisi standar, dan volume N2 pada kondisi tersebut diketahui, maka Anda perlu mencari terlebih dahulu (menggunakan buku referensi) massa jenis nitrogen pada tekanan dan suhu tertentu, lalu kalikan nilai ini dengan volume yang ditempati gas.

Perhitungan serupa dilakukan dalam produksi ketika menyusun saldo material dari instalasi teknologi. Mereka diperlukan untuk melakukan proses teknologi, memilih instrumentasi, menghitung indikator teknis dan ekonomi, dll. Misalnya, setelah menghentikan produksi bahan kimia, semua perangkat dan saluran pipa harus dibersihkan dengan gas inert - nitrogen (yang termurah dan paling mudah diakses dibandingkan dengan, misalnya, helium atau argon) sebelum dibuka dan dibawa keluar untuk diperbaiki. Biasanya, mereka dibersihkan dengan jumlah N2 yang beberapa kali lebih besar dari volume peralatan atau pipa; ini adalah satu-satunya cara untuk menghilangkan gas dan uap yang mudah terbakar dari sistem dan mencegah ledakan atau kebakaran. Saat merencanakan operasi sebelum perbaikan penghentian, ahli teknologi, dengan mengetahui volume sistem yang akan dikosongkan dan kepadatan nitrogen, menghitung massa N2 yang diperlukan untuk pembersihan.

Untuk perhitungan sederhana yang tidak memerlukan ketelitian, gas nyata disamakan dengan gas ideal dan diterapkan hukum Avogadro. Karena massa 1 mol N2 secara numerik sama dengan 28 gram, dan 1 mol gas ideal menempati volume 22,4 liter, maka massa jenis nitrogen akan sama dengan: 28/22,4 = 1,25 g/l = 1,25 g/ dm3. Metode mencari massa jenis dengan cepat ini dapat diterapkan pada gas apa pun, tidak hanya N2. Ini sering digunakan di laboratorium analitik.

Tabel tersebut menunjukkan kepadatan nitrogen dan sifat termofisiknya dalam bentuk gas tergantung pada suhu dan tekanan. Sifat termofisik nitrogen diberikan pada suhu dari 0 hingga 1000°C dan tekanan dari 1 hingga 100 atmosfer.

Seperti dapat dilihat dari tabel, sifat nitrogen seperti difusivitas termal dan viskositas kinematik sangat bergantung pada suhu. Dengan meningkatnya tekanan, sifat-sifat nitrogen ini menurunkan nilainya, sementara itu kepadatan nitrogen meningkat secara signifikan. Misalnya, pada tekanan atmosfer dan suhu 0°C, massa jenis nitrogen adalah 1,21 kg/m3, dan dengan peningkatan tekanan 100 kali lipat, massa jenis nitrogen meningkat menjadi 122,8 kg/m3 pada suhu yang sama.

Kapasitas panas spesifik nitrogen meningkat seiring dengan meningkatnya suhu gas ini. Ketika tekanan meningkat, kapasitas panas spesifik nitrogen juga meningkat. Misalnya pada suhu 0°C dan tekanan atmosfer Kapasitas panas spesifik nitrogen adalah 1039 J/(kg derajat), dan ketika gas ini dikompresi hingga tekanan 100 atmosfer, maka akan menjadi 1242 J/(kg derajat) pada suhu yang sama.

Perlu dicatat bahwa pada suhu tinggi (sekitar 1000°C) pengaruh tekanan terhadap kapasitas panas spesifik nitrogen menurun. Jadi, pada suhu 1000°C dan tekanan 1 dan 100 atm. nilai kapasitas panas masing-masing akan sama dengan 1215 dan 1219 J/(kg derajat).

Tabel tersebut menunjukkan sifat-sifat nitrogen berikut:

• kepadatan nitrogen γ , kg/m 3 ;
• panas spesifik C hal , kJ/(kg derajat);
• koefisien konduktivitas termal λ , W/(m derajat);
• viskositas dinamis μ , ;
• difusivitas termal A , m 2 /dtk;
• viskositas kinematik ν , m 2 /dtk;
• Nomor Prandtl PR .

Kepadatan nitrogen terdisosiasi pada suhu tinggi.

Tabel tersebut memberikan nilai kepadatan nitrogen dalam keadaan terdisosiasi dan terionisasi pada tekanan 0,2 hingga 100 atmosfer pada suhu tinggi. Massa jenis nitrogen dalam bentuk gas diberikan dalam kisaran suhu 5000...40000 K dalam dimensi kg/m 3.

Kepadatan nitrogen berkurang dengan meningkatnya suhu dan meningkat dengan meningkatnya tekanan gas. Nilai berat jenis nitrogen (densitasnya) pada tabel berkisar antara 0,00043 hingga 6,83 kg/m3. Misalnya, pada tekanan atmosfer dan suhu 5000 K (4727 °C), massa jenis nitrogen adalah 0,0682 kg/m 3. Ketika nitrogen dipanaskan hingga suhu 40.000 K, massa jenisnya berkurang hingga 0,00213 kg/m 3.

Catatan: Hati-hati! Kepadatan nitrogen dalam tabel ditunjukkan dalam pangkat 10 3. Jangan lupa bagi dengan 1000.

Konduktivitas termal nitrogen dalam keadaan cair dan gas

Tabel menunjukkan konduktivitas termal nitrogen dalam bentuk cair dan gas tergantung pada suhu dan tekanan.
Konduktivitas termal nitrogen (dimensi W/(m derajat)) ditunjukkan dalam kisaran suhu dari -193 hingga 1127 °C dan tekanan dari 1 hingga 600 atmosfer.

Konduktivitas termal nitrogen terdisosiasi pada suhu tinggi.

Tabel tersebut memberikan nilai konduktivitas termal nitrogen terdisosiasi pada tekanan dari 0,001 hingga 100 atmosfer dan suhu tinggi.
Konduktivitas termal nitrogen dalam bentuk gas diberikan dalam kisaran suhu 2000...6000 K dalam dimensi W/(m derajat).

Nilai koefisien konduktivitas termal nitrogen meningkat seiring dengan meningkatnya suhu dan umumnya menurun dengan meningkatnya tekanan gas ini. Konduktivitas termal nitrogen terdisosiasi pada kondisi yang dibahas dalam tabel bervariasi dari 0,126 hingga 6,142 W/(m derajat).

Hati-hati! Konduktivitas termal nitrogen dalam tabel ditunjukkan dengan pangkat 10 3. Jangan lupa membagi nilai tabel dengan 1000.

Konduktivitas termal nitrogen cair pada garis saturasi.

Tabel tersebut menunjukkan nilai koefisien konduktivitas termal nitrogen cair pada garis saturasi pada suhu rendah.
Konduktivitas termal nitrogen cair ditunjukkan pada suhu 90...120 K (-183...-153°C).

Tabel tersebut menunjukkan bahwa konduktivitas termal nitrogen dalam keadaan cair menurun seiring dengan meningkatnya suhu.

Catatan: Hati-hati! Konduktivitas termal nitrogen dalam tabel ditunjukkan dengan pangkat 10 3. Jangan lupa bagi dengan 1000.

Viskositas dinamis nitrogen tergantung pada suhu dan tekanan

Tabel menunjukkan nilai nitrogen tergantung pada suhu dan tekanan.
Viskositas dinamis nitrogen (dimensi Pa s) ditunjukkan dalam kisaran suhu dari 80 hingga 6000 K dan tekanan dari 1 hingga 400 atmosfer dan dari 0,001 hingga 100 atmosfer.

Pada suhu nitrogen 3600 K, ia mulai terdisosiasi sebagian. Ketika suhu gas azoat meningkat, viskositas dinamisnya meningkat. Dengan meningkatnya suhu nitrogen cair, nilai viskositas dinamisnya juga meningkat.

Catatan: Hati-hati! Viskositas nitrogen dalam tabel ditunjukkan dalam pangkat 10 6. Jangan lupa bagi dengan 10 6 .

Sumber:

1. Besaran fisika. Direktori. AP Babichev, N.A. Babushkina, A.M. Bratkovsky dan lainnya; Ed. ADALAH. Grigorieva, E.Z. Meilikhova. - M.: Energoatomizdat, 1991. - 1232 hal.

DEFINISI

Nitrogen- bukan logam. Dalam kondisi normal, itu adalah gas tidak berwarna yang dapat mengembun menjadi tidak berwarna cairan(massa jenis nitrogen cair adalah 0,808 g/cm 3), mendidih, tidak seperti oksigen cair, pada suhu yang lebih rendah (-195,75 o C) dibandingkan oksigen cair.

Dalam keadaan padat tampak sebagai kristal putih.

Nitrogen sulit larut dalam air (lebih buruk dari oksigen), tetapi sangat larut dalam sulfur dioksida cair.

Komposisi kimia dan struktur molekul nitrogen cair

Dalam kondisi normal, nitrogen adalah gas tidak berwarna yang terdiri dari molekul N2. Ada ikatan rangkap tiga antara atom nitrogen dalam molekul, sehingga molekulnya menjadi sangat kuat. Nitrogen molekuler secara kimia tidak aktif dan terpolarisasi lemah.

Mari kita perhatikan pembentukan molekul nitrogen (Gbr. 1), awan elektronnya berbentuk angka delapan memanjang. Ketika dua atom nitrogen mendekat, awan elektronnya saling tumpang tindih. Tumpang tindih seperti itu hanya mungkin terjadi jika elektron memiliki spin antiparalel. Di wilayah tumpang tindih awan, kerapatan elektron meningkat, akibatnya gaya tarik menarik antar atom meningkat. Jumlah pasangan elektron bersama dalam molekul nitrogen sama dengan satu (satu elektron dari setiap atom). Molekul tersebut memiliki jenis ikatan kovalen (non-polar).

Beras. 1. Struktur molekul nitrogen.

Penjelasan singkat tentang sifat kimia dan kepadatan nitrogen cair

Dalam kondisi normal, nitrogen adalah unsur kimia pasif; tidak bereaksi dengan asam, basa, amonia hidrat, halogen, belerang. Bereaksi sedikit dengan hidrogen dan oksigen di bawah aksi pelepasan listrik (1, 2). Dengan adanya uap air, ia bereaksi dengan litium pada suhu kamar (3). Ketika dipanaskan, ia bereaksi dengan magnesium, kalsium, aluminium dan logam lainnya (4, 5, 6).

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 (1);

N 2 + O 2 ↔ 2NO (2);

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

N 2 + 3Mg = Mg 3 N_2 (4);

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

N 2 + 2Al = 2AlN (6).

Reaksi nitrogen dengan fluor dan karbon, seperti halnya hidrogen atau oksigen, terjadi di bawah pengaruh pelepasan listrik:

N 2 + 3F 2 = 2NF 3 ;

N 2 + 2C↔C 2 N 2.

Jika dipanaskan sampai suhu 500-600 o C, nitrogen bereaksi dengan litium hidrida (7), tetapi jika kisaran suhu 300-350 o C, maka reaksi dengan kalsium karbida (8) dapat terjadi:

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

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

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1