Azoto dujų tankis normaliomis sąlygomis. Azotas: charakteristikos, cheminės savybės, fizinės savybės, junginiai, vieta gamtoje

Cheminis elementas azotas turi simbolį N, atominį skaičių 7 ir atominę masę 14. Elementarioje būsenoje azotas sudaro labai stabilias dviatomes molekules N 2 su stipriais tarpatominiais ryšiais.

Azoto molekulė, jos dydis ir dujų savybės

Azoto molekulė susidaro trigubu kovalentiniu ryšiu tarp dviejų azoto atomų ir turi cheminę formulę N2. Daugumos medžiagų, o ypač azoto, molekulių dydis yra gana sunkiai nustatoma reikšmė, ir net pati sąvoka nėra vienareikšmė. Norint suprasti oro komponentus atskiriančios įrangos veikimo principus, geriausia koncepcija kinetinis skersmuo molekulė, kuri apibrėžiama kaip mažiausias molekulės matmuo. Azotas N 2 , kaip ir deguonis O 2 , yra dviatomės molekulės, savo forma panašesnės į cilindrus nei į rutulius, todėl vienas iš jų matmenų, kurį sutartinai galima vadinti „ilgiu“, yra reikšmingesnis už kitą. sutartinai gali būti vadinamas "skersmuo". Net ir azoto molekulės kinetinis skersmuo nėra vienareikšmiškai nustatytas, tačiau yra ir teoriškai, ir eksperimentiškai gautų duomenų apie azoto ir deguonies molekulių kinetinį skersmenį (duomenis pateikiame apie deguonį, nes deguonis yra antrasis pagrindinis atmosferos oro komponentas, o. būtent iš jo būtina išvalyti azotą, kai jis gaunamas oro atskyrimo procese), įskaitant:
- N 2 3,16Å ir O 2 2,96Å - pagal klampumo duomenis
- N 2 3,14Å ir O 2 2,90Å - pagal duomenis apie van der Waals jėgas

Azotas N 2 tirpsta, tai yra pereina iš kietosios fazės į skystį, esant -210°C temperatūrai, ir išgaruoja (užverda), tai yra pereina iš skystos į dujinę būseną, esant -195,79 temperatūrai. °C.

Spustelėkite norėdami padidinti

Azoto dujos yra inertinės dujos, bespalvės, beskonės, bekvapės, nedegios ir netoksiškos. Azoto tankis normaliomis atmosferos sąlygomis (ty esant 0°C temperatūrai ir 101325 Pa absoliučiam slėgiui) yra 1,251 kg/m³. Azotas nereaguoja praktiškai su jokiomis kitomis medžiagomis (išskyrus retas reakcijas, kai azotas susijungia su ličiu ir magniu). Taip pat, priešingai, pramonėje, trąšų gamyboje plačiai naudojamas Habero procesas, kuriame, esant katalizatoriui geležies trioksidui Fe 3 O 4, azotas aukštoje temperatūroje ir slėgyje sujungiamas su vandeniliu.

Azotas sudaro didžiąją žemės atmosferos dalį tiek pagal tūrį (78,3%), tiek pagal masę (75,47%). Azoto yra visuose gyvuose organizmuose, negyvuose organizmuose, organizmų atliekose, baltymų molekulėse, nukleorūgštyse ir aminorūgštyse, karbamide, šlapimo rūgštyje ir kitose organinėse molekulėse. Gamtoje taip pat yra azoto turinčių mineralų: nitratas (kalio nitratas - kalio nitratas KNO 3, amonio nitratas - amonio nitratas NH 4 NO 3, natrio nitratas - natrio nitratas NaNO 3, magnio nitratas, bario nitratas ir kt.) junginiai (pavyzdžiui, amonio chloridas NH 4 Cl ir kt.) ir kiti, dažniausiai gana reti, mineralai.

Paskelbimo data 2013-02-16 03:40

Azotas– periodinės lentelės cheminis elementas, žymimas raide N ir kurio atominis skaičius 7. Jis egzistuoja kaip molekulė N2, susidedanti iš dviejų atomų. Ši cheminė medžiaga yra bespalvės, bekvapės ir beskonės dujos, kurios standartinėmis sąlygomis yra inertiškos. Azoto tankis normaliomis sąlygomis (esant 0 °C ir slėgiui 101,3 kPa) yra 1,251 g/dm3. Elementas yra Žemės atmosferos dalis, kuri sudaro 78,09% jos tūrio. Pirmą kartą jį kaip oro komponentą atrado škotų gydytojas Danielis Rutherfordas 1772 m.

Skystas azotas yra kriogeninis skystis. Atmosferos slėgyje jis užverda – 195,8 °C temperatūroje. Todėl jį galima laikyti tik izoliuotuose induose, pavyzdžiui, plieniniuose suskystintoms dujoms skirtuose balionuose arba Dewar kolbose. Tik tokiu atveju jį galima laikyti ar transportuoti be didelių nuostolių dėl garavimo. Kaip ir sausas ledas (suskystintas anglies dioksidas, kitaip dar vadinamas anglies dioksidu), skystas azotas naudojamas kaip šaltnešis. Be to, jis naudojamas kraujo, lytinių ląstelių (spermatozoidų ir kiaušinėlių), taip pat kitų biologinių mėginių ir medžiagų kriokonservavimui. Jis taip pat reikalingas klinikinėje praktikoje, pavyzdžiui, krioterapijoje, skirta pašalinti odos cistas ir karpas. Skysto azoto tankis yra 0,808 g/cm3.

Daugelyje pramoniniu požiūriu svarbių junginių, tokių kaip azoto rūgštis, amoniakas, organiniai nitratai (sprogstamosios medžiagos, kuras) ir cianidai, yra N2. Dėl itin stiprių elementinio azoto jungčių molekulėje jai sunku dalyvauti cheminėse reakcijose, o tai paaiškina jos inertiškumą standartinėmis sąlygomis (temperatūra ir slėgis). Taip pat dėl ​​šių priežasčių N2 yra labai svarbus daugelyje mokslo ir pramonės sričių. Pavyzdžiui, gaminant naftą ar dujas būtina palaikyti in situ slėgį. Bet koks praktinis ar mokslinis jo pritaikymas reikalauja žinoti, koks bus azoto tankis esant tam tikram slėgiui ir temperatūrai. Iš fizikos ir termodinamikos dėsnių žinoma, kad esant pastoviam tūriui, didėjant temperatūrai, didėja dujų slėgis ir tankis, ir atvirkščiai.

Kada ir kodėl reikia žinoti azoto tankis? Šio rodiklio apskaičiavimas naudojamas projektuojant technologinius procesus naudojant N2, laboratorinėje praktikoje ir gamyboje. Naudojant žinomą dujų tankį, galima apskaičiuoti jų masę tam tikrame tūryje. Pavyzdžiui, žinoma, kad normaliomis sąlygomis dujos užima 20 dm3 tūrį. Tokiu atveju galite apskaičiuoti jo masę: m = 20 1,251 = 25,02 g Jei sąlygos skiriasi nuo standartinių, o N2 tūris tokiomis sąlygomis yra žinomas, tada pirmiausia turėsite rasti (iš žinynų) tankį. azoto esant tam tikram slėgiui ir temperatūrai, o tada šią vertę padauginkite iš dujų užimamo tūrio.

Panašūs skaičiavimai atliekami gamyboje sudarant technologinių įrenginių medžiagų balansus. Jie reikalingi vykdant technologinius procesus, parenkant prietaisus, skaičiuojant techninius ir ekonominius rodiklius ir kt. Pavyzdžiui, sustabdžius chemijos gamybą, prieš atidarant ir išvežant remontui visus prietaisus ir vamzdynus būtina prapūsti inertinėmis dujomis – azotu (tai pigiausia ir prieinamiausia, palyginti su, pavyzdžiui, heliu ar argonu). Paprastai jie išvalomi N2 kiekiu, kuris yra kelis kartus didesnis už aparato ar vamzdynų tūrį, tai vienintelis būdas pašalinti iš sistemos degias dujas ir garus ir išvengti sprogimo ar gaisro. Planuodamas darbus prieš išjungimo remontą, technologas, žinodamas ištuštintinos sistemos tūrį ir azoto tankį, apskaičiuoja N2 masę, kurios reikės prapūtimui.

Azotas yra periodinės lentelės cheminis elementas, žymimas raide N ir kurio eilės numeris 7. Jis egzistuoja kaip molekulė N2, susidedanti iš dviejų atomų. Ši cheminė medžiaga yra bespalvės, bekvapės ir beskonės dujos, kurios standartinėmis sąlygomis yra inertiškos. Azoto tankis normaliomis sąlygomis (esant 0 °C ir slėgiui 101,3 kPa) yra 1,251 g/dm3. Elementas yra įtrauktas į kompoziciją 78,09% jo tūrio. Pirmą kartą jį kaip oro komponentą atrado škotų gydytojas Danielis Rutherfordas 1772 m.

Skystas azotas yra kriogeninis skystis. Esant atmosferos slėgiui, jis verda -195,8 °C temperatūroje. Todėl jį galima laikyti tik izoliuotuose konteineriuose, kurie yra plieniniai suskystintoms dujoms skirti balionai arba Tik tokiu atveju galima laikyti ar transportuoti be didelių nuostolių dėl garavimo. Kaip ir sausas ledas (suskystintas, kitaip vadinamas anglies dioksidu), skystas azotas naudojamas kaip šaltnešis. Be to, jis naudojamas kraujo, lytinių ląstelių (spermatozoidų ir kiaušinėlių), taip pat kitų biologinių mėginių ir medžiagų kriokonservavimui. Jis taip pat reikalingas klinikinėje praktikoje, pavyzdžiui, krioterapijoje, skirta pašalinti odos cistas ir karpas. Skysto azoto tankis yra 0,808 g/cm3.

Daugelyje pramoniniu požiūriu svarbių junginių, tokių kaip amoniakas, organiniai nitratai (sprogstamosios medžiagos, kuras) ir cianidai, yra N2. Dėl itin stiprių elementinio azoto jungčių molekulėje jai sunku dalyvauti cheminėse reakcijose, o tai paaiškina jos inertiškumą standartinėmis sąlygomis (temperatūra ir slėgis). Taip pat dėl ​​šių priežasčių N2 yra labai svarbus daugelyje mokslo ir pramonės sričių. Pavyzdžiui, gaminant naftą ar dujas būtina palaikyti in situ slėgį. Bet koks praktinis ar mokslinis jo pritaikymas reikalauja žinoti, koks bus azoto tankis esant tam tikram slėgiui ir temperatūrai. Iš fizikos ir termodinamikos dėsnių žinoma, kad esant pastoviam tūriui, slėgis didės didėjant temperatūrai ir atvirkščiai.

Kada ir kodėl reikia žinoti azoto tankį? Šio rodiklio apskaičiavimas naudojamas projektuojant technologinius procesus naudojant N2, laboratorinėje praktikoje ir gamyboje. Naudojant žinomą dujų tankį, galima apskaičiuoti jų masę tam tikrame tūryje. Pavyzdžiui, žinoma, kad normaliomis sąlygomis dujos užima 20 dm3 tūrį. Tokiu atveju galite apskaičiuoti jo masę: m = 20. 1,251 = 25,02 g Jei sąlygos skiriasi nuo standartinių, o N2 tūris tokiomis sąlygomis yra žinomas, tada pirmiausia turėsite rasti (naudodami žinynus) azoto tankį esant tam tikram slėgiui ir temperatūrai, o tada. padauginkite šią vertę iš dujų tūrio.

Panašūs skaičiavimai atliekami gamyboje sudarant technologinių įrenginių medžiagų balansus. Jie reikalingi vykdant technologinius procesus, parenkant prietaisus, skaičiuojant techninius ir ekonominius rodiklius ir kt. Pavyzdžiui, sustabdžius chemijos gamybą, prieš atidarant ir išvežant remontui visus prietaisus ir vamzdynus būtina prapūsti inertinėmis dujomis – azotu (tai pigiausia ir prieinamiausia, palyginti su, pavyzdžiui, heliu ar argonu). Paprastai jie išvalomi N2 kiekiu, kuris yra kelis kartus didesnis už aparato ar vamzdynų tūrį, tai vienintelis būdas pašalinti iš sistemos degias dujas ir garus ir išvengti sprogimo ar gaisro. Planuodamas darbus prieš išjungimo remontą, technologas, žinodamas ištuštintinos sistemos tūrį ir azoto tankį, apskaičiuoja N2 masę, kurios reikės prapūtimui.

Atliekant supaprastintus skaičiavimus, kuriems nereikia tikslumo, tikrosios dujos prilyginamos idealioms dujoms ir taikomas Avogadro dėsnis. Kadangi 1 molio N2 masė yra 28 gramai, o 1 molis bet kokių idealių dujų užima 22,4 litro tūrį, azoto tankis bus lygus: 28/22,4 = 1,25 g/l = 1,25 g/ dm3. Šis greito tankio nustatymo metodas tinka bet kokioms dujoms, ne tik N2. Jis dažnai naudojamas analitinėse laboratorijose.

Lentelėje parodytas azoto tankis ir jo termofizinės savybės dujinėje būsenoje, priklausomai nuo temperatūros ir slėgio. Azoto termofizinės savybės pateikiamos esant temperatūrai nuo 0 iki 1000°C ir slėgiui nuo 1 iki 100 atmosferų.

Kaip matyti iš lentelės, tokios azoto savybės kaip šiluminis difuziškumas ir kinematinis klampumas labai priklauso nuo temperatūros. Didėjant slėgiui, šios azoto savybės mažėja, tuo tarpu azoto tankis žymiai padidėja. Pavyzdžiui, esant atmosferos slėgiui ir 0°C temperatūrai, azoto tankis yra 1,21 kg/m3, o slėgiui padidėjus 100 kartų, azoto tankis toje pačioje temperatūroje padidėja iki 122,8 kg/m3.

Azoto savitoji šiluminė talpa didėja didėjant šių dujų temperatūrai. Didėjant slėgiui, didėja ir savitoji azoto šiluminė talpa. Pavyzdžiui, esant 0°C temperatūrai ir atmosferos slėgiui Savitoji azoto šiluminė talpa yra 1039 J/(kg deg.), o kai šios dujos suspaudžiamos iki 100 atmosferų slėgio, toje pačioje temperatūroje jos bus 1242 J/(kg deg.).

Pažymėtina, kad esant aukštai temperatūrai (apie 1000°C) slėgio įtaka savitajai azoto šiluminei talpai mažėja. Taigi, esant 1000°C temperatūrai ir 1 ir 100 atm slėgiui. šiluminės talpos vertė bus lygi atitinkamai 1215 ir 1219 J/(kg deg).

Lentelėje parodytos šios azoto savybės:

• azoto tankis γ , kg/m 3 ;
• specifinė šiluma C p , kJ/(kg deg.);
• šilumos laidumo koeficientas λ , W/(m deg);
• dinaminis klampumas μ , ;
• šiluminis difuziškumas a , m 2 /s;
• kinematinis klampumas ν , m 2 /s;
• Prandtl numeris Pr .

Disocijuoto azoto tankis aukštoje temperatūroje.

Lentelėje pateiktos azoto tankio vertės disocijuotoje ir jonizuotoje būsenoje esant slėgiui nuo 0,2 iki 100 atmosferų aukštoje temperatūroje. Azoto tankis dujinėje būsenoje pateikiamas temperatūrų intervale 5000...40000 K matmenimis kg/m 3.

Azoto tankis mažėja didėjant temperatūrai ir didėja didėjant dujų slėgiui. Azoto savitojo sunkio (jo tankio) reikšmė lentelėje svyruoja nuo 0,00043 iki 6,83 kg/m3. Pavyzdžiui, esant atmosferos slėgiui ir 5000 K (4727 ° C) temperatūrai, azoto tankis yra 0,0682 kg/m 3. Kaitinant azotą iki 40 000 K temperatūros, jo tankis sumažėja iki 0,00213 kg/m 3.

Pastaba: Būkite atsargūs! Azoto tankis lentelėje nurodytas 10 3 laipsniais. Nepamirškite padalyti iš 1000.

Azoto šilumos laidumas skystoje ir dujinėje būsenose

Lentelėje parodytas azoto šilumos laidumas skystoje ir dujinėje būsenoje, priklausomai nuo temperatūros ir slėgio.
Azoto šilumos laidumas (matmenys W/(m deg)) nurodomas temperatūros diapazone nuo -193 iki 1127 °C ir slėgyje nuo 1 iki 600 atmosferų.

Disociuoto azoto šilumos laidumas aukštoje temperatūroje.

Lentelėje pateiktos disocijuoto azoto šilumos laidumo vertės esant slėgiui nuo 0,001 iki 100 atmosferų ir aukštoje temperatūroje.
Dujinio azoto šilumos laidumas 2000...6000 K temperatūrų intervale pateiktas matmenimis W/(m deg).

Azoto šilumos laidumo koeficiento reikšmė didėja kylant temperatūrai ir paprastai mažėja didėjant šių dujų slėgiui. Disocijuoto azoto šilumos laidumas lentelėje nurodytomis sąlygomis svyruoja nuo 0,126 iki 6,142 W/(m deg).

Būkite atsargūs! Azoto šilumos laidumas lentelėje nurodytas laipsniu 10 3. Nepamirškite lentelės reikšmės padalyti iš 1000.

Skysto azoto šilumos laidumas soties tiesėje.

Lentelėje pateiktos skysto azoto šilumos laidumo koeficiento vertės soties linijoje esant žemai temperatūrai.
Skysto azoto šilumos laidumas rodomas esant 90...120 K (-183...-153°C) temperatūrai.

Lentelėje matyti, kad kylant temperatūrai skysto azoto šilumos laidumas mažėja.

Pastaba: Būkite atsargūs! Azoto šilumos laidumas lentelėje nurodytas laipsniu 10 3. Nepamirškite padalyti iš 1000.

Dinaminis azoto klampumas, priklausomai nuo temperatūros ir slėgio

Lentelėje pateikiamos azoto vertės, priklausomai nuo temperatūros ir slėgio.
Dinaminis azoto klampumas (matmenys Pa s) nurodomas temperatūros diapazone nuo 80 iki 6000 K ir slėgyje nuo 1 iki 400 atmosferų ir nuo 0,001 iki 100 atmosferų.

Esant 3600 K azoto temperatūrai, jis pradeda dalinai disocijuoti. Didėjant azoato dujų temperatūrai, didėja jų dinaminis klampumas. Kylant skysto azoto temperatūrai, didėja ir jo dinaminis klampumas.

Pastaba: Būkite atsargūs! Azoto klampumas lentelėje nurodytas 10 6 laipsniais. Nepamirškite padalyti iš 10 6 .

Šaltiniai:

1. Fiziniai kiekiai. Katalogas. A.P. Babičevas, N.A. Babuškina, A.M. Bratkovskis ir kiti; Red. I.S. Grigorjeva, E.Z. Meilikhova. - M.: Energoatomizdat, 1991. - 1232 p.

APIBRĖŽIMAS

Azotas- nemetaliniai. Normaliomis sąlygomis tai yra bespalvės dujos, kurios gali kondensuotis į bespalves skystis(skysto azoto tankis 0,808 g/cm 3), verdant, skirtingai nei skystojo deguonies, žemesnėje temperatūroje (-195,75 o C) nei skystasis deguonis.

Kietoje būsenoje jis atrodo kaip balti kristalai.

Azotas blogai tirpsta vandenyje (blogiau nei deguonis), bet gerai tirpsta skystame sieros diokside.

Skysto azoto molekulės cheminė sudėtis ir struktūra

Normaliomis sąlygomis azotas yra bespalvės dujos, susidedančios iš N 2 molekulių. Molekulėje tarp azoto atomų yra trigubas ryšys, dėl kurio jos molekulė yra itin stipri. Molekulinis azotas yra chemiškai neaktyvus ir silpnai poliarizuotas.

Panagrinėkime azoto molekulės susidarymą (1 pav.), kurios elektronų debesis yra pailgos aštuntuko formos. Kai artėja du azoto atomai, jų elektronų debesys persidengia. Toks sutapimas įmanomas tik tada, kai elektronai turi antilygiagrečius sukinius. Debesų persidengimo srityje didėja elektronų tankis, dėl to didėja traukos jėgos tarp atomų. Bendrų elektronų porų skaičius azoto molekulėje yra lygus vienam (po vieną elektroną iš kiekvieno atomo). Molekulė turi kovalentinį (nepolinį) ryšį.

Ryžiai. 1. Azoto molekulės sandara.

Trumpas skysto azoto cheminių savybių ir tankio aprašymas

Normaliomis sąlygomis azotas yra chemiškai pasyvus elementas; nereaguoja su rūgštimis, šarmais, amoniako hidratu, halogenais, siera. Veikiant elektros iškrovai, nedideliu mastu reaguoja su vandeniliu ir deguonimi (1, 2). Esant drėgmei, kambario temperatūroje jis reaguoja su ličiu (3). Kaitinamas, jis reaguoja su magniu, kalciu, aliuminiu ir kitais metalais (4, 5, 6).

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 (1);

N 2 + O 2 ↔ 2NO (2);

N2 + 6Li = 2Li 3N (3);

N2 + 3Mg = Mg3N_2 (4);

N2 + 3Ca = Ca3N2 (5);

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

Azoto reakcijos su fluoru ir anglimi, kaip ir vandenilio ar deguonies atveju, vyksta veikiant elektros iškrovai:

N2 + 3F2 = 2NF3;

N 2 + 2C↔C 2 N 2.

Kaitinant iki 500-600 o C temperatūros, azotas reaguoja su ličio hidridu (7), bet jei temperatūros diapazonas yra 300-350 o C, tada galima reakcija su kalcio karbidu (8):

N2 + 3LiH = Li3N + NH3 (7);

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

Problemų sprendimo pavyzdžiai

1 PAVYZDYS