Závislosť hustoty dusíka na teplote. Vlastnosti kryogénnych kvapalín pri kryogénnych teplotách

DEFINÍCIA

Dusík- nekovové. Za normálnych podmienok je to bezfarebný plyn, ktorý môže kondenzovať na bezfarebný kvapalina(hustota tekutý dusík rovná 0,808 g/cm 3), vrie na rozdiel od kvapalného kyslíka pri nižšej teplote (-195,75 o C) ako kvapalný kyslík.

V pevnom stave sa javí ako biele kryštály.

Dusík je slabo rozpustný vo vode (horšie ako kyslík), ale je vysoko rozpustný v kvapalnom oxide siričitom.

Chemické zloženie a štruktúra molekuly kvapalného dusíka

Za normálnych podmienok je dusík bezfarebný plyn pozostávajúci z molekúl N2. Medzi atómami dusíka v molekule je trojitá väzba, v dôsledku čoho je jej molekula mimoriadne pevná. Molekulový dusík je chemicky neaktívny a slabo polarizovaný.

Uvažujme o vzniku molekuly dusíka (obr. 1), ktorej elektrónový oblak má tvar predĺženej osmičky. Keď sa dva atómy dusíka priblížia, ich elektrónové oblaky sa prekryjú. Takéto prekrytie je možné len vtedy, keď majú elektróny antiparalelné spiny. V oblasti prekrytia oblakov sa zvyšuje hustota elektrónov, v dôsledku čoho sa zvyšujú príťažlivé sily medzi atómami. Počet spoločných elektrónové páry v molekule dusíka sa rovná jednému (jeden elektrón z každého atómu). Molekula má kovalentný (nepolárny) typ väzby.

Ryža. 1. Štruktúra molekuly dusíka.

Stručný popis chemických vlastností a hustoty kvapalného dusíka

Za normálnych podmienok je dusík chemicky pasívny prvok; nereaguje s kyselinami, zásadami, hydrátom amoniaku, halogénmi, sírou. Pôsobením elektrického výboja reaguje v malej miere s vodíkom a kyslíkom (1, 2). V prítomnosti vlhkosti reaguje s lítiom pri izbovej teplote (3). Pri zahrievaní reaguje s horčíkom, vápnikom, hliníkom a ďalšími kovmi (4, 5, 6).

N2 + 3H2-2NH3 (1);

N2+02↔2NO (2);

N2 + 6Li = 2Li3N (3);

N2 + 3Mg = Mg3N_2 (4);

N2 + 3Ca = Ca3N2 (5);

N2 + 2Al = 2AlN (6).

Reakcie dusíka s fluórom a uhlíkom, ako v prípade vodíka alebo kyslíka, prebiehajú pôsobením elektrického výboja:

N2 + 3F2 = 2NF3;

N2 + 2C↔C2N2.

Pri zahriatí na teplotu 500-600 °C reaguje dusík s hydridom lítnym (7), ale ak je teplotný rozsah 300-350 °C, potom je možná reakcia s karbidom vápnika (8):

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

N2 + CaC2 = Ca(CN)2 (8).

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

DUSÍK, N (lat. Nitrogenium * a. dusík; n. Stickstoff; f. azote, dusík; i. dusíko), — chemický prvok Skupina V periodická tabuľka Mendelejev, atómové číslo 7, atómová hmotnosť 14,0067. Objavený v roku 1772 anglickým prieskumníkom D. Rutherfordom.

Vlastnosti dusíka

Za normálnych podmienok je dusík bezfarebný plyn bez zápachu. Prírodný dusík sa skladá z dvoch stabilné izotopy 14N (99,635 %) a 15N (0,365 %). Molekula dusíka je dvojatómová; atómy sú spojené kovalentnou trojitou väzbou NN. Priemer molekuly dusíka, definovaný rôzne cesty, 3,15-3,53 A. Molekula dusíka je veľmi stabilná - disociačná energia je 942,9 kJ/mol.

Molekulárny dusík

Konštanty molekulového dusíka: f topenie - 209,86 °C, f var - 195,8 °C; hustota plynný dusík 1,25 kg/m3, kvapalina - 808 kg/m3.

Charakteristika dusíka

V pevnom stave existuje dusík v dvoch modifikáciách: kubický tvar A s hustotou 1026,5 kg/m 3 a šesťuholníkový tvar b s hustotou 879,2 kg/m 3 . Teplo topenia 25,5 kJ/kg, teplo vyparovania 200 kJ/kg. Povrchové napätie kvapalný dusík v kontakte so vzduchom 8.5.10 -3 N/m; dielektrická konštanta 1,000538. Rozpustnosť dusíka vo vode (cm3 na 100 ml H20): 2,33 (0 °C), 1,42 (25 °C) a 1,32 (60 °C). Vonkajšie elektrónový obal Atóm dusíka pozostáva z 5 elektrónov. Oxidačné stavy dusíka sa pohybujú od 5 (v N205) do -3 (v NH3).

Zlúčenina dusíka

Dusík pri normálnych podmienkach môže reagovať so zlúčeninami prechodných kovov (Ti, V, Mo, atď.), vytvárať komplexy alebo sa redukovať za vzniku amoniaku a hydrazínu. Dusík interaguje s aktívnymi kovmi, napríklad pri zahrievaní na relatívne nízke teploty. Dusík reaguje s väčšinou ostatných prvkov pri vysokých teplotách a v prítomnosti katalyzátorov. Zlúčeniny dusíka s: N 2 O, NO, N 2 O 5 boli dobre študované. Dusík sa spája s C len pri vysokých teplotách a v prítomnosti katalyzátorov; tým vzniká amoniak NH3. Dusík priamo neinteraguje s halogénmi; preto sa všetky halogenidy dusíka získavajú len nepriamo, napríklad fluorid dusnatý NF 3 - interakciou s amoniakom. Dusík sa tiež priamo nezlučuje so sírou. Keď horúca voda reaguje s dusíkom, vzniká kyanogén (CN) 2. Pri vystavení bežného dusíka elektrickým výbojom, ako aj pri elektrických výbojoch vo vzduchu môže vzniknúť aktívny dusík, ktorý je zmesou molekúl dusíka a atómov so zvýšenou energetickou rezervou. Aktívny dusík veľmi energicky interaguje s kyslíkom, vodíkom, parami a niektorými kovmi.

Dusík je jedným z najbežnejších prvkov na Zemi a jeho väčšina (asi 4,10 15 ton) je sústredená vo voľnom stave v. Každý rok o vulkanickej činnosti 2.10 Do atmosféry sa uvoľní 6 ton dusíka. Malá časť dusíka sa koncentruje v (priemerný obsah v litosfére 1,9.10 -3 %). Prírodné zlúčeniny dusíka - chlorid amónny a rôzne dusičnany(ľadok). Nitridy dusíka môžu vznikať len vtedy vysoké teploty a tlakov, ku ktorým zrejme došlo v najskorších štádiách vývoja Zeme. Veľké akumulácie ledku sa vyskytujú iba v suchom púštnom podnebí ( atď.). Malé množstvá viazaný dusík sa nachádza v (1-2,5 %) a (0,02-1,5 %), ako aj vo vodách riek, morí a oceánov. Dusík sa hromadí v pôde (0,1 %) a živých organizmoch (0,3 %). Dusík je súčasťou proteínových molekúl a mnohých prírodných organických zlúčenín.

Cyklus dusíka v prírode

V prírode existuje cyklus dusíka, ktorý zahŕňa cyklus molekulárneho atmosférického dusíka v biosfére, cyklus chemicky viazaného dusíka v atmosfére, cyklus pochovaných organickej hmoty povrchový dusík v litosfére s jeho návratom späť do atmosféry. Dusík pre priemysel sa predtým získaval výlučne z prírodných ložísk ledku, ktorých počet je vo svete veľmi obmedzený. Obzvlášť veľké ložiská dusíka vo forme dusičnanu sodného sa nachádzajú v Čile; produkcia ledku v niektorých rokoch predstavovala viac ako 3 milióny ton.

DEFINÍCIA

Za normálnych podmienok dusíka- bezfarebný plyn pozostávajúci z molekúl N 2 .

Silná intramolekulárna väzba, malá veľkosť a nepolarita molekuly dusíka sú dôvodom slabých intermolekulárnej interakcie, takže dusík má nízke teploty varu a topenia.

Dusík je bez zápachu. Mierne rozpustný vo vode a o niečo ľahší ako vzduch: hmotnosť 1 litra dusíka je 1,25 g.

Najdôležitejšie konštanty dusíka sú uvedené v tabuľke nižšie:

Stôl 1. Fyzikálne vlastnosti a hustota dusíka.

Molekula dusíka N2 v základnom stave má nasledovné elektronická konfigurácia: [σ(2s) 2 ][ [σ * (2s) 2 ][π(2p y) 2 ][π(2p x) 2 ][π(2p z) 2 ]. Atóm dusíka v základnom stave má tri nepárové elektróny. To naznačuje, že valencia dusíka je tri. Avšak napriek skutočnosti, že dusík nie je charakterizovaný prítomnosťou excitovaného stavu, tento prvok je schopný vykazovať vo svojich zlúčeninách valencie I, II, IV a V.

Prirodzené množstvo dusíka

Dusík sa v prírode nachádza vo forme jednoduchej látky (obsah dusíka vo vzduchu je -78 (obj.) %). Vo forme aminokyselín a nukleových kyselín Dusík je obsiahnutý v živočíšnych a rastlinných organizmoch. Z prírodných minerálov priemyselná hodnota majú čílsky dusičnan (NaNO 3) a dusičnan draselný (KNO 3). Všeobecný obsah dusík v zemská kôra(vrátane hydrosféry a atmosféry) je 0,04 % (hmot.).

Stručný popis chemických vlastností a hustoty dusíka

Molekulárny dusík má extrémne nízky reaktivita, čo je spôsobené prítomnosťou silnej trojitej väzby v molekule N2, ako aj nepolaritou molekuly. Ionizačná energia molekuly dusíka, 1402 kJ/mol, je blízka ionizačnej energii atómu argónu, 1520 kJ/mol, inými slovami, dusík je slabé redukčné činidlo.

Elektrónová afinita molekulárneho dusíka je -3,6 eV, takže pri izbovej teplote reaguje len s niektorými silnými redukčnými činidlami, ako je lítium. Proces prebieha fázou jednoelektrónovej redukcie s tvorbou nestabilného pernitridu Li + N 2 -, ktorý sa počas reakcie mení na nitrid:

6Li + N2 = 2Li3N.

Na vytvorenie nitridu horečnatého Mg3N2 z jednoduché látky vyžaduje ohrev na 300 o C. Nitridy aktívne kovy reprezentovať iónové zlúčeniny, hydrolyzovaný vodou za vzniku amoniaku.

IN elektrický výboj v molekule dusíka dochádza k prechodu elektrónov z orbitálu σ(2p z) do π * (2p z). Takéto excitované molekuly sa rýchlo vrátia do svojho normálneho stavu a vyžarujú žltú žiaru. Niekedy trvá niekoľko minút po zastavení výboja. V excitovanom stave je dusík vysoko reaktívny. Pri elektrickom výboji totiž reaguje s kyslíkom:

N2 + O2 ↔ 2NO.

Reakcia s vodíkom prebieha pri zvýšených teplotách (400 o C) a tlaku (200 atm) v prítomnosti katalyzátora (Fe):

N2 + 3H2↔2NH3.

Dusík neinteraguje so sírou a halogénmi.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

PRÍKLAD 2

Chemický prvok dusík má značku N, atómové číslo 7 a atómová hmotnosť 14. V elementárnom stave tvorí dusík veľmi stabilné dvojatómové molekuly N 2 so silnými medziatómovými väzbami.

Molekula dusíka, jej veľkosť a vlastnosti plynu

Molekula dusíka je vytvorená trojnásobne kovalentná väzba medzi dvoma atómami dusíka a má chemický vzorec N 2. Veľkosť molekúl väčšiny látok vo všeobecnosti a dusíka zvlášť je pomerne ťažko určiť a ani samotný pojem nie je jednoznačný. Na pochopenie princípov fungovania zariadenia, ktoré oddeľuje vzduchové komponenty, je najlepší koncept kinetický priemer molekula, ktorá je definovaná ako najmenší rozmer molekuly. Dusík N2, rovnako ako kyslík O2, sú dvojatómové molekuly, v tvare viac pripomínajúcom valce ako gule - preto je jeden z ich rozmerov, ktorý možno bežne nazývať „dĺžka“, väčší ako druhý, ktorý možno bežne nazývať „priemer“. Ani kinetický priemer molekuly dusíka nie je jednoznačne určený, existujú však výsledky získané teoreticky aj experimentálneúdaje o kinetickom priemere molekúl dusíka a kyslíka (uvádzame údaje o kyslíku, pretože kyslík je druhým hlavným neoddeliteľnou súčasťou atmosférický vzduch a práve z toho sa vyžaduje čistenie dusíka, keď sa získava v procese separácie vzduchu), vrátane:
- N 2 3,16 Á a O 2 2,96 Á - z údajov o viskozite
- N 2 3,14 Á a O 2 2,90 Á - z údajov o van der Waalsových silách

Dusík N 2 sa topí, to znamená, že pri teplote -210°C prechádza z pevnej fázy do kvapalnej fázy a pri teplote -210°C sa vyparuje (varí), čiže prechádza z kvapalného do plynného skupenstva - 195,79 °C.

klikni na zväčšenie

Plynný dusík je inertný plyn, bezfarebný, bez chuti, bez zápachu, nehorľavý a netoxický. Hustota dusíka za normálnych atmosférických podmienok (to znamená pri teplote 0 °C a absolútnom tlaku 101325 Pa) je 1,251 kg/m³. Dusík nereaguje prakticky so žiadnymi inými látkami (s výnimkou zriedkavých reakcií väzby dusíka s lítiom a horčíkom). Naopak, v priemysle má široké využitie aj Haberov proces, pri výrobe hnojív, pri ktorom sa v prítomnosti katalyzátora, oxidu železitého Fe 3 O 4, viaže dusík s vodíkom pri vysokej teplote a tlaku.

Hlavnú časť tvorí dusík zemskú atmosféru objemovo (78,3 %) aj hmotnostne (75,47 %). Dusík je prítomný vo všetkých živých organizmoch, v mŕtvych organizmoch, v odpadových produktoch organizmov, v molekulách bielkovín, nukleových kyselinách a aminokyselinách, močovine, kyseline močovej a iných. organické molekuly. V prírode sa vyskytujú aj minerály obsahujúce dusík: dusičnan (dusičnan draselný - dusičnan draselný KNO 3, dusičnan amónny - dusičnan amónny NH 4 NO 3, dusičnan sodný - dusičnan sodný NaNO 3, dusičnan horečnatý, dusičnan bárnatý atď.), amoniak zlúčeniny (napríklad chlorid amónny NH 4 Cl a pod.) a iné, väčšinou dosť vzácne minerály.

V tabuľke je uvedená hustota dusíka a jeho termofyzikálne vlastnosti v plynné skupenstvo v závislosti od teploty a tlaku. Termofyzikálne vlastnosti dusíka sa udávajú pri teplotách od 0 do 1000°C a tlaku od 1 do 100 atmosfér.

Ako je možné vidieť z tabuľky, také vlastnosti dusíka, ako je tepelná difúznosť a kinematická viskozita, silne závisia od teploty. So zvyšujúcim sa tlakom tieto vlastnosti dusíka znižujú svoje hodnoty, pričom hustota dusíka sa výrazne zvyšuje. Napríklad kedy atmosferický tlak a teplote 0°C je hustota dusíka 1,21 kg/m3 a so 100-násobným zvýšením tlaku sa hustota dusíka zvýši na 122,8 kg/m3 pri rovnakej teplote.

Špecifická tepelná kapacita dusíka sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou tohto plynu. So zvyšujúcim sa tlakom sa zvyšuje aj špecifická tepelná kapacita dusíka. Napríklad pri teplote 0°C a atmosférickom tlaku Špecifická tepelná kapacita dusíka je 1039 J/(kg deg) a keď sa tento plyn stlačí na tlak 100 atmosfér, bude to 1242 J/(kg deg) pri rovnakej teplote.

Je potrebné poznamenať, že pri vysokých teplotách (asi 1000 ° C) vplyv tlaku na hodnotu Špecifická tepelná kapacita dusík je znížený. Takže pri teplote 1000°C a tlaku 1 a 100 atm. hodnota tepelnej kapacity sa bude rovnať 1215 a 1219 J/(kg stupňov).

Tabuľka dáva nasledujúce vlastnosti dusík:

• hustota dusíka γ , kg/m3;
• špecifické teplo C str kJ/(kg deg);
• súčiniteľ tepelnej vodivosti λ W/(m°);
• dynamická viskozita μ , ;
• tepelná difúznosť a m2/s;
• Kinematická viskozita ν m2/s;
• Prandtlovo číslo Pr .

Hustota disociovaného dusíka pri vysokých teplotách.

V tabuľke sú uvedené hodnoty hustoty dusíka v disociovanom a ionizovanom stave pri tlakoch od 0,2 do 100 atmosfér pri vysokých teplotách. Hustota dusíka v plynnom stave sa udáva v teplotnom rozmedzí 5000...40000 K v rozmere kg/m 3 .

Hustota dusíka klesá so zvyšujúcou sa teplotou a zvyšuje sa so zvyšujúcim sa tlakom plynu. Význam špecifická hmotnosť dusík (jeho hustota) sa v tabuľke pohybuje od 0,00043 do 6,83 kg/m3. Napríklad pri atmosférickom tlaku a teplote 5000 K (4727 °C) je hustota dusíka 0,0682 kg/m3. Pri zahriatí dusíka na teplotu 40 000 K sa jeho hustota zníži na hodnotu 0,00213 kg/m 3 .

Poznámka: Buďte opatrní! Hustota dusíka v tabuľke je uvedená v mocninách 10 3. Nezabudnite deliť 1000.

Tepelná vodivosť dusíka v kvapalnom a plynnom skupenstve

V tabuľke je uvedená tepelná vodivosť dusíka v kvapalnom a plynnom skupenstve v závislosti od teploty a tlaku.
Tepelná vodivosť dusíka (rozmer W/(m deg)) sa udáva v teplotnom rozsahu od -193 do 1127 °C a tlaku od 1 do 600 atmosfér.

Tepelná vodivosť disociovaného dusíka pri vysokých teplotách.

V tabuľke sú uvedené hodnoty tepelnej vodivosti disociovaného dusíka pri tlakoch od 0,001 do 100 atmosfér a vysokých teplotách.
Tepelná vodivosť dusíka v plynnom stave sa udáva v teplotnom rozsahu 2000...6000 K v rozmere W/(m deg).

Hodnota súčiniteľa tepelnej vodivosti dusíka rastie so zvyšujúcou sa teplotou a všeobecne klesá so zvyšujúcim sa tlakom tohto plynu. Tepelná vodivosť disociovaného dusíka za podmienok uvedených v tabuľke sa pohybuje od 0,126 do 6,142 W/(m°).

Buď opatrný! Tepelná vodivosť dusíka v tabuľke je uvedená v mocnine 10 3. Nezabudnite zdieľať tabuľková hodnota o 1000.

Tepelná vodivosť kvapalného dusíka na čiare nasýtenia.

V tabuľke sú uvedené hodnoty koeficientu tepelnej vodivosti kvapalného dusíka na čiare nasýtenia pri nízkych teplotách.
Tepelná vodivosť kvapalného dusíka sa udáva pri teplotách 90...120 K (-183...-153°C).

Podľa tabuľky je vidieť, že tepelná vodivosť dusíka v tekutom stave klesá so zvyšujúcou sa teplotou.

Poznámka: Buďte opatrní! Tepelná vodivosť dusíka v tabuľke je uvedená v mocnine 10 3. Nezabudnite deliť 1000.

Dynamická viskozita dusíka v závislosti od teploty a tlaku

V tabuľke sú uvedené hodnoty dusíka v závislosti od teploty a tlaku.
Dynamická viskozita dusíka (rozmer Pa s) sa udáva v teplotnom rozsahu od 80 do 6000 K a tlaku od 1 do 400 atmosfér a od 0,001 do 100 atmosfér.

Pri teplote dusíka 3600 K začína čiastočne disociovať. So zvyšujúcou sa teplotou azoátového plynu sa zvyšuje jeho dynamická viskozita. So zvyšujúcou sa teplotou kvapalného dusíka rastie aj hodnota jeho dynamickej viskozity.

Poznámka: Buďte opatrní! Viskozita dusíka v tabuľke je uvedená v mocninách 106. Nezabudnite deliť 10 6 .

Zdroje:

1. Fyzikálne veličiny. Adresár. A.P. Babichev, N.A. Babuškina, A.M. Bratkovský a ďalší; Ed. JE. Grigorieva, E.Z. Meilikhova. - M.: Energoatomizdat, 1991. - 1232 s.