Odvisnost gostote dušika od temperature. Lastnosti kriogenih tekočin pri nizkih temperaturah

OPREDELITEV

Dušik- nekovinski. V normalnih pogojih je brezbarven plin, ki lahko kondenzira v brezbarven tekočina(gostota tekoči dušik enaka 0,808 g/cm 3), ki za razliko od tekočega kisika vre pri nižji temperaturi (-195,75 o C) kot tekoči kisik.

V trdnem stanju je videti kot beli kristali.

Dušik je slabo topen v vodi (slabše kot kisik), vendar je dobro topen v tekočem žveplovem dioksidu.

Kemična sestava in zgradba molekule tekočega dušika

V normalnih pogojih je dušik brezbarven plin, sestavljen iz molekul N 2 . Med atomi dušika v molekuli je trojna vez, zaradi česar je njena molekula izjemno močna. Molekularni dušik je kemično neaktiven in šibko polariziran.

Oglejmo si nastanek molekule dušika (slika 1), katere elektronski oblak ima obliko podolgovate osmice. Ko se dva atoma dušika približata, se njuna elektronska oblaka prekrivata. Tako prekrivanje je možno le, če imajo elektroni antiparalelne spine. V območju prekrivanja oblakov se poveča elektronska gostota, zaradi česar se povečajo privlačne sile med atomi. Število deljenih elektronskih parov v molekuli dušika je enaka ena (en elektron iz vsakega atoma). Molekula ima kovalentno (nepolarno) vrsto vezi.

riž. 1. Zgradba molekule dušika.

Kratek opis kemijskih lastnosti in gostote tekočega dušika

V normalnih pogojih je dušik kemično pasiven element; ne reagira s kislinami, alkalijami, amonijevim hidratom, halogeni, žveplom. V manjši meri reagira z vodikom in kisikom pod vplivom električne razelektritve (1, 2). V prisotnosti vlage reagira z litijem pri sobni temperaturi (3). Pri segrevanju reagira z magnezijem, kalcijem, aluminijem in drugimi kovinami (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).

Reakcije dušika s fluorom in ogljikom, tako kot v primeru vodika ali kisika, potekajo pod vplivom električnega praznjenja:

N2 + 3F2 = 2NF3;

N 2 + 2C↔C 2 N 2.

Pri segrevanju na temperaturo 500-600 o C dušik reagira z litijevim hidridom (7), če pa je temperaturno območje 300-350 o C, je možna reakcija s kalcijevim karbidom (8):

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

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

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

DUŠIK, N (lat. Nitrogenium * a. dušik; n. Stickstoff; f. azot, dušik; i. nitrogeno), — kemični element Skupina V periodni sistem Mendelejev, atomsko število 7, atomska masa 14,0067. Leta 1772 ga je odkril angleški raziskovalec D. Rutherford.

Lastnosti dušika

V normalnih pogojih je dušik plin brez barve in vonja. Naravni dušik je sestavljen iz dveh stabilni izotopi: 14 N (99,635 %) in 15 N (0,365 %). Molekula dušika je dvoatomna; atoma povezuje kovalentna trojna vez NN. Določen premer molekule dušika na različne načine, 3,15-3,53 A. Molekula dušika je zelo stabilna - disociacijska energija je 942,9 kJ/mol.

Molekularni dušik

Molekulske dušikove konstante: f tališča - 209,86°C, f vrelišča - 195,8°C; gostota dušikov plin 1,25 kg/m3, tekočina - 808 kg/m3.

Značilnosti dušika

V trdnem stanju dušik obstaja v dveh modifikacijah: kubična oblika a z gostoto 1026,5 kg/m 3 in šesterokotno obliko b z gostoto 879,2 kg/m 3 . Talilna toplota 25,5 kJ/kg, izparilna toplota 200 kJ/kg. Površinska napetost tekoči dušik v stiku z zrakom 8.5.10 -3 N/m; prepustnost 1,000538. Topnost dušika v vodi (cm 3 na 100 ml H 2 O): 2,33 (0°C), 1,42 (25°C) in 1,32 (60°C). Zunanji elektronska lupina Atom dušika je sestavljen iz 5 elektronov. Oksidacijska stanja dušika se gibljejo od 5 (v N 2 O 5) do -3 (v NH 3).

Dušikova spojina

Dušik pri normalne razmere lahko reagira s spojinami prehodnih kovin (Ti, V, Mo itd.), pri čemer tvori komplekse ali se reducira v amoniak in hidrazin. Dušik reagira z aktivnimi kovinami, na primer pri segrevanju na relativno nizke temperature. Dušik reagira z večino drugih elementov pri visokih temperaturah in v prisotnosti katalizatorjev. Dušikove spojine z: N 2 O, NO, N 2 O 5 so dobro raziskane. Dušik se veže s C samo pri visokih temperaturah in v prisotnosti katalizatorjev; pri tem nastane amoniak NH 3 . Dušik ne vpliva neposredno na halogene; zato se vsi dušikovi halogenidi pridobivajo le posredno, na primer dušikov fluorid NF 3 - z interakcijo z amoniakom. Tudi dušik se ne povezuje neposredno z žveplom. Ko vroča voda reagira z dušikom, nastane cianogen (CN) 2. Pri izpostavljenosti navadnega dušika električnim razelektritvam, pa tudi pri električnih razelektritvah v zraku, lahko nastane aktivni dušik, ki je zmes dušikovih molekul in atomov s povečano energijsko zalogo. Aktivni dušik zelo energično sodeluje s kisikom, vodikom, hlapi in nekaterimi kovinami.

Dušik je eden najpogostejših elementov na Zemlji in njegova večina (približno 4,10 15 ton) je koncentrirana v prostem stanju v. Vsako leto ob vulkanska aktivnost 2.10 V ozračje se sprosti 6 ton dušika. Manjši del dušika je koncentriran v (povprečna vsebnost v litosferi 1.9.10 -3%). Naravne dušikove spojine - amonijev klorid in razni nitrati(solina). Dušikovi nitridi lahko nastanejo le, če visoke temperature in pritiski, ki so se očitno zgodili v najzgodnejših fazah razvoja Zemlje. Velika kopičenja solitra najdemo le v suhih puščavskih podnebjih (itd.). Majhne količine vezan dušik najdemo v (1-2,5%) in (0,02-1,5%), pa tudi v vodah rek, morij in oceanov. Dušik se kopiči v tleh (0,1 %) in živih organizmih (0,3 %). Dušik je del beljakovinskih molekul in številnih naravnih organskih spojin.

Krog dušika v naravi

V naravi obstaja cikel dušika, ki vključuje cikel molekularnega atmosferskega dušika v biosferi, cikel kemično vezanega dušika v atmosferi, cikel zakopanega organske snovi površinskega dušika v litosferi z njegovim povratkom nazaj v ozračje. Dušik za industrijo so prej v celoti pridobivali iz naravnih nahajališč solitre, katerih število je v svetu zelo omejeno. Posebno velika nahajališča dušika v obliki natrijevega nitrata so v Čilu; proizvodnja solitra je v nekaterih letih znašala več kot 3 milijone ton.

OPREDELITEV

V normalnih pogojih dušik- brezbarven plin, sestavljen iz molekul N 2 .

Močna intramolekularna vez, majhnost in nepolarnost molekule dušika so razlogi za šibko medmolekulsko interakcijo, torej ima dušik nizke temperature vrenje in taljenje.

Dušik je brez vonja. Rahlo topen v vodi in nekoliko lažji od zraka: masa 1 litra dušika je 1,25 g.

Najpomembnejše dušikove konstante so predstavljene v spodnji tabeli:

Tabela 1. Fizikalne lastnosti in gostoto dušika.

Molekula dušika N2 ima v osnovnem stanju naslednje elektronska konfiguracija: [σ(2s) 2 ][ [σ * (2s) 2 ][π(2p y) 2 ][π(2p x) 2 ][π(2p z) 2 ]. Atom dušika v osnovnem stanju ima tri nesparjene elektrone. To pomeni, da je valenca dušika tri. Vendar kljub dejstvu, da za dušik ni značilna prisotnost vzbujenega stanja, ta element je sposoben pokazati valence I, II, IV in V v svojih spojinah.

Naravna številčnost dušika

Dušik v naravi najdemo v obliki enostavne snovi (vsebnost dušika v zraku je -78 (vol.)%). V obliki aminokislin in nukleinske kisline Dušik je vključen v živalske in rastlinske organizme. Iz naravnih mineralov industrijska vrednost imajo čilski nitrat (NaNO 3) in kalijev nitrat (KNO 3). Splošna vsebina dušik v zemeljska skorja(vključno s hidrosfero in atmosfero) znaša 0,04 % (mase).

Kratek opis kemijskih lastnosti in gostote dušika

Molekularni dušik ima izredno malo reaktivnost, kar je posledica prisotnosti močne trojne vezi v molekuli N2, pa tudi nepolarnosti molekule. Dejansko je ionizacijska energija molekule dušika, 1402 kJ/mol, blizu ionizacijske energije atoma argona, 1520 kJ/mol; z drugimi besedami, dušik je slabo redukcijsko sredstvo.

Elektronska afiniteta molekularnega dušika je -3,6 eV, zato pri sobni temperaturi reagira le z nekaterimi močnimi reducenti, kot je litij. Postopek poteka skozi stopnjo enoelektronske redukcije s tvorbo nestabilnega pernitrida Li + N 2 -, ki se med reakcijo spremeni v nitrid:

6Li + N 2 = 2Li 3 N.

Za tvorbo magnezijevega nitrida Mg 3 N 2 iz preproste snovi zahteva segrevanje na 300 o C. Nitridi aktivne kovine predstavljati ionske spojine, hidroliziran z vodo, da nastane amoniak.

IN električna razelektritev v molekuli dušika pride do prehoda elektrona iz orbite σ(2p z) v π * (2p z). Tako vzbujene molekule se hitro vrnejo v normalno stanje in oddajajo rumen sij. Včasih traja nekaj minut po prenehanju izcedka. V vznemirjenem stanju je dušik zelo reaktiven. Dejansko pri električni razelektritvi reagira s kisikom:

N 2 + O 2 ↔ 2NO.

Reakcija z vodikom poteka pri povišanih temperaturah (400 o C) in tlaku (200 atm) v prisotnosti katalizatorja (Fe):

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 .

Dušik ne deluje z žveplom in halogeni.

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

PRIMER 2

Kemični element dušik ima simbol N, atomsko številko 7 in atomska masa 14. V elementarnem stanju dušik tvori zelo stabilne dvoatomne molekule N 2 z močnimi medatomskimi vezmi.

Molekula dušika, njena velikost in lastnosti plina

Molekula dušika je tvorjena trojno kovalentna vez med dvema atomoma dušika in ima kemijska formula N 2. Velikost molekul večine snovi nasploh, še posebej pa dušika, je precej težko določljiva vrednost, pa tudi sam koncept ni enoznačen. Za razumevanje principov delovanja opreme, ki ločuje komponente zraka, je najboljši koncept kinetični premer molekula, ki je definirana kot najmanjša dimenzija molekule. Dušik N2, pa tudi kisik O2 sta dvoatomne molekule, po obliki bolj podobni valjem kot kroglam - zato je ena od njihovih dimenzij, ki jo lahko običajno imenujemo "dolžina", večja od druge, ki jo lahko običajno imenujemo "premer". Tudi kinetični premer molekule dušika ni nedvoumno določen, vendar obstajajo tako teoretični kot eksperimentalno podatke o kinetičnem premeru molekul dušika in kisika (navajamo podatke o kisiku, ker je kisik drugi glavni sestavni del atmosferski zrak, in iz tega je potrebno dušik očistiti, ko ga pridobimo v procesu ločevanja zraka), vključno z:
- N 2 3,16Å in O 2 2,96Å - iz podatkov o viskoznosti
- N 2 3,14Å in O 2 2,90Å - iz podatkov o van der Waalsovih silah

Dušik N 2 se pri temperaturi -210°C tali, to je prehaja iz trdne faze v tekoče, pri temperaturi -195,79 pa izhlapi (vre), to je prehaja iz tekočega v plinasto stanje. °C.

Kliknite za povečavo

Plin dušik je inertni plin, brez barve, okusa, vonja, negorljiv in nestrupen. Gostota dušika pri normalnih atmosferskih pogojih (to je pri temperaturi 0 °C in absolutnem tlaku 101325 Pa) je 1,251 kg/m³. Dušik ne reagira s skoraj nobenimi drugimi snovmi (z izjemo redkih reakcij vezave dušika na litij in magnezij). Nasprotno, Haberjev postopek se pogosto uporablja v industriji, pri proizvodnji gnojil, pri katerem se v prisotnosti katalizatorja, železovega trioksida Fe 3 O 4, dušik veže z vodikom pri visoki temperaturi in tlaku.

Dušik predstavlja glavni del zemeljsko ozračje tako po prostornini (78,3 %) kot po masi (75,47 %). Dušik je prisoten v vseh živih organizmih, v mrtvih organizmih, v odpadnih produktih organizmov, v beljakovinskih molekulah, nukleinskih kislinah in aminokislinah, sečnini, sečni kislini in drugih. organske molekule. V naravi obstajajo tudi minerali, ki vsebujejo dušik: nitrat (kalijev nitrat - kalijev nitrat KNO 3, amonijev nitrat - amonijev nitrat NH 4 NO 3, natrijev nitrat - natrijev nitrat NaNO 3, magnezijev nitrat, barijev nitrat itd.), amoniak spojine (npr. amonijev klorid NH 4 Cl itd.) in drugi, večinoma precej redki minerali.

Tabela prikazuje gostoto dušika in njegove termofizikalne lastnosti v plinasto stanje odvisno od temperature in tlaka. Toplofizikalne lastnosti dušika so podane pri temperaturah od 0 do 1000°C in tlaku od 1 do 100 atmosfer.

Kot je razvidno iz tabele, so lastnosti dušika, kot sta toplotna difuzivnost in kinematična viskoznost, močno odvisne od temperature. Z naraščanjem tlaka te lastnosti dušika nižajo vrednosti, medtem ko gostota dušika se močno poveča. Na primer, kdaj atmosferski tlak in temperaturo 0°C je gostota dušika 1,21 kg/m 3, s povečanjem tlaka za 100-krat pa se gostota dušika poveča na 122,8 kg/m 3 pri enaki temperaturi.

Specifična toplotna kapaciteta dušika narašča z naraščanjem temperature tega plina. Z naraščanjem tlaka se povečuje tudi specifična toplotna kapaciteta dušika. Na primer pri temperaturi 0°C in atmosferskem tlaku Specifična toplotna kapaciteta dušika je 1039 J/(kg deg), in ko je ta plin stisnjen na tlak 100 atmosfer, bo pri isti temperaturi znašal 1242 J/(kg deg).

Upoštevati je treba, da pri visokih temperaturah (približno 1000 °C) vpliv tlaka na vrednost specifično toplotno kapaciteto dušik se zmanjša. Torej, pri temperaturi 1000 ° C in tlaku 1 in 100 atm. vrednost toplotne kapacitete bo enaka 1215 oziroma 1219 J/(kg deg).

Tabela daje naslednje lastnosti dušik:

• gostota dušika γ , kg/m 3 ;
• specifična toplota C str , kJ/(kg deg);
• koeficient toplotne prevodnosti λ , W/(m deg);
• dinamična viskoznost μ , ;
• toplotna difuzivnost a , m 2 /s;
• kinematična viskoznost ν , m 2 /s;
• Prandtlova številka Pr .

Gostota disociiranega dušika pri visokih temperaturah.

Tabela podaja vrednosti gostote dušika v disociiranem in ioniziranem stanju pri tlakih od 0,2 do 100 atmosfer pri visokih temperaturah. Gostota dušika v plinastem stanju je podana v temperaturnem območju 5000...40000 K v dimenziji kg/m 3.

Gostota dušika se z naraščajočo temperaturo zmanjšuje in narašča z naraščanjem tlaka plina. Pomen specifična teža dušik (njegova gostota) v tabeli se giblje od 0,00043 do 6,83 kg/m 3. Na primer, pri atmosferskem tlaku in temperaturi 5000 K (4727 ° C) je gostota dušika 0,0682 kg / m 3. Pri segrevanju dušika na temperaturo 40.000 K se njegova gostota zmanjša na vrednost 0,00213 kg/m 3.

Opomba: Bodite previdni! Gostota dušika v tabeli je navedena v potencah 10 3. Ne pozabite deliti s 1000.

Toplotna prevodnost dušika v tekočem in plinastem stanju

Tabela prikazuje toplotno prevodnost dušika v tekočem in plinastem stanju v odvisnosti od temperature in tlaka.
Toplotna prevodnost dušika (dimenzija W/(m deg)) je navedena v temperaturnem območju od -193 do 1127 °C in tlaku od 1 do 600 atmosfer.

Toplotna prevodnost disociiranega dušika pri visokih temperaturah.

Tabela podaja vrednosti toplotne prevodnosti disociiranega dušika pri tlakih od 0,001 do 100 atmosfer in visokih temperaturah.
Toplotna prevodnost dušika v plinastem stanju je podana v temperaturnem območju 2000...6000 K v dimenziji W/(m deg).

Vrednost koeficienta toplotne prevodnosti dušika narašča z naraščajočo temperaturo in na splošno pada z naraščanjem tlaka tega plina. Toplotna prevodnost disociiranega dušika pod pogoji, obravnavanimi v tabeli, se spreminja od 0,126 do 6,142 W/(m deg).

Bodite previdni! Toplotna prevodnost dušika v tabeli je navedena na potenco 10 3. Ne pozabite deliti vrednost tabele s 1000.

Toplotna prevodnost tekočega dušika na nasičeni črti.

Tabela prikazuje vrednosti koeficienta toplotne prevodnosti tekočega dušika na liniji nasičenja pri nizkih temperaturah.
Toplotna prevodnost tekočega dušika je navedena pri temperaturah 90...120 K (-183...-153°C).

Glede na tabelo je razvidno, da je toplotna prevodnost dušika v tekoče stanje zmanjšuje z naraščanjem temperature.

Opomba: Bodite previdni! Toplotna prevodnost dušika v tabeli je navedena na potenco 10 3. Ne pozabite deliti s 1000.

Dinamična viskoznost dušika v odvisnosti od temperature in tlaka

Tabela prikazuje vrednosti dušika v odvisnosti od temperature in tlaka.
Dinamična viskoznost dušika (dimenzija Pa s) je navedena v temperaturnem območju od 80 do 6000 K in tlaku od 1 do 400 atmosfer in od 0,001 do 100 atmosfer.

Pri temperaturi dušika 3600 K začne delno disociirati. Ko se temperatura azoatnega plina poveča, se njegova dinamična viskoznost poveča. Z naraščanjem temperature tekočega dušika se povečuje tudi vrednost njegove dinamične viskoznosti.

Opomba: Bodite previdni! Viskoznost dušika v tabeli je navedena v potencah 10 6. Ne pozabite deliti z 10 6 .

Viri:

1. Fizikalne količine. Imenik. A.P. Babičev, N.A. Babuškina, A.M. Bratkovsky in drugi; Ed. I.S. Grigorieva, E.Z. Meilikhova. - M.: Energoatomizdat, 1991. - 1232 str.