Normal koşullar altında nitrojen gazının yoğunluğu. Azot: özellikleri, kimyasal özellikleri, fiziksel özellikleri, bileşikleri, doğadaki yeri

Kimyasal element nitrojen, N sembolüne, atom numarası 7'ye ve atom kütlesi 14'e sahiptir. Elemental durumda nitrojen, güçlü atomlar arası bağlara sahip çok kararlı diatomik moleküller N2 oluşturur.

Azot molekülü, büyüklüğü ve gaz özellikleri

Azot molekülü, iki nitrojen atomu arasındaki üçlü kovalent bağdan oluşur ve N2 kimyasal formülüne sahiptir. Genel olarak çoğu maddenin ve özellikle nitrojenin moleküllerinin boyutunun belirlenmesi oldukça zor bir değerdir ve hatta kavramın kendisi bile net değildir. Hava bileşenlerini ayıran ekipmanın çalışma prensiplerini anlamak için en iyi konsept kinetik çap Bir molekülün en küçük boyutu olarak tanımlanan molekül. Azot N2 ve oksijen O2, şekil olarak silindirlere kürelere göre daha benzeyen iki atomlu moleküllerdir - bu nedenle, geleneksel olarak "uzunluk" olarak adlandırılabilecek boyutlarından biri diğerinden daha önemlidir; geleneksel olarak "çap" olarak adlandırılabilir. Bir nitrojen molekülünün kinetik çapı kesin olarak belirlenmese de, nitrojen ve oksijen moleküllerinin kinetik çapı hakkında hem teorik hem de deneysel olarak elde edilen veriler vardır (oksijen, atmosferik havanın ikinci ana bileşeni olduğu için oksijene ilişkin verileri sunuyoruz ve Aşağıdakileri içeren, hava ayırma işlemi sırasında elde edildiğinde nitrojenin saflaştırılması gerekir:
- N 2 3,16Å ve O 2 2,96Å - viskozite verilerinden
- N 2 3,14Å ve O 2 2,90Å - van der Waals kuvvetlerine ilişkin verilerden

Azot N2 -210°C sıcaklıkta erir, yani katı fazdan sıvı faza geçer ve buharlaşır (kaynar), yani sıvıdan gaz durumuna - -210°C sıcaklıkta geçer 195.79°C.

Büyütmek için tıklayın

Azot gazı inert bir gazdır, renksiz, tatsız, kokusuz, yanıcı ve toksik değildir. Normal atmosferik koşullar altında (yani 0°C sıcaklıkta ve 101325 Pa mutlak basınçta) nitrojenin yoğunluğu 1,251 kg/m³'tür. Azot hemen hemen hiçbir maddeyle reaksiyona girmez (azotun lityum ve magnezyum ile bağlanmasının nadir reaksiyonları hariç). Ayrıca, tam tersine, Haber süreci endüstride, gübre üretiminde, demir trioksit Fe304 katalizörünün varlığında nitrojenin yüksek sıcaklık ve basınçta hidrojen ile bağlandığı gübre üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Azot, hem hacim (%78,3) hem de kütle (%75,47) olarak dünya atmosferinin büyük kısmını oluşturur. Azot tüm canlı organizmalarda, ölü organizmalarda, organizmaların atık ürünlerinde, protein moleküllerinde, nükleik asitlerde ve amino asitlerde, üre, ürik asit ve diğer organik moleküllerde bulunur. Doğada nitrojen içeren mineraller de vardır: nitrat (potasyum nitrat - potasyum nitrat KNO 3, amonyum nitrat - amonyum nitrat NH4 NO 3, sodyum nitrat - sodyum nitrat NaN03, magnezyum nitrat, baryum nitrat, vb.), amonyak bileşikler (örneğin, amonyum klorür NH4Cl, vb.) ve diğer, çoğunlukla oldukça nadir mineraller.

Yayın tarihi 02/16/2013 03:40

Azot– periyodik tablonun N harfiyle gösterilen ve atom numarası 7 olan kimyasal bir element. İki atomdan oluşan N2 molekülü formunda bulunur. Bu kimyasal, standart koşullar altında inert olan renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Normal koşullar altında (0 °C ve 101,3 kPa basınçta) nitrojenin yoğunluğu 1,251 g/dm3'tür. Element, hacminin% 78,09'u kadar Dünya atmosferinin bir parçasıdır. İlk kez 1772'de İskoç doktor Daniel Rutherford tarafından havanın bir bileşeni olarak keşfedildi.

Sıvı nitrojen kriyojenik bir sıvıdır. Atmosfer basıncında -195,8 °C sıcaklıkta kaynar. Bu nedenle yalnızca sıvılaştırılmış gazlar için çelik silindirler veya Dewar şişeleri gibi yalıtımlı kaplarda saklanabilir. Ancak bu durumda buharlaşma nedeniyle fazla kayıp olmadan depolanabilir veya taşınabilir. Kuru buz gibi (sıvılaştırılmış karbon dioksit, karbondioksit olarak da bilinir), soğutucu olarak sıvı nitrojen kullanılır. Ayrıca kanın, germ hücrelerinin (sperm ve yumurtalar) yanı sıra diğer biyolojik numunelerin ve materyallerin dondurularak saklanması için de kullanılır. Ayrıca klinik uygulamada, örneğin ciltteki kistlerin ve siğillerin giderilmesi için kriyoterapide de talep edilmektedir. Sıvı nitrojenin yoğunluğu 0,808 g/cm3'tür.

Nitrik asit, amonyak, organik nitratlar (patlayıcılar, yakıtlar) ve siyanürler gibi endüstriyel açıdan önemli birçok bileşik N2 içerir. Moleküldeki elementel nitrojenin son derece güçlü bağları, kimyasal reaksiyonlara katılmasını zorlaştırır, bu da onun standart koşullar (sıcaklık ve basınç) altındaki eylemsizliğini açıklar. Ayrıca bu nedenlerden dolayı N2 birçok bilimsel ve endüstriyel alanda büyük önem taşımaktadır. Örneğin petrol veya gaz üretimi sırasında yerinde basıncı korumak gerekir. Bunun herhangi bir pratik veya bilimsel uygulaması, belirli bir basınç ve sıcaklıkta nitrojen yoğunluğunun ne olacağının bilinmesini gerektirir. Fizik ve termodinamik yasalarından, sabit bir hacimde, gazın basıncının ve yoğunluğunun artan sıcaklıkla artacağı veya bunun tersinin de geçerli olduğu bilinmektedir.

Ne zaman ve neden bilmeniz gerekiyor? nitrojen yoğunluğu? Bu göstergenin hesaplanması, N2 kullanılarak teknolojik süreçlerin tasarımında, laboratuvar uygulamalarında ve üretimde kullanılır. Bir gazın bilinen yoğunluğunu kullanarak belirli bir hacimdeki kütlesi hesaplanabilir. Örneğin gazın normal şartlarda 20 dm3 hacim kapladığı bilinmektedir. Bu durumda kütlesini hesaplayabilirsiniz: m = 20 1.251 = 25.02 g. Koşullar standarttan farklıysa ve bu koşullar altında N2'nin hacmi biliniyorsa, önce yoğunluğu (referans kitaplardan) bulmanız gerekecektir. Belirli bir basınç ve sıcaklıkta nitrojen miktarını hesaplayın ve ardından bu değeri gazın kapladığı hacimle çarpın.

Teknolojik tesislerin malzeme dengeleri derlenirken üretimde de benzer hesaplamalar yapılmaktadır. Teknolojik süreçlerin yürütülmesi, enstrümantasyon seçimi, teknik ve ekonomik göstergelerin hesaplanması vb. için gereklidirler. Örneğin, kimyasal üretimi durdurulduktan sonra, tüm cihazlar ve boru hatları, açılmadan ve onarım için çıkarılmadan önce inert bir gaz olan nitrojen (örneğin helyum veya argona kıyasla en ucuz ve en erişilebilir olanıdır) ile temizlenmelidir. Kural olarak, aparatın veya boru hatlarının hacminden birkaç kat daha fazla miktarda N2 ile temizlenirler; bu, yanıcı gazları ve buharları sistemden uzaklaştırmanın ve bir patlamayı veya yangını önlemenin tek yoludur. Kapatma onarımlarından önce operasyonları planlarken, boşaltılacak sistemin hacmini ve nitrojen yoğunluğunu bilen teknoloji uzmanı, temizleme için gerekli olacak N2 kütlesini hesaplar.

Azot, periyodik tablonun N harfiyle gösterilen ve seri numarası 7 olan kimyasal bir elementtir. İki atomdan oluşan N2 molekülü formunda bulunur. Bu kimyasal, standart koşullar altında inert olan renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Normal koşullar altında (0 °C ve 101,3 kPa basınçta) nitrojenin yoğunluğu 1,251 g/dm3'tür. Element bileşime hacminin %78,09'u oranında dahil edilir. İlk kez 1772'de İskoç doktor Daniel Rutherford tarafından havanın bir bileşeni olarak keşfedildi.

Sıvı nitrojen kriyojenik bir sıvıdır. Atmosfer basıncında -195,8 °C'de kaynar. Bu nedenle yalnızca sıvılaştırılmış gazlar için çelik silindirler olan yalıtımlı kaplarda depolanabilir veya ancak bu durumda buharlaşma nedeniyle önemli kayıplar olmadan depolanabilir veya taşınabilir. Kuru buz gibi (sıvılaştırılmış, karbondioksit olarak da bilinir), soğutucu olarak sıvı nitrojen kullanılır. Ayrıca kanın, germ hücrelerinin (sperm ve yumurtalar) yanı sıra diğer biyolojik numunelerin ve materyallerin dondurularak saklanması için de kullanılır. Ayrıca klinik uygulamada, örneğin ciltteki kistlerin ve siğillerin giderilmesi için kriyoterapide de talep edilmektedir. Sıvı nitrojenin yoğunluğu 0,808 g/cm3'tür.

Amonyak, organik nitratlar (patlayıcılar, yakıtlar) ve siyanürler gibi endüstriyel açıdan önemli birçok bileşik N2 içerir. Moleküldeki elementel nitrojenin son derece güçlü bağları, kimyasal reaksiyonlara katılmasını zorlaştırır, bu da onun standart koşullar (sıcaklık ve basınç) altındaki eylemsizliğini açıklar. Ayrıca bu nedenlerden dolayı N2 birçok bilimsel ve endüstriyel alanda büyük önem taşımaktadır. Örneğin petrol veya gaz üretimi sırasında yerinde basıncı korumak gerekir. Bunun herhangi bir pratik veya bilimsel uygulaması, belirli bir basınç ve sıcaklıkta nitrojen yoğunluğunun ne olacağının bilinmesini gerektirir. Fizik ve termodinamik yasalarından, sabit hacimde sıcaklığın artmasıyla basıncın artacağı ve bunun tersinin de geçerli olduğu bilinmektedir.

Azotun yoğunluğunu ne zaman ve neden bilmeniz gerekir? Bu göstergenin hesaplanması, N2 kullanılarak teknolojik süreçlerin tasarımında, laboratuvar uygulamalarında ve üretimde kullanılır. Bir gazın bilinen yoğunluğunu kullanarak belirli bir hacimdeki kütlesi hesaplanabilir. Örneğin gazın normal şartlarda 20 dm3 hacim kapladığı bilinmektedir. Bu durumda kütlesini hesaplayabilirsiniz: m = 20. 1,251 = 25,02 g Koşullar standart olanlardan farklıysa ve bu koşullar altında N2'nin hacmi biliniyorsa, önce belirli bir basınç ve sıcaklıkta nitrojenin yoğunluğunu (referans kitaplardan) bulmanız ve ardından çarpmanız gerekecektir. Bu değer, gazın kapladığı hacimle belirlenir.

Teknolojik tesislerin malzeme dengeleri derlenirken üretimde de benzer hesaplamalar yapılmaktadır. Teknolojik süreçlerin yürütülmesi, enstrümantasyon seçimi, teknik ve ekonomik göstergelerin hesaplanması vb. için gereklidirler. Örneğin, kimyasal üretimi durdurulduktan sonra, tüm cihazlar ve boru hatları, açılmadan ve onarım için çıkarılmadan önce inert bir gaz olan nitrojen (örneğin helyum veya argona kıyasla en ucuz ve en erişilebilir olanıdır) ile temizlenmelidir. Kural olarak, aparatın veya boru hatlarının hacminden birkaç kat daha fazla miktarda N2 ile temizlenirler; bu, yanıcı gazları ve buharları sistemden uzaklaştırmanın ve bir patlamayı veya yangını önlemenin tek yoludur. Kapatma onarımlarından önce operasyonları planlarken, boşaltılacak sistemin hacmini ve nitrojen yoğunluğunu bilen teknoloji uzmanı, temizleme için gerekli olacak N2 kütlesini hesaplar.

Doğruluk gerektirmeyen basitleştirilmiş hesaplamalar için gerçek gazlar ideal gazlara eşitlenir ve Avogadro yasası uygulanır. 1 mol N2'nin kütlesi sayısal olarak 28 grama eşit olduğundan ve herhangi bir ideal gazın 1 mol'ü 22,4 litre hacim kapladığından, nitrojenin yoğunluğu şuna eşit olacaktır: 28/22,4 = 1,25 g/l = 1,25 g/ DM3. Yoğunluğu hızlı bir şekilde bulmanın bu yöntemi yalnızca N2 için değil, her gaz için geçerlidir. Analitik laboratuvarlarda sıklıkla kullanılır.

Tablo, sıcaklığa ve basınca bağlı olarak nitrojenin yoğunluğunu ve gaz halindeki termofiziksel özelliklerini göstermektedir. Azotun termofiziksel özellikleri 0 ila 1000°C arasındaki sıcaklıklarda ve 1 ila 100 atmosfer arasındaki basınçta verilmektedir.

Tablodan görülebileceği gibi, nitrojenin termal yayılma ve kinematik viskozite gibi özellikleri büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır. Basınç arttıkça nitrojenin bu özellikleri değerleri düşerken, nitrojen yoğunluğu önemli ölçüde artar. Örneğin atmosfer basıncında ve 0°C sıcaklıkta nitrojenin yoğunluğu 1,21 kg/m3 iken, basınç 100 kat arttığında aynı sıcaklıkta nitrojenin yoğunluğu 122,8 kg/m3'e çıkar.

Azotun özgül ısı kapasitesi bu gazın sıcaklığının artmasıyla artar. Basınç arttıkça nitrojenin özgül ısı kapasitesi de artar. Örneğin 0°C sıcaklıkta ve atmosfer basıncında Azotun özgül ısı kapasitesi 1039 J/(kg derece) ve bu gaz 100 atmosfer basınca sıkıştırıldığında aynı sıcaklıkta 1242 J/(kg derece) olacaktır.

Yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık 1000°C), nitrojenin spesifik ısı kapasitesi üzerindeki basıncın etkisinin azaldığı unutulmamalıdır. Yani 1000°C sıcaklıkta ve 1 ve 100 atm basınçta. ısı kapasitesi değeri sırasıyla 1215 ve 1219 J/(kg derece) olacaktır.

Tablo nitrojenin aşağıdaki özelliklerini göstermektedir:

• nitrojen yoğunluğu γ , kg/m3;
• özgül ısı C p , kJ/(kg derece);
• termal iletkenlik katsayısı λ , W/(m derece);
• dinamik viskozite μ , ;
• termal yayılma A , m2 /s;
• kinematik viskozite ν , m2 /s;
• Prandtl numarası PR .

Yüksek sıcaklıklarda ayrışmış nitrojenin yoğunluğu.

Tablo, yüksek sıcaklıklarda 0,2 ila 100 atmosfer arasındaki basınçlarda ayrışmış ve iyonize halde nitrojenin yoğunluk değerlerini vermektedir. Gaz halindeki nitrojenin yoğunluğu 5000...40000 K sıcaklık aralığında kg/m3 boyutunda verilir.

Azotun yoğunluğu artan sıcaklıkla azalır ve artan gaz basıncıyla birlikte artar. Tablodaki nitrojenin özgül ağırlığının (yoğunluğunun) değeri 0,00043 ile 6,83 kg/m3 arasında değişmektedir. Örneğin atmosferik basınçta ve 5000 K (4727 °C) sıcaklıkta nitrojenin yoğunluğu 0,0682 kg/m3'tür. Azot 40.000 K sıcaklığa ısıtıldığında yoğunluğu 0,00213 kg/m3 değerine düşer.

Not: Dikkatli olun! Tablodaki nitrojenin yoğunluğu 10 3'ün kuvvetleriyle gösterilmiştir. 1000'e bölmeyi unutmayın.

Azotun sıvı ve gaz halindeki termal iletkenliği

Tablo, sıcaklığa ve basınca bağlı olarak nitrojenin sıvı ve gaz halindeki ısıl iletkenliğini göstermektedir.
Azotun termal iletkenliği (boyut W/(m derece)) -193 ila 1127 °C sıcaklık aralığında ve 1 ila 600 atmosfer basınçta gösterilir.

Ayrışmış nitrojenin yüksek sıcaklıklarda termal iletkenliği.

Tablo, 0,001 ila 100 atmosfer arasındaki basınçlarda ve yüksek sıcaklıklarda ayrışmış nitrojenin termal iletkenlik değerlerini vermektedir.
Azotun gaz halindeki termal iletkenliği 2000...6000 K sıcaklık aralığında W/(m derece) boyutunda verilir.

Azotun ısıl iletkenlik katsayısının değeri artan sıcaklıkla artar ve genellikle bu gazın basıncının artmasıyla azalır. Tabloda dikkate alınan koşullar altında ayrışmış nitrojenin termal iletkenliği 0,126 ila 6,142 W/(m derece) arasında değişir.

Dikkat olmak! Tablodaki nitrojenin ısıl iletkenliği 10 3'ün kuvvetiyle gösterilmiştir. Tablo değerini 1000'e bölmeyi unutmayın.

Doyma hattında sıvı nitrojenin termal iletkenliği.

Tablo, düşük sıcaklıklarda doyma hattındaki sıvı nitrojenin ısıl iletkenlik katsayısının değerlerini göstermektedir.
Sıvı nitrojenin termal iletkenliği 90...120 K (-183...-153°C) sıcaklıklarda gösterilir.

Tablo, sıvı haldeki nitrojenin ısıl iletkenliğinin artan sıcaklıkla azaldığını göstermektedir.

Not: Dikkatli olun! Tablodaki nitrojenin ısıl iletkenliği 10 3'ün kuvvetiyle gösterilmiştir. 1000'e bölmeyi unutmayın.

Sıcaklık ve basınca bağlı olarak nitrojenin dinamik viskozitesi

Tabloda sıcaklık ve basınca bağlı olarak nitrojen değerleri gösterilmektedir.
Azotun dinamik viskozitesi (Pa s boyutu) 80 ila 6000 K sıcaklık aralığında ve 1 ila 400 atmosfer ve 0,001 ila 100 atmosfer basınçta gösterilir.

3600 K nitrojen sıcaklığında kısmen ayrışmaya başlar. Azoat gazının sıcaklığı arttıkça dinamik viskozitesi artar. Sıvı nitrojenin sıcaklığı arttıkça dinamik viskozite değeri de artar.

Not: Dikkatli olun! Tablodaki nitrojenin viskozitesi 106'nın kuvvetleriyle gösterilmiştir. 10 6'ya bölmeyi unutmayın.

Kaynaklar:

1. Fiziksel miktarlar. Dizin. A.P. Babichev, N.A. Babushkina, A.M. Bratkovsky ve diğerleri; Ed. IS Grigorieva, E.Z. Meilikhova. - M .: Energoatomizdat, 1991. - 1232 s.

TANIM

Azot- metal olmayan. Normal koşullar altında renksiz bir gaz haline dönüşebilen renksiz bir gazdır. sıvı(sıvı nitrojenin yoğunluğu 0,808 g/cm3'tür), sıvı oksijenden farklı olarak sıvı oksijenden daha düşük bir sıcaklıkta (-195,75 o C) kaynatılır.

Katı halde beyaz kristaller halinde görünür.

Azot suda çok az çözünür (oksijenden daha kötü), ancak sıvı kükürt dioksitte oldukça çözünür.

Sıvı nitrojen molekülünün kimyasal bileşimi ve yapısı

Normal koşullar altında nitrojen, N2 moleküllerinden oluşan renksiz bir gazdır. Moleküldeki nitrojen atomları arasında üçlü bir bağ vardır ve bunun sonucunda molekülü son derece güçlüdür. Moleküler nitrojen kimyasal olarak aktif değildir ve zayıf polarizedir.

Elektron bulutu uzun bir sekiz şekline sahip olan bir nitrojen molekülünün oluşumunu (Şekil 1) ele alalım. İki nitrojen atomu yaklaştığında elektron bulutları üst üste gelir. Böyle bir örtüşme yalnızca elektronların antiparalel dönüşleri olması durumunda mümkündür. Bulut örtüşme bölgesinde elektron yoğunluğu artar, bunun sonucunda atomlar arasındaki çekim kuvvetleri artar. Bir nitrojen molekülündeki paylaşılan elektron çiftlerinin sayısı bire eşittir (her atomdan bir elektron). Molekül kovalent (polar olmayan) tipte bir bağa sahiptir.

Pirinç. 1. Azot molekülünün yapısı.

Sıvı nitrojenin kimyasal özelliklerinin ve yoğunluğunun kısa açıklaması

Normal koşullar altında nitrojen kimyasal olarak pasif bir elementtir; asitler, alkaliler, amonyak hidrat, halojenler, kükürt ile reaksiyona girmez. Elektrik deşarjının (1, 2) etkisi altında hidrojen ve oksijen ile küçük bir dereceye kadar reaksiyona girer. Nem varlığında oda sıcaklığında lityum ile reaksiyona girer (3). Isıtıldığında magnezyum, kalsiyum, alüminyum ve diğer metallerle reaksiyona girer (4, 5, 6).

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 (1);

N2 + O2 ↔ 2NO (2);

N2 + 6Li = 2Li3N(3);

N2 + 3Mg = Mg3N_2(4);

N2 + 3Ca = Ca3N2(5);

N2 + 2Al = 2AlN (6).

Azotun flor ve karbon ile reaksiyonları, hidrojen veya oksijen durumunda olduğu gibi, bir elektrik deşarjının etkisi altında meydana gelir:

N2 + 3F2 = 2NF3;

N2 + 2C↔C2N2.

Azot, 500-600 o C sıcaklığa ısıtıldığında lityum hidrit (7) ile reaksiyona girer, ancak sıcaklık aralığı 300-350 o C ise kalsiyum karbür (8) ile reaksiyon mümkündür:

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

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

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1