Dávanie liadku – takto sa prekladá slovo Nitrogenium z latinčiny. Toto je názov dusíka - chemického prvku s atómovým číslom 7, ktorý patrí do 15. skupiny v dlhej verzii periodickej tabuľky. Vo forme jednoduchej látky je rozmiestnený vo vzdušnom obale Zeme – atmosfére. Rôzne zlúčeniny dusíka sa nachádzajú v zemskej kôre a živých organizmoch a sú široko používané v priemysle, vojenskej oblasti, poľnohospodárstve a medicíne.
Prečo sa dusík nazýval „dusivý“a „bez života“
Ako tvrdia historici chémie, Henry Cavendish (1777) bol prvým, kto dostal túto jednoduchú látku. Vedec prešiel vzduchom cez žeravé uhlie, pričom na absorpciu produktov reakcie použil zásadu. Výsledkom experimentu bolo, že výskumník objavil bezfarebný plyn bez zápachu, ktorý nereagoval s uhlím. Cavendish to nazval „dusiacim vzduchom“, pretože nie je schopný udržať dýchanie a horieť.
Moderný chemik by vysvetlil, že kyslík reagoval s uhlíkom za vzniku oxidu uhličitého. Zostávajúca „dusivá“časť vzduchu pozostávala väčšinou z molekúl N2. Cavendish a ďalší vedci v tom čase ešte o tejto látke nevedeli, hoci zlúčeniny dusíka a ledku boli vtedy v hospodárstve široko používané. Vedec oznámil nezvyčajný plyn svojmu kolegovi, Josephovi Priestleymu, ktorý vykonal podobné experimenty.
Karl Scheele zároveň upozornil na neznámu zložku vzduchu, no nedokázal správne vysvetliť jej pôvod. Až Daniel Rutherford si v roku 1772 uvedomil, že „dusivý“„skazený“plyn prítomný v experimentoch bol dusík. Ktorého vedca treba považovať za jeho objaviteľa – historici vedy sa o tom stále hádajú.
15 rokov po Rutherfordových experimentoch slávny chemik Antoine Lavoisier navrhol zmeniť výraz „skazený“vzduch, odkazujúci na dusík, na iný – dusík. Vtedy sa dokázalo, že táto látka nehorí, nepodporuje dýchanie. Zároveň sa objavil ruský názov "dusík", ktorý sa interpretuje rôznymi spôsobmi. Najčastejšie sa hovorí, že tento výraz znamená „bez života“. Následná práca vyvrátila rozšírený názor o vlastnostiach hmoty. Zlúčeniny dusíka – bielkoviny – sú najdôležitejšími makromolekulami v zložení živých organizmov. Na ich stavbu rastliny absorbujú z pôdy potrebné prvky minerálnej výživy – ióny NO32- a NH4+.
Dusík je chemický prvok
Periodický systém (PS) pomáha pochopiť štruktúru atómu a jeho vlastnosti. Podľa polohy chemického prvku v periodickej tabuľke je možné určiťjadrový náboj, počet protónov a neutrónov (hmotnostné číslo). Je potrebné venovať pozornosť hodnote atómovej hmotnosti - to je jedna z hlavných charakteristík prvku. Číslo periódy zodpovedá počtu úrovní energie. V krátkej verzii periodickej tabuľky číslo skupiny zodpovedá počtu elektrónov na vonkajšej energetickej úrovni. Zhrňme si všetky údaje vo všeobecných charakteristikách dusíka podľa jeho polohy v periodickom systéme:
- Toto je nekovový prvok, ktorý sa nachádza v pravom hornom rohu PS.
- Chemický znak: N.
- Číslo objednávky: 7.
- Relatívna atómová hmotnosť: 14,0067.
- Vzorec prchavej zlúčeniny vodíka: NH3 (amoniak).
- Produkuje najvyšší oxid N2O5, v ktorom je valencia dusíka V.
Štruktúra atómu dusíka:
- Základný poplatok: +7.
- Počet protónov:7; počet neutrónov: 7.
- Počet úrovní energie: 2.
- Celkový počet elektrónov: 7; elektronický vzorec: 1s22s22p3.
Stabilné izotopy prvku č. 7 boli podrobne študované, ich hmotnostné čísla sú 14 a 15. Obsah atómov ľahšieho z nich je 99,64 %. V jadrách rádioaktívnych izotopov s krátkou životnosťou je tiež 7 protónov a počet neutrónov sa značne líši: 4, 5, 6, 9, 10.
Dusík v prírode
Vzduchový obal Zeme obsahuje molekuly jednoduchej látky, ktorej vzorec je N2. Obsah plynného dusíka v atmosfére je objemovýpribližne 78,1 %. Anorganickými zlúčeninami tohto chemického prvku v zemskej kôre sú rôzne amónne soli a dusičnany (dusičnany). Vzorce zlúčenín a názvy niektorých najdôležitejších látok:
- NH3, amoniak.
- NO2, oxid dusičitý.
- NaNO3, dusičnan sodný.
- (NH4)2SO4, síran amónny.
Valencia dusíka v posledných dvoch zlúčeninách - IV. Uhlie, pôda, živé organizmy obsahujú aj viazané atómy N. Dusík je neoddeliteľnou súčasťou makromolekúl aminokyselín, nukleotidov DNA a RNA, hormónov a hemoglobínu. Celkový obsah chemického prvku v ľudskom tele dosahuje 2,5 %.
Jednoduchá látka
Dusík vo forme dvojatómových molekúl je objemovo a hmotnostne najväčšou časťou atmosférického vzduchu. Látka, ktorej vzorec je N2, nemá vôňu, farbu ani chuť. Tento plyn tvorí viac ako 2/3 vzduchového obalu Zeme. V kvapalnej forme je dusík bezfarebná látka pripomínajúca vodu. Vrie pri -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Jednoduchá látka dusík je o niečo ľahšia ako kyslík, jej hustota vo vzduchu je blízka 1.
Atómy v molekule pevne viažu 3 spoločné elektrónové páry. Zlúčenina vykazuje vysokú chemickú stabilitu, čo ju odlišuje od kyslíka a množstva iných plynných látok. Na to, aby sa molekula dusíka rozpadla na základné atómy, je potrebné vynaložiť energiu 942,9 kJ/mol. Väzba troch elektrónových párov je veľmi silná.rozpadá sa pri zahriatí nad 2000 °C.
Za normálnych podmienok k disociácii molekúl na atómy prakticky nedochádza. Chemická inertnosť dusíka je tiež spôsobená úplnou absenciou polarity v jeho molekulách. Navzájom veľmi slabo interagujú, čo je príčinou plynného skupenstva hmoty pri normálnom tlaku a teplote blízkej izbovej teplote. Nízka reaktivita molekulárneho dusíka nachádza uplatnenie v rôznych procesoch a zariadeniach, kde je potrebné vytvárať inertné prostredie.
Disociácia molekúl N2 môže nastať pod vplyvom slnečného žiarenia vo vyšších vrstvách atmosféry. Vzniká atómový dusík, ktorý za normálnych podmienok reaguje s niektorými kovmi a nekovmi (fosfor, síra, arzén). V dôsledku toho dochádza k syntéze látok, ktoré sa získavajú nepriamo za pozemských podmienok.
Valencia dusíka
Vonkajšia elektrónová vrstva atómu je tvorená 2 s a 3 p elektrónmi. Tieto negatívne častice dusíka sa môžu pri interakcii s inými prvkami vzdať, čomu zodpovedajú aj jeho redukčné vlastnosti. Pripojením chýbajúcich 3 elektrónov k oktetu atóm vykazuje oxidačné schopnosti. Elektronegativita dusíka je nižšia, jeho nekovové vlastnosti sú menej výrazné ako u fluóru, kyslíka a chlóru. Pri interakcii s týmito chemickými prvkami dusík odovzdáva elektróny (oxiduje sa). Redukciu na záporné ióny sprevádzajú reakcie s inými nekovmi a kovmi.
Typická valencia dusíka je III. V tomto prípadechemické väzby vznikajú priťahovaním vonkajších p-elektrónov a vytváraním spoločných (väzbových) párov. Dusík je schopný tvoriť donor-akceptorovú väzbu vďaka svojmu osamelému páru elektrónov, ako sa vyskytuje v amónnom ióne NH4+.
Laboratórna a priemyselná výroba
Jedna z laboratórnych metód je založená na oxidačných vlastnostiach oxidu medi. Používa sa zlúčenina dusíka a vodíka - amoniak NH3. Tento páchnuci plyn reaguje s práškovým čiernym oxidom medi. V dôsledku reakcie sa uvoľňuje dusík a objavuje sa kovová meď (červený prášok). Kvapky vody, ďalší produkt reakcie, sa usádzajú na stenách skúmavky.
Ďalšou laboratórnou metódou, ktorá využíva kombináciu dusíka s kovmi, je azid, ako napríklad NaN3. Ukazuje sa, že plyn nie je potrebné čistiť od nečistôt.
Dusitan amónny sa v laboratóriu rozkladá na dusík a vodu. Aby sa reakcia spustila, je potrebný ohrev, potom proces pokračuje s uvoľňovaním tepla (exotermický). Dusík je kontaminovaný nečistotami, preto sa čistí a suší.
Produkcia dusíka v priemysle:
- frakčná destilácia kvapalného vzduchu – metóda využívajúca fyzikálne vlastnosti dusíka a kyslíka (rôzne teploty varu);
- chemická reakcia vzduchu so žeravým uhlím;
- separácia adsorpčných plynov.
Interakcia s kovmi a vodíkom – oxidačné vlastnosti
Inertnosť silných molekúlneumožňuje získať niektoré zlúčeniny dusíka priamou syntézou. Na aktiváciu atómov je potrebné silné zahrievanie alebo ožarovanie látky. Dusík môže reagovať s lítiom pri izbovej teplote, s horčíkom, vápnikom a sodíkom k reakcii dochádza až pri zahrievaní. Vznikajú zodpovedajúce nitridy kovov.
K interakcii dusíka s vodíkom dochádza pri vysokých teplotách a tlakoch. Tento proces tiež vyžaduje katalyzátor. Ukazuje sa, že amoniak - jeden z najdôležitejších produktov chemickej syntézy. Dusík ako oxidačné činidlo vykazuje vo svojich zlúčeninách tri negatívne oxidačné stavy:
- −3 (amoniak a iné vodíkové zlúčeniny dusíka sú nitridy);
- −2 (hydrazín N2H4);
- −1 (hydroxylamín NH2OH).
Najdôležitejší nitrid – amoniak – sa v priemysle vyrába vo veľkých množstvách. Veľkým problémom zostávala dlho chemická inertnosť dusíka. Ledok bol jeho zdrojom surovín, ale zásoby nerastov začali rapídne klesať, keď sa produkcia zvýšila.
Veľkým úspechom chemickej vedy a praxe bolo vytvorenie amoniakovej metódy fixácie dusíka v priemyselnom meradle. Priama syntéza sa uskutočňuje v špeciálnych kolónach - reverzibilný proces medzi dusíkom získaným zo vzduchu a vodíkom. Pri vytváraní optimálnych podmienok, ktoré posúvajú rovnováhu tejto reakcie smerom k produktu, s použitím katalyzátora, výťažok amoniaku dosahuje 97 %.
Interakcia s kyslíkom – redukčné vlastnosti
Na spustenie reakcie dusíka a kyslíka je potrebné silné zahriatie. Elektrický oblúk a výboj blesku v atmosfére majú dostatočnú energiu. Najdôležitejšie anorganické zlúčeniny, v ktorých je dusík vo svojich kladných oxidačných stavoch:
- +1 (oxid dusnatý (I) N2O);
- +2 (oxid dusnatý NO);
- +3 (oxid dusnatý (III) N2O3; kyselina dusitá HNO2, jeho soli sú dusitany);
- +4 (oxid dusnatý NO2);
- +5 (oxid dusnatý (V) N2O5, kyselina dusičná HNO3, dusičnany).
Význam v prírode
Rastliny absorbujú amónne ióny a dusičnanové anióny z pôdy, využívajú na chemické reakcie syntézu organických molekúl, neustále prebiehajúce v bunkách. Atmosférický dusík môžu absorbovať uzlové baktérie – mikroskopické tvory, ktoré tvoria výrastky na koreňoch strukovín. Výsledkom je, že táto skupina rastlín dostáva potrebný živný prvok, obohacuje ním pôdu.
Počas tropických lejakov dochádza k reakciám oxidácie dusíka v atmosfére. Oxidy sa rozpúšťajú za vzniku kyselín, tieto zlúčeniny dusíka vo vode vstupujú do pôdy. Vplyvom cirkulácie prvku v prírode sa jeho zásoby v zemskej kôre a vzduchu neustále dopĺňajú. Zložité organické molekuly obsahujúce dusík sú baktériami rozložené na anorganické zložky.
Praktické použitie
Najdôležitejšie spojeniadusík pre poľnohospodárstvo sú vysoko rozpustné soli. Močovina, ľadok (sodík, draslík, vápnik), amónne zlúčeniny (vodný roztok amoniaku, chloridu, síranu, dusičnanu amónneho) sú asimilované rastlinami.dusičnany. Časti rastlinného organizmu sú schopné ukladať makroživiny „pre budúcnosť“, čo zhoršuje kvalitu produktov. Nadbytok dusičnanov v zelenine a ovocí môže spôsobiť otravu u ľudí, rast malígnych novotvarov. Okrem poľnohospodárstva sa zlúčeniny dusíka používajú aj v iných odvetviach:
- dostávať lieky;
- pre chemickú syntézu makromolekulárnych zlúčenín;
- pri výrobe výbušnín z trinitrotoluénu (TNT);
- na výrobu farbív.
NO oxid sa používa v chirurgii, látka má analgetický účinok. Stratu pocitov pri vdychovaní tohto plynu si všimli už aj prví výskumníci chemických vlastností dusíka. Takto sa objavil triviálny názov „smejúci plyn“.
Problém dusičnanov v poľnohospodárskych produktoch
Soli kyseliny dusičnej – dusičnany – obsahujú jeden nabitý anión NO3-. Doteraz sa používa starý názov tejto skupiny látok – ľadok. Dusičnany sa používajú na hnojenie polí, v skleníkoch, sadoch. Aplikujú sa skoro na jar pred sejbou, v lete - vo forme tekutých obkladov. Samotné látky nepredstavujú pre človeka veľké nebezpečenstvo, alev tele sa menia na dusitany a potom na nitrozamíny. Dusitanové ióny NO2- sú toxické častice, spôsobujú oxidáciu železnatého železa v molekulách hemoglobínu na trojmocné ióny. V tomto stave hlavná látka krvi ľudí a zvierat nie je schopná prenášať kyslík a odstraňovať oxid uhličitý z tkanív.
Aké je nebezpečenstvo kontaminácie potravín dusičnanmi pre ľudské zdravie:
- zhubné nádory, ktoré vznikajú, keď sa dusičnany premenia na nitrozamíny (karcinogény);
- rozvoj ulceróznej kolitídy,
- hypotenzia alebo hypertenzia;
- zlyhanie srdca;
- porucha zrážania krvi
- pečeň, pankreas, rozvoj cukrovky;
- rozvoj zlyhania obličiek;
- anémia, zhoršená pamäť, pozornosť, inteligencia.
Súčasná konzumácia rôznych potravín s vysokými dávkami dusičnanov vedie k akútnej otrave. Zdrojom môžu byť rastliny, pitná voda, pripravené mäsové jedlá. Namáčanie v čistej vode a varenie môže znížiť obsah dusičnanov v potravinách. Výskumníci zistili, že vyššie dávky nebezpečných zlúčenín boli nájdené v nezrelých a skleníkových rastlinných produktoch.
Fosfor je prvkom podskupiny dusíka
Atómy chemických prvkov, ktoré sú v rovnakom vertikálnom stĺpci periodického systému, vykazujú spoločné vlastnosti. Fosfor sa nachádza v tretej perióde, patrí do 15. skupiny, podobne ako dusík. Štruktúra atómovprvky sú podobné, existujú však rozdiely vo vlastnostiach. Dusík a fosfor vykazujú negatívny oxidačný stav a valenciu III vo svojich zlúčeninách s kovmi a vodíkom.
Veľa reakcií fosforu prebieha pri bežných teplotách, je to chemicky aktívny prvok. Interaguje s kyslíkom a vytvára vyšší oxid P2O5. Vodný roztok tejto látky má vlastnosti kyseliny (metafosforečnej). Pri zahrievaní sa získa kyselina ortofosforečná. Tvorí niekoľko druhov solí, z ktorých mnohé slúžia ako minerálne hnojivá, napríklad superfosfáty. Zlúčeniny dusíka a fosforu sú dôležitou súčasťou kolobehu látok a energie na našej planéte, využívajú sa v priemyselných, poľnohospodárskych a iných oblastiach činnosti.
