Davanje salitre - ovako se s latinskog prevodi riječ Nitrogenium. Ovo je naziv dušika - kemijskog elementa s atomskim brojem 7, na čelu 15. skupine u dugoj verziji periodnog sustava. U obliku jednostavne tvari, distribuira se u zračnoj ljusci Zemlje - atmosferi. Različiti dušikovi spojevi nalaze se u zemljinoj kori i živim organizmima i naširoko se koriste u industriji, vojnim poslovima, poljoprivredi i medicini.
Zašto se dušik zvao "gušenjem" i "beživotnim"
Kao što sugeriraju povjesničari kemije, Henry Cavendish (1777.) bio je prvi koji je primio ovu jednostavnu tvar. Znanstvenik je propuštao zrak preko vrućeg ugljena, koristeći lužinu da apsorbira produkte reakcije. Kao rezultat eksperimenta, istraživač je otkrio bezbojni plin bez mirisa koji nije reagirao s ugljenom. Cavendish ga je nazvao "zagušljivim zrakom" jer nije mogao održati disanje kao i gori.
Moderni kemičar bi objasnio da kisik reagira s ugljikom da nastane ugljični dioksid. Preostali "gušljivi" dio zraka sastojao se uglavnom od N2 molekula. Cavendish i drugi znanstvenici u to vrijeme još nisu znali za ovu tvar, iako su se spojevi dušika i salitre tada naširoko koristili u gospodarstvu. Znanstvenik je prijavio neobičan plin svom kolegi, koji je proveo slične eksperimente, Josephu Priestleyu.
U isto vrijeme, Karl Scheele je skrenuo pozornost na nepoznati sastojak zraka, ali nije uspio ispravno objasniti njegovo porijeklo. Tek je Daniel Rutherford 1772. godine shvatio da je "gušeći" "pokvareni" plin prisutan u eksperimentima dušik. Kojeg bi znanstvenika trebalo smatrati njegovim otkrićem - povjesničari znanosti se još uvijek raspravljaju o tome.
15 godina nakon Rutherfordovih eksperimenata, poznati kemičar Antoine Lavoisier predložio je promjenu pojma "pokvareni" zrak, koji se odnosi na dušik, u drugi - dušik. Do tada je dokazano da ova tvar ne gori, ne podržava disanje. Istodobno se pojavio ruski naziv "dušik", koji se tumači na različite načine. Za pojam se najčešće kaže da znači "beživotno". Naknadni rad opovrgnuo je rašireno mišljenje o svojstvima materije. Spojevi dušika – bjelančevine – najvažnije su makromolekule u sastavu živih organizama. Da bi ih izgradile, biljke apsorbiraju potrebne elemente mineralne ishrane iz tla - ione NO32- i NH4+.
Dušik je kemijski element
Periodični sustav (PS) pomaže razumjeti strukturu atoma i njegova svojstva. Po položaju kemijskog elementa u periodnom sustavu može se odreditinuklearni naboj, broj protona i neutrona (maseni broj). Potrebno je obratiti pozornost na vrijednost atomske mase - to je jedna od glavnih karakteristika elementa. Broj razdoblja odgovara broju energetskih razina. U kratkoj verziji periodnog sustava, broj grupe odgovara broju elektrona na vanjskoj energetskoj razini. Sumirajmo sve podatke u općim karakteristikama dušika po njegovom položaju u periodnom sustavu:
- Ovo je nemetalni element, koji se nalazi u gornjem desnom kutu PS-a.
- Kemijski znak: N.
- Broj narudžbe: 7.
- Relativna atomska masa: 14.0067.
- Formula hlapljivog spoja vodika: NH3 (amonijak).
- Proizvodi najveći oksid N2O5, u kojem je valencija dušika V.
Struktura atoma dušika:
- Osnovni naboj: +7.
- Broj protona:7; broj neutrona: 7.
- Broj razina energije: 2.
- Ukupni broj elektrona: 7; elektronička formula: 1s22s22p3.
Stabilni izotopi elementa br. 7 su detaljno proučeni, njihovi maseni brojevi su 14 i 15. Sadržaj atoma lakšeg od njih je 99,64%. U jezgrima kratkoživućih radioaktivnih izotopa također se nalazi 7 protona, a broj neutrona jako varira: 4, 5, 6, 9, 10.
Dušik u prirodi
Zračna ljuska Zemlje sadrži molekule jednostavne tvari, čija je formula N2. Sadržaj plinovitog dušika u atmosferi je volumnooko 78,1%. Anorganski spojevi ovog kemijskog elementa u zemljinoj kori su razne amonijeve soli i nitrati (nitrati). Formule spojeva i nazivi nekih od najvažnijih tvari:
- NH3, amonijak.
- NE2, dušikov dioksid.
- NaNO3, natrijev nitrat.
- (NH4)2SO4, amonijev sulfat.
Valencija dušika u posljednja dva spoja - IV. Ugljen, tlo, živi organizmi također sadrže vezane atome N. Dušik je sastavni dio makromolekula aminokiselina, nukleotida DNA i RNA, hormona i hemoglobina. Ukupni sadržaj kemijskog elementa u ljudskom tijelu doseže 2,5%.
Jednostavna tvar
Dušik u obliku dvoatomskih molekula najveći je dio atmosferskog zraka po volumenu i masi. Tvar čija je formula N2 nema miris, boju ili okus. Ovaj plin čini više od 2/3 Zemljine zračne ovojnice. U tekućem obliku dušik je bezbojna tvar nalik vodi. Vri na -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Jednostavna tvar dušik je nešto lakša od kisika, njegova gustoća u zraku je blizu 1.
Atomi u molekuli čvrsto vežu 3 zajednička elektronska para. Spoj pokazuje visoku kemijsku stabilnost, što ga razlikuje od kisika i niza drugih plinovitih tvari. Da bi se molekula dušika raspala na sastavne atome, potrebno je potrošiti energiju od 942,9 kJ/mol. Veza od tri para elektrona je vrlo jaka.razgrađuju se pri zagrijavanju iznad 2000 °C.
U normalnim uvjetima, disocijacija molekula na atome praktički se ne događa. Kemijska inertnost dušika također je posljedica potpune odsutnosti polariteta u njegovim molekulama. Međusobno vrlo slabo djeluju, što je razlog plinovitog stanja tvari pri normalnom tlaku i temperaturi blizu sobne. Niska reaktivnost molekularnog dušika pronalazi primjenu u raznim procesima i uređajima gdje je potrebno stvoriti inertno okruženje.
Disocijacija molekula N2 može se dogoditi pod utjecajem sunčevog zračenja u gornjim slojevima atmosfere. Nastaje atomski dušik koji u normalnim uvjetima reagira s nekim metalima i nemetalima (fosfor, sumpor, arsen). Kao rezultat, dolazi do sinteze tvari koje se dobivaju neizravno u zemaljskim uvjetima.
Valentnost dušika
Vanjski elektronski sloj atoma čine 2 s i 3 p elektrona. Ove negativne čestice dušika mogu odustati u interakciji s drugim elementima, što odgovara njegovim redukcijskim svojstvima. Pričvršćivanjem nedostajuća 3 elektrona na oktet, atom pokazuje oksidacijske sposobnosti. Elektronegativnost dušika je niža, njegova nemetalna svojstva su manje izražena od fluora, kisika i klora. U interakciji s tim kemijskim elementima, dušik odustaje od elektrona (oksidira se). Redukcija na negativne ione je popraćena reakcijama s drugim nemetalima i metalima.
Tipična valencija dušika je III. U ovom slučajukemijske veze nastaju zbog privlačenja vanjskih p-elektrona i stvaranja zajedničkih (veznih) parova. Dušik je sposoban formirati vezu donor-akceptor zbog svog samotnog para elektrona, kao što se događa u amonijevom ionu NH4+.
Laboratorijska i industrijska proizvodnja
Jedna od laboratorijskih metoda temelji se na oksidacijskim svojstvima bakrenog oksida. Koristi se dušično-vodikov spoj - amonijak NH3. Ovaj plin neugodnog mirisa reagira s crnim bakrenim oksidom u prahu. Kao rezultat reakcije, oslobađa se dušik i pojavljuje se metalni bakar (crveni prah). Kapljice vode, još jedan produkt reakcije, talože se na stijenkama cijevi.
Druga laboratorijska metoda koja koristi kombinaciju dušika s metalima je azid, kao što je NaN3. Ispada plin koji ne treba pročišćavati od nečistoća.
Amonijev nitrit se u laboratoriju razlaže na dušik i vodu. Da bi se reakcija pokrenula potrebno je zagrijavanje, zatim se proces nastavlja oslobađanjem topline (egzotermno). Dušik je kontaminiran nečistoćama, pa se pročišćava i suši.
Proizvodnja dušika u industriji:
- frakcijska destilacija tekućeg zraka - metoda koja koristi fizička svojstva dušika i kisika (različite točke vrelišta);
- kemijska reakcija zraka s užarenim ugljenom;
- odvajanje adsorpcijskih plinova.
Interakcija s metalima i vodikom - oksidirajuća svojstva
Inertnost jakih molekulane dopušta dobivanje nekih dušikovih spojeva izravnom sintezom. Za aktiviranje atoma potrebno je snažno zagrijavanje ili zračenje tvari. Dušik može reagirati s litijem na sobnoj temperaturi, s magnezijem, kalcijem i natrijem reakcija se događa samo pri zagrijavanju. Nastaju odgovarajući metalni nitridi.
Interakcija dušika s vodikom događa se pri visokim temperaturama i pritiscima. Ovaj proces također zahtijeva katalizator. Ispada amonijak - jedan od najvažnijih proizvoda kemijske sinteze. Dušik, kao oksidacijsko sredstvo, pokazuje tri negativna oksidacijska stanja u svojim spojevima:
- −3 (amonijak i drugi vodikovi spojevi dušika su nitridi);
- −2 (hidrazin N2H4);
- −1 (hidroksilamin NH2OH).
Najvažniji nitrid - amonijak - proizvodi se u velikim količinama u industriji. Kemijska inertnost dušika dugo je bila veliki problem. S altitra je bila njegov izvor sirovina, ali rezerve minerala počele su brzo opadati kako je proizvodnja rasla.
Veliko dostignuće kemijske znanosti i prakse bilo je stvaranje amonijačne metode fiksacije dušika u industrijskim razmjerima. Izravna sinteza se provodi u posebnim kolonama - reverzibilni proces između dušika dobivenog iz zraka i vodika. Prilikom stvaranja optimalnih uvjeta koji pomiču ravnotežu ove reakcije prema proizvodu, korištenjem katalizatora, prinos amonijaka doseže 97%.
Interakcija s kisikom - svojstva smanjenja
Da bi se pokrenula reakcija dušika i kisika potrebno je jako zagrijavanje. Električni luk i pražnjenje munje u atmosferi imaju dovoljno energije. Najvažniji anorganski spojevi u kojima je dušik u pozitivnim oksidacijskim stanjima:
- +1 (dušikov oksid (I) N2O);
- +2 (dušikov monoksid NO);
- +3 (dušikov oksid (III) N2O3; dušična kiselina HNO2, njegove soli su nitriti);
- +4 (dušikov (IV) dioksid NO2);
- +5 (dušikov pentoksid (V) N2O5, dušična kiselina HNO3, nitrati).
Značenje u prirodi
Biljke apsorbiraju amonijeve ione i nitratne anione iz tla, koriste za kemijske reakcije sintezu organskih molekula, koje se neprestano odvijaju u stanicama. Atmosferski dušik mogu apsorbirati kvržice - mikroskopska stvorenja koja stvaraju izrasline na korijenu mahunarki. Kao rezultat, ova skupina biljaka dobiva potrebne hranjive tvari, obogaćuje tlo s njim.
Tijekom tropskih pljuskova dolazi do reakcija oksidacije atmosferskog dušika. Oksidi se otapaju i tvore kiseline, ti dušikovi spojevi u vodi ulaze u tlo. Zbog kruženja elementa u prirodi, njegove se rezerve u zemljinoj kori i zraku neprestano obnavljaju. Složene organske molekule koje sadrže dušik bakterije razlažu na anorganske komponente.
Praktična upotreba
Najvažnije vezedušik za poljoprivredu su vrlo topljive soli. Biljke asimiliraju ureu, salitru (natrij, kalij, kalcij), amonijeve spojeve (vodena otopina amonijaka, klorida, sulfata, amonijevog nitrata), nitrate. Dijelovi biljnog organizma sposobni su pohraniti makronutrijente "za budućnost", što pogoršava kvalitetu proizvoda. Višak nitrata u povrću i voću može uzrokovati trovanje ljudi, rast malignih neoplazmi. Osim u poljoprivredi, dušikovi spojevi se koriste i u drugim industrijama:
- za primanje lijekova;
- za kemijsku sintezu makromolekularnih spojeva;
- u proizvodnji eksploziva od trinitrotoluena (TNT);
- za proizvodnju boja.
NO oksid se koristi u kirurgiji, tvar ima analgetski učinak. Gubitak osjeta pri udisanju ovog plina primijetili su čak i prvi istraživači kemijskih svojstava dušika. Ovako se pojavio trivijalni naziv "gas za smijeh".
Problem nitrata u poljoprivrednim proizvodima
Soli dušične kiseline - nitrati - sadrže jednostruko nabijeni anion NO3-. Do sada se koristi stari naziv ove skupine tvari - salitra. Nitrati se koriste za gnojidbu polja, u staklenicima, voćnjacima. Primjenjuju se u rano proljeće prije sjetve, ljeti - u obliku tekućih obloga. Same tvari ne predstavljaju veliku opasnost za ljude, aliu tijelu se pretvaraju u nitrite, zatim u nitrozamine. Nitritni ioni NO2- su otrovne čestice, uzrokuju oksidaciju željeznog željeza u molekulama hemoglobina u trovalentne ione. U tom stanju, glavna tvar krvi ljudi i životinja nije u stanju prenositi kisik i uklanjati ugljični dioksid iz tkiva.
Koja je opasnost od kontaminacije hrane nitratima za ljudsko zdravlje:
- maligni tumori koji nastaju kada se nitrati pretvore u nitrozamine (kancerogene tvari);
- razvoj ulceroznog kolitisa,
- hipotenzija ili hipertenzija;
- zatajenje srca;
- poremećaj zgrušavanja krvi
- jetra, gušterača, razvoj dijabetesa;
- razvoj zatajenja bubrega;
- anemija, oštećenje pamćenja, pažnje, inteligencije.
Istodobna konzumacija različitih namirnica s visokim dozama nitrata dovodi do akutnog trovanja. Izvori mogu biti biljke, pitka voda, pripremljena jela od mesa. Namakanje u čistoj vodi i kuhanje mogu smanjiti sadržaj nitrata u hrani. Istraživači su otkrili da su veće doze opasnih spojeva pronađene u nezrelim i stakleničkim biljnim proizvodima.
Fosfor je element podskupine dušika
Atomi kemijskih elemenata koji se nalaze u istom okomitom stupcu periodnog sustava pokazuju zajednička svojstva. Fosfor se nalazi u trećem razdoblju, pripada 15. skupini, kao i dušik. Struktura atomaelementi su slični, ali postoje razlike u svojstvima. Dušik i fosfor pokazuju negativno oksidacijsko stanje i valenciju III u svojim spojevima s metalima i vodikom.
Mnoge reakcije fosfora odvijaju se na uobičajenim temperaturama, on je kemijski aktivan element. U interakciji s kisikom tvori viši oksid P2O5. Vodena otopina ove tvari ima svojstva kiseline (metafosforne). Kad se zagrije, dobije se ortofosforna kiselina. Tvori nekoliko vrsta soli, od kojih mnoge služe kao mineralna gnojiva, poput superfosfata. Spojevi dušika i fosfora važan su dio ciklusa tvari i energije na našem planetu, koriste se u industrijskim, poljoprivrednim i drugim područjima djelatnosti.
