Salpetra došana – tā no latīņu valodas tiek tulkots vārds Nitrogenium. Tas ir slāpekļa nosaukums - ķīmiskais elements ar atomu skaitu 7, kas atrodas 15. grupā periodiskās tabulas garajā versijā. Vienkāršas vielas veidā tā ir izplatīta Zemes gaisa apvalkā - atmosfērā. Dažādi slāpekļa savienojumi ir atrodami zemes garozā un dzīvajos organismos, un tos plaši izmanto rūpniecībā, militārajās lietās, lauksaimniecībā un medicīnā.
Kāpēc slāpekli sauca par "nosmacējošo" un "nedzīvu"
Kā norāda ķīmijas vēsturnieki, Henrijs Kavendišs (1777) bija pirmais, kurš saņēma šo vienkāršo vielu. Zinātnieks palaida gaisu virs karstām oglēm, izmantojot sārmu, lai absorbētu reakcijas produktus. Eksperimenta rezultātā pētnieks atklāja bezkrāsainu gāzi bez smaržas, kas nereaģēja ar akmeņoglēm. Kavendišs to sauca par "nosmacējošo gaisu", jo nespēja uzturēt elpošanu, kā arī degšanu.
Mūsdienu ķīmiķis paskaidrotu, ka skābeklis reaģēja ar oglekli, veidojot oglekļa dioksīdu. Atlikušo "smacējošo" gaisa daļu pārsvarā veidoja N2 molekulas. Kavendišs un citi zinātnieki tajā laikā vēl nezināja par šo vielu, lai gan slāpekļa un salpetra savienojumus toreiz plaši izmantoja ekonomikā. Zinātnieks ziņoja par neparasto gāzi savam kolēģim Džozefam Prīstlijam, kurš veica līdzīgus eksperimentus.
Tajā pašā laikā Kārlis Šēle vērsa uzmanību uz nezināmu gaisa sastāvdaļu, taču nespēja pareizi izskaidrot tās izcelsmi. Tikai Daniels Raterfords 1772. gadā saprata, ka eksperimentos esošā “smacēja” “sabojātā” gāze ir slāpeklis. Kuru zinātnieku vajadzētu uzskatīt par viņa atklājēju - par to zinātnes vēsturnieki joprojām strīdas.
15 gadus pēc Rezerforda eksperimentiem slavenais ķīmiķis Antuāns Lavuazjē ieteica nomainīt terminu "sabojāts" gaiss, atsaucoties uz slāpekli, uz citu - Nitrogenium. Līdz tam laikam tika pierādīts, ka šī viela nedeg, neatbalsta elpošanu. Tajā pašā laikā parādījās krievu nosaukums "slāpeklis", kas tiek interpretēts dažādi. Visbiežāk tiek teikts, ka šis termins nozīmē "nedzīvs". Turpmākie darbi atspēkoja plaši izplatīto viedokli par matērijas īpašībām. Slāpekļa savienojumi – olb altumvielas – ir svarīgākās makromolekulas dzīvo organismu sastāvā. Lai tos izveidotu, augi no augsnes uzņem nepieciešamos minerālbarības elementus - jonus NO32- un NH4+..
Slāpeklis ir ķīmisks elements
Periodiskā sistēma (PS) palīdz izprast atoma uzbūvi un tā īpašības. Pēc ķīmiskā elementa atrašanās vietas periodiskajā tabulā var noteiktkodollādiņš, protonu un neitronu skaits (masas skaitlis). Ir jāpievērš uzmanība atomu masas vērtībai - tā ir viena no galvenajām elementa īpašībām. Perioda skaitlis atbilst enerģijas līmeņu skaitam. Periodiskās tabulas īsajā versijā grupas numurs atbilst elektronu skaitam ārējā enerģijas līmenī. Apkoposim visus datus par slāpekļa vispārīgajiem raksturlielumiem pēc tā stāvokļa periodiskajā sistēmā:
- Šis ir nemetāla elements, kas atrodas PS augšējā labajā stūrī.
- Ķīmiskā zīme: N.
- Pasūtījuma numurs: 7.
- Relatīvā atommasa: 14,0067.
- Gaistošā ūdeņraža savienojuma formula: NH3 (amonjaks).
- Ražo augstāko oksīdu N2O5, kurā slāpekļa valence ir V.
Slāpekļa atoma struktūra:
- Pamatmaksa: +7.
- Protonu skaits:7; neitronu skaits: 7.
- Enerģijas līmeņu skaits: 2.
- Kopējais elektronu skaits: 7; elektroniskā formula: 1s22s22p3.
Elementa Nr.7 stabilie izotopi ir detalizēti izpētīti, to masas skaitļi ir 14 un 15. No tiem šķiltavu atomu saturs ir 99,64%. Īslaicīgu radioaktīvo izotopu kodolos ir arī 7 protoni, un neitronu skaits ir ļoti atšķirīgs: 4, 5, 6, 9, 10.
Slāpeklis dabā
Zemes gaisa apvalks satur vienkāršas vielas molekulas, kuru formula ir N2. Gāzveida slāpekļa saturs atmosfērā ir pēc tilpumaapmēram 78,1%. Šī ķīmiskā elementa neorganiskie savienojumi zemes garozā ir dažādi amonija sāļi un nitrāti (nitrāti). Savienojumu formulas un dažu svarīgāko vielu nosaukumi:
- NH3, amonjaks.
- NO2, slāpekļa dioksīds.
- NaNO3, nātrija nitrāts.
- (NH4)2SO4, amonija sulfāts.
Slāpekļa valence pēdējos divos savienojumos - IV. Ogles, augsne, dzīvie organismi satur arī saistītos N atomus. Slāpeklis ir neatņemama aminoskābju makromolekulu, DNS un RNS nukleotīdu, hormonu un hemoglobīna sastāvdaļa. Kopējais ķīmiskā elementa saturs cilvēka organismā sasniedz 2,5%.
Vienkārša viela
Slāpeklis diatomu molekulu veidā ir lielākā atmosfēras gaisa daļa pēc tilpuma un masas. Vielai, kuras formula ir N2, nav ne smaržas, ne krāsas, ne garšas. Šī gāze veido vairāk nekā 2/3 no Zemes gaisa apvalka. Šķidrā veidā slāpeklis ir bezkrāsaina viela, kas atgādina ūdeni. Vāra -195,8 °C. M (N2)=28 g/mol. Vienkāršā viela slāpeklis ir nedaudz vieglāks par skābekli, tās blīvums gaisā ir tuvu 1.
Atomi molekulā stingri saista 3 kopīgus elektronu pārus. Savienojumam piemīt augsta ķīmiskā stabilitāte, kas to atšķir no skābekļa un vairākām citām gāzveida vielām. Lai slāpekļa molekula sadalītos to veidojošos atomos, ir jāiztērē enerģija 942,9 kJ / mol. Trīs elektronu pāru saite ir ļoti spēcīga.sadalās, karsējot virs 2000 °C.
Parastos apstākļos molekulu disociācija atomos praktiski nenotiek. Slāpekļa ķīmiskā inerce ir saistīta arī ar pilnīgu polaritātes neesamību tā molekulās. Tie ļoti vāji mijiedarbojas viens ar otru, kas ir iemesls vielas gāzveida stāvoklim normālā spiedienā un temperatūrā, kas ir tuvu istabas temperatūrai. Molekulārā slāpekļa zemā reaktivitāte tiek pielietota dažādos procesos un ierīcēs, kur nepieciešams izveidot inertu vidi.
Molekulu disociācija N2 var notikt saules starojuma ietekmē atmosfēras augšējos slāņos. Veidojas atomu slāpeklis, kas normālos apstākļos reaģē ar dažiem metāliem un nemetāliem (fosforu, sēru, arsēnu). Rezultātā notiek vielu sintēze, kuras tiek iegūtas netieši zemes apstākļos.
Slāpekļa valence
Atoma ārējo elektronu slāni veido 2 s un 3 p elektroni. Šīs negatīvās slāpekļa daļiņas var atteikties, mijiedarbojoties ar citiem elementiem, kas atbilst tā reducējošām īpašībām. Pievienojot oktetam trūkstošos 3 elektronus, atomam piemīt oksidēšanas spējas. Slāpekļa elektronegativitāte ir mazāka, tā nemetāliskās īpašības ir mazāk izteiktas nekā fluoram, skābekļa un hlora īpašībām. Mijiedarbojoties ar šiem ķīmiskajiem elementiem, slāpeklis atdod elektronus (tiek oksidēts). Samazināšanu līdz negatīviem joniem pavada reakcijas ar citiem nemetāliem un metāliem.
Tipiskā slāpekļa valence ir III. Šajā gadījumāķīmiskās saites veidojas ārējo p-elektronu piesaistes un kopīgu (saišu) pāru radīšanas dēļ. Slāpeklis spēj veidot donora-akceptora saiti tā vientuļo elektronu pāra dēļ, kā tas notiek amonija jonos NH4+.
Laboratorijas un rūpnieciskā ražošana
Viena no laboratorijas metodēm ir balstīta uz vara oksīda oksidējošām īpašībām. Tiek izmantots slāpekļa-ūdeņraža savienojums - amonjaks NH3. Šī smirdošā gāze reaģē ar pulverveida melno vara oksīdu. Reakcijas rezultātā izdalās slāpeklis un parādās metālisks varš (sarkans pulveris). Ūdens pilieni, vēl viens reakcijas produkts, nosēžas uz caurules sieniņām.
Cita laboratorijas metode, kas izmanto slāpekļa un metālu kombināciju, ir azīds, piemēram, NaN3. Izrādās gāze, kas nav jāattīra no piemaisījumiem.
Amonija nitrīts laboratorijā tiek sadalīts slāpeklī un ūdenī. Lai reakcija sāktos, ir nepieciešama karsēšana, tad process turpinās ar siltuma izdalīšanos (eksotermisks). Slāpeklis ir piesārņots ar piemaisījumiem, tāpēc tas tiek attīrīts un žāvēts.
Slāpekļa ražošana rūpniecībā:
- šķidra gaisa frakcionēta destilācija - metode, kas izmanto slāpekļa un skābekļa fizikālās īpašības (dažādi viršanas punkti);
- ķīmiska gaisa reakcija ar karstām oglēm;
- adsorbcijas gāzu atdalīšana.
Mijiedarbība ar metāliem un ūdeņradi - oksidējošās īpašības
Spēcīgu molekulu inertumsneļauj iegūt dažus slāpekļa savienojumus tiešās sintēzes ceļā. Lai aktivizētu atomus, ir nepieciešama spēcīga vielas karsēšana vai apstarošana. Slāpeklis var reaģēt ar litiju istabas temperatūrā, ar magniju, kalciju un nātriju reakcija notiek tikai karsējot. Veidojas atbilstošie metālu nitrīdi.
Slāpekļa mijiedarbība ar ūdeņradi notiek augstā temperatūrā un spiedienā. Šim procesam ir nepieciešams arī katalizators. Izrādās, amonjaks - viens no svarīgākajiem ķīmiskās sintēzes produktiem. Slāpeklis kā oksidētājs savos savienojumos uzrāda trīs negatīvus oksidācijas stāvokļus:
- −3 (amonjaks un citi slāpekļa ūdeņraža savienojumi ir nitrīdi);
- −2 (hidrazīns N2H4);
- −1 (hidroksilamīns NH2OH).
Nozīmīgākais nitrīds – amonjaks – rūpniecībā tiek ražots lielos daudzumos. Slāpekļa ķīmiskā inerce ilgu laiku bija liela problēma. Salpēters bija tā izejvielu avots, taču, palielinoties ražošanai, minerālu rezerves sāka strauji samazināties.
Lielisks ķīmijas zinātnes un prakses sasniegums bija slāpekļa fiksācijas amonjaka metodes izveide rūpnieciskā mērogā. Tiešā sintēze tiek veikta īpašās kolonnās - atgriezenisks process starp slāpekli, kas iegūts no gaisa, un ūdeņradi. Radot optimālus apstākļus, kas novirza šīs reakcijas līdzsvaru produkta virzienā, izmantojot katalizatoru, amonjaka iznākums sasniedz 97%.
Mijiedarbība ar skābekli - samazinošas īpašības
Lai sāktu slāpekļa un skābekļa reakciju, nepieciešama spēcīga karsēšana. Elektriskajam lokam un zibens izlādei atmosfērā ir pietiekami daudz enerģijas. Svarīgākie neorganiskie savienojumi, kuros slāpeklis ir pozitīvā oksidācijas stāvoklī:
- +1 (slāpekļa oksīds (I) N2O);
- +2 (slāpekļa monoksīds NO);
- +3 (slāpekļa oksīds (III) N2O3; slāpekļskābe HNO2, tā sāļi ir nitrīti);
- +4 (slāpekļa (IV) dioksīds NO2);
- +5 (slāpekļa pentoksīds (V) N2O5, slāpekļskābe HNO3, nitrāti).
Nozīme dabā
Augi absorbē amonija jonus un nitrātu anjonus no augsnes, ķīmiskām reakcijām izmanto organisko molekulu sintēzi, kas nepārtraukti notiek šūnās. Atmosfēras slāpekli var absorbēt mezgliņu baktērijas – mikroskopiskas būtnes, kas veido izaugumus uz pākšaugu saknēm. Rezultātā šī augu grupa saņem nepieciešamo barības elementu, bagātina ar to augsni.
Tropu lietusgāžu laikā notiek atmosfēras slāpekļa oksidēšanās reakcijas. Oksīdi izšķīst, veidojot skābes, šie slāpekļa savienojumi ūdenī nonāk augsnē. Pateicoties stihijas cirkulācijai dabā, tās rezerves zemes garozā un gaisā tiek pastāvīgi papildinātas. Sarežģītas organiskās molekulas, kas satur slāpekli, baktērijas sadala neorganiskos komponentos.
Praktiska lietošana
Svarīgākie savienojumilauksaimniecībā izmantojamais slāpeklis ir labi šķīstoši sāļi. Urīnvielu, salpetru (nātrijs, kālijs, kalcijs), amonija savienojumus (amonjaka, hlorīda, sulfāta, amonija nitrāta ūdens šķīdums) asimilē augi.nitrāti. Augu organisma daļas spēj uzkrāt makroelementus "nākotnei", kas pasliktina produktu kvalitāti. Nitrātu pārpalikums dārzeņos un augļos var izraisīt cilvēku saindēšanos, ļaundabīgu audzēju augšanu. Papildus lauksaimniecībai slāpekļa savienojumus izmanto arī citās nozarēs:
- saņemt zāles;
- makromolekulāro savienojumu ķīmiskajai sintēzei;
- sprāgstvielu ražošanā no trinitrotoluola (TNT);
- krāsvielu ražošanai.
ķirurģijā neizmanto NO oksīdu, vielai ir pretsāpju efekts. Sajūtu zudumu, ieelpojot šo gāzi, pamanīja pat pirmie slāpekļa ķīmisko īpašību pētnieki. Tā radās triviālais nosaukums "smieklu gāze".
Nitrātu problēma lauksaimniecības produktos
Slāpekļskābes sāļi – nitrāti – satur atsevišķi uzlādētu anjonu NO3-. Līdz šim lietots šīs vielu grupas vecais nosaukums – salpetrs. Nitrātus izmanto lauku mēslošanai, siltumnīcās, augļu dārzos. Tos uzklāj agrā pavasarī pirms sēšanas, vasarā - šķidras mērces veidā. Pašas vielas lielas briesmas cilvēkiem nerada, betorganismā tie pārvēršas par nitrītiem, pēc tam par nitrozamīniem. Nitrītu joni NO2- ir toksiskas daļiņas, tās izraisa hemoglobīna molekulās esošās melnās dzelzs oksidēšanos trīsvērtīgos jonos. Šādā stāvoklī cilvēku un dzīvnieku asiņu galvenā viela nespēj pārnēsāt skābekli un izvadīt no audiem oglekļa dioksīdu.
Kāda ir pārtikas piesārņojuma ar nitrātiem bīstamība cilvēku veselībai:
- ļaundabīgi audzēji, kas rodas, kad nitrāti tiek pārveidoti par nitrozamīniem (kancerogēniem);
- čūlainā kolīta attīstība,
- hipotensija vai hipertensija;
- sirds mazspēja;
- asinsreces traucējumi
- aknas, aizkuņģa dziedzeris, diabēta attīstība;
- nieru mazspējas attīstība;
- anēmija, traucēta atmiņa, uzmanība, intelekts.
Vienlaicīga dažādu pārtikas produktu lietošana ar lielām nitrātu devām izraisa akūtu saindēšanos. Avoti var būt augi, dzeramais ūdens, gatavi gaļas ēdieni. Mērcēšana tīrā ūdenī un vārīšana var samazināt nitrātu saturu pārtikā. Pētnieki atklāja, ka lielākas bīstamo savienojumu devas tika konstatētas nenobriedušos un siltumnīcas augu produktos.
Fosfors ir slāpekļa apakšgrupas elements
Ķīmisko elementu atomiem, kas atrodas vienā un tajā pašā periodiskās sistēmas vertikālajā kolonnā, ir kopīgas īpašības. Fosfors atrodas trešajā periodā, pieder pie 15. grupas, tāpat kā slāpeklis. Atomu uzbūveelementi ir līdzīgi, taču ir atšķirības īpašībās. Slāpeklim un fosforam ir negatīvs oksidācijas stāvoklis un III valence savienojumos ar metāliem un ūdeņradi.
Daudzas fosfora reakcijas notiek parastā temperatūrā, tas ir ķīmiski aktīvs elements. Tas mijiedarbojas ar skābekli, veidojot augstāku oksīdu P2O5. Šīs vielas ūdens šķīdumam piemīt skābes (metafosfora) īpašības. Kad to karsē, iegūst ortofosforskābi. Tas veido vairāku veidu sāļus, no kuriem daudzi kalpo kā minerālmēsli, piemēram, superfosfāti. Slāpekļa un fosfora savienojumi ir svarīga mūsu planētas vielu un enerģijas cikla sastāvdaļa, tos izmanto rūpniecībā, lauksaimniecībā un citās darbības jomās.
