1. Historia odkrycia azotu i tlenu - rozpowszechnienie w przyrodzie

b) azot

Odkryty przez: Daniel Rutherford

Miejsce odkrycia: Szkocja, Szwecja

Rok odkrycia: 1772

Pochodzenia nazwy: Od greckiego "azotikos" oznaczającego "nie podtrzymujący życia"

Doświadczeniu polegającym na usunięciu tlenu z powietrza w wyniku reakcji spalania. Po pierwszej analizie powietrza w roku 1774, Antoine Lavoisier, który ową analize przeprowadzał, nazwał ten składnik powietrza AZOTEM.

Azot występuje w przyrodzie w stanie wolnym jak i związanym. Azot wolny jest głównym składnikiem powietrza (ok. 78% objętościowych). W postaci związków występuje przeważnie w organizmach żywych; jest jednym z ważniejszych pierwiastków wchodzących w skład białek roślinnych i zwierzęcych.

Czysty azot uzyskuje się ze skroplonego powietrza przez destylację frakcjonowaną. Azot w postaci skroplonej przewozi się w butlach stalowych, a ciekły w cysternach. Na skalę laboratoryjną azot otrzymuje się przez ogrzewanie stężonych roztworów chlorku amonu (NH4Cl) a azotanem(III) sodu (NaNO2).

NH4Cl + NaNO2 --> NaCl + N2 + 2H2O

a) tlen

Odkryty przez: Joseph Priestly, Carl Wilhelm Scheele

Miejsce odkrycia: Francja, Szwecja

Rok odkrycia: 1776

Pochodzenia nazwy: Od greckich słów "oxus gennan" oznaczających "tworzący kwas"

Tlen otrzymano przez termiczny rozkład tlenku rtęci (II) HgO.

2HgO → 2Hg + O2↑

Ciekły tlen po raz pierwszy otrzymali profesorowie Uniwersytetu Jagiellońskiego, Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski, 5 kwietnia 1883 roku. Wcześniej, w 1877, mgłę skroplonego tlenu zaobserwowali niezależnie Szwed Raoul Pictet i Francuz Louis-Paul Cailletet.

Tlen należy on do najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w przyrodzie. Zawartość tlenu w atmosferze, wodach i skorupie ziemskiej (do 16 km głębokości) stanowi prawie 50% ich składu chemicznego.

Główne ilości tlenu występują w przyrodzie w postaci związanej. Na przykład woda zawiera ok. 89% tlenu, piasek - 53%, a organizm ludzki ok. 65%.

2. Właściwości azotu i tlenu

a) azot

Liczba atomowa 7

Masa atomowa [u] 14,0067

Gestoéé 1,2506 (20OC)

Temperatura topnienia [OC] -209,86

Temperatura wrzenia [OC] -195,8

Wartoéciowość I, II, III, IV, V

Elektroujemność 3,0

Konfiguracja eIeItronowa [He]2s22p3 Jest pierwiastkiem chemicznym należącym do grupy 15, czyli do azotowców. Azot jest bezbarwnym i bezwonnym gazem o gęstości 1,2506 g/dm, bez smaku i zapachu, słabo rozpuszczalny w wodzie. Topi się on w temp. -209,86 °C, a wrze w temp. -195,8°C. Czysty azot otrzymuje się ze skroplonego powietrza, czyli przez destylację frakcjonowaną. W laboratorium otrzymuje się go przez ogrzewanie stężonych roztworów chlorku amonu NH₄ Cl z azotem sodu : NH4Cl + NaNO2 ---> N2 + NaCl + 2H2O. Najczęściej spotykanym związkiem jest amoniak o wzorze NH₃ ,a jego roztwór wodny nazywa się wodą amoniakalną. Amoniak jest bezbarwnym, łatwo skraplającym się gazem, dobrze rozpuszczającym się w wodzie.

b) tlen

• Tlen opisuje się zwykle jako gaz bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku, niezbędny dla żywych organizmów. W odpowiednich warunkach tlen reaguje z praktycznie wszystkimi znanymi pierwiastkami, tworząc tlenki.

C + O2----CO2 tlenek vvęgla(lV)

S + O2 -··> SO2 tlenek siarki(lV)

2Mg + O2---- 2 MgO tlenek magnezu

• Tlen rozpoczyna grupę VIA (16) układu okresowego pierwiastków.

• I stnieją dwie odmiany alotropowe tlenu: zwykły tlen złożony z cząsteczek dwuatomowych (O2) i ozon, o cząsteczkach trójatomowych (O3). Ozon jest bardzo silnym utleniaczem, powodującym przyłączenie cząsteczki tlenu do trwałych jonów; przekształca on siarczki w siarczany, dwutlenki w trójtlenki itp. Ze względu na tę właściwość ozon jest używany jako środek odkażający i bielący.

• Ozon występuje w górnych warstwach atmosfery ziemskiej i chroni życie na ziemi przed działaniem szkodliwego promieniowania słonecznego. W przemyśle otrzymuje się ozon w wyniku wyładowań elektrycznych w tlenie.

• W temperaturze pokojowej wystepuje w postci czasteczek dwuatomowych.

Liczba atomowa 8

Masa atomowa 15,9994

Gestoéé 1,429 (20°C)

Temperatura topnienia [°C] -218,4

Temperatura wrzenia [OC] -182,96

Wartoéciowość ll

Elektroujemność 3,5

Konfiguracja elektronowa [He]3s22p4

W atmosferze tlen wystepuje głóvvnie vv postaci izotopu 16O oraz śladovvych ilości 7O a 8O.

lnne spotykane izotopy wytwarza sie sztucznie i sa one promieniotwércze.

3. Otrzymywanie azotu i tlenu

a) azot Otrzymywanie: destylacja frakcjonowana skroplonego powietrza, z wykorzystaniem różnic wrzenia gazów stanowiących mieszaninę powietrza. Metody laboratoryjne: termiczny rozkład soli azotanowo-amonowych lub azydków (sole kwasu azotowodorowego HN₃): NH₄NO₂ à N₂ + 2H₂O NH₄Cl + NaNO₂ à NaCl + N₂ + H₂O 2NaN₃ à 2Na + 3N₂

b) tlen

Otrzymywanie w warunkach laboratoryjnych

• poprzez podgrzewanie nadmanganianu potasu w temp. pow. 230 °C:

2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2↑

• poprzez termiczny rozkład azotanu(V) potasu w temp. powyżej 400 °C, ale nie większej niż 440 °C:

2KNO3 → 2KNO2 + O2↑

• poprzez termiczny rozkład chloranu(V) potasu w temp. powyżej 550 °C:

2KClO3 → 2KCl + 3O2↑

• poprzez ogrzewanie tlenku rtęci(II):

2HgO → 2Hg + O2↑

• poprzez rozkład wodnego roztworu nadtlenku wodoru (wody utlenionej lub perhydrolu) pod wpływem ciepła lub katalizatora, np. dwutlenku manganu:

2H2O2 → 2H2O + O2↑

• w wyniku reakcji nadmanganianu potasu z nadtlenku wodoru:

2KMnO4 + 3H2O2 → 3O2 + 2KOH + 2MnO2 + 2H2O

• w wyniku elektrolizy wody:

2H2O → 2H2↑ + O2↑

w przemyśle (destylacja frakcyjna z cieczy

• z powietrza, należy skroplić powietrze, niska temperatura, wysokie ciśnienie

• tlen ze skroplonego powierza na drodze destylacji frakcyjnej

• 196 stopni C- oddestylowuje N jako lżejszy

• 82 stopni C oddestylowuje się O

4.Alotropia tlenu

Alotropia – odnosi się do pierwiastków chemicznych. Ten sam pier­wiastek istnieje w różnych odmianach. Odmiany alo­tro­powe pier­wiast­ka chemicznego, z regułyróżny sposób powiązania atomów w cząsteczkach pierwiastka, (grafit – diament), (tlen – ozon) lub odmiany krystalograficzne (siarka jednoskośna – siarka rombowa) TLEN występujący naturalnie w formie tlenu atmosferycznego, ozonu, tetrameru O4 (tylko w stanie ciekłym - tzw. czerwony tlen). Stanowi składnik powietrza niezbędny do oddychania ludzi i zwierząt oraz do podtrzymywania wszelkich procesów spalania. Flora i fauna wodna pobiera potrzebny do życia tlen bezpośrednio z wody, w której rozpuszcza się on w niewielkich ilościach. Gaz Bezbarwny,bez smaku,bez zapachu. Po skropleniu tworzy ciecz o barwie niebieskiej TLEN CZTEROATOMOWY O4 Nietrwała odmiana alotropowa tlenu, występuje w tlenie gazowym w temperaturze ciekłego powietrza, a takżew tlenie ciekłym i zestalonym. Składa się z dwóch cząsteczek O2 powiązanych ze sobą siłami słabszymi niż siły występujące w wiązaniu atomowym. OZON Nazywany również aktywnym tlenem, zawiera trzy atomy tlenu a nie dwa jak tlen, którym oddychamy, Jest bardzo silnym sterylizatorem znanym człowiekowi. Niszczy bakterie, wirusy. Usuwa nieprzyjemne zapachy. W środowisku naturalnym ozon występuje głównie jako skutek wyładowań atmosferycznych(błyskawice), które występują w trakcie burz ( char. Świeży zapach ). Ozon powstaje także w wodospadach. - niebieski gaz- Ma większą gęstość od powietrza- Jest gazem niepalnym

5. Wazniejsze zwiąski azotu a) Tlenki azotu Tlenki azotu – N2O Azot tworzy następujące tlenki: N2O, NO, N2O3, NO2 (N2O4), N2O5, tylko NO można otrzymać w syntezie z pierwiastków Tlenek azotu(I) N2O: bezbarwny gaz o słabym słodkawym zapachu i smaku, ma właściwości narkotyczne (gaz rozweselający, w przeszłości stosowany w stomatologii jako łagodny środek znieczulający), w wyższych temp. ulega rozkładowi na pierwiastki, jest gazem palnym, w mieszaninie z wodorem jest wybuchowy, tlenek obojętny, nie reaguje z wodą Otrzymywanie: termiczny rozkład NH4NO3 NH4NO3 ------- N2O + 2H2O Cząsteczka liniowa, w której formalnie azot posiada stopień utlenienia (+I), nieformalnie jeden z atomów azotu w cząsteczce posiada stopień utlenienia (–III ) natomiast drugi z atomów (+V) Tlenek azotu: NO bezbarwny, trujący gaz, tlenek obojętny, nie reaguje z wodą, w cząsteczce występuje wiązanie potrójne (jedno wiązanie koordynacyjne) na atomie azotu znajduje się niesparowany elektron, stąd też cząsteczka jest rodnikiem molekularnym. Otrzymywanie NO: Synteza z pierwiastków - w łuku elektrycznym, powstaje w trakcie wyładowań atmosferycznych, w trakcie spalania paliw płynnych w silnikach samochodowych (2000^oC) N2 + O2 ----- 2NO Laboratoryjnie - reakcje HNO3_(rozc) z Cu, Ag, redukcja azotanów(III) 8HNO3_(rozc) + 3Cu ----------3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O 2FeSO4 + 2NaNO2 + 2H2SO2 ---- 2NO + Fe2(SO4)3 + Na2SO4 + 2H2O Właściwości: utlenienie w powietrzu atmosferycznym 2NO + O₂ ---- 2NO₂ Tlenek azotu(III) – N2O3 Właściwości fizyczne: - ciało stałe w temp. poniżej -100 stopni C, w temperaturach wyższych przechodzi ciecz i gaz, w tych stanach skupienia jest nietrwały i ulega rozkładowi N2O3-----NO2 + NO Właściwości chemiczne: tlenek kwasowy, reaguje z wodą, produktem jest kwas azotowy(III) N2O3 + H2O ----- 2HNO2 Tlenek azotu(IV) NO2 (N2O4) Tlenek azotu(IV): NO2 jest gazem barwy brunatnej, trującym o duszącym zapachu, jego dimer N2O4 jest gazem bezbarwnym. W temp. poniżej 200 stopni C NO2 ulega dimeryzacji w N2O4 i ustala się stan równowagi, im niższa temp. tym bardziej stan równowagi jest przesunięty w kierunku N2O4 Właściwości: Cząsteczka NO2 zawiera jeden elektron niesparowany, jest rodnikiem molekularnym, stąd duża reaktywność chemiczna i tendencja do tworzenia dimeru N2O4 Tlenek azotu(V) N2O5 Właściwości: krystaliczne, bezbarwne ciało stałe, łatwo topliwe, stapiany ulega rozkładowi 2N2O5 --- 4NO2 (2N2O4) + O2 Tlenek kwasowy, reaguje z wodą N2O5 + H2O ---2H2NO3 Otrzymywanie: utlenianie NO2 w ozonie (O3), odwodnienie HNO3 tlenkiem fosforu(V) 6NO2 + O3 ---- 3N2O5 , 2HNO3 ---- N2O4 + H2O

b) Kwasy azotowe

Kwas azotowy(V) HNO3 Właściwości chemiczne: utlenia wszystkie metale z wyjątkiem Pt i Au, stężony pasywuje Al, Cr i Fe, natomiast rozcieńczony roztwarza te metale, w reakcji z silniejszymi reduktorami (Mg, Zn) kwas redukuje się do amoniaku (powstaje kation amonowy)

Cu + 4HNO_3(stęż) ---- Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

8HNO_3(rozc) + 3Cu ----------- 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

4Zn + 10HNO₃ ------- 4Zn(NO₃)2 + NH₄NO₃ + 3H₂O W reakcji z metalami o niższych potencjałach standardowych wypierany jest wodór z kwasu

2Na + 2HNO₃ ------ 2NaNO₃ + H₂

Ca + 2HNO₃ -------- Ca(NO₃)₂ + H₂

• Stężony kwas utlenia również niektóre niemetale: C, S, P

C + 4HNO₃ -------- CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

S + 6HNO₃ ----- H₂SO₄ + 6NO₂ + 2H₂O

P + 5HNO₃ ---------- H₃PO₄ + 5NO₂ + H₂O

• Otrzymywanie kwasu azotowego(V) na skalę przemysłową w metodzie Ostwalda:

Etap I: synteza amoniaku metodą Habera – Boscha

3H₂ + N₂ à 2NH₃

Etap II: katalityczne utlenienie amoniaku do NO na siatce platynowej

4NH₃ + 5O₂ à 4NO + 6H₂O

Etap III: utlenienie NO do NO₂ w tlenie atmosferycznym

2NO + O₂ à 2NO₂ (N₂O₄)

Etap IV: pochłanianie mieszaniny NO₂ i N₂O₄ przez wodę

N₂O4 + H₂O à HNO₃ + HNO₂

Etap V: rozkład HNO₂ w miarę wzrostu stężenia roztworu

3HNO₂ à HNO₃ + 2NO + H₂O (powstający NO zawracany jest

• Stężony kwas azotowy(V) transportuje się w cysternach aluminiowych (rzadziej stalowych), ponieważ metale te w kontakcie z tym kwasem ulegają pasywacji

c) Azotany

Sole kwasu azotowego(V) – azotany(V)

• Azotany(V) są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie, wodne roztwory litowców i berylowców (z wyjątkiem berylu) mają odczyn obojętny – nie ulegają hydrolizie)

• Azotany(V) są nietrwałe, łatwo ulegają termicznemu rozkładowi z wydzielaniem tlenu

2KNO₃ à 2KNO₂ + O₂

2Pb(NO₃)₂ à 2PbO + 4NO₂ + O₂

2AgNO₃ à 2Ag + 2NO₂ + O₂

• Zastosowanie: azotan(V) K, Ca, Mg, amonu stosowane są jako nawozy sztuczne (saletry), azotan K i amonu do produkcji środków wybuchowych, azotan (V) Na i K jako środki konserwujące [azotan(V) sodu - sól peklowa – stosowana była do peklowania mięsa, obecnie nie wolno stosować, ponieważ w trakcie peklowania mogą powstawać toksyczne związki nitrozoaminy], azotan(V) Ag stosowany jest w analizie chemicznej (próba Tollensa, wykrywanie i oznaczanie ilościowe jonów chlorkowych), w medycynie (lapis)

d) Amoniak HN3

Właściwości kwasu HN3: bezbarwna, lotna ciecz, o nieprzyjemnym zapachu, trujący, łatwo wybucha pod wpływem wstrząsu lub po ogrzaniu, rozpuszczalna w wodzie, dając słaby kwas

Sole kwasu HN3 - azydki: ciała stałe, krystaliczne, azydki litowców są rozpuszczalne w wodzie, odczyn wodnych roztworów azydków litowców jest zasadowy, ogrzane ulegają rozkładowi z wydzielaniem azotu (zastosowanie w poduszkach samochodowych w mieszance z KNO₃ i SiO₂), pod wpływem impulsu elektrycznego zachodzą następujące reakcje

2NaN₃ ---- 2Na + 3N₂

10Na + 2KNO₃ ---- K₂O + 5Na₂O + N₂

K₂O + SiO₂ --- K₂SiO₃

Na₂O + SiO₂ ---- Na₂SiO₃

Azydki metali ciężkich (Ag, Hg, Pb) rozkładają się wybuchowo, są stosowane jako detonatory w amunicji

6. Zastosowanie azotu i tlenu - obieg tlenu i azotu w przyrodzie

a) azot

Ciekły azot jest stosowany jako środek chłodzący do uzyskiwania temperatur poniżej -100 °C. W postaci gazowej azot wykorzystywany jest jako najtańsza z dostępnych atmosfer ochronnych w wielu procesach przemysłowych, a także jako gaz roboczy w niektórych układach pneumatycznych.Z azotu otrzymuje się amoniak oraz tlenki azotu wykorzystywane w produkcji kwasu azotowego, związki o dużym znaczeniu przemysłowym. Ponadto szeroko wykorzystuje się azotany, azotyny, hydrazynę, hydroksyloaminę i in. związki zawierające azot