Azotowce (Azot)
Azot to pierwszy pierwiastek grupy 15 układu okresowego ( Rys. 1 i Tabela 1 ).
Występowanie i otrzymywanie
Azot jest głównym składnikiem atmosfery ziemskiej. W postaci gazowej \( N_2 \) stanowi 78,09 \( \% \) objętościowych powietrza. W postaci związków, zwłaszcza organicznych, występuje przeważnie w organizmach żywych.
Czysty azot, w postaci ciekłej, otrzymuje się przez frakcjonowaną destylację skroplonego powietrza. Polega ona na sprężeniu powietrza do ciśnienia ok. 6,5 atm., oczyszczaniu go z dwutlenku węgla, węglowodorów, wody i innych zanieczyszczeń. Mieszanka pozostałych gazów jest schładzana do temperatury poniżej \( 466K (193^oC) \). Po skropleniu mieszanina rozdzielana jest metodą destylacji na tlen, azot, argon i inne gazy szlachetne.
Właściwości fizyczne i chemiczne
Azot w warunkach standardowych jest bezbarwnym, bezwonnym, niepalnym gazem. Po raz pierwszy został skroplony w roku1883 przez dwóch profesorów Uniwersytetu Jagiellońskiego – Zygmunta Wróblewskiego i Karola Olszewskiego. Azot występuje w postaci dwuatomowych cząsteczek z potrójnym wiązaniem kowalencyjnym N≡N ( Rys. 2 ).
Najważniejsze związki
\( NH_3 \) amoniak – jest substratem do produkcji nawozów sztucznych, materiałów wybuchowych, cyjanowodoru, tkanin syntetycznych i wielu tworzyw sztucznych.
Amoniak produkuje się na szeroką skalę przemysłową metodą Habera-Boscha. Substratami są gazowy wodór i azot w obecności katalizatora:
Głównym składnikiem katalizatora do produkcji amoniaku jest magnetyt \( Fe_3O_4 \), promotory zapewniające wysoką termostabilność i wytrzymałość mechaniczną katalizatora ( \( K_2O, Al_2O_3, MgO, CaO, SiO_2 \)) oraz metaliczne żelazo.
W ostatnich latach opracowano elektrochemiczną metodę otrzymywania amoniaku:
Reakcja katodowa:
Energia zużywana w tym procesie jest o około 20 \( \% \) mniejsza niż w procesie Habera-Boscha [1].
\( N_2O \) tlenek azotu (I) (podtlenek azotu) – gaz rozweselający, dawniej stosowany jako środek usypiający, obecnie środek znieczulający w dentystyce, konserwujący dodatek do żywności E-942 (chipsy), rozpuszczalny w tłuszczach, dzięki czemu jest wykorzystywany do tworzenia piany (bitej śmietany w spray'u), stosowany w tuningu samochodowym – wtryskiwany do cylindrów zamiast tlenu, gwałtownie zwiększa szybkość spalania mieszanki.
\( NO \) tlenek azotu (II) – jest produkowany w organizmach ssaków, ze względu na niewielkie rozmiary cząsteczki i lipofilowość (łatwość łączenia z lipidami – tłuszczami), łatwo przenika przez błony biologiczne bez pośrednictwa układów transportujących, reguluje napięcia naczyń krwionośnych i ciśnienie tętnicze krwi, hamuje agregację płytek krwi i leukocytów, pełni funkcję neuromodulatora w ośrodkowym układzie nerwowym (np. wpływa na pamięć), działa jak neurotransmiter i wpływa na motorykę przewodu pokarmowego, funkcje neuroendokrynne i lokalny przepływ krwi oraz ma wpływ na wiele mechanizmów immunologicznych. Badania z roku 2020 sugerują, że wytwarzanie tlenku azotu (II), które zachodzi podczas wdychania powietrza przez nos, pomaga zwalczać zakażenie koronawirusem, blokując jego replikację w płucach [2], [3], [4].
\( NaNO_2, KNO_2 \) azotany (III) sodu i potasu są stosowane między innymi do diazowania – produkcji barwników oraz do konserwacji żywności.
\( HNO_3 \) kwas azotowy (V) silny utleniacz, w mieszaninie z kwasem solnym (w stosunku 1:3) tworzy wodę królewską, roztwarzającą większość metali, także szlachetnych. Z kwasu azotowego (V) otrzymuje się sole azotany (nawozy sztuczne), estry (np. nitrogliceryna), związki nitrowe (barwniki), lakiery, tworzywa sztuczne. Służy do wykrywania białek w chemii analitycznej na drodze reakcji ksantoproteinowej, jest stosowany w przemyśle farmaceutycznym do syntezy wielu leków, do oczyszczania powierzchni metali w przemyśle spożywczym (do czyszczenia aparatów i urządzeń ze stali kwasoodpornej), trawienia obwodów drukowanych.
Na skalę techniczną kwas azotowy (V) jest otrzymywany metodą kontaktową, polegającą na katalitycznym utlenianiu amoniaku tlenem z powietrza
Tak uzyskany tlenek azotu (II) utlenia się w obecności powietrza do tlenku azotu (IV):
Następnie powstały tlenek ulega dysproporcjowaniu w wodzie według równania:
W reakcji powstaje kwas azotowy i kwas azotawy. Ten drugi jest nietrwały i ulega dalszemu dysproporcjowaniu:
Tlenek azotu (II) jest ponownie utleniany i wykorzystywany w procesie ( Rys. 3 ).
Saletry (łac. sal petre – sól skalna) ogólna, techniczna nazwa soli kwasu azotowego (V) – azotanów używanych w gospodarce. Saletry dobrze rozpuszczają się w wodzie, są łatwo przyswajalne przez rośliny, a także szybko wypłukiwane z gleby przez opady, dlatego są stosowanie głównie jako nawozy sztuczne. Są dobrymi utleniaczami, służą do produkcji materiałów wybuchowych i wyrobów pirotechnicznych. Znajdują także zastosowanie jako środki konserwujące.
\( NaNO_3 \) saletra sodowa, saletra chilijska, jeden z ważniejszych nawozów sztucznych, służy do konserwacji mięsa (symbol E251). Stosowana jest w przemyśle szklarskim i ceramicznym, do produkcji materiałów wybuchowych, do produkcji farb, emalii, leków, jako utleniacz w pirotechnice.
\( NH_4NO_3 \) saletra amonowa, nawóz z największą zawartością azotu wśród saletr (34 \( \% \)), silny materiał wybuchowy.
\( KNO_3 \) saletra potasowa, saletra indyjska, dawniej składnik czarnego prochu, konserwant żywności (symbol E252), stosowany do produkcji azotanu (III) potasu oraz w procesie nitrowania.
\( Ca(NO_3)_2 \) saletra wapniowa, saletra norweska, nawóz sztuczny.
1. wiązanie wolnego azotu z atmosfery i przekształcanie go w przyswajalną formę jonów amonowych – proces, odbywający się przy udziale bakterii azotowych,
2. nitryfikacja – proces utleniania jonów amonowych do azotanów, zachodzący przy udziale glebowych bakterii nitryfikacyjnych:
3. pobieranie i przyswajanie azotu z gleby przez rośliny w postaci jonów azotanowych, bądź jonów amonowych,
4. amonifikacja – proces rozkładu związków azotowych (białek, mocznika, kwasu moczowego) do amoniaku przy udziale bakterii amonifikujących w szczątkach roślinnych i zwierzęcych, bądź produktach przemiany materii:
5. denitryfikacja – proces redukcji azotanów do wolnego azotu, zachodzący przy udziale beztlenowych bakterii denitryfikacyjnych:
Bibliografia
1. Q. Wang, J. Guo, P. Chen: Recent progress towards mild-condition ammonia synthesis, Journal of Energy Chemistry 2019, Vol. 36, p. 25, dostęp:15.09.20212. J. Martel, Y-F. Ko, J. D. Young, D. M. Ojcius: Could nasal nitric oxide help to mitigate the severity of COVID-19?, Microbes and Infection (2020) 22, p. 168
3. F. L. M. Ricciardolo, F. Bertolini, V. Carriero, M. Högman: Nitric oxide's physiologic effects and potential as a therapeutic agent against COVID-19, Journal of Breath Research (2020) 15, p. 014001, dostęp:15.09.2021
4. R. Parikh et al.: Inhaled nitric oxide treatment in spontaneously breathing COVID-19 patients, Therapeutic Advances in Respiratory Disease (2020), dostęp:15.09.2021
5. C. A. Carlson, J. L. Ingraham: Comparison of denitrification by Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeruginosa, and Paracoccus denitrificans, Applied Environmental Microbiology (1983) 45, p. 1247, dostęp:15.09.2021
6. J. Weiner: Życie i ewolucja biosfery – podręcznik ekologii ogólnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008.