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:

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.

Informacja dodatkowa 2: Znaczenie biologiczne

Obieg azotu w przyrodzie obejmuje pięć głównych procesów ( Rys. 4 ), w których biorą udział organizmy żywe [5], [6]:

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:

(8)

\( 2NH_4^+ + 3O_2 \rightarrow 2NO_2^- + 4H^+ + 2 H_2O + energia \)

(9)

\( 2 NO_2^- + O_2 \rightarrow 2 NO_3^- + energia \)

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:

(10)

\( R – NH_2 + H_2O \rightarrow R – OH + NH_3 + energia \)

(11)

\( CO(NH_2)_2 \rightarrow 2NH_3 + H_2CO_3 \)

5. denitryfikacja – proces redukcji azotanów do wolnego azotu, zachodzący przy udziale beztlenowych bakterii denitryfikacyjnych:

(12)

\( NO_3^− + 2H^+ + 2e^− \rightarrow NO_2^− + H_2O \)

(13)

\( NO_2^− + 2H^+ + e^− \rightarrow NO + H_2O \)

(14)

\( 2NO + 2H^+ + 2e^− \rightarrow N_2O + H_2O \)

(15)

\( N_2O + 2H^+ + 2e^− \rightarrow N_2 + H_2O \)

Rysunek 4: Cykl azotowy w przyrodzie.