Какими физическими свойствами обладает азот
Азот относится к одним из самых биогенных элементов, так как он встречается в составе нуклеиновых кислот и белков. Также это самый распространенный газ в земной атмосфере, так как в составе воздуха на его долю выпадает 78%. Это двухатомное вещества, которое не обладает ни вкусом, ни цветом, ни запахом. Химические свойства азота определяют его как инертный газ, но в то же время он реагирует вместе с комплексными соединениями переходных металлов. Чаще всего данный газ добывают из воздуха, так как там содержится его большое количество. В сварке он применяется как инертная среда, но не очень активно используется.
Молекула азота
Помимо газообразного состояния в промышленности применяют жидкий азот. Это очень распространенный хладагент. В природе он образует множество изотопов. Для транспортировки и хранения материала используют баллоны черного цвета. Они должны выдерживать, как минимум, 150 атмосфер, так как именно под таким давлением хранится вещество. Азот в нормальном состоянии легче воздуха, так как в воздухе еще имеется кислород и другие, более тяжелые примеси.
Использование азота снижает у получаемого шва ударную вязкость. В это же время он повышает температуру перехода наплавленного металла в хрупкое состояние и делает их более прочными. Азот вызывает старение швов. Чтобы применять данный газ относительно безвредно, нужно использовать дополнительные легирующие элементы, которыми выступают бор и кислород в баллонах. Это сохраняет механические свойства металла на шве.
Область применения при сварке 
Применение азота в сварке не очень широко. Он значительно уступает по количеству общего количества операций другим газам, несмотря на то, что его легче добывать, и он обходится довольно дешево для индустрии. Это обусловлено тем, что азот активно взаимодействует со многими различными металлами. При контакте со сплавами нитриды и эти химические соединения могут навредить крепости и надежности шва. Из-за того, что прочность сварных соединений сильно страдает, приходится заменять его на другие, более нейтральные газы. При сварке сталей, различных сплавов и даже нержавейки азот не нашел должного применения, так как химические свойства азота обеспечивают слишком высокую активность по отношению к ним.
Баллон с азотом для сварки
Азотодуговая сварка лучше всего проявляет свои свойства при работе с медью. Именно с медью данный газ не образует ни каких соединений и практически не взаимодействует. Если сравнивать этот способ с аргонодуговой сваркой, то здесь лишь потребуется увеличить количество расходуемого газа, так как он не столь экономичен и потребуется, примерно, на треть больше вещества. С учетом того, что он стоит значительно ниже аргона, то в экономическом плане это выходит даже выгоднее. Помимо меди, другие металлы профессионалы предпочитают варить остальными инертными газами.
Преимущества
Несмотря на то, что сфера применения газа в сварке довольно узкая, физические и химические свойства азота все же дают ему некоторые преимущества. Среди них стоит отметить:
- Большая распространенность и легкость получения;
- Относительно низкая стоимость;
- Удобство хранения и транспортировки;
- Безвредность для организма, если его концентрация в воздухе начнет повышаться, то это не так страшно, как с другими веществами.
Недостатки
К негативным факторам использования относятся следующие:
- Невозможность применения со всеми видами сплавов и металлов;
- Активное образование нуклидов при контакте с металлами;
- Ограниченность применения только при сварке меди.
Виды азота
В промышленности используется две основные разновидности. Первой является газообразный. Он используется преимущественно в сварке газовой и при использовании полуавтомата. Для своей области он не сильно распространен, но все же занимает уверенное место в мастерских, коммунальных учреждениях, в разнообразных мастерских и производственных цехах. Он хранится в баллонах под большим давлением, что позволяет получить концентрированную долю вещества.
Вторым видом является жидкий азот, который хранится в таком состоянии при очень низкой температуре. Это делает его отличным хладагентом. В промышленности он встречается очень часто.
Физические свойства азота
В нормальных физических условиях азот является бесцветным газом, у которого нет цвета и запаха. Он очень плохо распространяется в воде. Плотность азота составляет 1,2506 кг/м кубический. Темпе6ратура кипения вещества составляет – 195,8 градусов Цельсия. В жидком состоянии он также остается бесцветным. В этом состоянии плотность будет 808 кг/м кубический. Если азот будет констатировать с воздухом, то он поглощает из него кислород. В твердом состоянии элемент может пребывать при -209,86 градусах Цельсия. Физически это выглядит как большие белые кристаллы или снегоподобная масса. Существует три основные кристаллические модификации вещества в твердом состоянии.
Химические свойства азота
В свободном состоянии газ существует как образование двухатомных молекул. Атомы азота обладают тройной связью. Молекула вещества оказывается очень прочной для диссоциации, так данная реакция проходит не так просто. В нормальных условиях диссоциация практически отсутствует. При нормальных условиях молекулы азота неплохо поляризуются и не полярные. Взаимодействующие силы между ними оказываются очень слабыми.
Даже при условиях в 3000 градусов Цельсия степень диссоциации составляет только 1%. При 5000 градусов этот показатель повышается до нескольких процентов. Атомарный азот оказывается намного более активным, чем молекулярным. По причине того, что молекулы вещества оказываются очень прочными, многие его соединения оказываются эндотермичными. Они без проблем разлагаются при нагревании. Ковалентные радиус элемента составляет 75 пм. Электроотрицательность по шкале Полинга составляет 3,04 пункта.
Молярная масса и удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость азота при различных температурных условиях будет отличаться. Этот параметр в нормальных условиях вычисляется для недиссоциированного газа, так как диссоциация оказывает влияние только при температуре около 1500 градусов Цельсия. При температуре 27 градусов Цельсия удельная теплоемкость будет 1,04 кДж/(кг*градусы Цельсия).
Молярная масса азота составляет 28 г/моль. Если брать в расчет исключительно химический элемент, то этот показатель будет равен 14 г/моль. С учетом того, что формула газа азота – это N2, так как вещество состоит из двух атомов, то и значение на практике умножается на два.
Давление в баллонах с азотом при различных температурах
Как и любой другой газ, при изменении температуры азот начинает сжиматься или расширяться. Это касается не только того состояния, когда он свободно находится в атмосфере, но и тогда, когда в баллоне под давлением. Соответственно, давление баллона также будет иметь различные отличия, если будут наблюдаться резкие перепады температур.
Давление, | Давление, МПа | Температура, градусы Цельсия | |||||
| -50 | -25 | 20 | 25 | 50 | |||
| Коэффициент сжимаемости газа при определенном давлении | |||||||
100 | 10 | 0,905 | 0,918 | 0,985 | 1,001 | 1,005 | 1,018 |
| 145 | 14,5 | 0,93 | 0,95 | 1,001 | 1,02 | 1,023 | 1,037 |
204 | 20,4 | 0,958 | 0,968 | 1,035 | 1,053 | 1,06 | 1,076 |
Инструкция по применению
Перед использованием газа металлическую поверхность нужно очистить и желательно использовать дополнительные легирующие материалы. В качестве флюса применяется бор. Он помогает снизить негативное воздействие газа на металл. Дополнительным элементом выступает технический кислород, который и так используется в горелке, как усиливающий температуру газ.
Сначала в горелку пускается азот, чтобы проверить ее работоспособность, а затем только кислород. Принцип проведения сварочных работ принципиально ни чем не отличается от тех, которые проводятся с другими газами. Главное соблюдать правила использования и не сваривать им те металлы, которые не предназначены для этого.
Меры безопасности
Несмотря на то, что опасность использования азота не столь велика, как у других газов, здесь также нужно соблюдать правила безопасности. Баллоны не должны падать при переноске и перевозке. Во время транспортировки некоторых металлических емкостей нужно исключить их удары друг о друга. Источник пламени должен находиться на расстоянии от 5 метров от баллона. С учетом того, что давление в баллоне может сильно меняться в зависимости от температуры, не стоит допускать ее резких перепадов.
Заключение
Использование азота в сварке в последнее время распространено не столь широко, но он продолжает сохранять свои позиции в данной сфере. Помимо этого он оказывается востребованным для многих других промышленных областей. Его применение для получения качественных сварных швов оказывается не таким простым из-за высокой активности, но специалисты смогут сделать так, чтобы шов получился максимально надежным.
Источник
химический элемент, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. В воздухе свободный азот (в виде молекул N2) составляет 78,09%. Немного легче воздуха, плотность 1,2506 кг/м3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -195,8°C. Критическая температура -147°C и критическое давление 3,39 МПа. Бесцветный, без запаха и вкуса, нетоксичен, невоспламеняемый, невзрывоопасен и не поддерживающий горение газ в газообразном состоянии при обычной температуре обладает высокой инертностью. Химическая формула – N. В обычных условиях молекула азота двухатомная – N2.
История открытия азота
До сих пор ведутся споры о том, кто был первооткрывателем. В 1772 г. шотландский врач Даниель Резерфорд (Daniel Rutherford) пропуская воздух через раскаленный уголь, а потом через водный раствор щелочи – получил газ, который он назвал «ядовитый газ». Оказалось, что горящая лучинка, внесенная в сосуд, наполненный газом, гаснет, а живое существо в атмосфере этого газа быстро гибнет. Кстати, увидеть опыт с горячей лучинкой можно в видео.
В тоже время британский физик Генри Кавендшин (Henry Cavendish) проводя подобный опыт получил N2назвав его «удушливый воздух», британский естествоиспытатель Джозеф Пристли (Joseph Priestley) дал ему имя «дефлогистированный воздух», шведский химик Карл Вильгельм Шееле (Carl Wilhelm Scheele) – «испорченный воздух».
Окончательное имя «азот» дал французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier).
Слово «азот» греческого происхождения и означает «безжизненный».
Азот довольно легко поглощается раскаленным карбидом кальция, образуя при этом важный технический продукт – цианамид кальция и об этом уже писали в статье о получении ацетилена из карбида кальция.
Способы получения азота
Получение N2 в промышленных масштабах основано на производстве его из воздуха путем фракционной перегонки (см. получение азота).
Виды азота
Жидкий азот
бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения -195,8°C при давлении 101,3 кПа и удельным объемом 1,239 дм3/кг при температуре -195,8°C и давлении 101,3 кПа. Жидкий азот используется как хладагент. Жидкий азот может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.
Закись азота
бесцветный газ, имеет сладковатый вкус и слабый, приятный запах. Свойства этого газа были изучены английским химиком Гемфри Дэви (Humphry Davy) в 1799 году. Интересуясь действием различных газов на организм человека, Дэви обычно испытывал их на себе. При вдыхании закиси азота, он пришел в возбужденное состояние, сопровождаемое смехом. За эти свойства закись азота была названа им – веселящим газом. В дальнейшем было установлено, что при более длительном вдыхании закиси азота наступает потеря сознания. Закись азота – окисел, не дающий кислот, он относится к несолеобразующим окислам.
Закись азота (N2O) не может быть получена из газообразного кислорода и N2, она образуется из азотнокислой соли аммония, которая при осторожном нагревании разлагается на закись азота и воду по реакции:
NH4NO3 = N2O + 2H2O
Газообразный азот
относительно инертный по своим свойствам газ без цвета и запаха плотностью 1,25046 кг/м3 при 0°C и давлении 101,3 кПа. Удельный объем газообразного азота равен 860,4 дм3/кг при давлении около 105 Па и температуре 20°C.
В отличие от кислорода, который взаимодействует почти со всеми элементами, встречающимися в природе, газообразный азот при комнатной температуре соединяется с единственным элементом – литием, образуя при этом нитрид лития:
N2 + 6Li = 2Li3N
Но при высоких температурах ряд металлов (титан, молибден и др.) с азотом образуют нитриды, снижающие механические свойства и поэтому его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить.
Применение азота
Азот нашел применение во многих отраслях промышленности и ниже приведен небольшой список:
- для создания инертной атмосферы при производстве, хранении и транспортировке легко окисляемых продуктов;
- при высокотемпературных процессах (например – сварка и резка) обработки металлов, не взаимодействующих с азотом;
- для консервации замкнутых металлических сосудов и трубопроводов.
Применение азота в сварке
N2 является инертным по отношению к меди и ее сплавам (не растворяется в меди и не реагирует с ней) даже при высоких температурах. Азот применяют, как в чистом виде, так и в составе защитного газовой смеси с аргоном Ar (70-90%) + N2 (30-10%) для сварки меди и ее сплавов.
Также газ азот используют для сварки аустенитных нержавеющих сталей – исключительно как компонент защитной газовой смеси с аргоном.
Возникает логичный вопрос: «Если он образует карбиды, какой смысл его использовать для сварки нержавеющих сталей, в составе которых есть карбидообразующие элементы?»
Все дело в том, что даже сравнительно небольшое содержание N2увеличивает тепловую мощность дуги. Именно из-за этого свойства, его чаще всего используют не для сварки, а для плазменной резки.
При сварке полуавтоматом нержавейки добавление небольшого количества азота к смеси аргона с кислородом (95-97,5% Ar, 1% O2, 1,5-3% N2) позволяет добиться равномерной аустенитной структуры в сварных швах. При добавлении азота более 10% начинается обильное выделение дыма, но это не оказывает какого-либо негативного влияния на качество сварного шва нержавеющей стали.
При сварке полуавтоматом малоуглеродистых сталей содержание N2 в газовой смеси более 2% вызывает пористость при сварке в один проход. Концентрация N2 менее 0,5% вызывает пористость в сварном шве при многопроходной сварке.
Применение смеси Ar c высоким содержанием N2 для сварки меди и ее сплавов вызывает большое разбрызгивание метала сварочной ванны.
Вредность и опасность азота
Азот относится к нетоксичным газам, но может действовать как простой асфиксант (удушающий газ). Удушье наступает тогда, когда уровень кислорода в воздухе сокращается на 75% или становится ниже нормальной концентрации.
В больших количествах он очень вреден и опасен для организма человека.
Хранение и транспортировка азота
Выпускают азот по ГОСТ 9293 газообразным и жидким. Для сварки и плазменной резки применяют газообразный 1-го (99,6% N2) и 2-го (99,0% N2) сортов.
Хранят и транспортируют его в сжатом состоянии в стальных баллонах по ГОСТ 949.
Баллоны окрашены в черный цвет и надписью желтыми буквами «АЗОТ» на верхней цилиндрической части.
Характеристики азота
Характеристики N2 указаны в таблицах ниже:
Коэффициенты перевода объема и массы N2 при Т=15°C и Р=0,1 МПа
Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
Газ, м3 | Жидкость, л | |
| 1,170 | 1 | 1,447 |
| 0,809 | 0,691 | 1 |
| 1 | 0,855 | 1,237 |
Коэффициенты перевода объема и массы N2 при Т=0°C и Р=0,1 МПа
| Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
| Газ, м3 | Жидкость, л | |
| 1,251 | 1 | 1,548 |
| 0,809 | 0,646 | 1 |
| 1 | 0,799 | 1,237 |
Азот в баллоне
| Наименование | Объем баллона, л | Масса газа в баллоне, кг | Объем газа (м3) при Т=15°C, Р=0,1 МПа |
|---|---|---|---|
| N2 | 40 | 7,37 | 6,3 |
Благодаря информации в таблице можно дать ответы на вопросы, которые часто задают сварщики:
- Сколько литров в баллоне азота?
Ответ: 40 литров - Сколько азота в баллоне 40л?
Ответ: 6,3 м3 или 7,37 кг - Сколько весит баллон с азотом 40 литров
Ответ:
58,5 кг – масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
7,37 – кг масса N2 в баллоне;
Итого: 58,5 + 7,37 = 65,87 кг вес баллона с азотом.
Давление азота в баллоне при различной температуре окружающей среды
| Температура окружающей среды | Давление в баллоне, МПа |
|---|---|
-40 | 11,2 |
-30 | 11,9 |
-20 | 12,6 |
-10 | 13,4 |
14,0 | |
+10 | 14,7 |
+20 | 15,3 |
+30 | 15,9 |
Источник
Азот — химический элемент, который известен каждому. Его обозначают буквой N. Он, можно сказать, основа неорганической химии, и поэтому его начинают изучать еще в восьмом классе. В этой статье мы подробно рассмотрим азот, а также его характеристики и свойства.
История открытия элемента
Такие соединения, как аммиак, селитра, азотная кислота, были известны и применялись на практике задолго до получения чистого азота в свободном состоянии.
Во время эксперимента, проведенного в 1772 году, Даниель Резерфорд сжигал фосфор и прочие вещества в колоколе из стекла. Он выяснил, что газ, остающийся после сгорания соединений, не поддерживает горения и дыхания, и назвал его «удушливым воздухом».
В 1787 году Антуан Лавуазье установил, что газы, входящие в состав обычного воздуха, — это простые химические элементы, и предложил название «Азот». Чуть позже (в 1784 г.) физик Генри Кавендиш доказал, что это вещество входит в состав селитры (группы нитратов). Отсюда происходит латинское название азота (от позднелатинского nitrum и греческого gennao), предложенное Ж. А. Шапталем в 1790 году.
К началу XIX века учеными были выяснены химическая инертность элемента в свободном состоянии и его исключительная роль в соединениях с другими веществами. С этого момента «связывание» азота воздуха стало важнейшей технической проблемой химии.
Физические свойства
Азот немного легче воздуха. Его плотность составляет 1,2506 кг/м³ (0 °С, 760 мм рт. ст.), температура плавления — -209,86 °С, кипения — -195,8 °С. Азот с трудом сжижается. Его критическая температура относительно низка (-147,1 °С), при этом критическое давление довольно высоко — 3,39 Мн/м². Плотность в жидком состоянии — 808 кг/м³. В воде этот элемент менее растворим, чем кислород: в 1 м³ (при 0 °С) Н₂О может раствориться 23,3 г N. Этот показатель выше при работе с некоторыми углеводородами.
Химические свойства азота
При нагревании до невысоких температур этот элемент взаимодействует только с активными металлами. Например, с литием, кальцием, магнием. С большинством других веществ азот вступает в реакцию в присутствии катализаторов и/или при высокой температуре.
Хорошо изучены соединения N с О₂ (кислородом) N₂O₅, NO, N₂O₃, N₂O, NO₂. Из них при взаимодействии элементов (t — 4000 °С) образуется оксид NO. Далее в процессе охлаждения он окисляется до NO₂. Оксиды азота образуются в воздухе при прохождении атмосферных разрядов. Их можно получить действием ионизирующих излучений на смесь N с О₂.
При растворении в воде N₂O₃ и N₂O₅ соответственно получаются кислоты HNO₂ и HNO₂, образующие соли — нитраты и нитриты. Азот соединяется с водородом исключительно в присутствии катализаторов и при высокой температуре, образуя NH₃ (аммиак). Кроме того, известны и другие (они довольно многочисленны) соединения N с H₂, к примеру диимид HN = NH, гидразин H₂N-NH₂, октазон N₈H₁₄, кислота HN₃ и другие.
Стоит сказать, что большинство соединений водород + азот выделены исключительно в виде органических производных. Этот элемент не взаимодействует (непосредственно) с галогенами, поэтому все его галогениды получают только косвенным путем. К примеру, NF₃ образуется при взаимодействии аммиака с фтором.
Большинство галогенидов азота — малостойкие соединения, более устойчивы оксигалогениды: NOBr, NO₂F, NOF, NOCl, NO₂Cl. Непосредственного соединения N с серой также не происходит, N₄S₄ получается в процессе реакции аммиак + жидкая сера. Во время взаимодействия раскаленного кокса с N образуется циан (CN)₂. В процессе нагревания ацетилена С₂Н₂ с азотом до 1500 °С можно получить цианистый водород HCN. При взаимодействии N с металлами при относительно высоких температурах образуются нитриды (к примеру, Mg₃N₂).
При воздействии на обычный азот электроразрядов [при давлении 130–270 н/м² (соответствует 1–2 мм рт. cт.)] и при разложении Mg₃N₂, BN, TiNx и Ca₃N₂, а также при электроразрядах в воздухе может быть образован активный азот, обладающий повышенным запасом энергии. Он, в отличие от молекулярного, весьма энергично взаимодействует с водородом, парами серы, кислородом, некоторыми металлами и фосфором.
Азот входит в состав довольно многих важнейших органических соединений, в том числе — аминокислот, аминов, нитросоединений и прочих.
Получение азота
В лаборатории этот элемент может быть легко получен в процессе нагревания концентрированного раствора нитрита аммония (формула: NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O). Технический метод получения N основан на разделении заранее сжиженного воздуха, который в дальнейшем подвергается разгонке.
Область применения
Основная часть получаемого свободного азота используется при промышленном производстве аммиака, который потом в довольно больших количествах перерабатывается на удобрения, взрывчатые вещества и т. п.
Кроме прямого синтеза NH₃ из элементов, применяется разработанный в начале прошлого века цианамидный метод. Он основан на том, что при t = 1000 °С карбид кальция (образованный накаливанием смеси угля и извести в электропечи) реагирует со свободным азотом (формула: СаС₂ + N₂ = CaCN₂ + С). Полученный цианамид кальция под действием разогретого водяного пара разлагается на CaCO₃ и 2NH₃.
В свободном виде данный элемент применяется во многих отраслях промышленности: в качестве инертной среды при разнообразных металлургических и химических процессах, при перекачке горючих жидкостей, для заполнения пространства в ртутных термометрах и т. д. В жидком состоянии он используется в различных холодильных установках. Его транспортируют и хранят в стальных сосудах Дьюара, а сжатый газ — в баллонах.
Широко применяют и многие соединения азота. Их производство стало усиленно развиваться после Первой мировой войны и на данный момент достигло поистине огромных масштабов.
Роль азота в биологии
Это вещество является одним из основных биогенных элементов и входит в состав важнейших элементов живых клеток — нуклеиновых кислот и белков. Однако количество азота в живых организмах невелико (примерно 1–3 % на сухую массу). Имеющийся в атмосфере молекулярный материал усваивают лишь сине-зеленые водоросли и некоторые микроорганизмы.
Довольно большие запасы этого вещества сосредоточены в почве в виде различных минеральных (нитраты, аммонийные соли) и органических соединений (в составе нуклеиновых кислот, белков и продуктов их распада, включая еще не полностью разложившиеся остатки флоры и фауны).
Растения отлично усваивают азот из грунта в виде органических и неорганических соединений. В природных условиях большое значение имеют особые почвенные микроорганизмы (аммонификаторы), которые способны минерализировать органический N почвы до солей аммония.
Нитратный азот грунта образуется в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий, открытых С. Виноградским в 1890 году. Они окисляют аммонийные соли и аммиак до нитратов. Часть усвояемого флорой и фауной вещества теряется из-за воздействия денитрифицирующих бактерий.
Микроорганизмы и растения отлично усваивают как нитратный, так и аммонийный N. Они активно превращают неорганический материал в различные органические соединения — аминокислоты и амиды (глутамин и аспарагин). Последние входят в состав многих белков микроорганизмов, растений и животных. Синтез аспарагина и глутамина путем амидирования (ферментативного) аспарагиновой и глутаминовой кислот осуществляется многими представителями флоры и фауны.
Производство аминокислот происходит при помощи восстановительного аминирования ряда кетокислот и альдегидокислот, возникающих путем ферментативного переаминирования, а также в результате окисления различных углеводов. Конечными продуктами усвоения аммиака (NH₃) растениями и микроорганизмами являются белки, которые входят в состав ядра клеток, протоплазмы, а также откладываются в виде так называемых запасных белков.
Человек и большинство животных могут синтезировать аминокислоты лишь в довольно ограниченной мере. Они не способны производить восемь незаменимых соединений (лизин, валин, фенилаланин, триптофан, изолейцин, лейцин, метионин, треонин), и потому для них главным источником азота являются потребляемые с пищей белки, то есть, в конечном счете, — собственные белки микроорганизмов и растений.
Источник