Salpietarin antaminen - näin sana nitrogenium käännetään latinasta. Tämä on typen nimi - kemiallinen alkuaine, jonka atominumero on 7 ja joka on jaksollisen taulukon pitkässä versiossa 15. ryhmässä. Yksinkertaisen aineen muodossa se jakautuu Maan ilmakuoreen - ilmakehään. Maankuoresta ja elävistä organismeista löytyy erilaisia typpiyhdisteitä, ja niitä käytetään laajasti teollisuudessa, sotilasasioissa, maataloudessa ja lääketieteessä.
Miksi typpeä kutsuttiin "tukeutuvaksi" ja "elottomaksi"
Kuten kemian historioitsijat ehdottavat, Henry Cavendish (1777) oli ensimmäinen, joka sai tämän yksinkertaisen aineen. Tiedemies kuljetti ilmaa kuumien hiilen yli käyttämällä alkalia reaktiotuotteiden imemiseen. Kokeen tuloksena tutkija löysi värittömän, hajuttoman kaasun, joka ei reagoinut hiilen kanssa. Cavendish kutsui sitä "tukeutuvaksi ilmaksi", koska se ei pysty ylläpitämään hengitystä yhtä hyvin kuin palamaan.
Nykyaikainen kemisti selittäisi, että happi reagoi hiilen kanssa muodostaen hiilidioksidia. Jäljelle jäänyt "tukeutuva" osa ilmasta koostui enimmäkseen N2 molekyyleistä. Cavendish ja muut tutkijat eivät tuolloin vielä tienneet tästä aineesta, vaikka typpi- ja suolayhdisteitä käytettiin silloin laajasti taloudessa. Tiedemies ilmoitti epätavallisesta kaasusta samanlaisia kokeita suorittaneelle kollegalleen Joseph Priestleylle.
Samaan aikaan Karl Scheele kiinnitti huomion tuntemattomaan ilman ainesosaan, mutta ei pystynyt selittämään oikein sen alkuperää. Vain Daniel Rutherford vuonna 1772 tajusi, että kokeissa läsnä oleva "tukehtava" "pilaantunut" kaasu oli typpeä. Ketä tiedemiestä pitäisi pitää hänen löytäjänä - tieteen historioitsijat kiistelevät edelleen tästä.
15 vuotta Rutherfordin kokeiden jälkeen kuuluisa kemisti Antoine Lavoisier ehdotti typpeen viittaavan termin "pilaantunut ilma" muuttamista toiseksi - Nitrogenium. Siihen mennessä osoitettiin, että tämä aine ei pala, ei tue hengitystä. Samaan aikaan ilmestyi venäläinen nimi "typpi", jota tulkitaan eri tavoin. Termin sanotaan useimmiten tarkoittavan "elotonta". Myöhempi työ kumosi laajalle levinneen käsityksen aineen ominaisuuksista. Typpiyhdisteet - proteiinit - ovat tärkeimpiä makromolekyylejä elävien organismien koostumuksessa. Niiden rakentamiseksi kasvit imevät maaperästä tarvittavat kivennäisravintoaineet - ionit NO32- ja NH4+.
Typpi on kemiallinen alkuaine
Periodinen järjestelmä (PS) auttaa ymmärtämään atomin rakennetta ja sen ominaisuuksia. Kemiallisen alkuaineen sijainnin perusteella jaksollisessa taulukossa voidaan määrittääydinvaraus, protonien ja neutronien lukumäärä (massaluku). On tarpeen kiinnittää huomiota atomimassan arvoon - tämä on yksi elementin pääominaisuuksista. Jakson numero vastaa energiatasojen määrää. Jaksollisen taulukon lyhyessä versiossa ryhmänumero vastaa elektronien lukumäärää ulkoenergiatasolla. Tehdään yhteenveto kaikista typen yleisten ominaisuuksien tiedoista sen sijainnin perusteella jaksollisessa järjestelmässä:
- Tämä on ei-metallinen elementti, joka sijaitsee PS:n oikeassa yläkulmassa.
- Kemiallinen merkki: N.
- Tilausnumero: 7.
- Suhteellinen atomimassa: 14.0067.
- Haihtuvan vetyyhdisteen kaava: NH3 (ammoniakki).
- Tuottaa korkeimman oksidin N2O5, jossa typen valenssi on V.
Typpiatomin rakenne:
- Ydinveloitus: +7.
- Protonien lukumäärä: 7; neutronien määrä: 7.
- Energiatasojen lukumäärä: 2.
- Elektronien kokonaismäärä: 7; sähköinen kaava: 1s22s22p3.
Alkuaineen nro 7 stabiilit isotoopit on tutkittu yksityiskohtaisesti, niiden massaluvut ovat 14 ja 15. Niistä kevyemmän atomipitoisuus on 99,64 %. Myös lyhytikäisten radioaktiivisten isotooppien ytimissä on 7 protonia ja neutronien lukumäärä vaihtelee suuresti: 4, 5, 6, 9, 10.
Typpi luonnossa
Maan ilmakuori sisältää yksinkertaisen aineen molekyylejä, jonka kaava on N2. Kaasumaisen typen pitoisuus ilmakehässä on tilavuuden mukaannoin 78,1 %. Tämän kemiallisen alkuaineen epäorgaaniset yhdisteet maankuoressa ovat erilaisia ammoniumsuoloja ja nitraatteja (nitraatteja). Yhdisteiden kaavat ja joidenkin tärkeimpien aineiden nimet:
- NH3, ammoniakki.
- EI2, typpidioksidia.
- NaNO3, natriumnitraatti.
- (NH4)2SO4, ammoniumsulfaatti.
Typpivalenssi kahdessa viimeisessä yhdisteessä - IV. Hiili, maaperä ja elävät organismit sisältävät myös sitoutuneita N-atomeja. Typpi on olennainen osa aminohappomakromolekyylejä, DNA- ja RNA-nukleotideja, hormoneja ja hemoglobiinia. Kemiallisen alkuaineen kokonaispitoisuus ihmiskehossa on 2,5 %.
Yksinkertainen aine
Diatomisten molekyylien muodossa oleva typpi on tilavuudeltaan ja mass altaan suurin osa ilmakehän ilmasta. Aineella, jonka kaava on N2, ei ole hajua, väriä tai makua. Tämä kaasu muodostaa yli 2/3 maapallon ilmaverhosta. Nestemäisessä muodossa typpi on väritöntä vettä muistuttavaa ainetta. Kiehuu -195,8 °C:ssa. M (N2)=28 g/mol. Yksinkertainen aine typpi on hieman kevyempi kuin happi, sen tiheys ilmassa on lähellä 1.
Molekyylin atomit sitovat lujasti 3 yhteistä elektroniparia. Yhdisteellä on korkea kemiallinen stabiilisuus, mikä erottaa sen hapesta ja useista muista kaasumaisista aineista. Jotta typpimolekyyli hajoaisi sen muodostaviksi atomeiksi, on tarpeen käyttää energiaa 942,9 kJ / mol. Kolmen elektroniparin sidos on erittäin vahva.hajoaa kuumennettaessa yli 2000 °C.
Normaaleissa olosuhteissa molekyylien hajoamista atomeiksi ei käytännössä tapahdu. Typen kemiallinen inertisyys johtuu myös siitä, että sen molekyyleissä ei ole polaarisuutta. Ne vuorovaikuttavat keskenään hyvin heikosti, mikä on syynä aineen kaasumaiseen olomuotoon normaalipaineessa ja lähellä huoneenlämpötilaa. Molekyylitypen alhainen reaktiivisuus löytää käyttöä erilaisissa prosesseissa ja laitteissa, joissa on tarpeen luoda inertti ympäristö.
Molekyylien hajoaminen N2 voi tapahtua auringon säteilyn vaikutuksesta yläilmakehässä. Muodostuu atomityppeä, joka normaaleissa olosuhteissa reagoi joidenkin metallien ja epämetallien (fosfori, rikki, arseeni) kanssa. Tämän seurauksena synteesi tapahtuu aineita, joita saadaan epäsuorasti maanpäällisissä olosuhteissa.
Typpivalenssi
Atomin ulomman elektronikerroksen muodostavat 2 s ja 3 p elektroneja. Nämä negatiiviset typen hiukkaset voivat luovuttaa vuorovaikutuksessa muiden alkuaineiden kanssa, mikä vastaa sen pelkistäviä ominaisuuksia. Kiinnittämällä puuttuvat 3 elektronia oktettiin, atomi osoittaa hapetuskykyä. Typen elektronegatiivisuus on pienempi, sen ei-metalliset ominaisuudet ovat vähemmän korostuneet kuin fluorin, hapen ja kloorin. Vuorovaikutuksessa näiden kemiallisten alkuaineiden kanssa typpi luovuttaa elektroneja (hapettuu). Pelkistymiseen negatiivisiksi ioneiksi liittyy reaktioita muiden epämetallien ja metallien kanssa.
Tyypillinen typen valenssi on III. Tässä tapauksessakemiallisia sidoksia muodostuu ulkoisten p-elektronien vetovoiman ja yhteisten (sidos)parien muodostumisen vuoksi. Typpi pystyy muodostamaan luovuttaja-akseptori-sidoksen sen yksinäisen elektroniparin ansiosta, kuten tapahtuu ammoniumionissa NH4+.
Laboratorio- ja teollisuustuotanto
Yksi laboratoriomenetelmistä perustuu kuparioksidin hapetusominaisuuksiin. Käytetään typpi-vetyyhdistettä - ammoniakkia NH3. Tämä pahanhajuinen kaasu reagoi jauhetun mustan kuparioksidin kanssa. Reaktion seurauksena typpeä vapautuu ja metallista kuparia (punaista jauhetta) ilmaantuu. Vesipisarat, toinen reaktiotuote, laskeutuvat putken seinille.
Toinen laboratoriomenetelmä, jossa käytetään typen ja metallien yhdistelmää, on atsidi, kuten NaN3. Se osoittautuu kaasuksi, jota ei tarvitse puhdistaa epäpuhtauksista.
Ammoniumnitriitti hajotetaan typeksi ja vedeksi laboratoriossa. Reaktion alkamiseksi tarvitaan lämmitystä, jonka jälkeen prosessi etenee lämmön vapautuessa (eksoterminen). Typpi on epäpuhtauksien saastuttama, joten se puhdistetaan ja kuivataan.
Typpen tuotanto teollisuudessa:
- nesteilman jakotislaus - menetelmä, joka käyttää typen ja hapen fysikaalisia ominaisuuksia (eri kiehumispisteitä);
- ilman kemiallinen reaktio kuuman hiilen kanssa;
- adsorptiokaasun erotus.
Vuorovaikutus metallien ja vedyn kanssa - hapettavat ominaisuudet
Vahvojen molekyylien inertiteettiei salli joidenkin typpiyhdisteiden saamista suoralla synteesillä. Atomien aktivoimiseksi tarvitaan aineen voimakasta kuumennusta tai säteilytystä. Typpi voi reagoida litiumin kanssa huoneenlämpötilassa, magnesiumin, kalsiumin ja natriumin kanssa reaktio tapahtuu vain kuumennettaessa. Vastaavat metallinitridit muodostuvat.
Typen ja vedyn välinen vuorovaikutus tapahtuu korkeissa lämpötiloissa ja paineissa. Tämä prosessi vaatii myös katalyytin. Osoittautuu, että ammoniakki on yksi tärkeimmistä kemiallisen synteesin tuotteista. Typellä hapettavana aineena on kolme negatiivista hapetustilaa yhdisteissään:
- −3 (ammoniakki ja muut typen vetyyhdisteet ovat nitridejä);
- −2 (hydratsiini N2H4);
- −1 (hydroksyyliamiini NH2OH).
Tärkeintä nitridia, ammoniakkia, tuotetaan teollisuudessa suuria määriä. Typen kemiallinen inertisyys oli suuri ongelma pitkään. Salpieteri oli sen raaka-aineiden lähde, mutta mineraalivarat alkoivat pienentyä nopeasti tuotannon lisääntyessä.
Kemian tieteen ja käytännön suuri saavutus oli ammoniakkimenetelmän luominen typen sitomiseksi teollisessa mittakaavassa. Suora synteesi suoritetaan erityisissä kolonneissa - palautuva prosessi ilmasta saadun typen ja vedyn välillä. Kun luodaan optimaaliset olosuhteet, jotka siirtävät tämän reaktion tasapainoa tuotetta kohti katalyyttiä käyttäen, ammoniakin saanto saavuttaa 97 %.
Vuorovaikutus hapen kanssa – vähentävät ominaisuudet
Typen ja hapen reaktion käynnistämiseksi tarvitaan voimakasta lämmitystä. Sähkökaarella ja salamapurkauksella ilmakehässä on riittävästi energiaa. Tärkeimmät epäorgaaniset yhdisteet, joissa typpi on positiivisessa hapetustilassaan:
- +1 (typpioksidi (I) N2O);
- +2 (typpimonoksidi NO);
- +3 (typpioksidi (III) N2O3; typpioksiduulihappo HNO2, sen suolat ovat nitriittejä);
- +4 (typpi(IV)dioksidi NO2);
- +5 (typpipentoksidi (V) N2O5, typpihappo HNO3, nitraatit).
Merkitys luonnossa
Kasvit imevät ammoniumioneja ja nitraattianioneja maaperästä ja käyttävät kemiallisiin reaktioihin soluissa jatkuvasti tapahtuvaa orgaanisten molekyylien synteesiä. Kyhmybakteerit - mikroskooppiset olennot, jotka muodostavat kasvua palkokasvien juuriin - voivat imeä ilmakehän typpeä. Tämän seurauksena tämä kasviryhmä saa tarvittavat ravintoaineet, rikastaa maaperää sillä.
Trooppisten sateiden aikana ilmakehän typen hapettumisreaktioita tapahtuu. Oksidit liukenevat muodostaen happoja, nämä vedessä olevat typpiyhdisteet pääsevät maaperään. Elementin luonnossa kiertämisen ansiosta sen varannot maankuoressa ja ilmassa täydentyvät jatkuvasti. Bakteerit hajottavat typpeä sisältävät orgaaniset molekyylit epäorgaanisiksi komponenteiksi.
Käytännössä
Tärkeimmät yhteydetmaataloudessa käytettävä typpi ovat erittäin liukenevia suoloja. Urea, salpeteri (natrium, kalium, kalsium), ammoniumyhdisteet (ammoniakin, kloridin, sulfaatin, ammoniumnitraatin vesiliuos) imeytyvät kasveihin Nitraatit. Kasviorganismin osat pystyvät varastoimaan makroravinteita "tulevaisuutta varten", mikä huonontaa tuotteiden laatua. Nitraattien ylimäärä vihanneksissa ja hedelmissä voi aiheuttaa ihmisissä myrkytyksen ja pahanlaatuisten kasvainten kasvun. Maatalouden lisäksi typpiyhdisteitä käytetään muilla teollisuudenaloilla:
- vastaanottaa lääkkeitä;
- makromolekyyliyhdisteiden kemialliseen synteesiin;
- räjähteiden valmistuksessa trinitrotolueenista (TNT);
- väriaineiden tuotantoon.
NO-oksidia käytetään leikkauksessa, aineella on kipua lievittävä vaikutus. Jopa ensimmäiset typen kemiallisten ominaisuuksien tutkijat huomasivat tunteiden menetyksen tätä kaasua hengitettäessä. Näin ilmestyi triviaali nimi "naurukaasu".
Nitraattiongelma maataloustuotteissa
Typpihapon suolat - nitraatit - sisältävät kertavarauksen anionin NO3-. Tähän asti on käytetty tämän aineryhmän vanhaa nimeä - salpeteria. Nitraatteja käytetään peltojen lannoitukseen, kasvihuoneissa ja hedelmätarhoissa. Niitä levitetään aikaisin keväällä ennen kylvöä, kesällä - nestemäisenä sidoksena. Itse aineet eivät aiheuta suurta vaaraa ihmisille, muttaelimistössä ne muuttuvat nitriiteiksi ja sitten nitrosamiineiksi. Nitriitti-ionit NO2- ovat myrkyllisiä hiukkasia, ne aiheuttavat hemoglobiinimolekyylien rautametallin hapettumisen kolmiarvoisiksi ioneiksi. Tässä tilassa ihmisten ja eläinten veren pääaine ei pysty kuljettamaan happea ja poistamaan hiilidioksidia kudoksista.
Mikä on elintarvikkeiden nitraattisaastumisen vaara ihmisten terveydelle:
- pahanlaatuiset kasvaimet, joita syntyy, kun nitraatit muuttuvat nitrosamiineiksi (karsinogeeneiksi);
- haavaisen paksusuolitulehduksen kehittyminen,
- hypotensio tai hypertensio;
- sydämen vajaatoiminta;
- veren hyytymishäiriö
- maksa, haima, diabeteksen kehittyminen;
- munuaisten vajaatoiminnan kehittyminen;
- anemia, heikentynyt muisti, huomiokyky, älykkyys.
Erilaisten ruokien samanaikainen nauttiminen suurilla nitraattiannoksilla johtaa akuuttiin myrkytykseen. Lähteitä voivat olla kasvit, juomavesi, valmistetut liharuoat. Liotus puhtaassa vedessä ja ruoanlaitto voivat vähentää elintarvikkeiden nitraattipitoisuutta. Tutkijat havaitsivat, että suurempia annoksia vaarallisia yhdisteitä löydettiin epäkypsistä ja kasvihuonekasvituotteista.
Fosfori on typen alaryhmän alkuaine
Kemiallisten alkuaineiden atomeilla, jotka ovat jaksollisen järjestelmän samassa pystysuorassa sarakkeessa, on yhteisiä ominaisuuksia. Fosfori sijaitsee kolmannessa jaksossa, kuuluu 15. ryhmään, kuten typpi. Atomien rakenneelementit ovat samanlaisia, mutta ominaisuuksissa on eroja. Typellä ja fosforilla on negatiivinen hapetusaste ja valenssi III niiden yhdisteissä metallien ja vedyn kanssa.
Monet fosforin reaktiot tapahtuvat tavallisissa lämpötiloissa, se on kemiallisesti aktiivinen alkuaine. Se vuorovaikuttaa hapen kanssa muodostaen korkeamman oksidin P2O5. Tämän aineen vesiliuoksella on hapon (metafosfori) ominaisuuksia. Kun sitä kuumennetaan, saadaan ortofosforihappoa. Se muodostaa monenlaisia suoloja, joista monet toimivat mineraalilannoitteina, kuten superfosfaatteja. Typen ja fosforin yhdisteet ovat tärkeä osa planeettamme aineiden ja energian kiertoa, niitä käytetään teollisuudessa, maataloudessa ja muilla toiminnan aloilla.
