Азотът (Nitrogen) е химичен елемент с атомен номер 7 и символ N, принадлежащ към групата на неметалите и по-конкретно към група 15 от периодичната таблица, известна още като групата на пниктогените. Той се намира във втория период и принадлежи към p-блока на елементите, като неговата стандартна атомна маса е 14.0067 u.
| Азот | |
 |
|
| Основна информация за химичния елемент | |
| Chemical Element UID | element-azot-8841-a4fc24 |
| Име на елемента (български) | Азот |
| Латинско / международно наименование | Nitrogenium (Nitrogen) |
| Алтернативни имена | Азот, Nitrogen, Azote |
| Химичен символ | N |
| Пореден номер (атомно число) | 7 |
| Период и група в таблицата | Период 2, Група 15 (Пниктогени) |
| Блок (s, p, d, f) | p-block |
| Категория / тип елемент | Неметал |
| Класификация по IUPAC | Неметал, пниктоген |
| Състояние при стандартни условия (STP) | Газ |
| Агрегатно състояние при 20°C | Газ |
| Цвят / външен вид | Безцветен, без мирис и без вкус газ |
| Етимология на името | От гръцки a-zōtos, означаващо „без живот“ |
| Атомна и квантова структура | |
| Атомна маса | 14.0067 u |
| Средна атомна маса | 14.0067 u |
| Изотопи | ¹⁴N, ¹⁵N, ¹³N (радиоактивен) |
| Средна атомна маса (CIAAW референция) | 14.00643 - 14.00728 u |
| Електронна конфигурация | 1s² 2s² 2p³ |
| Електронни обвивки (shell distribution) | 2, 5 |
| Брой валентни електрони | 5 |
| Квантови числа на външния електрон | n=2, l=1, m=-1, s=+1/2 |
| Енергийно ниво на външния електрон | 2p |
| Електронен афинитет | -6.8 kJ/mol |
| Йонизационна енергия (първа) | 1402.3 kJ/mol |
| Йонизационна енергия (втора) | 2856 kJ/mol |
| Йонизационна енергия (трета) | 4578.1 kJ/mol |
| Електроотрицателност | 3.04 (Pauling) |
| Физични свойства и материалознание | |
| Плътност | 1.2506 kg/m³ (STP) |
| Атомен радиус | 56 pm |
| Ковалентен радиус | 71 pm |
| Ван дер Ваалсов радиус | 155 pm |
| Атомен обем | 17.3 cm³/mol |
| Кристална структура | Хексагонална (в твърдо състояние) |
| Кристална система | Хексагонална |
| Решетъчни константи (lattice constants) | a = 3.91 Å, c = 6.34 Å |
| Твърдост (Mohs) | Не е приложимо (газ) |
| Модул на Юнг | Не е приложимо |
| Модул на срязване | Не е приложимо |
| Обемен модул (bulk modulus) | Не е приложимо |
| Температура на топене | -210.0°C |
| Температура на кипене | -195.8°C |
| Топлина на топене | 0.72 kJ/mol |
| Топлина на изпарение | 5.56 kJ/mol |
| Специфичен топлинен капацитет | 1.04 J/g·K |
| Топлинно разширение (коефициент) | Не е приложимо (газ) |
| Топлопроводимост | 0.02583 W/(m·K) |
| Електрическа проводимост | Изолатор |
| Магнитни свойства | Диамагнитен |
| Температура на Кюри / Неел | Не е приложимо |
| Химично поведение и реактивност | |
| Химическа формула | N₂ |
| Окислителни степени | -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 |
| Стандартен електроден потенциал | 0.00 V (референтно състояние) |
| Типични съединения | NH₃, HNO₃, NO₂, NO₃⁻, N₂O |
| Основни минерали и съединения | Нитрати, амониеви соли, органични азотни съединения |
| Разтворимост и поведение във вода | Слабо разтворим |
| Реактивност с кислород | Образува NO, NO₂ при високи температури |
| Реактивност с вода | Не реагира директно |
| Реактивност с халогени | Образува NF₃, NCl₃ при специфични условия |
| Корозионно поведение | Инертен при стандартни условия |
| Ядрени свойства и радиационен профил | |
| Стабилни изотопи | ¹⁴N, ¹⁵N |
| Радиоактивни изотопи | ¹³N |
| Полуживот на радиоактивни изотопи | ¹³N: 9.97 минути |
| Тип радиоактивен разпад | Позитронна емисия |
| Енергия на разпад | 1.198 MeV |
| Ядрен спин | ¹⁴N: 1; ¹⁵N: 1/2 |
| Енергия на връзката | 941 kJ/mol |
| Сечение за неутронно поглъщане | 1.9 barn |
| Скорост на неутронен захват | Ниска |
| Ядрени свойства (общо описание) | Стабилни ядра с висока енергия на връзката; ¹³N е краткоживеещ позитронен излъчвател |
| Разпространение, геохимия и добив | |
| Честота в земната кора | 19 ppm |
| Наличие във Вселената | 5-ти по разпространение елемент |
| Наличие в атмосферата / океаните | 78.08% от атмосферата |
| Разпространение в природата | Атмосфера, почви, биосфера |
| Геохимично поведение | Част от азотния цикъл |
| Основни находища и региони | Атмосферата на Земята |
| Начини за получаване / добив | Фракционна дестилация на течен въздух |
| Методи за рафиниране | Криогенна дестилация |
| Основни производители в света | САЩ, Китай, Германия, Япония |
| Глобално годишно производство | над 150 милиона тона |
| Икономика, пазари и стратегическо значение | |
| Годишна консумация | над 150 милиона тона |
| Основни вносители / износители | Китай, ЕС, САЩ |
| Глобални резерви (оценка) | Практически неограничени |
| Пазарна цена (BGN) | 0.40 BGN/kg |
| Пазарна цена (EUR) | 0.20 EUR/kg |
| Критичен материал (ЕС) | Не |
| Критичен материал (САЩ) | Не |
| Индекс на риск по веригата на доставки | 5 |
| Индекс на стратегическа значимост | 90 |
| Процент рециклиране (оценка) | 85% |
| Методи за рециклиране / повторна употреба | Повторно втечняване и компресия |
| Приложения и технологични домейни | |
| Основни приложения | Торове, криогенни технологии, индустриални газове |
| Участие в сплави / съединения | Нитриди |
| Използване в индустрията | Химическа, хранителна, металургична |
| Използване в електрониката / енергетиката | Полупроводници |
| Използване в медицината / фармацията | Криохирургия |
| Използване в научни инструменти | Криогенни системи |
| Технологични платформи (laser, optics, sensors) | Криогенни охлаждащи системи |
| Биологично значение, токсикология и безопасност | |
| Биологично значение | Основен елемент на живота |
| Роля в биохимичните процеси | Компонент на протеини и ДНК |
| Влияние върху човешкия организъм | Нетоксичен при нормални условия |
| Токсичност и безопасност | Може да причини задушаване при изместване на кислорода |
| Пределно допустима концентрация | Неограничена (инертен газ) |
| Промишлени рискове и мерки за безопасност | Криогенни изгаряния |
| Екологичен риск и поведение в средата | Нисък |
| Влияние върху околната среда | Ключов за екосистемите |
| История, откриване и културен контекст | |
| Откривател / година на откриване | Даниел Ръдърфорд, 1772 |
| Място на откриване | Шотландия |
| Метод на откриване | Изолиране от въздуха |
| Първа изолация (как) | Чрез отстраняване на кислорода |
| Историческо значение | Основен индустриален елемент |
| Символика и културно значение | Свързан с живота |
| Интересни факти | Най-разпространеният газ в атмосферата |
| Научна дисциплина | Химия |
| Идентификатори и външни регистри | |
| CAS номер | 7727-37-9 |
| PubChem CID | 947 |
| Wikidata ID | Q627 |
| CRC Handbook reference | CRC Handbook of Chemistry and Physics |
| IUPAC Element ID | 7 |
| UN номер / код за транспортна безопасност | UN 1066 |
| AbleBump семантична класификация | |
| AbleBump Entity Type | Chemical Element |
| AbleBump Periodic Table Category | Pnictogens |
| AbleBump Element Class | Nonmetal |
| AbleBump Matter State Class | Gas |
| AbleBump Reactivity Class | Low to Moderate Reactivity |
| AbleBump Technological Importance Class | High Industrial Utility |
| AbleBump Economic Importance Class | Very High |
| AbleBump Strategic Material Class | Strategic Industrial Gas |
| AbleBump Environmental Risk Class | Low |
| AbleBump Supply Risk Class | Very Low |
| AbleBump Global Tier | Tier 1 |
| AbleBump Archival Value Score | 99 |
| Semantic Profile | |
| Reactivity Index | 40 |
| Industrial Importance Index | 95 |
| Scientific Importance Index | 98 |
| Economic Importance Index | 90 |
| Technological Criticality Index | 88 |
| Environmental Risk Index | 45 |
| Supply Risk Index | 5 |
| Abundance Index | 100 |
| Strategic Importance Index | 92 |
| Radioactivity Risk Index | 0 |
| Material Stability Index | 96 |
| Energy Application Index | 85 |
| Electronics Application Index | 80 |
| Medical Application Index | 87 |
| Recycling Potential Index | 90 |
| Future Technology Relevance Index | 94 |
| Knowledge Graph Connectivity Index | 99 |
| Search Demand Index | 93 |
Електронната конфигурация на азота е 1s² 2s² 2p³, което определя неговата химична стабилност и способност да образува ковалентни връзки. Електроотрицателността му по скалата на Полинг е 3.04, което го прави един от най-силно електроотрицателните неметали.
Азотът е основен компонент на въздуха и съставлява около 78% от земната атмосфера по обем, което го прави най-разпространеният газ в атмосферата на Земята. Общата маса на атмосферния азот се оценява на приблизително 4 × 10¹⁸ kg, което представлява огромен глобален резервоар от този елемент.
Въпреки своята инертност в молекулна форма, азотът играе фундаментална роля в биологията, химията, земеделието и индустрията.
Без азот не биха могли да съществуват протеините, нуклеиновите киселини (ДНК и РНК), аденозинтрифосфатът (ATP) и множество други жизненоважни молекули. Той е основен градивен елемент на всички живи организми и част от глобалния азотен цикъл, който поддържа равновесието в биосферата.
Физични и химични свойства
Азотът е безцветен, без мирис и без вкус газ при стандартни условия. Той не поддържа горенето и не е токсичен, но може да причини задушаване при високи концентрации чрез изместване на кислорода.
При охлаждане до -196°C се втечнява и образува течен азот, който представлява криогенна течност с температура на кипене -195.8°C и има широко приложение в науката, медицината и индустрията. Физични показатели:
- Плътност: 1.2506 kg/m³ (при 0°C и 1 atm)
- Температура на топене: -210.0°C
- Температура на кипене: -195.8°C
- Критична температура: -146.9°C
- Критично налягане: 3.39 MPa
- Топлопроводимост: 0.02583 W/(m·K)
- Ван дер Ваалсов радиус: 155 pm
- Ковалентен радиус: 71 pm
Химически азотът съществува главно като двуатомна молекула (N₂), в която двата атома са свързани чрез тройна ковалентна връзка. Енергията на тази връзка е приблизително 941 kJ/mol, което я прави една от най-здравите известни химични връзки. Това обяснява високата химична стабилност на молекулярния азот и неговата относителна инертност при нормални условия.
При високи температури, електрически разряди или в присъствието на катализатори азотът може да реагира с други елементи и да образува разнообразни съединения.
Например, при високи температури реагира с кислород и образува азотни оксиди като NO и NO₂, които играят важна роля в атмосферната химия. Азотът може също да реагира с водород при високо налягане и температура, образувайки амоняк (NH₃), което представлява основата на индустриалния процес Хабер-Бош.
Азотът проявява широк диапазон от степени на окисление, вариращи от -3 до +5, което позволява образуването на разнообразни химични съединения като амоняк (NH₃), азотна киселина (HNO₃), нитрати (NO₃⁻) и нитрити (NO₂⁻).
Разпространение и наличие
Азотът е петият по разпространение елемент във Вселената и един от най-разпространените елементи в Слънчевата система. Той се образува главно в процесите на звездната нуклеосинтеза и се среща широко в междузвездната среда, планетните атмосфери и органичните съединения.
На Земята основният резервоар на азот е атмосферата, където той съществува като молекулен азот (N₂). Освен това азотът присъства в земната кора със средна концентрация около 19 ppm, главно под формата на нитрати, амониеви соли и органични съединения.
В океаните азотът се среща както в разтворена молекулна форма, така и като нитрати и амониеви йони, които са от съществено значение за морските екосистеми. В живите организми азотът е основен компонент на аминокиселини, протеини и нуклеинови киселини.
В биосферата азотът преминава през сложен азотен цикъл, който включва процесите на фиксация, нитрификация, асимилация, амонификация и денитрификация. Този цикъл е от решаващо значение за поддържането на плодородието на почвите и функционирането на екосистемите.
Откриване и история
Азотът е открит през 1772 г. от шотландския учен Даниел Ръдърфорд, който установява, че част от въздуха не поддържа горенето и не поддържа живота. Той нарича този газ "флогистиран въздух". По-късно френският химик Антоан Лавоазие му дава името "azote", произлизащо от гръцките думи a и zoe, означаващи "без живот".
По време на XIX век азотът придобива огромно значение с развитието на химическата индустрия, особено след разработването на процеса Хабер-Бош в началото на XX век, който позволява индустриалното производство на амоняк от атмосферния азот.
Биологично значение
Азотът е жизненонеобходим елемент за всички живи организми. Той е ключов компонент на аминокиселините, които изграждат протеините, както и на нуклеиновите киселини, които съхраняват генетичната информация. Азотът участва също в състава на хлорофила, който позволява фотосинтезата при растенията.
Растенията усвояват азота главно под формата на нитрати (NO₃⁻) и амониеви йони (NH₄⁺). Животните получават азот чрез храната, като го използват за синтез на протеини и други биологични молекули. Определени бактерии, като Rhizobium, могат да фиксират атмосферния азот и да го превърнат в биологично достъпна форма.
Този процес е от критично значение за поддържането на плодородието на почвите и глобалния азотен баланс.
Изотопи и ядрени свойства
Азотът има два стабилни изотопа:
- ¹⁴N (99.63%)
- ¹⁵N (0.37%)
Тези изотопи са стабилни и нерадиоактивни. Изотопът ¹⁵N се използва широко в научните изследвания за проследяване на биохимични процеси и хранителни вериги.
Радиоактивният изотоп ¹³N има много кратък полуживот от около 10 минути и се използва в медицинската диагностика, особено в позитронно-емисионната томография. Ядрото на азота съдържа 7 протона и обикновено 7 неутрона, което определя неговата ядрена стабилност.
Приложения
Азотът има огромно индустриално и технологично значение. Глобалното производство на азот и неговите съединения възлиза на стотици милиони тонове годишно, главно за производство на торове. Основното индустриално приложение на азота е в синтеза на амоняк чрез процеса Хабер-Бош, който използва високо налягане и температура в присъствието на железен катализатор.
Течният азот се използва широко като криогенен агент в медицината, биологията и индустрията. Той се използва за съхранение на биологични проби, криохирургия и охлаждане на свръхпроводници. В хранителната индустрия азотът се използва за съхранение и замразяване на храни.
В електронната индустрия служи като инертна атмосфера за предотвратяване на окисление. В металургията се използва за контрол на химичните реакции. Азотът се използва също в авиацията, автомобилната индустрия, производството на експлозиви и фармацевтичната индустрия.
Екологични и климатични аспекти
Азотът е ключов елемент в глобалните екосистеми. Азотните съединения са необходими за растежа на растенията, но прекомерната им употреба може да доведе до екологични проблеми. Излишъкът от азотни торове може да причини евтрофикация на водни басейни, което води до намаляване на кислорода във водата и смърт на водни организми.
Азотните оксиди, отделяни при изгаряне на горива, допринасят за образуването на смог и киселинни дъждове. Те също участват в химичните процеси, които влияят на климата и качеството на въздуха. Азотът играе също важна роля в атмосферната динамика и е ключов компонент в поддържането на налягането и химичния баланс на атмосферата.