- Występowanie azotu w przyrodzie
- Właściwości fizyczne azotu
- Budowa i właściwości chemiczne azotu
- Znaczenie biologiczne azotu
- Zastosowania azotu
Występowanie azotu w przyrodzie
Azot cząsteczkowy (N₂), występujący w stanie wolnym, stanowi główny składnik powietrza atmosferycznego (78,084% objętości) wraz z tlenem (20,946% obj.), argonem (0,934% obj.), dwutlenkiem węgla (0,041% obj.) i parą wodną (0-3%). Azot w stanie związanym występuje w związkach nieorganicznych (skałach i minerałach) tworzących skorupę ziemską – saletrze sodowej (chilijskiej) (azotanie (V) sodu, NaNO₃), saletrze potasowej (indyjskiej) (azotanie (V) potasu, KNO₃), saletrze wapniowej (norweskiej) (azotanie (V) wapnia, Ca(NO₃)₂) i salmiaku rodzimym (chlorku amonu, NH₄Cl). Azot wchodzi również w skład gazowego amoniaku (NH₃) uwalniającego się podczas rozkładu szczątków organicznych (roślinnych i zwierzęcych) oraz tlenków azotu (NOₓ) powstających w atmosferze w trakcie wyładowań elektrycznych. Jest również składnikiem związków organicznych budujących wszystkie organizmy żywe – białek, kwasów nukleinowych (DNA i RNA), glikozoaminoglikanów, niektórych tłuszczów złożonych (np. fosfolipidów), porfiryn (chlorofilu, cytochromów) i przenośników energii w komórkach (np. ATP, NAD), oraz produktów przemiany materii organizmów żywych – mocznika i kwasu moczowego. W przyrodzie występują dwa trwałe izotopy azotu – ¹⁴N (99,6%) oraz ¹⁵N (0,4%). Azot, jako składnik powietrza atmosferycznego, został odkryty w 1772 roku przez szkockiego chemika, fizyka i botanika Daniela Rutherforda.
Azot cząsteczkowy (N₂) jest głównym składnikiem powietrza atmosferycznego. Źródło: shutterstock
Właściwości fizyczne azotu
Azot cząsteczkowy (N₂) jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, pozbawionym smaku, słabo rozpuszczającym się w wodzie (20 mg N₂/dm³ H₂O w temp. 20°C i ciśnieniu 1000 HPa). Gęstość azotu w stanie gazowym wynosi 1,2506 g/dm³ (0°C, 1013,25 hPa), jest więc nieco lżejszy od suchego (pozbawionego pary wodnej) powietrza atmosferycznego (1,293 g/dm³). Gęstość azotu w stanie ciekłym (tzw. ciekłego azotu) wynosi 0,81 g/cm³ (20°C); gęstość azotu w stanie stałym wynosi 0,85 g/cm³. Temperatura wrzenia azotu wynosi -195,8°C, natomiast temperatura topnienia tego pierwiastka wynosi -209,86°C. Azot osiąga punkt potrójny w temperaturze -210°C i pod ciśnieniem 12,52 kPa; w tych warunkach występuje we wszystkich trzech stanach skupienia (stałym, ciekłym, gazowym) znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej. Azot w temperaturach niższych od temperatury wrzenia (-195,8°C) ulega procesowi skraplania w bezbarwną i bezwonną ciecz o konsystencji wody – ciekły azot (LN₂, ang. liquid nitrogen). Ciekły azot w wyniku dalszego schładzania do temperatury niższej niż temperatura topnienia (-210°C) ulega zestaleniu (krzepnięciu) w bezbarwne ciało stałe posiadające konsystencję śniegu. Azot w stanie stałym – azot stały (SN₂, ang. solid nitrogen) występuje w wielu odmianach alotropowych, różniących się strukturą sieci krystalicznej (m.in. α, β, γ, δ, ε, ζ). Odmiana β, występująca w temperaturze od -210,01°C do -237,6°C, cechuje się strukturą krystaliczną o strukturze heksagonalnej. Odmiana α, występująca w temperaturze niższej niż 237,6°C, posiada regularną (sześcienną) sieć krystaliczną.
Ciekły azot. Źródło: shutterstock
Budowa i właściwości chemiczne azotu
Azot (N, łac. nitrogenium) jest pierwiastkiem chemicznym nie wykazującym właściwości niemetalicznych (niemetalem) o liczbie atomowej 7 i masie atomowej wynoszącej 14,0067 u. Azot, wraz z fosforem (P), arsenem (As), antymonem (Sb) i bizmutem (Bi), należy do 15 grupy układu okresowego pierwiastków, określanej mianem azotowców bądź pniktogenów. Azot atmosferyczny występuje w postaci cząsteczki dwuatomowej (N₂), w której dwa atomy tego pierwiastka związane są ze sobą za pośrednictwem potrójnego wiązania kowalencyjnego (N≡N). Atom azotu w stanie podstawowym posiada siedem elektronów rozmieszczonych na dwóch powłokach elektronowych – dwa elektrony na pierwszej powłoce i pięć elektronów na drugiej, zewnętrznej powłoce elektronowej (tzw. elektronów walencyjnych). Konfiguracja elektronowa atomu azotu ma więc postać 1s²2s²2p³. Atom azotu tworząc związki z atomami innych pierwiastków uzyskuje trwałą konfigurację elektronową, czyli całkowite zapełnienie pierwszej powłoki lub obu powłok elektronowych, oddając maksymalnie pięć elektronów (V stopień utlenienia) (związki azotu z tlenem) bądź przyjmując maksymalnie trzy elektrony (-III stopień utlenienia) (związki azotu z wodorem i metalami). Istnieje również szereg pośrednich stopni utlenienia azotu (IV, III, II, I, -I, -II). Azot, jako pierwiastek charakteryzujący się wysoką wartością elektroujemności, czyli miary zdolności atomów do przyciągania elektronów (3,04 w skali Paulinga), może tworzyć związki, w których sieci krystalicznej znajdują się trójujemne jony N³⁻ (azotki, np. azotek litu, azotek magnezu, azotek wapnia).Azot (N₂) charakteryzuje się dużą pasywnością (biernością) chemiczną, co wynika z wysokiej stabilności jego cząsteczek dwuatomowych warunkowanej obecnością bardzo trwałego wiązania potrójnego pomiędzy atomami (N≡N). Pierwiastek ten w temperaturze pokojowej reaguje wyłącznie z litem (Li) tworząc azotek litu (Li₃N) zgodnie z reakcją:
6 Li+N₂→2 Li₃N
W podwyższonej temperaturze azot wchodzi w reakcje również z innymi metalami, m.in. wapniem (Ca) i magnezem (Mg), tworząc odpowiednio azotek magnezu (Mg₃N₂) i azotek wapnia (Ca₃N₂):
3 Mg+N₂→Mg₃N₂3
3 Ca+N₂→Ca₃N₂
Azot (N₂) w podwyższonej temperaturze (400-500°C) i obecności katalizatora żelazowego z dodatkiem tlenków metali (m.in. tlenku potasu K₂O, tlenku wapnia CaO, tlenku magnezu MgO i tlenku glinu Al₂O₃) reaguje z wodorem (H₂) tworząc amoniak (NH₃) (metoda Habera-Boscha):
N₂+3 H₂→2 NH₃
Azot tworzy również związki chemiczne z tlenem – tlenki azotu, w których występuje na I, II, III, IV, V stopniu utlenienia – odpowiednio tlenek diazotu (tlenek azotu (I), podtlenek azotu, N₂O), tlenek azotu (tlenek azotu (II), NO), tritlenek diazotu (tlenek azotu (III), N₂O₃), ditlenek azotu (tlenek azotu (IV), NO₂) i pentatlenek diazotu (tlenek azotu (V) N₂O₅). Tritlenek diazotu (N₂O₃) jest bezwodnikiem kwasu azotowego (III) (HNO₂); pentatlenek diazotu (N₂O₅) stanowi bezwodnik kwasu azotowego (V) (HNO₃). Tlenek azotu (NO) powstaje bezpośrednio w reakcji azotu (N₂) z tlenem (O₂) zachodzącej w wysokiej temperaturze (2000°C) podczas wyładowań elektrycznych zachodzących w atmosferze:
N₂+O₂→2 NO
Pozostałe tlenki azotu powstają w sposób pośredni; ditlenek azotu (NO₂) powstaje w wyniku reakcji tlenku azotu (NO) z tlenem cząsteczkowym (O₂):
2 NO+O₂→2 NO₂
tritlenek diazotu (N₂O₃) tworzy się w wyniku reakcji tlenku azotu (NO) z ditlenkiem azotu (NO₂):
NO+NO₂→N₂O₃
Tlenki azotu (NOₓ), głównie tlenek azotu (NO) i ditlenek azotu (NO₂), reagujące z tlenkami siarki (SOₓ) (np. ditlenkiem siarki, SO₂) powodują zakwaszanie wody atmosferycznej, czego skutkiem są kwaśne opady. Utlenianie fotochemiczne spalin samochodowych bogatych w tlenki azotu (NOₓ), tlenek węgla (CO), metan (CH₄) i lotne węglowodory przyczynia się do tworzenia się fotosmogu zawierającego szkodliwy ozon troposferyczny (O₃).
Tlenki azotu. Źródło: shutterstock
Znaczenie biologiczne azotu
Azot jest jednym z najważniejszych pierwiastków biogennych (biogenów, makroelementów) niezbędnym do życia wszystkich organizmów żywych. Stanowi podstawowy składnik białek (m.in. strukturalnych, transportowych, enzymatycznych, receptorowych, odpornościowych), kwasów nukleinowych – DNA (nośnika informacji genetycznej), RNA (odpowiedzialnego za syntezę białek), glikozoaminoglikanów (GAG), tłuszczów złożonych (fosfolipidów tworzących szkielet błon komórkowych), nukleotydów biorących pełniących rolę przenośników energii (ATP, GTP), uczestniczących w fotosyntezie i oddychaniu komórkowym (NAD, NADP, FMN, FAD) oraz metabolizmie tłuszczów (Co-A), porfiryn (chlorofilu – barwnika fotosyntetycznego, cytochromów – przenośników elektronów w łańcuchu oddechowym), metabolitów wtórnych (np. alkaloidów). Azot jest także ważnym ekologicznym czynnikiem ograniczającym, którego niedobór wpływa istotnie na procesy wzrostu i rozwoju organizmów.Azot cząsteczkowy (N₂), stanowiący główny składnik powietrza atmosferycznego, wiązany jest bezpośrednio przez bakterie wiążące azot w formę przyswajalną dla innych organizmów żywych, co umożliwia obieg tego pierwiastka w przyrodzie (cykl azotowy). Azot cząsteczkowy redukowany jest w środowisku glebowym do jonów amonowych (NH₄⁺) (wiązanie azotu), które utleniane są następnie do jonów azotanowych (NO₃⁻) przez bakterie nitryfikacyjne (nitryfikacja). Jony NH₄⁺ i NO₃⁻ pobierane są z gleby przez rośliny i wbudowywane w ich białka i kwasy nukleinowe. Głównym źródłem azotu dla zwierząt są organiczne związki azotowe pobierane wraz z pożywieniem pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego. Materia organiczna (szczątki roślinne i zwierzęce, produkty przemiany materii) ulega rozkładowi do jonów amonowych (NH₄⁺) przy udziale mikroorganizmów glebowych (amonifikacja). Jony NH₄⁺ są następnie pobierane przez rośliny bądź przekształcane do jonów NO₃⁻ przez bakterie w procesie nitryfikacji. Jony NO₃⁻ w warunkach beztlenowych (np. słabo napowietrzonych glebach) ulegają redukcji do tlenków azotu (N₂O, NO) i azotu cząsteczkowego (N₂) przez bakterie denitryfikacyjne (denitryfikacja) i w tej formie uwalniane są do atmosfery.
Cykl azotowy. Źródło: shutterstock
Zastosowania azotu
Azot wykorzystywany jest przez człowieka głównie do produkcji kwasu azotowego (V) (HNO₃) i amoniaku (NH₃), nawozów mineralnych (sztucznych) zawierających azot w postaci jonów amonowych (NH₄⁺) (siarczanu amonu (NH₄)₂SO₄ i chlorku amonu, salmiaku NH₄Cl), jonów azotanowych (NO₃¯) (saletry sodowej NaNO₃, saletry potasowej KNO₃); jonów amonowych (NH₄⁺) i jonów azotanowych (NO₃⁻) (saletry amonowej NH₄NO₃); oraz grup amidowych (azotniaku CaCN₂ i mocznika (NH₂)₂CO). Związki azotu są używane również w produkcji materiałów wybuchowych (np. nitrogliceryny, trinitrotoluenu, amonitu), tworzyw sztucznych (np. poliakrylonitrylu stosowanego do produkcji włókien syntetycznych) oraz barwników (np. barwników azowych wykorzystywanych w farbiarstwie oraz produkcji farb i lakierów).Azot jest używany jako gaz ochronny w trakcie przechowywania, transportu i przeprowadzania reakcji chemicznych z udziałem substancji łatwopalnych oraz substancji wrażliwych na kontakt z tlenem (utleniających się w obecności tlenu). Azot, jako gaz pasywny chemicznie, służy do wytwarzania atmosfery obojętnej w przemysłowych procesach spawania i lutowania metali. Ciekły azot wraz z amoniakiem mają zastosowanie jako czynniki chłodzące (kriogeny); tlenek diazotu (N₂O) wykorzystywany jest jako środek przeciwbólowy i lek do znieczulenia ogólnego (anestetyk) (tzw. gaz rozweselający).
Bibliografia
- Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson ; “Biologia Campbella”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020. ;
- Grażyna Łabno; “Ekologia. Słownik encyklopedyczny”; Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006;
- Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. I, II, VII, XI”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998-2000.;
- K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.;
- Adam Bielański ; “Podstawy chemii nieorganicznej Tom II”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.;
- Norman Neill Greenwood, Alan Earnshaw, Butterworth-Heinemann, ; “Chemistry of the Elements (2nd ed.)”; Oxford 1997. ;
- Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price; “Chemistry. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, ”; Oxford University Press, 2017.;
- promil
