Азот

Общие сведения

Азот — инертный, при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Азот — четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода. Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, межзвёздном пространстве. В форме двухатомных молекул N2 составляет большую часть атмосферы Земли, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму). В земной коре содержится 0,04% азота. Значительное количество азота находится в растворенном виде в гидросфере Земли.

Хотя название «азот» означает «не поддерживающий жизни», на самом деле это – необходимый для жизнедеятельности элемент. Он входит в состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле - около 2,5 % (четвертое место после водорода, углерода и кислорода). В организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества, главным образом неорганические. Значительные количества азота поступают в почву благодаря азотфиксирующим микроорганизмам, способным переводить свободный азот воздуха в соединения азота.

 

Физические свойства

При нормальных условиях азот это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде (2,3 мл/100г при 0 °C, 0,8 мл/100г при 80 °C).

В жидком состоянии (темп. кипения -195,8 °C) – бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.

При -209,86 °C азот переходит в твердое состояние в виде снегоподобной массы или больших белоснежных кристаллов. При контакте с воздухом поглощает из него кислород, при этом плавится, образуя раствор кислорода в азоте.

Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению.

 

Химические свойства

Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N2, которые крайне прочны для реакции диссоциации, чего при нормальных условиях практически не происходит. Даже при 3000 °C степень термической диссоциации N2 составляет всего 0,1 %, и лишь при температуре около 5000 °C достигает нескольких процентов (при нормальном давлении). В высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N2. В лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N2 при сильном разряжении через поле высокочастотного электрического разряда. Атомарный азот намного активнее молекулярного: в частности, при обычной температуре он реагирует с серой, фосфором, мышьяком и с рядом металлов, например, со ртутью.

Вследствие большой прочности молекулы азота многие его соединения эндотермичны, энтальпия их образования отрицательна, а соединения азота термически малоустойчивы и довольно легко разлагаются при нагревании. Именно поэтому азот на Земле находится по большей части в свободном состоянии.

Ввиду своей значительной инертности азот при обычных условиях реагирует только с литием, образуя нитрид лития, при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды. Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак).

 

Способ производства

Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Также широко применяются азотные установки, в которых используется метод адсорбционного и мембранного газоразделения.

 

Применение

В настоящее время азот находит широкое применение.

Благодаря низкой температуре кипения ( - 196 °C) жидкий азот применяется как хладагент. Промышленные применения газообразного азота обусловлены его инертными свойствами. Если в процессе, традиционно проходящем с использованием воздуха, окисление или гниение являются негативными факторами — азот может успешно заместить воздух.

 

В горнодобывающем деле азот может использоваться для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы.

 

В металлургии при криообжиге и криозакаливании металлов, для вакуумной дегазации расплавов, в качестве инертной среды для непрерывной разливки стали, для травления холодом. Большие количества азота используются в коксовом производстве («сухое тушение кокса») при выгрузке кокса из коксовых батарей.

 

В нефтедобыче как безопасный рабочий агент при газлифтном способе добычи нефти и при запуске скважин (заменитель сжатого воздуха), при авариях на нефтепроводах (замораживание порыва), для тушения пожаров на нефтяных и газовых скважинах, создание криоледяных платформ в открытом море или на слабых грунтах для ведения бурения.

 

В химической и нефтехимической промышленности как инертная среда в химических процессах, для криогенного разделения продуктов химических реакций, в криохимии для получения полимеров высокого качества – при производстве этилена, полиэтилена, пропилена, полиформальдегида и т. д., для очистки взрывчатых смесей, регенеративных катализаторов, для хранения и перевозки легковоспламеняющихся жидкостей. Важной областью применения азота является его использование для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, содержащих азот, таких, как аммиак, азотные удобрения, взрывчатые вещества, красители и т. п.

 

В машиностроении и строительстве - упрочнение стальных деталей и инструментов методом низкотемпературной закалки, запрессовка и выпрессовка сопрягаемых деталей холодом, замораживание грунтов при строительстве метро и трубопроводов, вымораживание и снятие плиток, глубокое охлаждение минерального сырья для его последующего тонкого размола (например при производстве цемента высшего качества), при изготовлении туфового покрытия.

 

В производстве электроники азот применяется для продувки областей, не допускающих наличия окисляющего кислорода.

 

В сельском хозяйстве как инертная среда для хранения пищевых продуктов, для хранения спермы племенных животных, заморозка продуктов в полевых условиях.

 

В пищевой промышленности азот зарегистрирован в качестве пищевой добавки E941, как газовая среда для упаковки и хранения, хладагент, а жидкий азот применяется при розливе масел и негазированных напитков для создания избыточного давления и инертной среды в мягкой таре.

 

В пожаротушении. Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. На этом факте основан принцип тушения пожаров жидким азотом. Испаряясь, азот вытесняет кислород, необходимый для горения, и пожар прекращается. Так как азот, в отличие от воды, пены или порошка, просто испаряется и выветривается, азотное пожаротушение — самый эффективный с точки зрения сохранности ценностей механизм тушения пожаров.

 

В медицине для сохранения крови и кровесодержащих препаратов, для быстрого замораживания и хранения тканей и различных органов, в технологиях получения полноценных порошковых лекарственных препаратов, в криотерапии.

 

Азот применяется также для «передавливания» топлива в ракетах из баков в насосы или двигатели.

 

Накачка автомобильных шин азотом

В последнее время все большую популярность приобретает накачка автошин азотом. В чем преимущество азота перед воздухом?

Отсутствует окислительный процесс металлокорда шины. Кислород, содержащийся в атмосферном воздухе, является окислителем, а высокая влажность внутри покрышки, накачанной воздухом, приводит к конденсации влаги при перепадах температур. Вместе эти факторы приводят к коррозии металлокорда, следовательно, уменьшают срок жизни покрышки. Влажность азота близка к нулевой, к тому же он не является окислителем.

Давление в шине, накачанной воздухом, резко меняется в зависимости от текущей температуры шины, а летом, естественно, это давление достигает максимальных величин. Коэффициент теплового расширения воздуха велик, поэтому для колеса легкового автомобиля повышение давления в разогретой после движения шины может достигать 0,5 - 0,8 атмосферы. Под нагрузкой малейшая шишка на покрышке автомобиля или серьезный прокол может привести к взрыву, причем если лопнет переднее колесо, то результат будет непредсказуемый. Для азота коэффициент теплового расширения гораздо ниже: давление в шине в результате разогрева меняется лишь на 0,1 атмосферы, следовательно, азот обеспечивает стабильное давление внутри шины при любой температуре.

Колеса спортивных автомобилей, начиная с Формулы-1 и заканчивая кольцевыми гонками, накачиваются только азотом.

 

Хранение и перевозка азота

Азот газообразный хранится и транспортируется в баллонах окрашенных в черный цвет с надписью "АЗОТ" желтого цвета.

Азот жидкий хранится и транспортируется в специальных криогенных емкостях.

Азот относится к классу опасных грузов. Поэтому транспорт используемый для перевозки азота должен быть оборудован в соответствии с правилами перевозки опасных грузов.

 

Опасные факторы и меры безопасности

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих, не оказывает вредного воздействия на окружающую среду, не токсичен, не горюч и не взрывоопасен. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.

При работе с жидким азотом необходимо соблюдать меры безопасности при обращении с жидкими криопродуктами.