Jaké jsou vlastnosti dusíku?

V tomto článku se podíváme na charakteristiku dusíku v chemii, zjistíme, jaké oxidační stavy může dusík mít a povíme si o nejdůležitějších sloučeninách, které tento chemický prvek obsahují.

29 2021 декабря

· Aktualizováno 6. prosince 2024

Dusík je dvouatomový plyn s chemickým vzorcem N₂, bezbarvý, bez chuti a zápachu. Hlavní složkou je vzduch (78 % objemu). Chemicky inertní, ale reaguje s komplexními sloučeninami přechodných kovů.

• Příklad: Amoniak (NH3) vzniká při reakci dusíku s vodíkem.

Dusík (N.₂) – první zástupce skupiny V hlavní podskupiny a periody 2 periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejeva. Pokud vezmeme v úvahu umístění dusíku v dlouhodobé periodické tabulce, pak zaujímá přední místo ve skupině 15. Pro zástupce této skupiny bylo navrženo jméno pniktogeny (z řeckého kořene πνῑ́γω – dusivé, páchnoucí). To jednoznačně platí pro vodíkové sloučeniny zástupců této skupiny.

Elektronová struktura dusíku

Podívejme se na atomovou strukturu a elektronovou konfiguraci dusíku a pak vyvodíme nějaké závěry.

Atomové nebo atomové číslo dusíku je 7, což odpovídá počtu elektronů a protonů v jádře. Molární hmotnost je 14,00728 g/mol a počet neutronů v atomu tohoto izotopu je sedm.

Nyní přejdeme k elektronické struktuře. V základním stavu je elektronový vzorec dusíku: 1s 2 2s 2 2p 3, ve zkrácené formě – [He]2s 2 2p 3. Vnější energetická hladina má 5 valenčních elektronů, včetně 3 nepárových p-elektronů.

Na základě této konfigurace může dusík vytvořit pouze 3 vazby prostřednictvím výměnného mechanismu a ještě jednu prostřednictvím mechanismu donor-akceptor. To je způsobeno skutečností, že na druhé podúrovni už dusík nemá volné orbitaly, do kterých by se mohly vypařovat elektrony z podúrovně 2s. To znamená maximální valenci dusíku IV.

Neexistuje žádná valence dusíku V!

Dusíková valence je schopnost atomu dusíku tvořit chemické vazby s jinými atomy, určená počtem nepárových elektronů ve valenčním obalu. Ve většině sloučenin je valence dusíku tři.

• Příklady:
• NH3 (amoniak)
• NCl3 (chlorid dusitý)

Dusík se vyznačuje celým spektrem možných oxidačních stavů od -3 do +5.

Podívejme se na stupnici, která ukazuje sloučeniny dusíku v různých látkách.

Struktura molekuly dusíku

Dusík je dvouatomová molekula, jejíž atomy jsou spojeny silnou trojnou vazbou. Délka vazby je 0,110 nm.

Proč trojitá vazba a z čeho se skládá?

Připomeňme, že každý atom v molekule dusíku má 3 nepárové elektrony, které následně tvoří trojnou vazbu, která se zase skládá z jedné vazby sigma a dvou vazeb pí.

Jaké povolání vám vyhovuje? Zjistěte to za 10 minut!

Získejte další výhody od Skysmart:

• Zlepšete své známky v kurzech chemie.
• Vyberte si z 550+ lektorů chemie.
• Přihlaste se do bezplatných kurzů pro děti.

Fyzikální vlastnosti dusíku

Dusík jako jednoduchá látka je bezbarvý plyn, který je bez zápachu a špatně rozpustný ve vodě. Dusík je v molární hmotnosti lehčí než vzduch. Díky přítomnosti trojité nepolární vazby a relativně malým atomovým poloměrům má dusík nízké body varu a tání: t_pl = -210 °С a t_žok = -196 °C. Dusík nemá žádné alotropní modifikace. Navzdory skutečnosti, že hlavní skupenství dusíku je plynné, může být také kapalné. Například 1 litr kapalného dusíku se při zahřátí na 20 °C změní na 700 litrů plynného dusíku. Podrobnější informace najdete v našem videu:

Chemické vlastnosti dusíku

Dusík je chemicky neaktivní kvůli přítomnosti stejné trojné vazby. Určuje také nízkou tepelnou stabilitu sloučenin dusíku při zahřívání. V chemických reakcích může dusík působit jak jako oxidační činidlo, tak jako redukční činidlo díky široké škále možných oxidačních stavů.

Jak reaguje dusík redukčního činidla:

Tyto reakce probíhají při teplotách nad 1000 stupňů Celsia nebo pod elektrickým nábojem.

Jak reaguje oxidační činidlo dusík:

• s kovy
  N₂ + 6Li = 2Li₃N dusík reaguje za normálních podmínek pouze s lithiem a s kovy alkalických zemin pouze při zahřátí;
• s vodíkem
  N₂ + 3H₂ = 2NH₃ reakce probíhá reverzibilně v přítomnosti kovového železa jako katalyzátoru.

Podívejme se na způsoby, jak dusík získat. V průmyslu se získává frakční destilací kapalného vzduchu, ale v laboratoři se dusík získává jinak. Zde je jen několik způsobů:

• reakce mezi chloridem amonným a dusitanem sodným
  Starší bratr₂ +NH₄Cl = N₂ + NaCl + 2H₂O
• rozklad některých amonných solí (na příkladu dusitanu amonného)
  NH₄NE₂ = N₂ + 2H₂O

Dusík je hlavní složkou jakékoli bílkoviny v lidském těle. Podívejme se na způsoby, jak získat výchozí složky pro syntézu vlastních bílkovin.

Nejdůležitější sloučeniny dusíku

Amoniak

Nejprve si povíme něco o vodíkové sloučenině dusíku – čpavku. Amoniak je bezbarvý plyn s charakteristickým štiplavým zápachem. Podívejme se na strukturu molekuly amoniaku:

Amoniak má tvar trigonální pyramidy. Tento plyn je velmi toxický a může způsobit chemické poleptání očí a výpary silně dráždí sliznice dýchacího ústrojí. Amoniak má zároveň poměrně vysokou rozpustnost ve vodě díky tvorbě vodíkových vazeb s molekulami vody. Přivedl vás někdy po ztrátě vědomí k rozumu vatový tampon namočený v něčem páchnoucím? Gratulujeme, byla to vaše první zkušenost s amoniakem ve vodě.

Pojďme si nyní říci něco o chemických vlastnostech tohoto plynu.

Na rozdíl od samotného dusíku je amoniak extrémně reaktivní sloučenina. Protože dusík je v amoniaku v nejnižším oxidačním stavu (-3), vykazuje amoniak pouze redukční vlastnosti.

Například amoniak reaguje s kyslíkem (při zahřátí):

Jak je vidět z rovnic, amoniak vstupuje do oxidačních reakcí a produkty jeho oxidace přímo závisí na síle oxidačního činidla a reakčních podmínkách.

Amoniak reaguje se složitými látkami – oxidačními činidly takto:

Amoniak reaguje s kyselinami díky svým základním vlastnostem, což vede k tvorbě různých solí:

Nyní se podíváme na výrobu čpavku. Existují dva typy metod: průmyslové a laboratorní.

1. Průmyslová metoda – syntéza z jednoduchých látek:
2. Laboratorní metoda: Při této metodě se čpavek shromažďuje v baňce obrácené dnem vzhůru, protože čpavek je lehčí než vzduch.

Kyselina dusičná

Kyselina dusičná – jedna z nejdůležitějších anorganických kyselin. Je to těkavá, bezbarvá kapalina se štiplavým zápachem, kterou lze smíchat s vodou v libovolném poměru.

V průmyslu se získává v několika fázích. Podívejme se blíže na každý z nich:

1. Oxidace amoniaku vzdušným kyslíkem na platinovém katalyzátoru
   4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O
2. Oxidace oxidu dusnatého (II)
   2NO+O₂ = 2 NE₂
3. Absorpce vzniklého oxidu dusíku (IV) vodou v přebytku vzduchu
   4NO₂ + O.₂ + 2H₂O = 4HNO₃

Kyselina dusičná má speciální chemické vlastnosti založené na její koncentraci.

Tato kyselina například nikdy nereaguje s kovy a uvolňuje plynný vodík. Zvažte tabulku s příklady kovů s různými koncentracemi kyseliny dusičné:

Také kyselina dusičná, jako silné oxidační činidlo, je schopna oxidovat některé nekovy na jejich kyseliny. Podívejme se na příklady:

Kyselina dusičná v poměru 1:3 s kyselinou chlorovodíkovou tvoří směs tzv aqua regia. Jedná se o žlutooranžovou dýmavou kapalinu, která dostala své jméno od alchymistů díky své schopnosti rozpouštět „královské“ kovy – zlato a platinu.

Oxidy dusíku

Na rozdíl od jiných chemických prvků tvoří dusík velké množství oxidů: N₂O,NE,N₂O₃, NE₂, N₂O₄ a N₂O₅, z nichž každý je kyselý. Tabulka ukazuje, který oxid odpovídá které kyselině:

Oxid dusnatý (I)N₂O. Nesolnotvorný oxid, je to bezbarvý plyn s příjemnou vůní a nasládlou chutí. Jeho molární hmotnost je těžší než vzduch a rozpustná ve vodě. Tento oxid má další názvy, z nichž nejběžnější je oxid dusičitý. Oxid dusnatý (I) byl používán v lékařství jako anestetikum před více než 200 lety. Při vdechování tohoto plynu člověka přepadne radost a neovladatelný smích, a proto dostal oxid jiný název – rajský plyn.

Oxid dusnatý (II) NO. Nesolnotvorný oxid, který je za normálních podmínek bezbarvým plynem, je špatně rozpustný ve vodě a ve vysokých koncentracích je pro člověka jedovatý.

Oxid dusnatý (III) N₂O₃. Směs je velmi nestabilní a existuje pouze při nízkých teplotách. V pevném a kapalném skupenství je oxid dusíku (III) jasně modrý. Při teplotách nad 0 stupňů se rozkládá na oxid dusnatý (II) a oxid dusnatý (IV).

Oxidy dusíku (IV) NO₂ a N₂O₄. Pevný oxid dusnatý (IV) je bezbarvý, protože se skládá z molekul N2O4. Při zahřátí se objeví hnědá barva, která se zintenzivňuje s rostoucí teplotou, jak se zvyšuje NO₂ ve směsi. Tyto oxidy jsou vysoce rozpustné ve vodě a reagují s ní.

Oxid dusnatý (V)N₂O₅. Anhydrid dusnatý, který se tvoří ve formě těkavých, bezbarvých, hygroskopických krystalů. Jedná se o extrémně nestabilní látku, která se rozpadá během několika hodin. Při zahřátí se explozivně rozkládá na oxid dusíku (IV) a plynný kyslík.

Samotestovací otázky

1. Jakou vazbu mezi sebou tvoří atomy dusíku?
   1. Singl.
   2. Dvojnásobek.
   3. Trojnásobný.
   1. −3 a +5,
   2. −5 a +3,
   3. 0 a +4,
   4. −3 a +3.
   1. V,
   2. III,
   3. IV,
   4. II.
   1. Pouze oxidační činidlo.
   2. Pouze redukční činidlo.
   3. Jak oxidační činidlo, tak redukční činidlo.
   4. Neúčastní se reakcí se změnami oxidačních stavů.
   1. NE,
   2. N₂O₃,
   3. N₂O,
   4. N₂O₄.