Строение атома и азот как простое вещество

Почему воздух на 78% состоит из азота и при этом почти ни с чем не реагирует.

1. Строение атома, физические свойства и нахождение в природе

Строение атома азота

Азот (N) — элемент VA группы, 2-го периода. Заряд ядра +7.

Параметр	Характеристика
Электронная конфигурация	1s² 2s² 2p³ (на внешнем уровне 5 электронов, из них 3 неспаренных).
Валентные возможности	Из-за отсутствия свободный d-орбитали азот не может распаривать 2s-электроны. Поэтому максимальная валентность равна IV (за счет донорно-акцепторной связи, например в ионе аммония NH₄⁺).
Степени окисления	От -3 (в аммиаке) до +5 (в азотной кислоте).

Нахождение в природе

Форма	Описание
В свободном виде (N₂)	Основной компонент атмосферы Земли: составляет около 78% по объему и 75% по массе.
В связанном виде	Входит в состав органических соединений животных и растений (белки, аминокислоты). В неорганической природе образует залежи минералов: чилийская селитра (NaNO₃), индийская селитра (KNO₃).

Физические свойства азота (N₂)

Двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
Слегка легче воздуха (молярная масса N₂ = 28 г/моль, M(воздуха) ≈ 29 г/моль).
Очень плохо растворим в воде.
Температура кипения: -196 °C (жидкий азот широко используется как хладагент).

Вопрос 1: Исключительность азота

Проверка

Какую максимальную валентность может проявлять азот? Почему валентность V для него нехарактерна, хотя он находится в V группе?

Ответ: Максимальная валентность IV (в ионе аммония и азотной кислоте). В V группе у азота на внешнем 2-м уровне нет d-подуровня, поэтому он не может распарить свои 2s-электроны и предоставить пять неспаренных электронов.

2. Простое вещество азот (N₂): получение и свойства

В природе азот существует в виде двухатомной молекулы N₂. Молекула крайне прочная из-за тройной связи (N≡N), поэтому при обычных условиях азот инертен.

Получение азота

Способ	Описание и уравнения реакций
В промышленности	Фракционная дистилляция жидкого воздуха. (Воздух сжижают и перегоняют, азот выкипает первым, т.к. его температура кипения ниже чем у кислорода).
В лаборатории Разложение нитрита аммония	Разложение при слабом нагревании (на практике используют смесь растворов NaNO₂ + NH₄Cl, которая в процессе обмена даёт нужный нитрит): NH₄NO₂ t°→ N₂↑ + 2H₂O
Особо чистый азот	Термическое разложение азидов (практическое применение — подушки безопасности в автомобилях): 2NaN₃ t°→ 2Na + 3N₂↑
Окисление аммиака	Горение аммиака без катализатора: 4NH₃ + 3O₂ t°→ 2N₂ + 6H₂O

Химические свойства азота (N₂)

С серой, фосфором, мышьяком, галогенами молекулярный азот НЕ реагирует!

Свойства	Уравнения реакций
С металлами	При комнатной температуре реагирует ТОЛЬКО с литием: N₂ + 6Li → 2Li₃N (нитрид лития) С другими активными металлами (Mg, Ca) — только при нагревании: N₂ + 3Mg t°→ Mg₃N₂
С водородом Синтез Габера	Обратимая, экзотермическая реакция (условия: катализатор Fe, t° 400-500°C, высокое давление): N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + Q
С кислородом	Реагирует ОЧЕНЬ ТЯЖЕЛО — только при 2000°C (в электрической дуге / при разряде молнии). Это единственная эндотермическая классическая реакция соединения с кислородом: N₂ + O₂ ⇄ 2NO - Q
С углеродом	При очень сильном нагреве в виде атомарного азота: 2C + N₂ → N≡C–C≡N (дициан)

Вопрос 1: Химическая инертность $N_2$ (Уравнения)

Проверка

Напишите уравнения реакций простого вещества азота, учитывая, что из-за прочной тройной связи он реагирует в жестких условиях (кроме одного металла):

$N_2 + Li \rightarrow \dots$ (реакция идет при комнатной температуре)
$N_2 + Mg \xrightarrow{t^\circ} \dots$
$N_2 + H_2 \rightleftarrows \dots$ (укажите условия)
$N_2 + O_2 \rightleftarrows \dots$ (в электрической дуге)

Ответ:

$N_2 + 6Li \rightarrow 2Li_3N$ (нитрид лития)
$N_2 + 3Mg \xrightarrow{t^\circ} Mg_3N_2$
$N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3$ ($t^\circ, p$, катализатор $Fe$)
$N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO$ ($>2000^\circ C$ или электроразряд)