при какой температуре затвердевает азот

Твёрдый азот не так прост, как кажется

У одной из форм твёрдого азота обнаружили необычно сложную кристаллическую структуру.

С жидким азотом связано множество эффектных представлений – в нём замораживают цветы, его выливают в воду, можно даже без особых последствий опустить в жидкий азот палец. Но все эти криошоу – развлечения на потеху публике, настоящие же исследователи ставят опыты с твёрдым азотом. Несмотря на то, что впервые твёрдый азот был получен ещё в далёком 1884 году, он до сих пор продолжает привлекать пристальный научный интерес. Можно ли найти эту не совсем обычную форму азота, где-то, кроме как в лабораториях? Да, но для этого придётся покинуть пределы нашей планеты и отправиться, скажем, к Плутону. На этой уже бывшей планете существует равнина Спутника, покрытая замёрзшим азотом – её можно посмотреть на удивительных фотографиях, сделанных зондом «Новые Горизонты».

Но вернёмся к твёрдому азоту – чем же он так интересен сейчас, если его открыли уже больше столетия назад? Дело в том, что за названием «твёрдый азот» скрывается множество структур, которые стабильны при разных температурах и разных давлениях. Например, если сжать азот под очень большим давлением, скажем, в миллион раз больше атмосферного, то он будет оставаться твёрдым даже при высоких температурах, вплоть до 1000 °C и даже выше. Создать такие условия в лаборатории можно с помощью специального устройства – ячейки с алмазными наковальнями. Поместив вещество в такую ячейку и создав там экстремальные условия, можно изучить его структуру, например с помощью таких методов, как рентгеноструктурный анализ.

Для твёрдого азота на сегодняшний день известно 15 различных форм: часть из них довольно хорошо изучена, но о некоторых до сих пор мало информации. Одна из таких малоизученных форм твёрдого азота носит название ι-N₂. Вот именно на ней международная группа исследователей и сосредоточила своё пристальное внимание. Для того чтобы получить азот ι-N₂, они поместили «обычный» твёрдый азот в ячейку с алмазными наковальнями и создали в ней условия с температурой 477 °C и 65 ГПа, после чего провели серию экспериментов с целью изучить строение получившегося вещества.

Оказалось, что азот ι-N₂ имеет очень необычную структуру: его кристаллическая ячейка состоит из 48 молекул азота, сложным образом ориентированных друг относительно друга. Обычно простые вещества вроде двухатомных молекул лёгких элементов имеют довольно простую кристаллическую структуру, например, молекулы могут располагаться в вершинах куба или параллелепипеда и их количество в пересчёте на ячейку не так велико. Даже для других известных форм твёрдого азота это количество не превышало 24 молекулы. Здесь же почти полсотни молекул!

Это необычное открытие говорит о том, что при экстремальных условиях, стабильными могут оказаться неожиданно сложные структуры, которые практически невозможно предсказать заранее, тем более без эксперимента. Что же касается экстремальных давлений, то кроме алмазных ячеек они вполне могут существовать в недрах экзопланет, богатых азотом.

Источник

Жидкий азот: температура, кипение, агрегатные состояния

Он непригоден для дыхания, не имеет запаха и цвета, не вступает в реакции со щелочными веществами и не поддерживает процесс горения. При этом окружающий воздух состоит как минимум на две трети именно из него. Знакомьтесь: его величество Азот!

Первооткрыватели

У азота нет конкретного ученого, который считался бы первооткрывателем этого элемента. Точнее есть, но несколько. Выяснить, кому именно принадлежат лавры открытия, сейчас уже невозможно.

1772 год — важный год для химического элемента. Сразу четверо ученых вплотную приблизились к открытию азота. Это и британский химик Генри Кавендиш, и первооткрыватель кислорода Джозеф Пристли, и шведский химик-фармацевт Карл Шееле, и шотландский химик Даниэль Резерфорд. Все они в одно и то же время проводили различные исследования и эксперименты с газами. Эти люди близко подошли к открытию нового химического элемента. Но выделить кого-то из них в качестве однозначного первооткрывателя нельзя.

Что такое азот?

Азот — химический элемент 15 группы второго периода таблицы Менделеева под атомным номером 7. Самый распространенный газ в составе атмосферы. У него нет цвета, вкуса и запаха. Обозначается латинским символом N. Название «азот» происходит от греческого azoos — безжизненный.

Агрегатные состояния

Азот может существовать в трех видах: твердом, жидком и газообразном. В твердом состоянии он имеет вид ярко-белых кристаллов больших размеров. Температура азота в твердом виде составляет 209,86 °C.

В газообразном состоянии представлена большая часть азота на планете Земля. Это двухатомный газ, не ощутимый для человека. У него нет цвета, запаха, вкуса. Он безопасен в плане возгораний, т. к. не участвует в процессе горения. Химически инертен. Для промышленности азот в газообразном состоянии незаменим при получении аммиака и наполнении камер шин шасси в летательных аппаратах.

В жидкое состояние азот переходит при сгущении газа. Процесс неэкономный. Так, чтобы получить один литр жидкого азота, требуется использовать более 700 литров газа. Температура жидкого азота — 196 градусов. Но тут есть один интересный момент: если при такой температуре поместить азот в вакуум, он перейдет в твердое состояние.

Жидкий азот: интересные свойства и применение

В жидком состоянии азот выделяет колоссальное количество холода, что объясняет интерес к этому агрегатному состоянию вещества.

Температура жидкого азота низкая, 196 градусов, поэтому хранить его требуется в специальных резервуарах — сосудах Дьюара. Внешне они напоминают большие термосы с двойными стенками, между стенками — вакуум. Благодаря такому устройству сосуды обладают хорошей теплоизоляцией, однако далеко не идеальной. Поэтому вечно хранить в себе азот в жидком состоянии сосуды Дьюара не могут. Максимально задержать процесс испарения они способны на несколько недель.

Низкая температура жидкого азота позволяет использовать этот элемент в различных отраслях промышленности: пищевой, металлургической, нефтехимической. Популярен жидкий азот в эстетической косметологии: с его помощью удаляют бородавки, родинки, гемангиомы. В кулинарии с его применением можно быстро охладить продукты и сделать потрясающе красивое мороженое. В электронике жидкий азот помогает предотвратить окисление в процессе производства полупроводников. Его используют и при тушении пожаров и при постановке трюков в кино.

Азотные моря и озера — реальность

Однако не на Земле. У планеты Сатурн есть спутник под названием Титан. Благодаря особым климатическим условиям на его поверхности азот не испаряется, как на нашей планете, а находится в твердом и жидком состояниях. Космический зонд «Кассини» констатировал недавно интересный факт: на Титане, в северной его части, идет процесс таяния ледников из твердого азота. В результате образуются многочисленные моря и озера, полностью состоящие из жидкого азота.

Крионика — наука будущего или шарлатанство?

Экстремально низкая температура жидкого азота дала жизнь разделу медицины под названием «крионика». Эта технология представляет собой изучение процесса замораживания людей и животных посредством глубокого охлаждения. Есть огромное количество как сторонников, так и противников данной методики. Противники, в первую очередь, опираются на тот факт, что невозможно заморозить человека или животное настолько быстро, чтобы не повредить жизненные функции. Процесс заморозки занимает время. Чем крупнее объект, тем больше времени требуется. В результате такого неоднородного «замерзания» внутренние ткани повреждаются кристаллами замерзшей воды — организм гибнет.

Сторонники данной методики не сдаются, уповая на то, что в дальнейшем удастся решить эту проблему. Так, человечество сделает огромный шаг вперед. На данный момент свыше 70 ученых мира подписали открытое письмо в защиту крионики. Популярность в массах этого подхода медленно, но растет. Метод дорогой, идет вразрез с традиционными представлениями о погребении умерших и однозначно не проработан, но в мире процессу «замораживания» подверглись уже более 2000 человек. К слову, самый первый пациент, ученый Джеймс Бэдфорд, заморожен уже более 50 лет. Что касается нашей страны то у нас крионированы 55 человек и больше 20 животных. Кто знает, возможно, спустя десятки или даже сотни лет они станут первыми «воскресшими» на планете Земля.

Источник

Содержание

История открытия азота

Окончательное имя «азот» дал французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier).

Слово «азот» греческого происхождения и означает «безжизненный».

Способы получения азота

Получение N₂ в промышленных масштабах основано на производстве его из воздуха путем фракционной перегонки (см. получение азота).

Виды азота

Закись азота (N₂O) не может быть получена из газообразного кислорода и N₂, она образуется из азотнокислой соли аммония, которая при осторожном нагревании разлагается на закись азота и воду по реакции:

Газообразный азот относительно инертный по своим свойствам газ без цвета и запаха плотностью 1,25046 кг/м 3 при 0°C и давлении 101,3 кПа. Удельный объем газообразного азота равен 860,4 дм 3 /кг при давлении около 105 Па и температуре 20°C.

Но при высоких температурах ряд металлов (титан, молибден и др.) с азотом образуют нитриды, снижающие механические свойства и поэтому его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить.

Применение азота

Азот нашел применение во многих отраслях промышленности и ниже приведен небольшой список :

Применение азота в сварке

N₂ является инертным по отношению к меди и ее сплавам (не растворяется в меди и не реагирует с ней) даже при высоких температурах. Азот применяют, как в чистом виде, так и в составе защитного газовой смеси с аргоном Ar (70-90%) + N₂ (30-10%) для сварки меди и ее сплавов.

Возникает логичный вопрос: «Если он образует карбиды, какой смысл его использовать для сварки нержавеющих сталей, в составе которых есть карбидообразующие элементы?»

Все дело в том, что даже сравнительно небольшое содержание N₂ увеличивает тепловую мощность дуги. Именно из-за этого свойства, его чаще всего используют не для сварки, а для плазменной резки.

При сварке полуавтоматом нержавейки добавление небольшого количества азота к смеси аргона с кислородом (95-97,5% Ar, 1% O₂, 1,5-3% N₂) позволяет добиться равномерной аустенитной структуры в сварных швах. При добавлении азота более 10% начинается обильное выделение дыма, но это не оказывает какого-либо негативного влияния на качество сварного шва нержавеющей стали.

При сварке полуавтоматом малоуглеродистых сталей содержание N₂ в газовой смеси более 2% вызывает пористость при сварке в один проход. Концентрация N₂ менее 0,5% вызывает пористость в сварном шве при многопроходной сварке.

Применение смеси Ar c высоким содержанием N₂ для сварки меди и ее сплавов вызывает большое разбрызгивание метала сварочной ванны.

Вредность и опасность азота

Азот относится к нетоксичным газам, но может действовать как простой асфиксант (удушающий газ). Удушье наступает тогда, когда уровень кислорода в воздухе сокращается на 75% или становится ниже нормальной концентрации.

В больших количествах он очень вреден и опасен для организма человека.

Хранение и транспортировка азота

Выпускают азот по ГОСТ 9293 газообразным и жидким. Для сварки и плазменной резки применяют газообразный 1-го (99,6% N₂) и 2-го (99,0% N₂) сортов.

Хранят и транспортируют его в сжатом состоянии в стальных баллонах по ГОСТ 949.

Баллоны окрашены в черный цвет и надписью желтыми буквами «АЗОТ» на верхней цилиндрической части.

Характеристики азота

Характеристики N₂ указаны в таблицах ниже:

Источник

Свойства жидкого азота

Таблица 2. Давление насыщенных паров азота при температурах 20-126К

Таблица 3. Плотность жидкого азота в диапазоне температур 63-126К

Таблица 4. Приблизительный расход жидкого азота на охлаждение некоторых металлов

Таблица 5. Основные физические свойства жидкого азота

125367, г.Москва,
Полесский проезд, д. 14а

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Объемные свойства

Твердый азот смешивается с твердым оксидом углерода и метаном на поверхности Плутона.

Показатель преломления при 6328 Å составляет 1,25 и практически не зависит от температуры.

Плавление

Сублимация

Кристальная структура

Другая фаза, называемая α-N _2, существует ниже 35,6 К при низком давлении и имеет кубическую структуру. Пространственная группа Па 3. При 21 К размер элементарной ячейки равен 5,667 Å. Под 3785 барами это уменьшается до 5,433 Å. При низких температурах α-фаза может быть сжата до 3500 атмосфер, прежде чем она изменится (до γ), а когда температура поднимается выше 20 К, это давление повышается примерно до 4500 атмосфер.

Молекулы азота расположены на диагоналях тела куба элементарной ячейки.

δ-N ₂ имеет тройную точку с β и γ азотом при 2,3 ГПа и 150 К. δ-N ₂ имеет кубическую структуру с пространственной группой pm 3 n и восемью молекулами на элементарную ячейку. Постоянная решетки составляет 6,164 при 300 К и 4,9 ГПа. Эта структура такая же, как у дикислорода (γ-O ₂ ) при 50 К. При комнатной температуре и высоком давлении δ-азот упорядочен по своей молекулярной ориентации.

На фазовой диаграмме ε-N ₂ появляется при давлениях выше 2 ГПа при температурах ниже 50 К. Ниже этого γ-форма стабильна. При нагревании ε-N ₂ превращается в δ-N _2.

Фаза ζ-N _2, сжатая до 95 ГПа, а затем нагретая до более 600 К, дает новую структуру, называемую θ-азотом, которая имеет однородный полупрозрачный вид.

Доступ к ι-N ₂ можно получить путем изобарного нагрева ε-N ₂ до 750 К при 65 ГПа или путем изотермической декомпрессии θ-N ₂ до 69 ГПа при 850 К.

Когда фаза ζ-N ₂ сжимается при комнатной температуре более 150 ГПа, образуется аморфная форма. Это обозначается как μ-фаза. Это узкозонный полупроводник. Μ-фаза была доведена до атмосферного давления путем ее предварительного охлаждения до 100 К.

Кубический гош

Поли-Н

Еще одна сетка твердого азота, названная поли-N и сокращенно p N, была предсказана в 2006 году. P N имеет пространственную группу C 2 / c и размеры ячейки a = 5,49 Å, β = 87,68 °. Теоретически предсказываются другие полимерные формы с более высоким давлением, и металлическая форма ожидается, если давление достаточно высокое.

Азот черный фосфор

При сжатии азота до давлений от 120 до 180 ГПа и температур выше 4000 ° C он принимает кристаллическую структуру, идентичную структуре черного фосфора (орторомбическая, пространственная группа Cmce ), поэтому его называют азотом черного фосфора (bp-N) или просто черным. азот. Как и черный фосфор, он является проводником электричества. Формирование структуры bp-N приводит азот в соответствие с более тяжелыми элементами пниктогена и подтверждает тенденцию к тому, что элементы при высоком давлении принимают те же структуры, что и элементы той же группы под ними в периодической таблице при более низких давлениях.

Гексагональный слоистый полимерный азот

Линейный N ₈

Подобная молекула была предсказана Гречнером и др. 2016 год для существования в условиях окружающей среды.

Другие

Связанные вещества

Гелий

Метан

Монооксид углерода

Молекула окиси углерода (CO) очень похожа на диазот по размеру, и она может смешиваться во всех пропорциях с твердым азотом без изменения кристаллической структуры. Окись углерода также содержится на поверхности Плутона и Тритона на уровне ниже 1%. Изменение ширины инфракрасной линии поглощения окиси углерода может показать концентрацию.

благородные газы

Водород

Кислород

Реакции

Лучевая терапия

Использовать

Естественное явление

На Triton твердый азот принимает форму кристаллов инея и прозрачного слоя льда из отожженного азота, который часто называют «глазурью». « Вояджер-2» наблюдал, как гейзеры из газообразного азота извергаются из приполярных регионов вокруг южной полярной ледяной шапки Тритона. Возможное объяснение этого наблюдаемого явления заключается в том, что солнце светит сквозь прозрачный слой азотного льда, нагревая слои под ним. Азот сублимируется и в конечном итоге прорывается через отверстия в верхнем слое, унося с собой пыль и создавая темные полосы.

Источник