Азот

Раздел: 
Русская Физика

4.7. Азот

   Азот располагается в таблице Менделеева под седьмым номером; его атомная масса равна 14,0067. Он представляет собой бесцветный газ и входит основной составляющей частью (78 процентов) в атмосферу Земли; обнаружен он также в газовых туманностях Вселенной и в солнечной атмосфере; есть он на Уране, Нептуне и на других планетах.
   В природных условиях азот представлен в молекулярном виде; его молекула состоит из двух атомов; она  —  очень прочная и распадается лишь при  нагреве выше 3000 градусов Цельсия. Азот сжижается при температуре ниже минус 196 градусов, а затвердевает ниже минус 210 градусов. В твердом состоянии он образует кубические и гексагональные модификации.
   Азот химически малоактивен: в нормальных условиях он взаимодействует лишь с литием, образуя кристаллы. В то же время известны самые различные соединения азота. С водородом он образует аммиак, молекула которого состоит из одного атома азота и трех атомов водорода. Аммиак — тоже газ и тоже бесцветный; он сжижается при температуре ниже минус 34 градусов, а затвердевает ниже минус 78 градусов; получают его синтезом из простых веществ при температуре 400 … 500 градусов, под давлением 5 … 1000 атмосфер и в присутствии катализатора (обычно железа). Аммиак выделяется также при коксовании каменного угля. Современная химия представляет молекулу аммиака в виде трехгранной пирамиды с атомами в ее вершинах; атомы водорода в ней разнесены под углом 107 градусов.
   Известны еще несколько соединений азота с водородом, и наиболее распространенное из них  —  гидразин (или диамид) —  бесцветная жидкость, затвердевающая при температуре ниже двух градусов и закипающая при 113,5 градусах Цельсия. Молекула гидразина содержит два атома азота и четыре атома водорода. Гидразин менее устойчив, чем аммиак, и на воздухе горит с большим выделением тепла.
   Из других соединений азота упомянем азотную кислоту, молекула которой состоит из одного атома азота, одного атома водорода и трех атомов кислорода; это  —  бесцветная жидкость, кипящая при 84,1 градусе, а при минус 41,6 градуса затвердевающая в прозрачную кристаллическую массу. Водный раствор азотной кислоты разрушает животные и растительные ткани, соединяется почти со всеми металлами и неметаллами.
   Отметим еще так называемые нитриды  —  соединения  азота с металлами и неметаллами. Одно такое соединение с литием мы уже упо-минали: оно легко образуется, но также легко распадается при температуре выше 300 градусов. Другие нитриды металлов возникают труднее, но и отличаются высокой температурой плавления,  что говорит о их термической и химической стойкости. Они характеризуются металлическим блеском, электронной проводимостью, а также высокой твердостью. Нитриды могут включать не один металл, а сплавы. Атомарные соотношения нитридов могут быть некратными, то есть на один атом металла может приходиться менее одного атома азота. Нитриды неметаллов  —  соединения с бором, с алюминием, с кремнием  — известны как твердые полимерные вещества с температурой плавления выше 2000 градусов; они являются либо диэлектриков,  либо полупроводниками.
   Топология атома азота —  оригинальная; об этом говорит его петлевая валентность: он присоединяет к себе нечетное количество атомов водорода, а именно три. Номинальная длина шнура исходного тора атома составляет 25 700 эфирных шариков; это относительно длинный шнур, и поэтому деформация тора идет не по пути складывания его вдвое, а  — втрое: сначала окружность тора прогибается с трех сторон, затем образовавшиеся три выступа вытягиваются в лучи (лепестки), и на их концах возникают петли; так формируется трехлепестковый атом азота. Если проследить за топологией одиночного атома дальше, то можно отметить, что лепестки изогнутся в одну сторону и сойдутся вместе, уткнувшись вершинами петель друг в друга; атом приобретет грейферную форму.
 
Топология атома азота
Топология атома азота
Атом азота пульсирует
Молекула азота дышит
Молекула аммиака
   Но скорее всего, до этой грейферной формы дело не дойдет: трехлепестковые атомы при случайных столкновениях будут образовывать двухатомные молекулы. В молекуле азота три петли одного атома прилипают к таким же трем петлям другого; слипаются также их лучи, так как они представляют собой желоба. Оценивая силу сцепления атомов в молекуле азота, можно сказать, что она очень большая; и для того, чтобы разорвать молекулу, нужно приложить огромное усилие.
   Молекула могла бы быть вообще нерасторжимой, если бы не два обстоятельства. Первое: размеры атомов в молекуле —  не одинаковые, и поэтому их взаимное прилегание  —  далеко не идеальное; если и встречаются идеальные пары, то они  —  большая редкость, и у них судьба  —  жить на пару почти вечно. Второе: спаренные лепестки молекулы испытывают взаимное влечение, и два из них попытаются максимально сблизиться между собой, но им будет противостоять упругость шнуров; борьба этих сил породит неустойчивость в виде порхания спаренных лепестков; колебания отдельных лепестков определяются их индивидуальными характеристиками, и поэтому лепестки в паре будут колебаться невпопад — это еще больше ослабит молекулу.
   Порхания спаренных лепестков порождают вокруг молекулы стоячее тепловое поле, и это поле делает молекулу пушистой. Колеблются не только сблизившиеся лепестки, но и оставшийся одиночный, хотя в меньшей степени; и он будет дополнительно раскачивать  тепловое поле. Отсюда, азот — газ.
   Петлевые соединения атомов азота с атомами других химических элементов хорошо иллюстрируются на примере аммиака: атомы водорода прилипают в нем к присасывающим сторонам петель атома азота, «грейфер» при этом распускается  и приобретает вид трехгранной пирамиды, а точнее сказать  —  три лепестка молекулы с прилипшими на концах водородными колечками расходятся так, что образуют между собой углы порядка 100 градусов. Говорить о том, что эти углы равны точно ста семи градусам, было бы не совсем правильно: учитывая то, что отогнутые лепестки молекулы аммиака не могут в нормальных условиях не колебаться, углы эти имеют переменные значения. Указанные колебания, очевидно, усиливают тепловое поле молекулы, создаваемое в основном атомами водорода; поэтому аммиак  —  тоже газ. Подчеркнем, что во всех петлевых соединениях азот всегда трехвалентен.
   Соединения с помощью желобов атомы азота могут образовывать со всеми металлами и теми неметаллами, которые имеют свои открытые присасывающие желоба. Особняком в этом ряду стоит нитрид лития, который не требует для своего образования специальных условий. Атомы лития легко проникают внутрь «грейфера» атома азота и прилипают там своими желобами и желобами лепестков азота, у которых присасывающие стороны обращены вовнутрь; при этом лепестки расходятся, давая возможность атомам лития слипнуться между собой в центре. Длины лепестка хватает почти на весь присасывающий контур атома лития. В раскрытом виде три присасывающих желоба атома азота могут присоединить к себе атомы других элементов в разном количественном и дробном соотношении. В этом случае азот выступает в роли клея наподобие углерода и способствует упрочнению материалов: склеенные азотом металлы повышают свою твердость и тугоплавкость, сохраняя свои металлические свойства.
   Бесцветность азота объясняется опять же тем, что лепестки его ато-мов колеблются на частотах, не регистрируемых рецепторами человеческого глаза.
   Топология атома азота позволяет объяснить такую особенность азотных соединений, что в  результате их переподсоединений может выделяться огромное количество тепла, а иногда такой процесс идет со взрывом. Молекулы с участием азота могут представлять собой либо пространственные конструкции, либо сугубо плоские; пространственные, да еще возбужденные молекулы вместе со своими тепловыми полями занимают очень большой объем, а плоские, наоборот, сравнительно малый. Поэтому, если молекуле представится возможность преобразоваться из пространственной в плоскую, то она сделает это с большим желанием: ее потенциальная энергия в этом случае перейдет в кинетическую; выделившееся тепло побудит соседние молекулы сделать то же самое; те, в свою очередь, подтолкнут другие молекулы, и процесс примет цепной характер в виде взрыва.
К оглавлению                Назад        обсуждение        Далее                Следующий раздел или книга