Чему равна плотность азота при давлении. Краткое описание химических свойств и плотность жидкого азота

Азот - химический элемент периодической системы, обозначающийся буквой N и имеющий порядковый номер 7. Существует в виде молекулы N2, состоящей из двух атомов. Это химическое вещество представляет собой бесцветный, без запаха и без вкуса газ, он является инертным при стандартных условиях. Плотность азота при нормальных условиях (при 0 °C и давлении 101,3 кПа) равна 1,251 г/дм3. Элемент входит в состав в количестве 78,09 % от ее объема. Впервые был обнаружен как компонент воздуха шотландским врачом Даниэлем Резерфордом в 1772 году.

Жидкий азот является криогенной жидкостью. При атмосферном давлении он кипит при температуре - 195,8 °C. Поэтому его можно хранить только в изолированных сосудах, которыми являются стальные баллоны для сжиженных газов или Только в этом случае его можно хранить или транспортировать без особых потерь из-за испарения. Как и сухой лед (сжиженный иначе называемый углекислота), жидкий азот используется в качестве хладагента. Кроме того, его применяют для криоконсервации крови, половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток), а также других биологических образцов и материалов. Он востребован и в клинической практике, например, в криотерапии при удалении кисты и бородавок на коже. Плотность жидкого азота равняется 0,808 г/см3.

Многие промышленно важные соединения, такие, как аммиак, органические нитраты (взрывчатые вещества, топливо) и цианиды, содержат N2. Чрезвычайно сильные связи элементарного азота в молекуле вызывают трудности для участия его в химических реакциях, этим объясняется его инертность при стандартных условиях (температуре и давлении). В том числе и по этим причинам N2 имеет большое значение во многих научных и производственных сферах. Например, он необходим для поддержания внутрипластового давления при добыче нефти или газа. Любое его практическое или научное применений требует знать, какова будет плотность азота при конкретном давлении и температуре. Из законов физики и термодинамики известно, что при постоянном объеме с ростом температуры будет расти давление и и наоборот.

Когда и зачем нужно знать плотность азота? Расчет этого показателя применяется при проектировании технологических процессов, протекающих с применением N2, в лабораторной практике и на производстве. Используя известное значение плотности газа, можно рассчитать его массу в определенном объеме. Например, известно, что газ занимает при нормальных условиях объем 20 дм3. В этом случае можно рассчитать его массу: m = 20 . 1,251 = 25,02 г. Если условия отличные от стандартных, и известен объем N2 при этих условиях, то потребуется сначала найти (по справочникам) плотность азота при определенном давлении и температуре, а затем эту величину умножить на объем, занимаемый газом.

Подобные расчеты проводят на производстве при составлении материальных балансов технологических установок. Они необходимы для ведения технологических процессов, выбора контрольно-измерительных приборов, расчета технико-экономических показателей и прочее. Например, после остановки химического производства все аппараты и трубопроводы должны перед их вскрытием и выводом в ремонт продуваться инертным газом - азотом (он самый дешевый и наиболее доступный по сравнению, например, с гелием или аргоном). Как правило, они продуваются таким количеством N2, который в несколько раз превышает объем аппаратов или трубопроводов, только так можно удалить из системы горючие газы и пары и исключить взрыв или пожар. Планируя операции перед остановочным ремонтом, технолог, зная объем опорожняемой системы и плотность азота, рассчитывает массу N2, которая потребуется для продувки.

Для упрощенных расчетов, не требующих точности, реальные газы приравнивают к идеальным газам и применяют закон Авогадро. Так как масса 1 моль N2 численно равняется 28 граммам, а 1 моль любого идеального газа занимает объем 22,4 литра, то плотность азота будет равняться: 28/22,4 = 1,25 г/л = 1,25 г/дм3. Этот способ быстрого нахождения плотности применим для любого газа, а не только N2. Его часто используют в аналитических лабораториях.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Азот - неметалл. В обычных условиях представляет собой бесцветный газ, который способен конденсироваться в бесцветную жидкость (плотность жидкого азота равна 0,808 г/см 3), кипящую, в отличие от жидкого кислорода, при более низкой температуре (-195,75 o С), чем жидкий кислород.

В твердом состоянии представляет собой кристаллы белого цвета.

Азот плохо растворяется в воде (хуже, чем кислород), но при этом хорошо растворяется в жидком диоксиде серы.

Химический состав и строение молекулы жидкого азота

При обычных условиях азот - бесцветный газ, состоящий из молекул N 2 . Между атомами азота в молекуле есть тройная связь, вследствие чего его молекула исключительно прочная. Молекулярный азот химически малоактивен, слабо поляризуется.

Рассмотрим образование молекулы азота (рис. 1), электронное облако которого имеет форму вытянутой восьмерки. При приближении двух атомов азота их электронные облака перекрываются. Такое перекрывание возможно лишь тогда, когда электроны имеют антипараллельные спины. В области перекрывания облаков повышается электронная плотность, вследствие чего возрастают силы притяжения между атомами. Число общих электронных пар в молекуле азота равно единице (по одному электрону от каждого атома). В молекуле реализуется ковалентный (неполярная) тип связи.

Рис. 1. Строение молекулы азота.

Краткое описание химических свойств и плотность жидкого азота

В обычных условиях азот — химически пассивный элемент; не реагирует с кислотами, щелочами, гидратом аммиака, галогенами, серой. В незначительной степени реагирует с водородом и кислородом при действии электрического разряда (1, 2). В присутствии влаги реагирует с литием при комнатной температуре (3). При нагревании реагирует с магнием, кальцием, алюминием и другими металлами (4, 5, 6).

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 (1);

N 2 + O 2 ↔ 2NO (2);

N 2 + 6Li = 2Li 3 N (3);

N 2 + 3Mg = Mg 3 N_2 (4);

N 2 + 3Ca = Ca 3 N 2 (5);

N 2 + 2Al = 2AlN (6).

Реакции взаимодействия азота с фтором и углеродом также, как и в случае водорода или кислорода, протекают при действии электрического разряда:

N 2 + 3F 2 = 2NF 3 ;

N 2 + 2C↔C 2 N 2 .

При нагревании до температуры 500-600 o C азот реагирует с гидридом лития (7), если же температурный диапазон составляет 300-350 o C, то возможна реакция с карбидом кальция (8):

N 2 + 3LiH = Li 3 N + NH 3 (7);

N 2 + CaC 2 = Ca(CN) 2 (8).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Химический элемент азот имеет символ N, атомный номер 7 и атомную массу 14. В элементарном состоянии, азот образует очень стабильные, с сильными межатомными связями двуатомные молекулы N 2 .

Молекула азота, ее размер и свойства газа

Молекула азота образуется тройной ковалентной связью между двумя атомами азота и имеет химическую формулу N 2 . Размер молекул большинства вещетсв вообще, и азота в частности, является довольно трудно определяемой величиной, и даже само понятие не является однозначным. Для понимания принципов работы оборудования, разделяющего составные части воздуха, лучше всего подходит понятие кинетического диаметра молекулы, которое определяется как самое малое измерение молекулы. Азот N 2 , как, впрочем, и кислород O 2 , являются двухатомными молекулами, по форме больше схожими с цилиндрами, чем со сферами - поэтому, одно из их измерений, которое условно можно назвать «длиной», значительнее, чем другое, которое условно можно назвать «диаметром». Даже кинетический диаметр молекулы азота не определен однозначно, однако существуют полученные как теоретическим, так и экспериментальным путем данные о кинетическом диаметре молекул азота и кислорода (данные о кислороде мы приводим потому, что именно кислород является второй основной составной частью атмосферного воздуха, и именно от него требуется очистить азот при его получении в процессе воздухоразделения), в том числе:
- N 2 3,16Å и O 2 2,96Å - из данных по вязкости
- N 2 3,14Å и O 2 2,90Å - из данных по силам Ван-дер-Ваальса

Азот N 2 плавится, то есть переходит из твердой фазы в жидкую, при температуре -210°C, и испаряется (кипит), то есть переходит из жидкого состояния в газообразное, при температуре -195,79°C.

Нажмите для увеличения

Газ азот - это инертный газ, бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха, негорючий и нетоксичный. Плотность азота составляет при нормальных атмосферных условиях (то есть при температуре 0°C и абсолютном давлении 101325 Па) 1,251 кг/м³. Азот не реагирует практически ни с какими другими веществами (исключение составляют редкие реакции связывания азота с литием и магнием). Также, наоборот, широко используется в промышленности, при производстве удобрений, процесс Хабера, при котором в присутствии катализатора, триоксида железа Fe 3 O 4 , азот при высокой температуре и давлении связывается с водородом.

Азот составляет основную часть земной атмосферы как по объему (78,3%), так и по массе (75,47%). Азот присутсвует и во всех живых организмах, в мертвых организмах, в отходах жизнежеятельности организмов, в белковых молекулах, нуклеиновых и аминокислотах, мочевине, мочевой кислоте и в других органических молекулах. В природе существуют и азотосодержание минералы: селитры (нитрат калия - калиевая селитра KNO 3 , нитрат аммония - аммиачная селитра NH 4 NO 3 , нитрат натрия - натриевая селитра NaNO 3 , нитрат магния, нитрат бария и др.), соединения аммика (например, хлорид аммония NH 4 Cl и др.) и другие, в основном довольно редкие, минералы.

В таблице указана плотность азота и его теплофизические свойства в газообразном состоянии в зависимости от температуры и давления. Теплофизические свойства азота даны при температуре от 0 до 1000°С и давлении от 1 до 100 атмосфер.

Как видно по данным таблицы, такие свойства азота, как температуропроводность и кинематическая вязкость сильно зависят от температуры. При увеличении давления эти свойства азота уменьшают свои значения, при этом значительно возрастает плотность азота . Например, при атмосферном давлении и температуре 0°С плотность азота равна 1,21 кг/м 3 , а при росте давления в 100 раз плотность азота увеличивается до значения 122,8 кг/м 3 при этой же температуре.

Удельная теплоемкость азота с ростом температуры этого газа увеличивается. При увеличении давления удельная теплоемкость азота также растет. Например, при температуре 0°С и атмосферном давлении удельная теплоемкость азота равна 1039 Дж/(кг·град) , а при сжатии этого газа до давления в 100 атмосфер, она составит величину 1242 Дж/(кг·град) при той же температуре.

Следует отметить, что при высоких температурах (около 1000°С) влияние давления на величину удельной теплоемкости азота снижается. Так, при температуре 1000°С и давлении 1 и 100 атм. значение теплоемкости будет соответственно равно 1215 и 1219 Дж/(кг·град) .

В таблице даны следующие свойства азота:

• плотность азота γ , кг/м 3 ;
• удельная теплоемкость C p , кДж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности λ , Вт/(м·град);
• динамическая вязкость μ , ;
• температуропроводность a , м 2 /с;
• кинематическая вязкость ν , м 2 /с;
• число Прандтля Pr .

Плотность диссоциированного азота при высоких температурах.

В таблице даны значения плотности азота в диссоциированном и ионизированном состоянии при давлении от 0,2 до 100 атмосфер при высоких температурах. Плотность азота в газообразном состоянии приведена в диапазоне температур 5000…40000 К в размерности кг/м 3 .

Плотность азота уменьшается с увеличением его температуры и увеличивается при росте давления газа. Значение удельного веса азота (его плотность) в таблице находится в пределах от 0,00043 до 6,83 кг/м 3 . Например, при атмосферном давлении и температуре 5000 К (4727°С) плотность азота составляет величину 0,0682 кг/м 3 . При нагревании азота до температуры 40000 К его плотность снижается до величины 0,00213 кг/м 3 .

Примечание: Будьте внимательны! Плотность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000.

Теплопроводность азота в жидком и газообразном состояниях

В таблице приведены значения теплопроводности азота в жидком и газообразном состояниях в зависимости от температуры и давления.
Теплопроводность азота (размерность Вт/(м·град)) указана в диапазоне температуры от -193 до 1127 °С и давления от 1 до 600 атмосфер.

Теплопроводность диссоциированного азота при высоких температурах.

В таблице даны значения теплопроводности диссоциированного азота при давлении от 0,001 до 100 атмосфер и высоких температурах.
Теплопроводность азота в газообразном состоянии приведена в диапазоне температур 2000…6000 К в размерности Вт/(м·град).

Значение коэффициента теплопроводности азота увеличивается с ростом его температуры и в основном уменьшается при увеличении давления этого газа. Теплопроводность диссоциированного азота в рассмотренных в таблице условиях изменяется в пределах от 0,126 до 6,142 Вт/(м·град).

Будьте внимательны! Теплопроводность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить табличное значение на 1000.

Теплопроводность жидкого азота на линии насыщения.

В таблице представлены значения коэффициента теплопроводности жидкого азота на линии насыщения при низких температурах.
Теплопроводность жидкого азота указана при температурах 90…120 К (-183…-153°С).

По данным таблицы видно, что теплопроводность азота в жидком состоянии уменьшается с ростом его температуры.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность азота в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000.

Динамическая вязкость азота в зависимости от температуры и давления

В таблице даны значения азота в зависимости от температуры и давления.
Динамическая вязкость азота (размерность Па·с) указана в диапазоне температуры от 80 до 6000 К и давлении от 1 до 400 атмосфер и от 0,001 до 100 атмосфер.

При температуре азота от 3600 К он начинает частично диссоциировать. С ростом температуры газообразного азоат его динамическая вязкость возрастает. При повышении температуры жидкого азота, значение его динамической вязкости также увеличивается.

Примечание: Будьте внимательны! Вязкость азота в таблице указана в степени 10 6 . Не забудьте разделить на 10 6 .

Источники:

1. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.