При какой температуре плотность азота давлении. Краткое описание химических свойств и плотность азота

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

При обычных условиях азот - бесцветный газ, состоящий из молекул N 2 .

Прочная внутримолекулярная связь, небольшой размер и неполярность молекулы азота являются причинами слабого межмолекулярного взаимодействия, поэтому азот имеет низкие температуры кипения и плавления.

Азот не имеет запаха. Мало растворим в воде и немного легче воздуха: масса 1 л азота равна 1,25 г.

Важнейшие константы азота представлены в таблице ниже:

Таблица 1. Физические свойства и плотность азота.

Молекула азота N 2 в основном состоянии имеет следующую электронную конфигурацию: [σ(2s) 2 ][ [σ * (2s) 2 ][π(2p y) 2 ][π(2p x) 2 ][π(2p z) 2 ]. В атоме азота в основном состоянии имеется три неспаренных электрона. Это свидетельствует о том, что валентность азота равна трем. Однако, несмотря на тот факт, что для азота не характерно наличие возбужденного состояния, данный элемент способен проявлять в своих соединениях валентности I, II, IV и V.

Распространенность азота в природе

Азот способен находиться в природе в форме простого вещества в природе (содержание азота в воздухе составляет -78 (об.) %). В виде аминокислот и нуклеиновых кислот азот входит всостав животных и растительных организмов. Из природных минералов промышленное значение имеют чилийская селитра (NaNO 3) и калийная селитра (KNO 3). Общее содержание азота в земной коре (включая гидросферу и атмосферу) составляет 0,04% (масс.).

Краткое описание химических свойств и плотность азота

Молекулярный азот обладает крайне низкой реакционной способностью, что обусловлено наличием в молекуле N 2 прочной тройной связи, а также неполярностью молекулы. Действительно, энергия ионизации молекулы азота 1402 кДж/моль близка к энергии ионизации атома аргона 1520 кДж/моль, иными словами, азот - плохой восстановитель.

Сродство молекулярного азота к электрону -3,6 эВ, поэтому при комнатной температуре он реагирует лишь с некоторыми сильными восстановителями, например, с литием. Процесс протекает через стадию одноэлектронного восстановления с образованием неустойчивого пернитрида Li + N 2 — , который в ходе реакции превращается в нитрид:

6Li + N 2 = 2Li 3 N.

Для образования нитрида магния Mg 3 N 2 из простых веществ требуется нагревание до 300 o С. Нитриды активных металлов представляют собой ионные соединения, гидролизующиеся водой с образованием аммиака.

В электрическом разряде в молекуле азота происходит переход электрона с орбитали σ(2p z) на π * (2p z). Такие возбужденные молекулы быстро возвращаются в обычное состояние, испуская желтое свечение. Иногда оно длится в течение нескольких минут после прекращения разряда. В возбужденном состоянии азот обладает высокой реакционной способностью. Действительно, в электрическом разряде он реагирует с кислородом:

N 2 + O 2 ↔ 2NO.

Реакция с водородом протекает при повышенных значениях температуры (400 o С) и давления (200 атм) в присутствии катализатора (Fe):

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 .

Азот не взаимодействует с серой и галогенами.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Жидкий азот это вещество азот N2 в жидком состоянии при экстремально низкой температуре -196C (77.35K) при давлении 101,3кПа. Зависимость температуры кипения жидкого азота от давления представлена в . Жидкий азот не обладает цветом и запахом. При контакте с воздухом жидкий азот поглощает из него кислород, образуя раствор кислорода в азоте в связи с чем температура кипения смеси постепенно меняется.

Температура жидкого азота может быть понижена до точки замерзания -210С (63К) при создании необходимого разряжения над его поверхностью. Разряжение достигают путем откачки емкости с жидким азотом вакуумным насосом соответствующей производительности.

Плотность жидкого азота при давлении при давлении 101,3кПа составляет 808кг/м3. Зависимость плотности жидкого азота от давления представлена в .

Жидкий азот получают путем ожижения атмосферного воздуха с дальнейшим его разделением на ректификационной колонне, либо ожижением газообразного азота, полученного с помощью мембранного, либо сорбционного метода разделения воздуха. В атмосферном воздухе содержание газообразного азота составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму).

Таблица 1. Марки жидкого азота классифицируют в соответствии с .

Для хранения жидкого азота используются специальные емкости с вакуумной изоляцией. Небольшие емкости для хранения жидкого азота емкостью менее 50л называют сосудами Дьюара, емкости большего объема называют криогенными сосудами, криогенными емкостями и цистернами. При хранении азот испаряется, наиболее качественные емкости характеризуется минимальным значением его испарения. Для криогенных сосудов типичные потери продукта составляют 1-2% в сутки, для сосудов Дьюара 0,2-0,3% в сутки.

Жидкий азот используют для охлаждения различных объектов и для газификации. Газификация жидкого азота позволяет существенно сократить издержки на доставку газообразного азота потребителю. Для газификации жидкого азота используются специальные сосуды газификаторы различных модификаций и азот марки ОСЧ. Для охлаждения достаточно технического азота, т.к. для охлаждения различных объектов как правило отсутствуют требования на чистоту азота. Под чистотой азота понимается степень содержания в нем кислорода.

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

Примечание: * - тройная точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка

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

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.

Свойства криогенных жидкостей при криогенных температурах. Гелий, Водород, Неон, Азот, Аргон, Кислород

Таблица 1 Температуры кипения жидких хладагентов (при нормальном давлении)

Таблица 2 Справочно - состав сухого атмосферного воздуха

Все вещества, используемые в качестве хладагентов, не имеют цвета и запаха ни в жидком, ни в газообразном состоянии. Они не обладают магнитными свойствами и при обычных условиях не проводят электрический ток. В табл. 3 приведены основные характеристики наиболее распространенных хладагентов - азота и гелия.

Таблица 3 Физические параметры жидкого и газообразного азота и гелия

Обратим внимание на ряд важных моментов: - жидкий гелий намного легче азота (плотности различаются почти в 6,5 раз); - жидкий гелий имеет очень низкую удельную теплоту парообразования r = 20,2Дж/г, в то время как для азота r = 197,6Дж/г. Это значит, что для испарения 1г азота требуется в 9,8 раз больше подводимого тепла. Учитывая большую разницу между плотностями жидкого гелия и жидкого азота, теплоты парообразования на литр различаются еще сильнее - в 63,3 раза! Как следствие, одинаковая подводимая мощность приведет к испарению существенно разных объемов жидкого гелия и жидкого азота. Нетрудно убедиться, что при подводимой мощности в 1Вт за один час испарится примерно 1,4л жидкого гелия и 0,02л жидкого азота; - путем откачки паров можно понизить температуру жидкого азота до тройной точки Ттр = 63,15К при р кр = 12,53кПа. При переходе через тройную точку жидкий азот замерзнет - перейдет в твердое состояние. При этом возможна дальнейшая откачка паров азота над кристаллом и, как следствие, понижение температуры системы. В таблице 4 приведены значения давления насыщенных паров азота в широком диапазоне температур. Тем не менее на практике, как правило, для получения более низких температур используют либо жидкий гелий, либо устройства под названием “криокулеры”.

Таблица 4 Давление насыщенных паров азота при криогенных температурах

Примечание: * - тройная точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка

Таблица 5 Давление насыщенных паров гелия при криогенных температурах

Примечание: * - λ-точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка

Таблица 6 Плотность жидких хладагентов азота и гелия при различных криогенных температурах

Температуру жидкого гелия можно также понизить с помощью откачки, причем температура жидкости однозначно соответствует давлению пара (таблица 5). Например, давлению p=16Па соответствует температура Т = 1,0К. Необходимо помнить, что гелий имеет не тройную, а λ-точку (при Т = 2,172К) - переход в сверхтекучую фазу. При наличии оптического криостата переход через λ-точку нетрудно обнаружить визуально по прекращению объемного кипения жидкого гелия. Это связано с резким увеличением теплопроводности жидкости - от 24мВт/(м°К) до 86 кВт/(м°К). При понижении температуры кипения хладагентов (с помощью откачки паров) увеличивается плотность жидкости (см. табл. 6). Этот эффект может быть существен для корректного термометрирования, так как холодный, а значит более тяжелый гелий или азот будут опускаться на дно сосуда. Стоимость жидкого гелия в несколько раз превышает стоимость жидкого азота (примерное соотношение между рыночными ценами жидкого гелия и жидкого азота - 20:1). Поэтому при охлаждении криогенных устройств требуется разумное сочетание использования жидкого азота для предварительного охлаждения и жидкого гелия. Также существенную роль играет использование для охлаждения возвратного потока испарившегося газообразного гелия. На это указывает большая величина отношений энтальпий газа при Т = 300К и Т = 4,2К к теплоте парообразования прим.=70. То есть на нагрев газообразного гелия от 4,2К до 300К потребуется в 70 раз больше теплоты, чем на испарение жидкого гелия.

Таблица 7 Удельная теплоемкость некоторых материалов криогенной техники, Дж/(г°К)

Таблица 8 Расход хладагента на охлаждение различных металлов криогенной техники

На практике получается промежуточный результат, причем он зависит как от конструкции криостата, так и от мастерства экспериментатора. Наконец, если криостат предварительно охлаждается жидким азотом, то количество гелия, необходимого для заливки криостата, сокращается примерно в 20 раз. Это объясняется тем, что теплоемкость твердых тел в интересующем нас диапазоне температур изменяется приблизительно, как Т 3 Поэтому при предварительном охлаждении экономится большое количество гелия. Хотя одновременно, конечно же, увеличивается расход жидкого азота. При использовании жидкого азота для промежуточного охлаждения и,вообще, при работе с жидким азотом следует иметь в виду следующее. В процессе наполнения жидким азотом теплого сосуда сначала имеет место бурное кипение, наблюдается разбрызгивание жидкости (в открытых сосудах) или быстрый рост давления в закрытых сосудах. Затем, по мере охлаждения сосуда или объекта, кипение становится менее бурным. На этой стадии заполнения поверхность сосуда отделена от жидкости слоем газа, теплопроводность которого в 4,5 раза меньше теплопроводности жидкости. Если продолжать переливание жидкости, слой газа и поверхность под ним будут постепенно охлаждаться, пока газовая пленка не исчезнет и основная масса жидкости не придет в соприкосновение с поверхностью сосуда. При этом начинается второй период быстрого выкипания. И снова может иметь место разбрызгивание жидкости и быстрое повышение давления. Следует отметить, что белые клубы пара, которые часто можно видеть при переливании жидкого азота или гелия, представляют собой сконденсировавшуюся из атмосферы влагу, а не газообразные азот или гелий, так как последние бесцветны.

Дата публикации 16.02.2013 03:40

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 атмосферы Земли 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 сосуды Дюара. Только в этом случае его можно хранить или транспортировать без особых потерь из-за испарения. Как и сухой лед (сжиженный углекислый газ, 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 азотная кислота, 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 плотность газа, 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.