Carl Scheele, un chimiste suédois, et Daniel Rutherford, un botaniste écossais, ont découvert l'azote séparément en 1772. Le révérend Cavendish et Lavoisier ont également obtenu indépendamment de l'azote à peu près au même moment. L'azote a été reconnu pour la première fois comme élément par Lavoisier, qui l'a nommé « azo », ce qui signifie « inanimé ». Chaptal a nommé l'élément azote en 1790. Le nom est dérivé du mot grec « nitre » (nitrate contenant de l'azote dans du nitrate).
Sources d'azote
L'azote est le 30ème élément le plus abondant sur Terre. Considérant que l’azote représente 4/5 du volume atmosphérique, soit plus de 78 %, nous disposons de quantités d’azote presque illimitées. L'azote existe également sous forme de nitrates dans divers minéraux, tels que le salpêtre chilien (nitrate de sodium), le salpêtre ou le nitre (nitrate de potassium) et les minéraux contenant des sels d'ammonium. L'azote est présent dans de nombreuses molécules organiques complexes, notamment les protéines et les acides aminés présents dans tous les organismes vivants.
Propriétés physiques
L'azote N2 est un gaz incolore, insipide et inodore à température ambiante et est généralement non toxique. La densité du gaz dans des conditions standard est de 1,25 g/L. L'azote représente 78,12 % de l'atmosphère totale (fraction volumique) et est le principal composant de l'air. Il y a environ 400 000 milliards de tonnes de gaz dans l’atmosphère.
Sous pression atmosphérique standard, une fois refroidi à -195,8 ℃, il devient un liquide incolore. Lorsqu'il est refroidi à -209,86 ℃, l'azote liquide devient un solide semblable à de la neige.
L'azote est ininflammable et est considéré comme un gaz asphyxiant (c'est-à-dire que respirer de l'azote pur prive le corps humain d'oxygène). L'azote a une très faible solubilité dans l'eau. À 283 K, un volume d’eau peut dissoudre environ 0,02 volume de N2.
Propriétés chimiques
L'azote a des propriétés chimiques très stables. Il est difficile de réagir avec d'autres substances à température ambiante, mais il peut subir des modifications chimiques avec certaines substances dans des conditions de température et d'énergie élevées, et peut être utilisé pour produire de nouvelles substances utiles aux humains.
La formule orbitale moléculaire des molécules d'azote est KK σs2 σs*2 σp2 σp*2 πp2. Trois paires d'électrons contribuent à la liaison, c'est-à-dire que deux liaisons π et une liaison σ sont formées. Il n'y a aucune contribution à la liaison, et les énergies de liaison et d'anti-liaison sont approximativement compensées et équivalentes à des paires d'électrons libres. Puisqu’il existe une triple liaison N≡N dans la molécule N2, la molécule N2 a une grande stabilité et il faut 941,69 kJ/mol d’énergie pour la décomposer en atomes. La molécule N2 est la plus stable des molécules diatomiques connues et la masse moléculaire relative de l'azote est de 28. De plus, l'azote n'est pas facile à brûler et n'entretient pas la combustion.
Méthode d'essai
Mettez la barre de Mg en feu dans la bouteille de collecte de gaz remplie d'azote, et la barre de Mg continuera à brûler. Extrayez les cendres restantes (poudre légèrement jaune Mg3N2), ajoutez une petite quantité d'eau et produisez un gaz (ammoniac) qui rend le papier de tournesol rouge humide bleu. Équation de réaction : 3Mg + N2 = inflammation = Mg3N2 (nitrure de magnésium) ; Mg3N2 + 6H2O = 3Mg (OH)2 + 2NH3↑
Caractéristiques de liaison et structure de liaison de valence de l'azote
Parce que la substance unique N2 est extrêmement stable dans des conditions normales, les gens croient souvent à tort que l’azote est un élément chimiquement inactif. En fait, l’azote élémentaire possède au contraire une activité chimique élevée. L'électronégativité de N (3,04) est juste derrière F et O, ce qui indique qu'il peut former des liaisons fortes avec d'autres éléments. De plus, la stabilité de la molécule unique de N2 montre simplement l’activité de l’atome de N. Le problème est que les gens n’ont pas encore trouvé les conditions optimales pour activer les molécules de N2 à température et pression ambiantes. Mais dans la nature, certaines bactéries présentes sur les nodules végétaux peuvent convertir le N2 présent dans l'air en composés azotés dans des conditions de faible consommation d'énergie, à température et pression normales, et les utiliser comme engrais pour la croissance des cultures.
Par conséquent, l’étude de la fixation de l’azote a toujours été un sujet de recherche scientifique important. Par conséquent, il est nécessaire que nous comprenions en détail les caractéristiques de liaison et la structure des liaisons de valence de l’azote.
Type d'obligation
La structure de la couche d'électrons de valence de l'atome N est 2s2p3, c'est-à-dire qu'il y a 3 électrons simples et une paire de paires d'électrons isolés. Sur cette base, lors de la formation de composés, les trois types de liaisons suivants peuvent être générés :
1. Formation de liaisons ioniques 2. Formation de liaisons covalentes 3. Formation de liaisons de coordination
1. Former des liaisons ioniques
Les atomes N ont une électronégativité élevée (3.04). Lorsqu'ils forment des nitrures binaires avec des métaux à faible électronégativité, tels que Li (électronégativité 0,98), Ca (électronégativité 1,00) et Mg (électronégativité 1,31), ils peuvent obtenir 3 électrons et former des ions N3-. N2+ 6 Li == 2 Li3N N2+ 3 Ca == Ca3N2 N2+ 3 Mg =ignite= Mg3N2 N3- les ions ont une charge négative plus élevée et un rayon plus grand (171pm). Ils seront fortement hydrolysés lorsqu’ils rencontreront des molécules d’eau. Par conséquent, les composés ioniques ne peuvent exister qu’à l’état sec et il n’y aura pas d’ions N3- hydratés.
2. Formation de liaisons covalentes
Lorsque les atomes N forment des composés avec des non-métaux ayant une électronégativité plus élevée, les liaisons covalentes suivantes se forment :
Les atomes ⑴N prennent l'état d'hybridation sp3, forment trois liaisons covalentes, conservent une paire de paires d'électrons libres et la configuration moléculaire est pyramidale trigonale, telle que NH3, NF3, NCl3, etc. Si quatre liaisons simples covalentes sont formées, la configuration moléculaire est un tétraèdre régulier, comme les ions NH4+.
Les atomes ⑵N prennent l'état d'hybridation sp2, forment deux liaisons covalentes et une liaison, et conservent une paire de paires d'électrons libres, et la configuration moléculaire est angulaire, telle que Cl—N=O. (L'atome N forme une liaison σ et une liaison π avec l'atome Cl, et une paire de paires d'électrons libres sur l'atome N rend la molécule triangulaire.) S'il n'y a pas de paire d'électrons solitaires, la configuration moléculaire est triangulaire, comme la molécule HNO3 ou NO3-ion. Dans la molécule d'acide nitrique, l'atome N forme trois liaisons σ avec trois atomes O respectivement, et une paire d'électrons sur son orbitale π et les électrons π uniques de deux atomes O forment une liaison π délocalisée à trois centres et à quatre électrons. Dans l'ion nitrate, une grande liaison π délocalisée à quatre centres et six électrons est formée entre trois atomes O et l'atome N central. Cette structure rend le nombre d'oxydation apparent de l'atome de N dans l'acide nitrique +5. En raison de la présence de grandes liaisons π, le nitrate est suffisamment stable dans des conditions normales. L'atome ⑶N adopte l'hybridation sp pour former une triple liaison covalente et conserve une paire de paires d'électrons solitaires. La configuration moléculaire est linéaire, comme la structure de l'atome N dans la molécule N2 et CN-.
3. Formation de liens de coordination
Lorsque les atomes d'azote forment des substances ou des composés simples, ils conservent souvent des paires d'électrons isolées, de sorte que ces substances ou composés simples peuvent agir comme donneurs de paires d'électrons pour se coordonner avec les ions métalliques. Par exemple, [Cu(NH3)4]2+ ou [Tu(NH2)5]7, etc.
Diagramme d'énergie libre de l'état d'oxydation de Gibbs
Le diagramme état d'oxydation-énergie libre de Gibbs de l'azote montre également que, à l'exception des ions NH4, la molécule N2 avec un indice d'oxydation de 0 se trouve au point le plus bas de la courbe du diagramme, ce qui indique que N2 est thermodynamiquement stable par rapport aux composés azotés avec d’autres indices d’oxydation.
Les valeurs de divers composés azotés avec des indices d'oxydation compris entre 0 et +5 sont toutes situées au-dessus de la ligne reliant les deux points HNO3 et N2 (la ligne pointillée dans le diagramme), ces composés sont donc thermodynamiquement instables et sujets à des réactions de dismutation. Le seul dans le diagramme ayant une valeur inférieure à la molécule N2 est l’ion NH4+. [1] À partir du diagramme état d’oxydation-énergie libre de Gibbs de l’azote et de la structure de la molécule de N2, on peut voir que le N2 élémentaire est inactif. Ce n'est qu'à haute température, haute pression et en présence d'un catalyseur que l'azote peut réagir avec l'hydrogène pour former de l'ammoniac : Dans des conditions de décharge, l'azote peut se combiner avec l'oxygène pour former de l'oxyde nitrique : N2+O2=décharge=2NO L'oxyde nitrique se combine rapidement avec l'oxygène pour former former du dioxyde d'azote 2NO+O2=2NO2 Le dioxyde d'azote se dissout dans l'eau pour former de l'acide nitrique, oxyde nitrique 3NO2+H2O=2HNO3+NO Dans les pays dotés d'une hydroélectricité développée, cette réaction a été utilisée pour produire de l'acide nitrique. N2 réagit avec l'hydrogène pour produire de l'ammoniac : N2+3H2=== (signe réversible) 2NH3 N2 réagit avec les métaux à faible potentiel d'ionisation et dont les nitrures ont une énergie de réseau élevée pour former des nitrures ioniques. Par exemple : N2 peut réagir directement avec le lithium métallique à température ambiante : 6 Li + N2=== 2 Li3N N2 réagit avec les métaux alcalino-terreux Mg, Ca, Sr, Ba à des températures incandescentes : 3 Ca + N2=== Ca3N2 N2 peut ne réagit qu'avec le bore et l'aluminium à des températures incandescentes : 2 B + N2 === 2 BN (composé macromoléculaire) N2 réagit généralement avec le silicium et d'autres éléments du groupe à une température supérieure à 1473 K.
La molécule d'azote contribue à la liaison avec trois paires d'électrons, c'est-à-dire en formant deux liaisons π et une liaison σ. Il ne contribue pas à la liaison, et les énergies de liaison et anti-liaison sont approximativement compensées et équivalentes à des paires d'électrons libres. Parce qu'il existe une triple liaison N≡N dans la molécule N2, la molécule N2 a une grande stabilité et il faut 941,69 kJ/mol d'énergie pour la décomposer en atomes. La molécule N2 est la plus stable des molécules diatomiques connues et la masse moléculaire relative de l'azote est de 28. De plus, l'azote n'est pas facile à brûler et n'entretient pas la combustion.
Heure de publication : 23 juillet 2024
