Mikä on typen tiheys normaaleissa olosuhteissa. Kryogeenisten nesteiden ominaisuudet kryogeenisissä lämpötiloissa

MÄÄRITYS

typpi  - ei-metalli. Normaaliolosuhteissa se on väritön kaasu, joka voi tiivistyä väritömäksi neste  (nestemäisen typen tiheys on 0,808 g / cm3), kiehuen, toisin kuin nestemäinen happi, alhaisemmassa lämpötilassa (-195,75 ° C) kuin nestemäinen happi.

Kiinteässä tilassa se on valkoisia kiteitä.

Typpi liukenee huonosti veteen (huonommin kuin happi), mutta se liukenee hyvin nestemäiseen rikkidioksidiin.

Nestemäisen typpimolekyylin kemiallinen koostumus ja rakenne

Normaaleissa olosuhteissa typpi on väritön kaasu, joka koostuu N2-molekyyleistä. Molekyylin typpiatomien välillä on kolmoissidos, minkä seurauksena sen molekyyli on poikkeuksellisen vahva. Molekyylityppi on kemiallisesti passiivinen, heikosti polarisoitunut.

Tarkastellaan typpimolekyylin muodostumista (kuva 1), jonka elektronipilven muoto on pitkänomainen kuvio kahdeksan. Kun kaksi typpiatomia lähestyy, niiden elektronipilvet limittyvät. Tällainen päällekkäisyys on mahdollista vain, kun elektroneilla on antiparalleeliset pyöritykset. Päällekkäisten pilvien alueella elektronien tiheys kasvaa, minkä seurauksena atomien väliset houkuttelevat voimat kasvavat. Typpimolekyylissä olevien kokonaisten elektroniparien lukumäärä on yhtä (yksi elektron jokaisesta atomista). Kovalenttinen (ei-polaarinen) sidos toteutuu molekyylissä.

Kuva 1. Typpimolekyylin rakenne.

Lyhyt kuvaus nestemäisen typen kemiallisista ominaisuuksista ja tiheydestä

Normaaleissa olosuhteissa typpi on kemiallisesti passiivinen alkuaine; ei reagoi happojen, emästen, ammoniakkihydraatin, halogeenien, rikin kanssa. Pienessä määrin se reagoi vedyn ja hapen kanssa sähköpurkauksen vaikutuksesta (1, 2). Kosteuden läsnä ollessa se reagoi litiumin kanssa huoneenlämpötilassa (3). Kuumennettaessa reagoi magnesiumin, kalsiumin, alumiinin ja muiden metallien (4, 5, 6) kanssa.

N2 + 3H2-2NH3 (1);

N2 + O 2 ~ 2NO (2);

N2 + 6Li \u003d 2Li3N (3);

N2 + 3Mg \u003d Mg3N_2 (4);

N2 + 3Ca \u003d Ca3N2 (5);

N2 + 2Al \u003d 2AlN (6).

Typen reaktiot fluorin ja hiilen kanssa sekä vedyn tai hapen tapauksessa etenevät sähköpurkauksen vaikutuksesta:

N2 + 3F2 \u003d 2NF3;

N2 + 2C↔C2N2.

Kuumennettuna lämpötilaan 500-600 o C typpi reagoi litiumhydridin (7) kanssa, jos lämpötila-alue on 300-350 o C, niin reaktio kalsiumkarbidin kanssa on mahdollista (8):

N2 + 3LiH \u003d Li3N + NH3 (7);

N2 + CaC2 \u003d Ca (CN) 2 (8).

Esimerkkejä ongelmien ratkaisemisesta

Esimerkki 1

Julkaisupäivä 02.16.2013 03:40

typpiOn jaksollisen järjestelmän kemiallinen elementti, jota merkitään kirjaimella N ja jolla on sarjanumero 7. Se esiintyy kahdesta atomista koostuvan N2-molekyylin muodossa. Tämä kemikaali on väritöntä, hajutonta ja mautonta kaasua; se on inertti normaaleissa olosuhteissa. Typen tiheys normaaleissa olosuhteissa (0 ° C: ssa ja paineessa 101,3 kPa) on 1,251 g / dm3. Elementti on osa maan ilmakehän määrää, joka on 78,09% sen tilavuudesta. Skotlantilainen lääkäri Daniel Rutherford löysi sen ensimmäisenä ilmankomponenttina vuonna 1772.

Nestemäinen typpi on kryogeeninen neste. Ilmakehän paineessa se kiehuu lämpötilassa 195,8 ° C. Siksi sitä voidaan varastoida vain eristettyihin astioihin, jotka ovat nesteytettyjen kaasujen terässylintereitä tai Dewar-astioita. Vain tässä tapauksessa sitä voidaan varastoida tai kuljettaa ilman suuria haihtumisen aiheuttamia menetyksiä. Kuten kuivajäätä (nesteytettyä hiilidioksidia, jota kutsutaan myös hiilidioksidiksi), nestemäistä typpeä käytetään kylmäaineena. Lisäksi sitä käytetään veren, sukusolujen (siemenneste ja munasolut) sekä muiden biologisten näytteiden ja materiaalien kylmäsäilyttämiseen. Se on kysytty myös kliinisessä käytännössä, esimerkiksi kryoterapiassa, kun poistetaan kystat ja syylät iholta. Nestemäisen typen tiheys on 0,808 g / cm3.

Monet teollisesti tärkeät yhdisteet, kuten typpihappo, ammoniakki, orgaaniset nitraatit (räjähteet, polttoaineet) ja syanidit, sisältävät N2: ta. Alkuperäisen typen erittäin vahvat sidokset molekyylissä aiheuttavat vaikeuksia sen osallistumiselle kemiallisiin reaktioihin, mikä selittää sen inerttin normiolosuhteissa (lämpötila ja paine). Näistä syistä lukien N2: lla on suuri merkitys monilla tieteen ja teollisuuden aloilla. Esimerkiksi on tarpeen ylläpitää in situ -painetta öljyn tai kaasun tuotannon aikana. Kaikki käytännön tai tieteelliset sovellukset edellyttävät tietämistä, mikä typen tiheys on tietyssä paineessa ja lämpötilassa. Fysiikan ja termodynamiikan laeista tiedetään, että vakiotilavuudessa paine ja kaasutiheys kasvavat lämpötilan noustessa ja päinvastoin.

Milloin ja miksi sinun on tiedettävä typpitiheys? Tämän indikaattorin laskelmaa käytetään N2: n käytöllä tapahtuvien teknologisten prosessien suunnittelussa, laboratoriokäytännössä ja tuotannossa. Kaasun tiheyden tunnettua arvoa käyttämällä on mahdollista laskea sen massa tietyssä tilavuudessa. Esimerkiksi tiedetään, että kaasu vie normaalissa olosuhteissa 20 dm3. Tässä tapauksessa sen massa voidaan laskea: m \u003d 20 1,251 \u003d 25,02 g. Jos olosuhteet eroavat standardiolosuhteista ja tilavuus N2 tunnetaan näissä olosuhteissa, sinun on ensin löydettävä (referenssien perusteella) typpitiheys tietyssä paineessa ja lämpötilassa, ja sitten kerro tämä arvo kaasun käyttämällä tilavuudella.

Samankaltaiset laskelmat tehdään tuotannossa teknisten laitteistojen materiaalitasapainoja laadittaessa. Ne ovat välttämättömiä teknologisten prosessien suorittamiselle, instrumentoinnin valinnalle, teknisten ja taloudellisten indikaattorien laskemiselle ja niin edelleen. Esimerkiksi kemikaalien tuotannon lopettamisen jälkeen kaikki laitteet ja putkistot on puhdistettava inertillä kaasulla, typellä, ennen kuin ne avataan ja viedään korjattavaksi (se on halvin ja edullisin verrattuna esimerkiksi heliumiin tai argoniin). Ne puhdistetaan pääsääntöisesti sellaisella määrällä N2: ta, joka on useita kertoja suurempi kuin laitteen tai putkiston tilavuus, vain tällä tavalla voidaan palavia kaasuja ja höyryjä poistaa järjestelmästä ja räjähdys tai tulipalo voidaan sulkea pois. Suunnitellessaan toimenpiteitä ennen pysähdyskorjausta, teknikko, tietoisena tyhjennettävän järjestelmän tilavuudesta ja typen tiheydestä, laskee massan N2, joka tarvitaan puhdistamiseen.

MÄÄRITYS

Normaaliolosuhteissa typpi  - väritön kaasu, joka koostuu N2-molekyyleistä.

Voimakas molekyylisisäinen sitoutuminen, typpimolekyylin pieni koko ja ei-polaarisuus ovat syitä heikkoon molekyylien väliseen vuorovaikutukseen, joten typellä on alhaiset kiehumis- ja sulamispisteet.

Typpi on hajuton. Se liukenee veteen vähän ja ilmaa kevyemmin: typen 1 litran massa on 1,25 g.

Tärkeimmät typpivakiot on esitetty alla olevassa taulukossa:

Taulukko 1. Typen fysikaaliset ominaisuudet ja tiheys.

Perustilassa olevalla typpimolekyylillä N 2 on seuraava elektroninen konfiguraatio: [σ (2s) 2] [[σ * (2s) 2] [π (2p y) 2] [π (2p x) 2] [π (2p z) 2]. Maatilan typpiatomissa on kolme paritonta elektronia. Tämä osoittaa, että typen valenssi on kolme. Huolimatta siitä, että viritetyn tilan esiintyminen ei ole tyypillistä typelle, tämä elementti pystyy kuitenkin osoittamaan valensseja I, II, IV ja V.

Typen yleisyys luonnossa

Typpi pystyy olemaan luonnossa yksinkertaisen aineen muodossa (typen pitoisuus ilmassa on -78 (tilavuus)%). Aminohappojen ja nukleiinihappojen muodossa typpi sisältyy eläinten ja kasvien organismien koostumukseen. Luonnollisista mineraaleista Chilen nitraatti (NaNO 3) ja kaliumnitraatti (KNO 3) ovat teollisesti tärkeitä. Maapallonkuoren kokonaistyppipitoisuus (mukaan lukien hydrosfääri ja ilmakehä) on 0,04% (massa).

Lyhyt kuvaus typen kemiallisista ominaisuuksista ja tiheydestä

Molekyylityppillä on erittäin matala reaktiivisuus, mikä johtuu vahvasta kolmoissidoksesta N2-molekyylissä sekä molekyylin polaarisuudesta. Itse asiassa typpimolekyylin ionisaatioenergia, joka on 1402 kJ / mol, on lähellä argoniatomin ionisaatioenergiaa, joka on 1520 kJ / mol, toisin sanoen, typpi on huono pelkistin.

Molekyylin typen affiniteetti elektroniin on -3,6 eV, siksi huoneenlämpötilassa se reagoi vain joidenkin voimakkaiden pelkistimien, esimerkiksi litiumin kanssa. Prosessi etenee yksielektronireduktion vaiheessa muodostaen epästabiilia pernitridiä Li + N2 -, joka reaktion aikana muuttuu nitridiksi:

6Li + N2 \u003d 2Li3N.

Magnesiumnitridin Mg 3 N 2 muodostamiseksi yksinkertaisista aineista tarvitaan kuumennus 300 ° C: seen. Aktiiviset metallinitridit ovat ioniyhdisteitä, jotka hydrolysoituvat veden kanssa muodostaen ammoniakkia.

Typpimolekyylissä tapahtuvassa sähköpurkauksessa elektroni siirtyy kiertoradalta σ (2p z) arvoon π * (2p z). Sellaiset innoissaan olevat molekyylit palautuvat nopeasti normaalitilaansa säteileen keltaista hehkua. Joskus se kestää useita minuutteja sen jälkeen, kun vastuuvapaus on loppunut. Ärtyneessä tilassa typellä on korkea reaktiivisuus. Itse asiassa sähköpurkauksessa se reagoi hapen kanssa:

N2 + O 2 - 2NO.

Reaktio vedyn kanssa etenee korotetuissa lämpötiloissa (400 ° C) ja paineessa (200 atm) katalyytin (Fe) läsnä ollessa:

N2 + 3H2 + 2NH3.

Typpi ei ole vuorovaikutuksessa rikin ja halogeenien kanssa.

Esimerkkejä ongelmien ratkaisemisesta

Esimerkki 1

Esimerkki 2

Typpi on jaksollisen järjestelmän kemiallinen elementti, jota merkitään kirjaimella N ja jolla on sarjanumero 7. Se esiintyy kahdesta atomista koostuvan N2-molekyylin muodossa. Tämä kemikaali on väritöntä, hajutonta ja mautonta kaasua; se on inertti normaaleissa olosuhteissa. Typen tiheys normaaleissa olosuhteissa (0 ° C: ssa ja paineessa 101,3 kPa) on 1,251 g / dm3. Elementti sisältyy määrään 78,09% sen tilavuudesta. Skotlantilainen lääkäri Daniel Rutherford löysi sen ensimmäisenä ilmankomponenttina vuonna 1772.

Nestemäinen typpi on kryogeeninen neste. Ilmakehän paineessa se kiehuu lämpötilassa 195,8 ° C. Siksi sitä voidaan varastoida vain eristetyissä astioissa, jotka ovat nesteytettyjen kaasujen terässylintereitä, tai vain tässä tapauksessa sitä voidaan varastoida tai kuljettaa ilman haihtumisesta aiheutuvia menetyksiä. Kuten kuivajäätä (nesteytettyä, jota muuten kutsutaan hiilidioksidiksi), nestemäistä typpeä käytetään kylmäaineena. Lisäksi sitä käytetään veren, sukusolujen (siemenneste ja munasolut) sekä muiden biologisten näytteiden ja materiaalien kylmäsäilyttämiseen. Se on kysytty myös kliinisessä käytännössä, esimerkiksi kryoterapiassa, kun poistetaan kystat ja syylät iholta. Nestemäisen typen tiheys on 0,808 g / cm3.

Monet teollisesti tärkeät yhdisteet, kuten ammoniakki, orgaaniset nitraatit (räjähteet, polttoaineet) ja syanidit, sisältävät N2: ta. Alkuperäisen typen erittäin vahvat sidokset molekyylissä aiheuttavat vaikeuksia sen osallistumiselle kemiallisiin reaktioihin, mikä selittää sen inerttin normiolosuhteissa (lämpötila ja paine). Näistä syistä lukien N2: lla on suuri merkitys monilla tieteen ja teollisuuden aloilla. Esimerkiksi on tarpeen ylläpitää in situ -painetta öljyn tai kaasun tuotannon aikana. Kaikki käytännön tai tieteelliset sovellukset vaativat tietämistä, mikä typen tiheys on tietyssä paineessa ja lämpötilassa. Fysiikan ja termodynamiikan laeista tiedetään, että vakiotilavuudessa paine kasvaa lämpötilan noustessa ja päinvastoin.

Milloin ja miksi sinun on tiedettävä typen tiheys? Tämän indikaattorin laskelmaa käytetään N2: n käytöllä tapahtuvien teknologisten prosessien suunnittelussa, laboratoriokäytännössä ja tuotannossa. Kaasun tiheyden tunnettua arvoa käyttämällä on mahdollista laskea sen massa tietyssä tilavuudessa. Esimerkiksi tiedetään, että kaasu vie normaalissa olosuhteissa 20 dm3. Tässä tapauksessa sen massa voidaan laskea: m \u003d 20. 1,251 \u003d 25,02 g. Jos olosuhteet eroavat normista ja N2: n tilavuus tunnetaan näissä olosuhteissa, sinun on ensin löydettävä (referenssien perusteella) typen tiheys tietyssä paineessa ja lämpötilassa ja kerrottava sitten tämä arvo kaasun käyttämällä tilavuudella.

Samankaltaiset laskelmat tehdään tuotannossa teknisten laitteistojen materiaalitasapainoja laadittaessa. Ne ovat välttämättömiä teknologisten prosessien suorittamiselle, instrumentoinnin valinnalle, teknisten ja taloudellisten indikaattorien laskemiselle ja niin edelleen. Esimerkiksi kemikaalien tuotannon lopettamisen jälkeen kaikki laitteet ja putkistot on puhdistettava inertillä kaasulla, typellä, ennen kuin ne avataan ja viedään korjattavaksi (se on halvin ja edullisin verrattuna esimerkiksi heliumiin tai argoniin). Ne puhdistetaan pääsääntöisesti sellaisella määrällä N2: ta, joka on useita kertoja suurempi kuin laitteen tai putkiston tilavuus, vain tällä tavalla voidaan palavia kaasuja ja höyryjä poistaa järjestelmästä ja räjähdys tai tulipalo voidaan sulkea pois. Suunnitellessaan toimenpiteitä ennen pysähdyskorjausta, teknikko, tietoisena tyhjennettävän järjestelmän tilavuudesta ja typen tiheydestä, laskee massan N2, joka tarvitaan puhdistamiseen.

Yksinkertaistettuihin laskelmiin, jotka eivät vaadi tarkkuutta, oikeat kaasut rinnastetaan ihanteellisiin kaasuihin ja sovelletaan Avogadro-lakia. Koska 1 moolin N2: n massa on numeerisesti yhtä suuri kuin 28 grammaa ja yhden moolin minkä tahansa ihanteellisen kaasun tilavuus on 22,4 litraa, typpitiheys on yhtä suuri kuin: 28 / 22,4 \u003d 1,25 g / l \u003d 1,25 g / dm3. Tämä menetelmä tiheyden nopeasti löytämiseksi on sovellettavissa mihin tahansa kaasuun, ei vain N2: een. Sitä käytetään usein analyyttisissä laboratorioissa.

Typpi; N (lat. Nitrogenium * A. typpi; N. Stickstoff; F. atsote, typpi ja. Typpi) on jaksollisen järjestelmän ryhmän V kemiallinen elementti, atominumero 7, atomimassa 14,0067. Englantilainen tutkija D. Rutherford löysi sen vuonna 1772.

Typen ominaisuudet

Normaaliolosuhteissa typpi on kaasu, jolla ei ole väriä tai hajua. Luonnollinen typpi koostuu kahdesta stabiilista isotoopista: 14 N (99,635%) ja 15 N (0,365%). Diatominen typpimolekyyli; atomit on kytketty kovalenttisella kolmoissidoksella NN. Typpimolekyylin halkaisija, joka on määritetty eri tavoin, on 3,15-3,53 A. Typpimolekyyli on erittäin vakaa - dissosiaatioenergia on 942,9 kJ / mol.

Molekyylinen typpi

Molekyylin typpivakiot: f sulamispiste - 209,86 ° С, kiehuva f - 195,8 ° С; kaasumaisen typen tiheys on 1,25 kg / m 3, nestemäinen - 808 kg / m 3.

Typpiominaisuus

Kiinteässä tilassa typpeä esiintyy kahdessa versiossa: kuutiomainen a-muoto, jonka tiheys on 1026,5 kg / m 3, ja kuusikulmainen b-muoto, jonka tiheys on 879,2 kg / m 3. Sulamislämpö on 25,5 kJ / kg, höyrystymislämpö on 200 kJ / kg. Nestemäisen typen pintajännitys kosketuksessa ilman kanssa 8.5.10 -3 N / m; dielektrisyysvakio 1 000538. Typen liukoisuus veteen (cm 3/100 ml H20: ta): 2,33 (0 ° C), 1,42 (25 ° C) ja 1,32 (60 ° C). Typpiatomin ulkoinen elektronikuori koostuu 5 elektronista. Typen hapetustilat vaihtelevat 5: stä (N205: ssä) -3: een (NH3: ssa).

Typpiyhdiste

Normaaleissa olosuhteissa typpi voi reagoida siirtymämetalliyhdisteiden (Ti, V, Mo jne.) Kanssa muodostaen komplekseja tai pelkistäen muodostaen ammoniakin ja hydratsiinin. Sellaisten aktiivisten metallien kanssa, kuten typpi, vuorovaikutuksessa kuumennetaan suhteellisen alhaisiin lämpötiloihin. Useimpien muiden alkuaineiden kanssa typpi reagoi korkeassa lämpötilassa ja katalyyttien läsnä ollessa. Hyvin tutkittuja typpiyhdisteitä, joissa: N20, NO, N205. C-typpi yhdistyy vain korkeissa lämpötiloissa ja katalyyttien läsnä ollessa; tämä muodostaa ammoniakin NH3. Typpi ei ole vuorovaikutuksessa suoraan halogeenien kanssa; siksi kaikki typpihalogenidit saadaan vain epäsuorasti, esimerkiksi typpifluoridi NF3 - vuorovaikutuksessa ammoniakin kanssa. Rikkien kanssa ei myöskään esiinny suoria typpiyhdisteitä. Punaisen kuuman ja typen vuorovaikutuksessa muodostuu syaania (CN) 2. Tavallisen typen sähköpurkausten vaikutuksesta, samoin kuin ilman sähköpurkausten aikana, voi muodostua aktiivista typpeä, joka on seos typpimolekyylejä ja atomeja, joilla on lisääntynyt energiavaranto. Aktiivinen typpi on erittäin voimakkaasti vuorovaikutuksessa hapen, vedyn, höyryjen ja joidenkin metallien kanssa.

Typpi on yksi maapallon runsaimmista alkuaineista, ja sen suurin osa (noin 4,10 15 tonnia) on keskittynyt vapaaseen tilaan. Tulivuoren toiminnan aikana ilmakehään vapautuu vuosittain 2,10 6 tonnia typpeä. Merkittämätön osa typestä on keskittynyt (keskimääräinen pitoisuus litosfäärissä on 1,9,10 -3%). Luonnolliset typpiyhdisteet ovat ammoniumkloridi ja erilaiset nitraatit (nitraatti). Typpinitridit voivat muodostua vain korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, jotka ilmeisesti tapahtuivat maapallon kehityksen varhaisimmissa vaiheissa. Suuria nitraattipitoisuuksia esiintyy vain kuivassa autiomaassa (ja muissa) ilmasto-olosuhteissa. Pieniä määriä sitoutunutta typpeä löytyy (1-2,5%) ja (0,02-1,5%) sekä jokien, merien ja valtameren vesistä. Typpi kertyy maaperään (0,1%) ja eläviin organismeihin (0,3%). Typpi on osa proteiinimolekyylejä ja monia luonnollisia orgaanisia yhdisteitä.

Typpisykli luonnossa

Luonnossa suoritetaan typpisykli, joka sisältää biosfäärissä olevan molekyylisen ilmakehän typen kiertosyklin, kemiallisesti sitoutuneen typen ilmakehässä ja orgaanisen aineen kanssa haudatun pintatypen kierron litosfäärissä sen paluun ollessa ilmakehässä. Teollisuuden typpi oli aikaisemmin otettu kokonaan luonnollisista nitraattiesiintymistä, joiden määrää maailmassa on hyvin vähän. Erityisen suuria typpimäärää natriumnitraatin muodossa on Chilestä; suolakeiton tuotanto oli joissain vuosissa yli 3 miljoonaa tonnia.