Азот - самый распространённый элемент на Земле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Азот (от греч. azфos - безжизненный, лат. Nitrogenium). Химический знак элемента - N. Азот - химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067; бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса. азот химический криогенный пищевой

Распространённость в природе.

Азот - один из самых распространённых элементов на Земле, причём основная его масса (около 4*1015 т) сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный Азот (в виде молекул N2) составляет 78,09% по объёму (или 75,6% по массе), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и окислов. Среднее содержание Азота в литосфере 1,9?10-3% по массе. Природные соединения Азота - хлористый аммоний NH4Cl и различные нитраты. Крупные скопления селитры характерны для сухого пустынного климата (Чили, Средняя Азия). Долгое время селитры были главным поставщиком Азота для промышленности (сейчас основное значение для связывания Азота имеет промышленный синтез аммиака из Азота воздуха и водорода). Небольшие количества связанного Азота находятся в каменном угле (1-2,5%) и нефти (0,02-1,5%), а также в водах рек, морей и океанов. Азот накапливается в почвах (0,1%) и в живых организмах (0,3%).

Хотя название "Азот" означает "не поддерживающий жизни", на самом деле это - необходимый для жизнедеятельности элемент. В белке животных и человека содержится 16 - 17% Азота. В организмах плотоядных животных белок образуется за счёт потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве Азотистые вещества, главным образом неорганические. Значительные количества Азота поступают в почву благодаря Азотфиксирующим микроорганизмам, способным переводить свободный Азот воздуха.

Изотопы, атом, молекула. Азот - четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода). Природный азот состоит из двух стабильных изотопов: 14N (99,635%) и 15N (0,365%). Изотоп 15N применяют в химических и биохимических исследованиях в качестве меченого атома. Из искусственных радиоактивных изотопов азот наибольший период полураспада имеет 13N (T1/2 = 10,08 мин), остальные весьма короткоживущие. В верхних слоях атмосферы, под действием нейтронов космического излучения, 14N превращается в радиоактивный изотоп углерода 14C. Этот процесс используют и в ядерных реакциях для получения 14C (см. Углерод). Внешняя электронная оболочка атома азот состоит из 5 электронов (одной неподелённой пары и трёх неспаренных - конфигурация 2s22p3, см. Атом). Чаще всего азот в соединениях 3-х-ковалентен за счёт неспаренных электронов (как в аммиаке NH3). Наличие неподелённой пары электронов может приводить к образованию ещё одной ковалентной связи, и азот становится 4-ковалентным (как в ионе аммония NH4+). Степени окисления азот меняются от +5 (в N205) до -3 (в NH3). В обычных условиях в свободном состоянии азот образует молекулу N2, где атомы N связаны тремя ковалентными связями. Молекула азот очень устойчива: энергия диссоциации её на атомы составляет 942,9 кдж/моль (225,2 ккал/моль), поэтому даже при t около 3300 °C степень диссоциации азот составляет лишь около 0,1%. Физические и химические свойства. Азот немного легче воздуха; плотность 1,2506 кг/м³ (при 0 °C и 101325 н/м² или 760 мм рт. ст.), tпл -209,86°C, tкип -195,8?C. Азот сжижается с трудом: его критическая температура довольно низка (-147,1 °C), а критическое давление высоко 3,39 Мн/м² (34,6 кгс/см²); плотность 808 кг/м³. В воде Азот, менее растворим, чем кислород: при 0°C в 1 м³ Н2О растворяется 23,3 г лучше, чем в воде, Азот растворим в некоторых углеводородах. Только с такими активными металлами, как литий, кальций, магний, азот взаимодействует при нагревании до сравнительно невысоких температур. С большинством других элементов азот реагирует при высокой температуре и в присутствии катализаторов. Хорошо изучены соединения азота с кислородом N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅. Из них при непосредственном взаимодействии элементов (4000 C⁰) образуется окись NO, которая при охлаждении легко окисляется далее до двуокиси NO₂. В воздухе окислы азота образуются при атмосферных разрядах. Их можно получить также действием на смесь азота с кислородом ионизирующих излучений. При растворении в воде азотистого N₂О₃ и азотного N₂О₅ ангидридов соответственно получаются азотистая кислота HNO₂ и азотная кислота HNO₃, образующие соли - нитриты и нитраты. С водородом азот соединяется только при высокой температуре и в присутствии катализаторов, при этом образуется аммиак NH₃. Кроме аммиака, известны и другие многочисленные соединения Азота с водородом, например гидразин H₂N-NH₂, диимид HN=NH, Азотистоводородная кислота HN₃(H-N=N?N), октазон N₈H₁₄ и др. Большинство соединений Азота с водородом выделено только в виде органических производных.

С галогенами Азот непосредственно не взаимодействует, поэтому все галогениды Азота получают только косвенным путём, например фтористый Азот NF₃ - при взаимодействии фтора с аммиаком. Как правило, галогениды Азота - малостойкие соединения (за исключением NF₃); более устойчивы оксигалогениды Азота - NOF, NOCI, NOBr, N0₂F и NO₂CI. С серой также не происходит непосредственного соединения Азота; Азотистая сера N₄S₄ получается в результате реакции жидкой серы с аммиаком. При взаимодействии раскалённого кокса с Азотом образуется циан (CN).;. Нагреванием Азота с ацетиленом C₂H₂ до 1500?C может быть получен цианистый водород HCN. Взаимодействие Азота с металлами при высоких температурах приводит к образованию нитридов (например, Mg₃N₂). При действии на обычный Азот электрических разрядов [давление 130 - 270 н/м² (1- 2 мм рт. ст.)] или при разложении нитридов В, Ti, Mg и Са, а также при электрических разрядах в воздухе может образоваться активный Азот, представляющий собой смесь молекул и атомов Азота, обладающих повышенным запасом энергии. В отличие от молекулярного, активный Азот весьма энергично взаимодействует с кислородом, водородом, парами серы, фосфором и некоторыми металлами. Азот входит в состав очень многих важнейших органических соединений (амины, аминокислоты, нитро-соединения и др.) в соединения Азота.

Историческая справка. Соединения Азота - селитра, Азотная кислота, аммиак - были известны задолго до получения Азота в свободном состоянии. В 1772 Д. Резерфорд, сжигая фосфор и др. вещества в стеклянном колоколе, показал, что остающийся после сгорания газ, названный им "удушливым воздухом", не поддерживает дыхания и горения. В 1787 А. Лавуазье установил, что "жизненный" и "удушливый" газы, входящие в состав воздуха, это простые вещества, и предложил название "Азот". В 1784 Г. Кавендиш показал, что Азот входит в состав селитры; отсюда и происходит латинское название Азота (от позднелатинское nitrum - селитра и греческое gennao - рождаю, произвожу), предложенное в 1790 Ж. А. Шапталем. К началу XIX в. были выяснены химическая инертность Азота в свободном состоянии и исключительная роль его в соединениях с другими элементами в качестве связанного Азота. С тех пор "связывание" Азота воздуха стало одной из важнейших технических проблем химии.

Получение и применение азота. В лаборатории Азот легко может быть получен при нагревании концентрированного нитрита аммония: NH₄NO₂ > N₂ + 2H₂O. Технический способ получения Азота основан на разделении предварительно сжиженного воздуха, который затем подвергается разгонке. Основная часть добываемого свободного Азота используется для промышленного производства аммиака, который затем в значительных количествах перерабатывается на Азотную кислоту, удобрения, взрывчатые вещества и т.д. Помимо прямого синтеза аммиака из элементов, промышленное значение для связывания Азота воздуха имеет разработанный в 1905цианамидный метод, основанный на том, что при 10000 С карбид кальция (получаемый накаливанием смеси известии угля в электрической печи) реагирует со свободным Азотом: CaC₂ + N₂ > CaCN₂ + C. Свободный Азот применяют во многих отраслях промышленности: как инертную среду при разнообразных химических и металлургических процессах, для заполнения свободного пространства в ртутных термометрах, при перекачке горючих жидкостей и т.д. Жидкий Азот находит применение в различных холодильных установках. Его хранят и транспортируют в стальных сосудах Дьюара, газообразный Азот в сжатом виде - в баллонах. Широко применяют многие соединения Азота. Производство связанного Азота стало усиленно развиваться после 1-й мировой войны и сейчас достигло огромных масштабов.

Производство Азота Азот - один из наиболее часто используемых газов в промышленности, производство Азота в промышленности в виде газа или жидкости происходит путем использования нескольких технологий: Мембранное воздухоразделение - технология, при которой не используются криогенные температуры для разделения газов. Принцип производства Азота из воздуха основан на различной скорости проникновении газов через полимерную мембрану. Мембранный Азотные установки позволяют производить очень дешевый Азот чистотой до 99.9%, они являются экономически лучшим выбором при умеренных объемах потребления. Адсорбционное воздухоразделение - производство Азота с использованием этой технологии основано на селективном поглощении специальными веществами, адсорбентами, различных компонентов воздуха.

Производство Азота установками короткоцикловой адсорбции наиболее предпочтительно, когда требуется большая производительность по Азоту средней чистоты. Криогенное воздухоразделение - процесс, при котором производство Азота происходит путем сжимания и охлаждения до криогенных температур атмосферного воздуха, и преобразования его жидкость. После этого сжиженный воздух из-за разных точек кипения основных компонентов - Азота, кислорода, аргона и водорода разделяется в дистилляционных колоннах. Производство Азота с помощью этой технологии выгодно только тогда, когда требуются большие объемы Азота очень высокой чистоты.

Применение Азота в пищевой промышленности. Применение Азота в пищевой промышленности очень велико. Кроме того, что Азот входит в состав различных аминокислот, полезных для человека, также Азот используется в различных холодильных установках, применяемых на пищевых производствах для длительного хранения продуктов. Замораживание является древнейшим методом хранения продуктов (по крайней мере, в холодном климате). Различные инженерные решения в этой области появились лишь в XVIII-XIX веке. Замороженные продукты употребляли тысячи лет назад. На протяжении последних двух веков многие пытались усовершенствовать ледодельную машину и деревянные ледники. Первый прототип холодильника был продемонстрирован в Глазго в 1748 году.

В конце XIX века началось коммерческое использование заморозки при транспортировке и хранении. В начале XX века американец Кларенс Бирдсей, работая на Лабрадоре, впервые попробовал мороженые продукты эскимосов. Кларенс решил соединить естественный холод и достижения прогресса в виде холодильника. И в 1924 году он основал первую компанию по выпуску свежезамороженной рыбы: замораживали ее тогда в жестяных контейнерах при помощи охлажденного хлорида кальция до температуры минус 40°. В 1920-х годах возникла технология быстрой заморозки. Её появление обусловлено некоторыми особенностями замораживания пищевых продуктов. При охлаждении воды до 0 °C в объёме начинается образование центров кристаллизации и рост кристаллов льда. В продуктах, ввиду наличия в клеточном соке растворенных веществ, этот процесс происходит при температурах от -1 до -4 °C. Образование крупных кристаллов льда приводит к разрушению клеточных стенок, нарушению фактуры продукта и, при оттаивании, вытеканию клеточного сока, ухудшению вкусовых качеств и потере товарного вида. Во избежание таких нежелательных эффектов, при замораживании пищевых продуктов необходимо возможно быстро преодолеть диапазон температур от -1 до -4 °C, предотвратив тем самым рост крупных кристаллов льда. Кроме того, быстрое охлаждение препятствует смерзанию отдельных фрагментов продукции в монолитную массу. Собственно, в этом и заключаются основные преимущества методов быстрой заморозки перед традиционными методами. Существует ряд способов быстрой заморозки, в которых используется охлаждение продукции потоком воздуха, различными соляными растворами, углекислотой, жидким Азотом и т.д. Применяют охлаждение посредством погружения в хладагент, помещения продукта в струю распыленного хладагента, контакта с охлажденными поверхностями (именно этот метод быстрой заморозки был разработан первым). Одним из наиболее эффективных методов является криогенная заморозка с использованием жидкого Азота. Низкая температура кипения (-195.8 °C), химическая инертность и биогенная природа делают Азот идеальным хладагентом для пищевой промышленности.

Воздушные камеры замораживания. Наибольшее распространение, в связи с небольшими капитальными затратами и относительной технической простотой, получили воздушные камеры охлаждения и замораживания. В камере размещается воздухоохладитель с принудительной циркуляцией воздуха, а сама холодильная машина размещается вне камеры. При конструктивной похожести технических решений камер хранения и охлаждения они отличаются применяемой техникой и технологией. Воздушные камеры замораживания. Для равномерного распределения воздушных потоков "холодного" воздуха омывающего продукт, более целесообразно производить загрузку камеры продуктом, уложенным на многоярусные тележки, которые затем закатываются в камеру, благодаря использованию такой технологии обеспечивается равномерный доступ к продукту воздуха, сокращается время холодильной обработки, упрощаются погрузочно-разгрузочные работы и сокращаются потери холода через открытую дверь. Так же, как вариант, возможна установка в камере многоярусных стеллажей, на которых и размещается продукция. Сократить потери холода на смешивание "теплого" воздуха, отводимого от продукта, с "холодным" воздухом, и тем самым повысить эффективность заморозки, позволяет организация дополнительных воздуховодов, фальш потолков, фальш коридоров и т.д. Охлаждение и замораживание продуктов обеспечивается в специально приспособленных для этих целей помещениях (морозильных камерах), способных поддерживать заданные температурные параметры. В настоящий момент наилучшим выбором теплоизоляционного материала при строительстве новой холодильной камеры или переоборудования под нее уже готовое помещение являются пенополиуретановые сэндвич панели, где между двумя слоями горячеоцинкованных стальных листов толщиной 0,7…0,8 мм находится слой заливного пенополиуретана. Данные панели одновременно являются тепло-, паро- и гидроизолятором, это достигается применением в качестве теплоизолятора пенополиуретана, коэффициент теплопроводности которого 0,022 Вт/мК, а в качестве паро- и гидроизолятора выступает металл, который, является практически идеальным пароизоляционным материалом. При этом размеры камеры по возможности должны быть как можно минимальны, для сокращения потерь холода через стены.

Контактная заморозка. К данной группе скороморозильной техники относятся горизонтальные и вертикальные (в зависимости от расположения плит) скороморозильные плиточные аппараты контактной заморозки. Предназначены для замораживания, в основном, рыбной и мясной продукции в блоках заданных линейных размеров. Высокая производительность и качество замораживания достигаются благодаря прямому контакту продукта с металлическими штампованными рабочими пластинами, внутри которых непосредственно происходит кипение хладоагента. Замораживаемый продукт формируется в блоки посредством блок-форм с крышками. Загрузка продукта в блок-формы осуществляется с небольшим избытком, что позволяет при сжатии рабочих пластин аппарата получить некоторую подпрессовку продукта в форме и обеспечить наилучшие условия для замораживания. Требуемый зазор между рабочими пластинами, подпрессовка блок-форм осуществляется гидравлической установкой аппарата. Размер рабочих пластин аппаратов позволяет оптимально разместить блоки отечественного и европейского стандарта. При температуре загружаемого продукта 15 °С и температуре в центре блока выгружаемого продукта -18 °С диапазон производительности данных аппаратов составляет 5-15 тонн/сутки. По конструкции плиточные аппараты отличаются по расположению плит: вертикальные или горизонтальные, так же по наличию встроенной холодильной машины или выносной машины, а так же по схемам хладоснабжения.

Криогенные аппараты на базе жидкого Азота. Тенденции в развитии и использовании скороморозильной техники свидетельствуют о широком применении в отрасли быстрозамороженных продуктов криогенных аппаратов на базе жидкого Азота (N₂), использующих многозонный принцип действия. Многозонная система обеспечивает сокращения расхода жидкого криоагента за счет использования холодильного потенциала газообразного, полученного в результате испарения жидкого Азота преимуществами которого являются: малая продолжительность процесса, следовательно, его высокая скорость; минимальные потери его массы за счет усушки; экологическая безопасность. Использование криогенного метода позволяет с малыми капитальными затратами приблизить производство быстрозамороженной растительной продукции к местам ее выращивания. Назначение туннельного криогенного аппарата: быстрое поштучное замораживание широкого ассортимента пищевых продуктов животного и растительного происхождения (мяса, мясных натуральных и рубленых полуфабрикатов, пельменей, рыбных изделий, фруктов, ягод, грибов, овощей, масла и т.д.), а также эндокринно-ферментного сырья для фармацевтической промышленности. В основу конструкции туннельного криогенного аппарата, заложена трехзонная Азотная система. Преимуществом данной системы является возможность использования паров Азота после его испарения в зоне замораживания для предварительного охлаждения и выравнивания температуры по объёму продукта. Замораживание продукта осуществляется за счет подачи жидкого Азота через систему форсунок в зону замораживания; газообразный Азот с помощью циркуляционных осевых вентиляторов направляется в зону предварительного охлаждения продукта, а также в зону выравнивания температуры по объёму продукта. Отсос отработанных паров Азота осуществляется через систему вентиляционных коробов, установленных со стороны входа продукта. Основные преимущества Азотных скороморозильных аппаратов по сравнению с машинными системами:

а) экологическая чистота;

б) капитальные затраты меньше в 2-3 раза;

в) высокое качество продукта с отбеливающим эффектом (в особенности для пельменей и хлебобулочных изделий);

г) отсутствие потери массы продукта от усушки;

д) универсальность, позволяющая без переоборудования аппарата работать с другими видами продуктов; е) себестоимость холодильной обработки Азотом составляет 3-5% от общей себестоимости.

Криогенный аппарат для быстрого замораживания пищевых продуктов. В последнее время все более актуальной стала задача использования для холодильной обработки пищевых продуктов нетрадиционных экологически безопасных методов получения холода. Наиболее перспективным в этом плане является криогенный метод на базе жидкого и газообразного Азота (N₂) с применением без машинной проточной системы хладоснабжения, предусматривающей одноразовое использование криоагента. Следует отметить, что созданная индустрия холодильной обработки, в том числе и замораживания, на базе традиционных машинных систем хладоснабжения, безусловно, должна эффективно использоваться и совершенствоваться. Однако при этом необходимо учитывать следующие основные недостатки систем машинного охлаждения на базе хладоновых или аммиачных холодильных агентов: экологическая опасность холодильных агентов; большая потеря массы продукта от усушки из-за медленного протекания процесса замораживания; продолжительные сроки строительства и введения в эксплуатацию, громоздкое и металлоемкое оборудование; высокие эксплуатационные затраты из-за низкой надежности и долговечности оборудования, требующего проведения частых ремонтов и необходимость содержания значительного количества квалифицированного обслуживающего персонала. Одно из главных преимуществ криогенной проточной системы заключается в том, что источник холода (N₂) находится в непосредственном контакте с продуктом, благодаря чему предотвращаются всякие потери при прохождении сети циркуляции, что неизбежно в машинных системах. Кроме того, тесный контакт между криоагентом и продуктом значительно увеличивает скорость процесса замораживания, что позволяет зафиксировать уровень влажности продукта связанный с сокращением потери его массы за счет усушки.

Высокая скорость процесса обеспечивает также качество и улучшает товарный вид продукта - продукт как бы отбеливается за счет мелких кристаллов льда на его поверхности. Однако, повышение скорости может служить и недостатком процесса, т.к. из-за резкого переохлаждения поверхностных слоев возникают внутренние напряжения, приводящие к нарушению структуры и появлению трещин у продукта. Для исключения такого явления в проточных Азотных скороморозильных аппаратах используют многозонный, чаще трехзонных принцип действия, который позволяет использовать пары Азота после его испарения в зоне замораживания (2-ая зона) в целях предварительного охлаждения (1-ая зона) и выравнивания температуры по толщине продукта (3-я зона). Предварительное охлаждение до криоскопической температуры на поверхности продукта осуществляется газообразным Азотом с температурой (-50...-70) °С на входе в аппарат и (-100...-110) °С на входе во вторую зону, где распылением жидкого Азота (-196) С продукт замораживается, а затем в 3-ей зоне парами Азота происходит выравнивание температуры по толщине продукта. Азотные скороморозильные аппараты, помимо вышеприведенных свойств, имеют и такие преимущества, как: экологическая безопасность; компактность аппарата (туннель, цистерна для Азота, соединительный трубопровод); меньшие, чем для машинной системы замораживания, капиталовложения; меньшая занимаемая аппаратом площадь; быстрый ввод в эксплуатацию и простое обслуживание; минимальное потребление электроэнергии и воды. Основной недостаток проточных криогенных систем - одноразовое использование криоагента, высокая стоимость которого требует повышенного внимания к конструкции оборудования, позволяющей использовать холодильный потенциал жидкого и образующего при его испарении газообразного хладагента.

Список литературы

1. Некрасов Б.В. Основы общей химии, т. 1. М., 1965;

2. Реми Г. Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М. 1963:

3. Химия и технология связанного Азота, [М.-Л.], 1961;

4. Сайт www.knowhimia.ru.

Размещено на Allbest.ru