Азот: получение, применение и свойства газа

Содержание:

1. Азот и его свойства
2. Способы получения азота
3. Области применения

Азот (N₂) — химический элемент, представляющий собой бесцветный, без запаха и вкуса газ. Его плотность — 1,2506 кг/м³, в составе земной атмосферы количество достигает 78%.

Газ переходит в твердое состояние при температуре ниже −209,86 °C, при этом образуя крупные белые кристаллы или снежную массу. В жидком виде при температуре −196 °С напоминает воду. Плотность азота в жидком состоянии составляет 807 кг/м³.

Основные свойства азота:

• Не вступает в реакции с большинством химических веществ при нормальных условиях.
• В высокотемпературных реакторах может участвовать в синтезе аммиака и других химических соединений.
• Не ядовит, но в высоких концентрациях вытесняет кислород из воздуха, из-за чего становится опасным, если помещение закрыто и не имеет вентиляции.

Из-за своих характеристик, азот используют в промышленности, медицине, пищевой и других отраслях.

Способы получения азота

Есть несколько методов получения азота. Рассмотрим основные, а затем расскажем о дополнительных.

Криогенный

Криогенное получение азота — наиболее распространенный метод на крупных производствах. В процессе охлаждения воздуха до крайне низких температур, ниже −190°C, происходит разделение воздуха на компоненты: азот остается в газообразном состоянии, а кислород и другие газы конденсируются. Так можно получить азот самой высокой чистоты — до 99,999%.

• Преимущества: низкие удельные энергозатраты, высокая чистота азота.
• Недостатки: используются в основном крупные криогенные установки, необходимость периодического отогрева криогенного блока, большой штат обслуживающего персонала, низкие температуры процесса разделения воздуха

Адсорбционный

При адсорбционном методе воздух пропускается через специальный адсорбент, который поглощает молекулы кислорода, а азот выводится в качестве продукционного газа. Этот способ также позволяет получить газ высокой чистоты до 99,9999%.

• Преимущества: автономность, эффективность, низкие затраты на установку и, как следствие, быстрая окупаемость
• Недостатки: обычно это установки малой или средней производительности в отличии от криогенного метода получения азота.

Чтобы получить азот используют адсорбционные генераторы азота, которые подходят для малого или среднего бизнеса, например, в пищевой промышленности, лабораториях, медицинских учреждениях и других областях народного хозяйства

Мембранный

Способ заключается в пропускании воздуха через полупроницаемую мембрану, которая задерживает молекулы кислорода и других газов, в то время как азот проходит через нее. Этот метод сравнительно недорогой, но на выходе получается азот с концентрацией не выше 99%, чего может быть недостаточным в некоторых сферах деятельности.

• Преимущества: непрерывный процесс, сравнительно низкие эксплуатационные расходы.
• Недостатки: старение мембраны и снижение ее характеристик со временем, достаточно низкая чистота газа, что ограничивает его применение в высокотехнологичных процессах.

Если предприятию не нужен газ высокой чистоты, то следует выбирать мембранные генераторы азота.

Другие методы получения азота

Разложение нитрита аммония

В лабораториях азот можно получить методом разложения нитрита аммония (NH₄NO₂), который при нагревании разлагается с образованием азота:

NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂0

Таким способом можно получить высокую степень чистоты получаемого азота. Однако стоит учитывать, что реакция требует точного контроля температуры, тогда получится избежать побочных процессов.

Нагревание сульфата аммония с дихроматом калия

Другой метод, применяемый в лабораториях, включает нагрев смеси сульфата аммония и дихромата калия (K₂Cr₂O₇). Процесс описывается двумя стадиями:

1. Взаимодействие между сульфатом аммония и дихроматом калия:

K₂Cr₂O₇+ (NH₄)₂SO₄ → (NH₄)2Cr₂O₇ + K₂SO₄

2. Разложение аммоний-дихромата:

(NH₄)2Cr₂O₇ → N₂ + Cr₂O₃ + 4H₂O

Полученный азот проходит этапы очистки и используется в лабораторных синтезах. Этот метод требует высокой температуры, а продукты реакции, например, оксид хрома, необходимо утилизировать, что увеличивает затраты.

Пропускание аммиака над оксидом меди (II)

Аммиак NH₃ пропускают через нагретый оксид меди (II) при температуре около 700°C:

2NH₃ + 3CuO → N₂ + 3Cu + 3H₂O

Преимущество метода в том, что есть возможность одновременной регенерации меди, которая остается в виде металлического осадка.

Реакция также требует точного поддержания температуры, так как при ее снижении образуются побочные продукты, например, оксиды азота.

Разложение азидов

Этот метод широко применяется в лабораториях и промышленности для генерации азота в устройствах, где требуются мгновенные выбросы газа, например, в автомобильных подушках безопасности.

Формула получения выглядит следующим образом:

2NaN₃ → 2Na + 3N₂

Азиды используют из-за их способности разлагаться при минимальном нагреве, что делает метод эффективным для аварийных или мобильных систем.

Реакция воздуха с раскаленным коксом

Используется для получения азота в больших объемах. В процессе взаимодействия воздуха с углеродом © при высокой температуре происходит связывание кислорода, это позволяет выделить азот:

C + O₂ → CO₂

N₂ (из воздуха) + CO₂ → N₂

Способ менее энергозатратен, чем криогенное разделение воздуха. Его применяют там, где высокая чистота газа не требуется.

Перегонка воздуха

На промышленных предприятиях азот часто получают методом фракционной перегонки воздуха. Воздух сначала сжимается, затем охлаждается до очень низкой температуры, где кислород и азот переходят в жидкое состояние. После этого происходит их разделение.

O2 → конденсация при −183°C

N2 → конденсация при −196°C

Этот метод получения азота подходит для крупных производств, таких как нефтехимические заводы или металлургические предприятия.

Где применяют азот

Рассмотрим основные области применения азота.

Применение азота в медицине

Криотерапия- использование жидкого азота в медицине. Жидкий азот с температурой около −196°C используется для лечения и косметологических процедур. Это вещество незаменимо при удалении новообразований на коже, таких как бородавки, папилломы, кератомы. Замораживание тканей приводит к их разрушению, через некоторое время место заживает самостоятельно. В косметологии криотерапия применяется для омоложения кожи, устранения пигментных пятен и мелких морщин, а также улучшения тонуса кожи.

Жидкий азот также играет ключевую роль в криоконсервации биоматериалов. Используется для сохранения спермы, яйцеклеток, эмбрионов, а также стволовых клеток, которые применяют в трансплантологии, регенеративной медицине. Криоконсервация позволяет сохранять биологический материал без потери его жизнеспособности в течение десятков лет, что крайне важно в таких программах, как экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО).

Еще одна важная область применения азота в медицине — хранение и транспортировка медицинских препаратов. Этот газ обеспечивает стабильные сверхнизкие температуры для вакцин, препаратов крови, например, тромбоцитов или плазмы, а также для лекарственных средств, требующих строгого температурного контроля. Для этого используют сосуды Дьюара, обеспечивающие надежное хранение биоматериала.

Применение азота в промышленности

В промышленности этот газ применяют для создания инертной атмосферы или в качестве компонента в химических реакциях, например, при производстве аммиака, синтезе химических удобрений, переработке нефтехимических продуктов.

Газообразный азот применяют также для создания бескислородной среды в металлообработке — при отжиге, закалке металлов. Также он нужен в процессах плазменной или лазерной резки металлов, защиты материалов от коррозии, предотвращения окисления при высоких температурах.

Другое важное направление применения азота — нефтегазовая промышленность, где его используют для подачи газа в скважины, защиты трубопроводов, резервуаров.

Применение азота в пищевой промышленности

С его помощью упаковывают и хранят многие продукты. Например, масла, мясо, рыбу, орехи, кофе и многое другое. Инертная среда внутри упаковки позволяет увеличить срок годности продуктов, сохранить их свежесть.

Кроме того, азот используют в фрукто- и овощехранилищах, он предотвращает развитие бактерий, грибков, улучшая таким образом условия для долгосрочного хранения.

Применение в других отраслях

Электроника. Если нужна защита чувствительных компонентов и микросхем от окисления. В процессе пайки, производства печатных плат азот создает необходимые условия для защиты материалов от воздействия кислорода.

Автосервисы. В данном случае применяется для закачки в автомобильные шины, улучшает их эксплуатационные характеристики. Он предотвращает проявление коррозии, уменьшает потребность в подкачке колес.

За разработкой и поставкой генераторов азота обращайтесь в компанию «Провита». Гарантируем надежность оборудования, профессиональный подход. Свяжитесь с нами для консультации по телефону 8 812 334 56 38 или электронной почте provita.russia+7403@gmail.com.