úvod
S každým nádychom vdýchneš viac dusíka ako kyslíka, a predsa ho vydýchneš celý späť. Dusík je súčasťou každej bielkoviny v tvojich svaloch a každej molekuly DNA, telo ho však musí získať z potravy. Rastliny ho berú z pôdy a poľnohospodári ho dodávajú v hnojivách, bez ktorých by sa dnes na Zemi neuživila ani polovica ľudí. V tejto lekcii zistíš, ako putuje dusík prírodou a ako sa zo vzduchu vyrábajú hnojivá.
teória
Vlastnosti dusíka
Dusík (latinsky nitrogenium, značka N) je nekov 15. skupiny. Za bežných podmienok je to bezfarebný plyn bez chuti a zápachu, zložený z dvojatómových molekúl N₂. Je o niečo ľahší ako vzduch a vo vode sa rozpúšťa len málo. Nehorí a horenie nepodporuje, horiaca trieska v ňom zhasne a zviera by sa v čistom dusíku udusilo. Odtiaľ má aj slovenské meno.
Dusík je veľmi málo reaktívny. Pri bežnej teplote nereaguje takmer s ničím, preto ho vo vzduchu dýchame bez úžitku aj bez škody. Pri vysokej teplote, napríklad v blesku alebo v motore auta, sa však zlučuje s kyslíkom a s niektorými kovmi.
Atóm dusíka má konfiguráciu 1s² 2s² 2p³. Tri nespárené elektróny 2p vytvoria s druhým atómom trojitú väzbu N≡N, jednu väzbu σ a dve väzby π. Jej väzbová energia je 945 kJ/mol, jedna z najväčších vôbec, preto je molekula dusíka taká stála. Každý atóm má navyše jeden voľný elektrónový pár.
Dusík je veľmi elektronegatívny (3,0) a v zlúčeninách má oxidačné čísla od −III po +V:
| oxidačné číslo | príklad |
|---|---|
| −III | amoniak NH₃, amónne soli NH₄⁺, nitridy |
| 0 | dusík N₂ |
| +I | oxid dusný N₂O |
| +II | oxid dusnatý NO |
| +III | kyselina dusitá HNO₂, dusitany |
| +IV | oxid dusičitý NO₂ |
| +V | kyselina dusičná HNO₃, dusičnany |
teória
Kde sa dusík nachádza a ako sa získava
- Vzduch je z asi 78 % dusík, to je hlavná zásoba dusíka na Zemi.
- V živých organizmoch je dusík súčasťou bielkovín, nukleových kyselín aj chlorofylu. Tvorí asi 3 % hmotnosti ľudského tela.
- Nerastov s dusíkom je málo. Najznámejší je čílsky liadok NaNO₃ z púští v Čile.
Dusík sa v priemysle získava destiláciou skvapalneného vzduchu, rovnako ako kyslík. Kvapalný dusík vrie pri −196 °C. Zmrazujú sa v ňom potraviny a biologické vzorky, lekári ním odstraňujú bradavice a ochladzujú sa ním supravodiče. Pozri pokus Tekutý dusík. S kvapalným dusíkom sa pracuje v ochranných rukaviciach a okuliaroch, pri dotyku spôsobí omrzliny.
teória
Amoniak
Amoniak NH₃ je bezfarebný plyn s prenikavým štipľavým zápachom, ktorý cítiť napríklad v neupratanom maštali. Je ľahší ako vzduch a veľmi dobre sa rozpúšťa vo vode. Jeho roztok je zásaditý, fenolftaleín ho sfarbí do fialova, a predáva sa ako čpavok. S kyselinami tvorí amoniak amónne soli. Keď sa stretnú pary amoniaku a chlorovodíka, vznikne biely dym chloridu amónneho, pozri pokus Príprava chloridu amónneho.
Amoniak sa vyrába Haberovou syntézou priamo z dusíka zo vzduchu a z vodíka. Na Slovensku vyrába amoniak a dusíkaté hnojivá Duslo Šaľa.
Molekula amoniaku má tvar trojbokej pyramídy. Atóm dusíka s hybridizáciou sp³ tvorí tri väzby s vodíkom a štvrtý orbitál obsadzuje voľný elektrónový pár. Molekula je polárna a tvorí s vodou vodíkové väzby, preto sa amoniak tak dobre rozpúšťa. Voľný pár prijme katión H⁺ a vznikne amónny katión, preto je amoniak zásada:
Haberova syntéza je rovnovážna a exotermická reakcia. Z plynov na ľavej strane (4 móly) vznikajú 2 móly amoniaku, preto rovnováhu posúva k produktu vysoký tlak 150 až 300 atmosfér. Nižšia teplota by dala viac amoniaku, reakcia by však bola príliš pomalá. Kompromisom je teplota 400 až 500 °C a katalyzátor zo železa. Amoniak sa z reakčnej zmesi odstraňuje skvapalnením a nezreagované plyny sa vracajú späť.
teória
Kyselina dusičná a dusičnany
Kyselina dusičná HNO₃ je bezfarebná kvapalina, silná kyselina a zároveň silné oxidovadlo. Rozpúšťa aj meď a striebro, ktoré s inými kyselinami nereagujú, pozri pokus Meď s kyselinou dusičnou. Na koži spôsobuje žlté škvrny a ťažké poleptanie, lebo reaguje s bielkovinami. Vyrába sa oxidáciou amoniaku a spotrebuje sa hlavne na hnojivá, výbušniny, farbivá a plasty.
Soli kyseliny dusičnej sú dusičnany. Všetky sa dobre rozpúšťajú vo vode a rastliny ich prijímajú koreňmi, preto sú dôležitými hnojivami. Dusičnan draselný (liadok) je aj zložkou čierneho pušného prachu, dusičnan amónny je najrozšírenejšie dusíkaté hnojivo.
Kyselina dusičná sa vyrába Ostwaldovým postupom. Amoniak sa na platinovom katalyzátore oxiduje kyslíkom na oxid dusnatý, ten sa ďalej oxiduje na oxid dusičitý a pohltí sa vo vode. Katalytickú oxidáciu amoniaku ukazuje pokus Amoniakové svetlušky.
Kyselina dusičná oxiduje kovy dusíkom, nie vodíkovými katiónmi, preto sa pri jej reakcii s kovmi vodík neuvoľňuje. Zriedená kyselina sa redukuje hlavne na NO, koncentrovaná na NO₂. Železo, hliník a chróm koncentrovaná kyselina dusičná pasivuje. Názvy dusičnanov vysvetľuje lekcia Soli kyslíkatých kyselín.
teória
Oxidy dusíka
- Oxid dusný N₂O, rajský plyn, je bezfarebný plyn so sladkastou vôňou. Tlmí bolesť a používa sa pri zákrokoch, zároveň je silným skleníkovým plynom.
- Oxid dusnatý NO vzniká pri vysokej teplote z dusíka a kyslíka, napríklad v blesku a v motore. V tele slúži ako signálna molekula, ktorá rozširuje cievy.
- Oxid dusičitý NO₂ je hnedý jedovatý plyn. Vzniká oxidáciou NO vo vzduchu, dráždi pľúca, spolu s oxidom siričitým spôsobuje kyslé dažde a podieľa sa na vzniku prízemného ozónu.
Katalyzátory vo výfukoch áut menia oxidy dusíka späť na neškodný dusík.
teória
Kolobeh dusíka
Dusík neustále putuje medzi vzduchom, pôdou a živými organizmami. Rastliny ani živočíchy nedokážu využiť dusík zo vzduchu, jeho trojitú väzbu vedia rozbiť len niektoré baktérie. Tie žijú v pôde alebo v hrčkách na koreňoch bôbovitých rastlín, napríklad hrachu, fazule, ďateliny a lucerny. Baktérie menia dusík na amónne ióny, iné baktérie ich premenia na dusičnany a tie prijmú rastliny. Živočíchy získajú dusík z potravy a po ich smrti ho rozkladače vrátia do pôdy. Ďalšie baktérie menia dusičnany späť na plynný dusík a kolobeh sa uzavrie.
vyskúšaj si
Kolobeh dusíka
Pomenuj dej na zvýraznenej šípke.
0 / 0Šípka 1: dusík vo vzduchu → amónne ióny v pôde. Ako sa volá tento dej?
Pomenuj deje na zvýraznených šípkach: ako sa dusík zo vzduchu dostane do pôdy, do rastlín a živočíchov a ako sa vráti späť. Na úrovni SŠ pribudnú blesky a výroba hnojív.
Ľudia do kolobehu dusíka výrazne zasahujú priemyselnými hnojivami. Dnes viažeme zo vzduchu podobne veľa dusíka ako všetky baktérie na súši. Časť dusičnanov z hnojív sa však z polí vyplavuje do riek, jazier a podzemnej vody. Vo vode spôsobujú premnoženie rias, ktoré po odumretí spotrebujú kyslík, a ryby hynú. Pitná voda smie v Európskej únii obsahovať najviac 50 mg dusičnanov v litri.
teória
Využitie dusíka a jeho zlúčenín
Dusík aj jeho zlúčeniny majú množstvo využití, od balenia potravín po lieky. Ku každej vlastnosti priraď použitie.
vyskúšaj si
Dusík a jeho zlúčeniny
Ku každej vlastnosti dusíka alebo jeho zlúčeniny priraď, na čo sa používa.
0 / 0vlastnosť
použitie
rozšírenie Fritz Haber: chlieb zo vzduchu
Na začiatku 20. storočia hrozil svetu hlad. Polia potrebovali dusík a jediným veľkým zdrojom hnojív bol čílsky liadok, ktorého zásoby sa míňali. Nemecký chemik Fritz Haber v roku 1909 prvý raz pripravil amoniak priamo z dusíka zo vzduchu a z vodíka. Carl Bosch z firmy BASF potom postavil obrovské reaktory, ktoré vydržali vysoký tlak a teplotu, a v roku 1913 začala priemyselná výroba.
Haberovej syntéze sa hovorí „chlieb zo vzduchu“. Odhaduje sa, že bez hnojív z nej by sa na Zemi neuživila ani polovica dnešných ľudí a asi polovica dusíka v našich bielkovinách prešla cez niektorú továreň na amoniak. Haber dostal v roku 1918 Nobelovu cenu za chémiu, Bosch v roku 1931.
Haberov život má aj temnú stránku. Počas prvej svetovej vojny viedol vývoj chemických zbraní a osobne dohliadal na prvý veľký útok chlórom pri belgickom Ypres v roku 1915. Rovnaká reakcia, ktorá živí miliardy ľudí, zase dodávala kyselinu dusičnú na výbušniny. Príbeh Fritza Habera sa preto často uvádza ako príklad, že veda môže slúžiť dobru aj zlu.
teória
Časté chyby
- „Dusík vo vzduchu je zbytočný, lebo ho nedýchame.“ Dusík riedi kyslík, bez neho by všetko horelo prudko. Dusík zo vzduchu je aj zdrojom všetkého dusíka v bielkovinách, cez baktérie a hnojivá.
- „Rastliny berú dusík priamo zo vzduchu.“ Väčšina rastlín prijíma dusík z pôdy ako dusičnany alebo amónne ióny. Bôbovité rastliny využívajú dusík zo vzduchu vďaka baktériám v hrčkách na koreňoch.
- „Amoniak je kyselina, lebo štípe.“ Roztok amoniaku je zásaditý. Štipľavý zápach nie je znakom kyslosti.
- „Hnojív nikdy nie je dosť.“ Nadbytok dusičnanov sa vyplavuje do vôd, znečisťuje pitnú vodu a spôsobuje premnoženie rias.
- „Kvapalný dusík je horľavý.“ Dusík nehorí. Nebezpečný je omrzlinami a tým, že vo veľkom množstve vytláča kyslík zo vzduchu v uzavretej miestnosti.
Druhý prvok 15. skupiny, dôležitý pre život aj pre hnojivá, je fosfor, o ktorom je ďalšia lekcia. Ako amoniak vzniká z vodíka, pripomína lekcia Vodík.