Азот - безжизненный газ, который так необходим для жизни

Версия для печатиВерсия для печати
Азот
химический элемент, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. В воздухе свободный азот (в виде молекул N2) составляет 78,09%. Немного легче воздуха, плотность 1,2506 кг/м3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -195,8°C. Критическая температура -147°C и критическое давление 3,39 МПа. Бесцветный, без запаха и вкуса, нетоксичен, невоспламеняемый, невзрывоопасен и не поддерживающий горение газ в газообразном состоянии при обычной температуре обладает высокой инертностью. Химическая формула - N. В обычных условиях молекула азота двухатомная - N2.
Формула азота

История открытия азота

До сих пор ведутся споры о том, кто был первооткрывателем. В 1772 г. шотландский врач Даниель Резерфорд (Daniel Rutherford) пропуская воздух через раскаленный уголь, а потом через водный раствор щелочи - получил газ, который он назвал «ядовитый газ». Оказалось, что горящая лучинка, внесенная в сосуд, наполненный газом, гаснет, а живое существо в атмосфере этого газа быстро гибнет. Кстати, увидеть опыт с горячей лучинкой можно в видео.

В тоже время британский физик Генри Кавендшин (Henry Cavendish) проводя подобный опыт получил N2назвав его «удушливый воздух», британский естествоиспытатель Джозеф Пристли (Joseph Priestley) дал ему имя «дефлогистированный воздух», шведский химик Карл Вильгельм Шееле (Carl Wilhelm Scheele) - «испорченный воздух».

Окончательное имя «азот» дал французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier).

Слово «азот» греческого происхождения и означает «безжизненный».

Азот довольно легко поглощается раскаленным карбидом кальция, образуя при этом важный технический продукт - цианамид кальция и об этом уже писали в статье про ацетилен.

Способы получения азота

Получение N2 в промышленных масштабах основано на производстве его из воздуха путем фракционной перегонки (см. получение азота).

Виды азота

Жидкий азот
бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения -195,8°C при давлении 101,3 кПа и удельным объемом 1,239 дм3/кг при температуре -195,8°C и давлении 101,3 кПа. Жидкий азот используется как хладагент. Жидкий азот может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.
Закись азота
бесцветный газ, имеет сладковатый вкус и слабый, приятный запах. Свойства этого газа были изучены английским химиком Гемфри Дэви (Humphry Davy) в 1799 году. Интересуясь действием различных газов на организм человека, Дэви обычно испытывал их на себе. При вдыхании закиси азота, он пришел в возбужденное состояние, сопровождаемое смехом. За эти свойства закись азота была названа им - веселящим газом. В дальнейшем было установлено, что при более длительном вдыхании закиси азота наступает потеря сознания. Закись азота - окисел, не дающий кислот, он относится к несолеобразующим окислам.

Закись азота (N2O) не может быть получена из газообразного кислорода и N2, она образуется из азотнокислой соли аммония, которая при осторожном нагревании разлагается на закись азота и воду по реакции:

NH4NO3 = N2O + 2H2O

Газообразный азот
относительно инертный по своим свойствам газ без цвета и запаха плотностью 1,25046 кг/м3 при 0°C и давлении 101,3 кПа. Удельный объем газообразного азота равен 860,4 дм3/кг при давлении около 105 Па и температуре 20°C.

В отличие от кислорода, который взаимодействует почти со всеми элементами, встречающимися в природе, газообразный азот при комнатной температуре соединяется с единственным элементом - литием, образуя при этом нитрид лития:

N2 + 6Li = 2Li3N

Но при высоких температурах ряд металлов (титан, молибден и др.) с азотом образуют нитриды, снижающие механические свойства и поэтому его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить.

Применение азота

Азот нашел применение во многих отрослях промышленности и ниже приведен небольшой список:

  • для создания инертной атмосферы при производстве, хранении и транспортировке легко окисляемых продуктов;
  • при высокотемпературных процессах (например - сварка и резка) обработки металлов, не взаимодействующих с азотом;
  • для консервации замкнутых металлических сосудов и трубопроводов.

Применение азота в сварке

N2 является инертным по отношению к меди и ее сплавам (не растворяется в меди и не реагирует с ней) даже при высоких температурах. Азот применяют, как в чистом виде, так и в составе защитного газовой смеси с аргоном Ar (70-90%) + N2 (30-10%) для сварки меди и ее сплавов.

Применение азота в сварке

Также газ азот используют для сварки аустенитных нержавеющих сталей - исключительно как компонент защитной газовой смеси с аргоном.

Возникает логичный вопрос: «Если он образует карбиды, какой смысл его использовать для сварки нержавеющих сталей, в составе которых есть карбидообразующие элементы?»

Все дело в том, что даже сравнительно небольшое содержание N2 увеличивает тепловую мощность дуги. Именно из-за этого свойства, его чаще всего используют не для сварки, а для плазменной резки.

При сварке полуавтоматом нержавейки добавление небольшого количества азота к смеси аргона с кислородом (95-97,5% Ar, 1% O2, 1,5-3% N2) позволяет добиться равномерной аустенитной структуры в сварных швах. При добавлении азота более 10% начинается обильное выделение дыма, но это не оказывает какого-либо негативного влияния на качество сварного шва нержавеющей стали.

При сварке полуавтоматом малоуглеродистых сталей содержание N2 в газовой смеси более 2% вызывает пористость при сварке в один проход. Концентрация N2 менее 0,5% вызывает пористость в сварном шве при многопроходной сварке.

Применение смеси Ar c высоким содержанием N2 для сварки меди и ее сплавов вызывает большое разбрызгивание метала сварочной ванны.

Вредность и опасность азота

Азот относится к нетоксичным газам, но может действовать как простой асфиксант (удушающий газ). Удушье наступает тогда, когда уровень кислорода в воздухе сокращается на 75% или становится ниже нормальной концентрации.

В больших количествах он очень вреден и опасен для организма человека.

Хранение и транспортировка азота

Выпускают азот по ГОСТ 9293 газообразным и жидким. Для сварки и плазменной резки применяют газообразный 1-го (99,6% N2) и 2-го (99,0% N2) сортов.

Хранят и транспортируют его в сжатом состоянии в стальных баллонах по ГОСТ 949.

Баллоны окрашены в черный цвет и надписью желтыми буквами «АЗОТ» на верхней цилиндрической части.

Баллон с азотом

Характеристики азота

Характеристики N2 указаны в таблицах ниже:

Коэффициенты перевода объема и массы N2 при Т=15°C и Р=0,1 МПа

Масса, кг

Объем

Газ, м3

Жидкость, л

1,170 1 1,447
0,809 0,691 1
1 0,855 1,237

Коэффициенты перевода объема и массы N2 при Т=0°C и Р=0,1 МПа

Масса, кг Объем
Газ, м3 Жидкость, л
1,251 1 1,548
0,809 0,646 1
1 0,799 1,237

Азот в баллоне

Наименование Объем баллона, л Масса газа в баллоне, кг Объем газа (м3) при Т=15°C, Р=0,1 МПа
N2 40 7,37 6,3

Благодаря информации в таблице можно дать ответы на вопросы, которые часто задают сварщики:

  • Сколько литров в баллоне азота?
    Ответ: 40 литров
  • Сколько азота в баллоне 40л?
    Ответ: 6,3 м3 или 7,37 кг
  • Сколько весит баллон с азотом 40 литров
    Ответ:
    58,5 кг - масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
    7,37 - кг масса N2 в баллоне;
    Итого: 58,5 + 7,37 = 65,87 кг вес баллона с азотом.

Давление азота в баллоне при различной температуре окружающей среды

Температура окружающей среды Давление в баллоне, МПа

-40

11,2

-30

11,9

-20

12,6

-10

13,4

0

14,0

+10

14,7

+20

15,3

+30

15,9