Азот и его соединения

“С биологической точки зрения азот
более драгоценен, чем любой из
драгоценных металлов”

В.Л. Омелянский

Цели урока. На основе интеграции исторических, биологических и химических знаний изучить нахождение азота в природе и его свойства, вскрыть причинно-следственные связи “строение–свойства” и “свойства–применение”, изучить влияние азота и некоторых его соединений на окружающую среду и организм человека.

Образовательные. Охарактеризовать азот в свете представлений о трех формах существования химического элемента: атомы азота, простое вещество и азот в составе некоторых соединений. При изучении свойств обратить внимание на окислительно-восстановительные реакции.

Развивающие. Развить логическое мышление учащихся, расширить кругозор.

Воспитательные. Способствовать экологическому воспитанию, аккуратности, умению работать в группах.

Оборудование. Плакат “Азот — основа земледелия”, таблицы для игры “Определение химического элемента азота”, модели-аппликации “Биогенный круговорот азота в природе”, слайды-портреты ученых: Д.Резерфорда, А. Лавуазье, Ж. Шаптала, К. Шееле.

2. Мотивация и целеполагание.

Учитель: Сегодня наш урок посвящен одному из химических элементов периодической системы. Определив по таблице “Определение химического элемента азота”, где смесь, химическое соединение или химический элемент, то из найденных букв вы получите название химического элемента (Приложение 1).

Ученик: Название химического элемента – азот.

Учитель: Наш урок будет посвящен химическому элементу азоту и его соединениям. Запишем число, тему нашего урока и начнем создавать портрет для азота.

Учитель: Вашему вниманию представлены слайды – портреты ученых (Приложение 2): К. Шееле, Д. Резерфорда, А. Лавуазье, Ж. Шаптала. Имена этих ученых связаны с открытием газа азота.

В 1772 г. английский ученый Д. Резерфорд и шведский исследователь К. Шееле обнаружили в своих экспериментах по сжиганию веществ газ, который не поддерживает дыхания и горения.

В 1787 г. А. Лавуазье установил наличие в воздухе газа, не поддерживающего дыхания и горения, и по его предложению этому газу было дано название “азот”, означающий “безжизненный” (от лат. а – нет и зоэ – жизнь).

В 1790 г. Ж. Шапталом было предложено другое латинское название нитрогениум, означающее “рождающий селитру”.

Перейдем к изучению строения и свойств атома азота. Рассмотрим строение атома азота. Какое положение занимает химический элемент азот в периодической системе? Какой физический смысл данных показателей азота?

Ученик: Химический элемент азот располагается в периодической системе во втором периоде, в пятой группе, главной подгруппе, порядковый номер – 7. Поэтому атом азота содержит 2 уровня, всего электронов в атоме находится 7: на первом уровне – 2 электрона, на втором уровне – 5 электронов (определяется по номеру группы). Число не спаренных электронов на последнем уровне – 3 (8-номер группы).

Учитель: Изобразить электронно-графическую формулу атома азота.

Ученик на доске изображает электронно-графическую формулу атома азота, остальные учащиеся записывают в тетрадь.

Учитель: Сколько неспаренных электронов на последнем уровне?

Ученик: На втором уровне находится три неспаренных электрона.

Учитель: Сколько атом может принять электронов и какую степень окисления приобретет?

Ученик: Атом азота может принять от одного до трех электронов. Поэтому атом приобретает степень окисления -1,-2,-3.

Учитель: Может ли атом принять больше трех электронов?

Ученик: Так как атом азота не содержит d-подуровень на внешнем уровне, то его электроны не могут разъединяться и принимать дополнительно электроны, а только сможет их отдать более электроотрицательному атому химического элемента.

Учитель: Какое количество электронов может отдать атом азота?

Ученик: Атом азота может отдать от одного до пяти электронов с внешнего уровня.

Учитель: Определим степень окисления азота в соединениях. На доске написаны соединения азота: NH₃, N₂O₅, Mg₂N₃, NO, HNO₃, HNO₂, N₂. Учащиеся в тетради записывают соединения, определяя степень окисления азота.

Учитель: Подведем итог. Атом азота может проявлять степень окисления: -3,-2, -1,0,+1,+2,+3,+4,+5. Рассмотрим строение молекулы простого вещества – азота. Молекула азота состоит из двух атомов азота. Определите вид химической связи.

Ученик: Так как молекула состоит из двух атомов неметаллов с одинаковой электроотрицательностью, то вид связи – ковалентная неполярная.

Один из учащихся на доске рисует схему образования связи, а остальные учащиеся – в тетради.

Ученик: На внешнем уровне атома азота находится пять электронов, три из них неспаренные. Неспаренные электроны образуют три электронных пары (тройная связь).

Учитель: Как вы думаете, легко будет молекула азота взаимодействовать с другими веществами.

Ученик: Связь в молекуле азота очень прочная, поэтому для ее разрыва необходимо применить дополнительные условия, например температура, давление.

Учитель: Рассмотрим физические и химические свойства азота. Азот взаимодействует с металлами и неметаллами при высоких температуре и давлении, только с литием реакции протекают при нормальных условиях.

Учащиеся из учебника записывают физические и химические реакции азота, составляя самостоятельно электронный баланс.

Учитель: Изучим биологическое значение азота. Рассмотрим биогенный круговорот азота в природе, используя плакат “Азот — основа земледелия” (Приложение 3).

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме, при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N₂. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в “связанное” состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом, мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄⁺). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃^–). Поступая в растения, этот азот участвует в образовании аминокислот и белков. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10¹⁵) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·10¹²) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и, в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота. Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).

Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород [1], [2].

Учитель: Закрепим полученные знания, ответив на вопросы. У вас на столах лежат карты-аппликации (Приложение 4). Используя их, ответьте на следующие вопросы.

1. Где содержатся основные запасы азота Земли? В каком виде присутствует азот в организмах растений и животных?
2. Принимают ли участие в процессе круговорота азота какие-либо организмы кроме растений и животных? Покажите их на модели.
3. Покидает ли азот когда-нибудь растительные и животные организмы? Покажите эти процессы на модели.
4. Как человеческая деятельность влияет на состав атмосферы? Отберите нужные аппликации.
5. Покажите на модели: Какие соединения азота присутствуют в почве? В воздухе? Как они влияют на экологические условия?
6. Составьте общую схему круговорота азота в природе, используя модель.

1. Пичугина Г.В. Методические рекомендации к комплекту таблиц “Химия в технологиях сельского хозяйства”. М.,2010г.;
2. Пугал Н.А. Руководство по использованию на модели-аппликации “Биогенный круговорот азота в природе”. СПб, 2009 г.