Aplikace dusíku v různých průmyslových oborech

Dusík je jedním z nejdůležitějších prvků v přírodě. Tvoří přibližně 78 % zemské atmosféry a hraje klíčovou roli v různých životních procesech na naší planetě. Navzdory tomu, že se dusík nachází v tak obrovských množstvích, je inertní plyn a nepodporuje život jako kyslík. V tomto článku se podíváme na to, co je dusík, jak se vyrábí a jaké jsou jeho aplikace.

Co je dusík?

Dusík (N2) je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, který je hlavní složkou vzduchu. Je součástí mnoha biologických molekul, včetně proteinů, nukleových kyselin a aminokyselin. Používá se také jako inertní plyn v různých procesech, jako je svařování, pájení, sušení atd.

Způsoby získávání dusíku

Dusík lze získat ze vzduchu několika způsoby. Lze jej získat například destilací kapalného vzduchu nebo frakční destilací, která je založena na různých teplotách varu složek vzduchu. Další metodou je katalytická přeměna amoniaku. Existuje také způsob, jak jej získat zahřátím dusičnanu amonného, ​​který lze zase získat z amoniaku a kyseliny. V procesu parní frakční destilace kapalného vzduchu se dusík získává separací složek vzduchu na základě jejich různých bodů varu, což umožňuje výrobu vysoce čistého dusíku. Nakonec se dá získat spalováním zemního plynu, ale tato metoda není v různých oborech tak rozšířená jako jiné.

Aplikace dusíku v různých oblastech

1. Lék. Dusík nachází své uplatnění v lékařství pro chladovou terapii, při léčbě bolesti a zánětu a při provádění chirurgických operací.
2. Potravinářský průmysl. Používá se v potravinářském průmyslu k výrobě mražených potravin, cukrovinek a nápojů a také k zachování čerstvosti potravin.
3. Hutnictví. V této oblasti se používá pro kalení kovu a snižování množství škodlivých nečistot.
4. Elektronika. Používá se k vytvoření vakua a k ochraně proti oxidaci a korozi.
5. Chemický průmysl. Používá se pro syntézu různých chemických sloučenin, jako je amoniak, dusičnany, kyslíkaté kyseliny a další produkty.
6. Konstrukce. Dusík se používá k ochraně stavebních konstrukcí před korozí a oxidací.
7. Letectví. Dusík se používá k plnění pneumatik a brzdových systémů letadel a k ochraně křídel letadel před tvorbou ledu.
8. Automobilový průmysl. Používá se ke zlepšení výkonu motoru a zvýšení výkonu vozidla a také k ochraně kol a rámů vozidel před korozí.
9. Zemědělství. V této oblasti se používá k hnojení půdy a zvyšování výnosů plodin a také k ochraně rostlin před škůdci a chorobami.
10. Energie. Dusík se používá v energetickém průmyslu k výrobě elektřiny v moderních plynových turbínách a elektrárnách a také jako hasicí přístroj v energetických zařízeních.
11. Ropný a plynárenský průmysl. V této oblasti nachází uplatnění v různých technologických procesech, jako je čištění plynu a ropy, zvyšování produkce ropy, ale i pro ochranu potrubí a nádrží před korozí.
12. Kryogenní technologie. Používá se v kryogenní technologii k vytvoření extrémně nízkých teplot, které jsou nezbytné pro mnoho technologických procesů, například pro tvorbu supravodičů.
13. Vesmírný průmysl. Používá se k vytvoření inertního prostředí v kosmických lodích a stanicích a také k chlazení a zkapalňování plynů používaných v raketových motorech.
14. Systém zásobování vodou. V této oblasti se používá k dezinfekci pitné vody a také k ochraně vodovodního potrubí před korozí.
15. Vědecký výzkum. Dusík se ve vědeckém výzkumu používá například k vytváření experimentálních podmínek při provádění fyzikálních a chemických experimentů a také k vytváření inertního prostředí při studiu vysokoteplotních procesů.

Závěrem lze říci, že dusík je nedílnou součástí mnoha průmyslových a vědeckých procesů. Je široce používán v různých oblastech, jako je medicína, potravinářský průmysl, stavebnictví, elektronika, letectví, automobilový průmysl, zemědělství a tak dále Při správném použití může dusík výrazně zlepšit kvalitu produktu a zvýšit efektivitu výroby.

Oblasti znalostí: Obecná chemie Symbol: N Atomové číslo: 7 Skupina prvků: Nekovy Relativní atomová hmotnost: 14,00672a. e.m. Atomový poloměr: 71 pm Elektronegativita: 3,05 jednotek. podle Paulingovy stupnice Fyzikální stav: Hustota plynu při n. cu.: 0,0012506 g/cm³ Bod tání: -209,86 °C Bod varu: -195,75 °C

Chemické prvky Chemické prvky

Dusík (od . a řečtina ζωός – živý; lat. Dusík), N, chemický prvek skupiny V krátké formy (15. skupina dlouhé formy) periodické tabulky, atomové číslo 7, atomová hmotnost 14,00672. V přírodě existují dva stabilní izotopy: 14N (99,635 %) a 15N (0,365 %).

Historické informace

V roce 1772 skotský chemik D. Rutherford poprvé popsal vlastnosti plynu, který nepodporuje spalování a dýchání, a nazval jej „dusivý vzduch“. V roce 1787 A. L. de Lavoisier zjistil, že „dusivý“ plyn, který je součástí vzduchu, je jednoduchá látka a navrhl pro něj název „dusík“ (doslova neživý). V roce 1784 G. Cavendish ukázal, že dusík je součástí složení dusičnanů; v roce 1790 byl navržen latinský název dusík (z pozdně latinského nitrum – ledek a řeckého γεννάω – rodit). Do počátku 19. stol. Konečně byl vytvořen koncept chemické inertnosti dusíku ve volném stavu a byla objasněna důležitá role vázaného dusíku.

Prevalence v přírodě

V atmosféře dusíku je asi 3,9·10 t; jeho hlavní část je ve volném stavu (dusík ve vzduchu je 15 % hm., 75,6 % obj.); Existují také malá množství dusíku ve vázaném stavu ve formě amoniaku a oxidů. Celkový obsah dusíku v zemské kůře 78,09·10 až 2 % hmotnostních. Ve vázaném stavu se dusík vyskytuje především ve formě dusičnanů (ledek) a amonných sloučenin. Průmyslový význam má dusičnan sodný (chilský) NaNO₃ a dusičnan draselný (indický) KNO₃, jejichž významné koncentrace se nacházejí v oblastech se suchým pouštním klimatem. Dusík se nachází v oblacích plynu komet, v mlhovinách a v atmosféře Slunce. V malém množství se vyskytuje v uhlí (1,0–2,5 %), ropě (0,2–1,7 %) a ve vodách řek, moří a oceánů. Dusík je součástí všech živých organismů. Bílkoviny rostlin a živočichů obsahují až 17 % dusíku a lidské tělo jako celek asi 3 %.

V přírodě se cyklus dusíku vyskytuje hlavně v důsledku životně důležité činnosti mikroorganismů nitrofyzujících, denitrofyzujících a fixujících dusík. Akumulace dusíku v půdě v důsledku fixace volného dusíku je v moderním zemědělství nedostatečná, protože odstraňování dusíku z půdy plodinou převyšuje akumulaci. Problém fixace atmosférického dusíku, důležitý jak pro zemědělství, tak pro řadu průmyslových odvětví, byl vyřešen na počátku 20. století. s rozvojem průmyslové syntézy amoniaku.

Vlastnosti

Konfigurace vnějšího elektronového obalu atomu dusíku je 2s 2 2p 3; oxidační stavy od –3 do +5; Paulingova elektronegativita 3,05; poloměry (v pm): atomový 71, kovalentní (jednoduchá vazba) 70, van der Waals 154. Ve volném stavu tvoří dusík dvouatomovou molekulu N₂, ve kterém jsou atomy spojeny trojnou chemickou vazbou (délka 110 pm). Molekula dusíku je velmi stabilní (tepelná disociační energie 941,64 kJ/mol), proto k disociaci ve značné míře dochází až při vysokých teplotách; například při 3000 °C se pouze 0,1 % molekul disociuje na atomy.

Dusík je nekovový plyn bez barvy a zápachu; t_pl –209,86 °C, t_žok –195,75 °C, hustota pevné látky 1026 kg/m 3 (při –252,15 °C), kapalina 808 kg/m 3 (–195,75 °C), plynná 1,2506 kg/m 3 (0 °C); kritická teplota –146,95 °C, kritický tlak 3,9 MPa, kritická hustota 304 kg/m3. V pevném stavu za normálního tlaku a teplotách pod –238,15 °C je α-forma s kubickou mřížkou (hustota 1026,5 kg/m3) stabilní nad –238,15 °C, β-forma s hexagonální mřížkou (hustota 879,2; 3 kg/m 350); při tlacích nad 0,0291 MPa dochází ke třetí modifikaci s tetragonální krystalovou mřížkou. Rozpustnost dusíku ve vodě je 1 kg na 3 m 0 (při XNUMX °C). V některých uhlovodících (například hexan, heptan) je dusík rozpustnější než ve vodě.

Za normálních podmínek je molekulární dusík chemicky inertní. Dusík reaguje s většinou jednoduchých látek za vysoké teploty, tlaku a v přítomnosti katalyzátorů. Při teplotách 400–500 °C reaguje dusík s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin. Při vysokých teplotách dusík oxiduje mnoho kovů a nekovů a tvoří nitridy. Dusík reaguje s vodíkem při vysoké teplotě a tlaku v přítomnosti kovového železného katalyzátoru za vzniku amoniaku. Kromě amoniaku jsou známy četné další sloučeniny dusíku s vodíkem, například hydrazin, kyselina dusitá (ta tvoří s kovy azidy kovů). Halogen a nitridy síry se získávají pouze nepřímými metodami, například NF₃ při interakci fluoru s amoniakem, N₂S₄ když kapalná síra interaguje s amoniakem. Ve většině případů jsou tyto sloučeniny nestabilní a často výbušné; stabilnější jsou oxohalogenidy, dioxohalogenidy dusíku (například NOCl, NO₂Cl). Při vysokých teplotách dusík reaguje s uhlíkem (s horkým koksem) za vzniku kyanogenu (CN)₂. Zahříváním dusíku s acetylenem na 1500 °C se získá kyanovodík HCN. Dusík je oxidován kyslíkem za vzniku oxidů; přímou interakcí s kyslíkem při teplotách nad 2000 °C lze získat pouze NO, který se dále oxiduje na NO₂. Sloučeniny dusíku obsahující kyslík také zahrnují kyselinu dusitou HNO₂ a kyselina dusičná (a jejich soli, dusitany a dusičnany, v daném pořadí).

Reaktivitu molekuly dusíku lze výrazně zvýšit vazbou do komplexů se sloučeninami přechodných kovů (Ti, V, Cr, Mo, Fe); v tomto případě molekula N₂ se za normální teploty a tlaku poměrně snadno aktivuje a reaguje za vzniku amoniaku, hydrazinu nebo aromatických aminů. Vlivem elektrického výboje o tlaku 130–260 Pa nebo při výbuchu směsi kyslíku a oxidu uhelnatého za přítomnosti dusíku vzniká aktivní dusík (směs atomů dusíku a molekul se zvýšenou energií), který při pokojové teplotě interaguje s atomárním kyslíkem, vodíkem, sirnými parami, fosforem, některými kovy. Dusík je součástí mnoha organických sloučenin – amidů, aminů, nitrilů, nitrosloučenin atd.

Příjem a použití

Práce s kapalným dusíkem. Práce s kapalným dusíkem. Dusík v laboratoři lze získat zahřátím vodného roztoku dusitanu amonného: NH₄NE₂ = N₂+ 2H₂O. V průmyslu se dusík získává ze vzduchu hlubokým ochlazením do kapalného stavu s následnou separací, například rektifikací. Hlavní oblastí využití dusíku je syntéza čpavku s následnou výrobou kyseliny dusičné, hnojiv a mnoha dalších látek obsahujících vázaný dusík. Volný dusík se používá jako inertní médium v ​​chemických a metalurgických procesech, při čerpání hořlavých kapalin apod.; kapalný dusík je chladivo. Plynný dusík je skladován a přepravován ve stlačené formě v ocelových lahvích, kapalný dusík – v Dewarových nádobách.

Michailičenko Anatolij Ignatijevič. První publikace: Velká ruská encyklopedie, 2005.

Publikováno 3. září 2022 v 17:49 (GMT+3). Poslední aktualizace 20. října 2022 v 15:25 (GMT+3). Kontaktujte redakci