Azot i gazy szlachetne
Wieczorami centra miast są rozświetlane przez różnokolorowe światła. Reklamy tego typu z lat 60. i 70. XX wieku zostały zgromadzone w warszawskim Muzeum Neonów, unikalnym w skali europejskiej. Czy barwa neonów zależy od znajdującego się w nich gazu? Czy tym samym gazem wypełnia się poduszka powietrzna podczas kolizji?

co to są symbole pierwiastków chemicznych i jak się nimi posługiwać;
co to jest atom i jak jest zbudowany;
jaka jest zależność pomiędzy budową atomu pierwiastka a jego położeniem w układzie okresowym.
wskazywać położenie azotu i gazów szlachetnych w układzie okresowym pierwiastków;
wymieniać pierwiastki zaliczane do grupy gazów szlachetnych;
podawać przykłady zastosowania azotu w życiu codziennym;
omawiać obieg azotu w przyrodzie;
opisywać właściwości azotu i gazów szlachetnych;
podawać przykłady zastosowania gazów szlachetnych w najbliższym otoczeniu.
1. Azot – występowanie i obieg w przyrodzie
Azot zajmuje piąte miejsce pod względem rozpowszechnienia we wszechświecie. Stanowią 78% objętości powietrza w atmosferze Ziemi. Wraz z tlenem tworzy mieszaninę, którą oddychamy.
Wpływ azotu na organizm człowieka
Podczas oddychania oprócz tlenu do płuc transportowany jest także azot. Pierwiastek ten nie uczestniczy w procesach metabolizmu i jest obojętny dla organizmu człowieka. Jednak przy zbyt gwałtownej zmianie ciśnienia (np. podczas szybkiego wynurzania się nurka z wody lub rozszczelnienia kabiny samolotu) tworzy we krwi pęcherzyki powodujące zatory i odcięcie dopływu tlenu do komórek. Efektem są bóle i zawroty głowy, podwójne widzenie, zaburzenia ruchu, bóle stawów, utrata przytomności, a nawet śmierć. Opisane dolegliwości, zwane chorobą kesonową, jako pierwsi odczuli poławiacze pereł i łowcy gąbek. Na tę samą przypadłość zapadają budowniczowie mostów, którzy długo przebywają w kesonach, czyli suchych komorach wypełnionych sprężonym powietrzem, ustawianych na dnie rzek.

Azot jest jednym z najważniejszych pierwiastków, m.in. wchodzi w skład wielu związków chemicznych budujących organizmy żywe (np. białek). Pełni także ważną rolę w rozwoju roślin – warunkuje ich prawidłowy rozwój, pobudza wzrost oraz nadaje im intensywnie zieloną barwę. Reguluje również pobieranie innych składników pokarmowych, co wpływa na jakość i wielkość plonów. Tylko niektóre rośliny, zwane motylkowymi (np. groch, fasola, orzeszki ziemne), za pomocą bakterii występujących w ich korzeniach mają zdolność pobierania azotu z powietrza i wykorzystywania go do tworzenia substancji budujących komórki roślinne. Związki azotu mogą być wprowadzane do gleby w postaci nawozów sztucznych, skąd wraz z wodą są pobierane przez rośliny. Cykliczny proces polegający na przyswajaniu, przekształcaniu oraz oddawaniu azotu i jego związków nazywamy obiegiem azotu w przyrodzie.

Obecność niektórych roślin pozwala ocenić, czy gleba jest bogata, czy uboga w azot. Przykładowo masowe występowanie na badanym terenie skrzypu, szczawiu lub jaskra wskazuje na niską zawartość azotu w glebie. W miarę użyźniania tego obszaru nawozem azotowym rośliny te zaczną obumierać, a porastać go będą: pokrzywa, perz bądź jasnota biała.
2. Właściwości azotu
Określ położenie azotu w układzie okresowym (numer grupy i numer okresu) oraz podaj liczbę powłok elektronowych i liczbę elektronów walencyjnych w atomie tego pierwiastka.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D11e5ZM4Q

Azot jest niemetalem, znajduje się w 15. grupie układu okresowego. W warunkach normalnych (0°C, 1013,25 hPa) jest bezbarwnym i bezwonnym gazem o małej rozpuszczalności w wodzie (23 cmIndeks górny 33 w 1 litrze wody w 0°C), występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych. Nie podtrzymuje palenia. W temperaturze pokojowej jest mało aktywny chemicznie.
Azot po raz pierwszy został skroplony w 1883 r. przez polskich uczonych Karola Olszewskiego i Zygmunta Wróblewskiego – pracowników Uniwersytetu Jagiellońskiego. Ciekły azot o temperaturze –196°C powoduje kruchość wielu zanurzonych w nim materiałów.
Tlenek azotu(II) to związek chemiczny, który został odkryty podobnie jak tlen w 1770 r. przez Josepha Priestleya. Jednak dopiero w 1997 r. zauważono, że nitrogliceryna i pokrewne leki nasercowe powodują wytwarzanie w organizmie. Szczególne zainteresowanie tym związkiem chemicznym nastąpiło w chwili, gdy okazało się, że tlenek ten wywołuje rozszerzenie naczyń krwionośnych. W 1992 r. prestiżowy magazyn Science uznał tlenek azotu(II) za „cząsteczkę roku”, a liczba publikacji naukowych na jego temat znacząco wzrosła. Za badania nad Nagrodę Nobla (w 1998 r.) w dziedzinie fizjologii i medycyny otrzymali Robert Furchgott, Louis Ignarro i Ferid Murad (czyt. Robert Ferczgot, Luis Ignaro, Ferid Mjurad). Odkrycie funkcji tlenku azotu(II) w organizmie jest uważane za jedno z najważniejszych we współczesnej medycynie. Jest to tzw. cząsteczka sygnalna odpowiedzialna za funkcjonowanie m.in. układu krążenia. Obecnie bada się na dużą skalę jej znaczenie, m.in. w zwalczaniu infekcji i chorób nowotworowych.

Czy nowa cząsteczka będzie stosowana do napędu rakiet?
W 2010 roku Szwedzka Rada Naukowa Królewskiego Instytutu Naukowego poinformowała o odkryciu nowego związku azotu z tlenem (trinitroamidu), który może być o 20–30% bardziej efektywnym paliwem rakietowym od istniejących mieszanek. Jednak niektórzy badacze powątpiewają, czy związek ten będzie kiedykolwiek użyteczny poza laboratorium. Obecnie prowadzi się badania nad jego właściwościami.

3. Zastosowanie azotu
Ciekły azot jest stosowany jako środek chłodzący – m.in. do zamrażania materiału biologicznego, np. próbek, krwi, tkanek, zastawek serca, oraz podczas zabiegów rehabilitacyjnych – do miejscowych znieczuleń. Wykorzystuje się go również w chirurgii serca i podczas transfuzji krwi.
Gazowy azot stanowi atmosferę ochronną w opakowaniach artykułów spożywczych i farmaceutycznych. Sprężonego azout używa się do rozpylania cieczy, np. w dezodorantach. W postaci związków chemicznych jest stosowany w produkcji nawozów sztucznych i materiałów wybuchowych.
Z azotu otrzymuje się amoniak oraz tlenki azotu – związki o dużym znaczeniu przemysłowym. Za jedno z najważniejszych odkryć uważa się opracowanie metody otrzymywania z azotu atmosferycznego – amoniaku. Dokonał tego w przeddzień I wojny światowej Fritz Haber, za co otrzymał on Nagrodę Nobla. Dziś metodą tą produkuje się kilkaset tysięcy ton nawozów azotowych, stosowanych na całym świecie.

KrioNgine – pojazd zbudowany na Politechnice Wrocławskiej
Członkowie Koła Naukowego „Skrzyneczka” z Wydziału Mechaniczno‑Energetycznego Politechniki Wrocławskiej skonstruowali na bazie samochodu typu Fiata 126 p pojazd napędzany ciekłym azotem. Nie wydziela on żadnych spalin i może osiągać prędkość 27 km/h. Wynalazek był nominowany w marcu 2013 r. do finału programu „Polski wynalazek roku”.

Azot jest składnikiem mieszanin wypełniających m.in. butle nurków. Mieszanki gazowe mogą mieć różny skład, np.:
Nitrox: azot i tlen,
Trimix: hel, azot i tlen (mieszanka stosowana podczas nurkowania poniżej 50 m).
R692Z829WkPVo1 Butle do nurkowania
4. Gazy szlachetne
Składnikami powietrza są argon i inne pierwiastki tworzące 18. grupę w układzie okresowym. Do helowców zaliczamy: helhel, neonneon, argonargon, krypton, ksenon, radon. W warunkach normalnych (0°C, 1013,25 hPa) są one bezbarwnymi i bezwonnymi gazami, pozbawionymi smaku. Są niepalne i nie podtrzymują palenia. Hel ma dwa elektrony walencyjne, a pozostałe helowce – po osiem elektronów na ostatniej powłoce. Trwała konfiguracja elektronowa powłoki walencyjnej sprawia, że gazy te są pierwiastkami o najmniejszej aktywności chemicznej (gazy szlachetne). Dlatego, mimo że wszystkie helowce to gazy, ich atomy nie łączą się w cząsteczki. Występują w postaci pojedynczych atomów. Gazy szlachetne znajdują zastosowanie między innymi w medycynie i przemyśle oświetleniowym.
Do gazów szlachetnych możemy prawdopodobnie zaliczyć także syntetyczny pierwiastek ununoctium o liczbie atomowej . Odkrycie zawdzięczamy doświadczeniom przeprowadzonym w Laboratorium Reakcji Jądrowych Flerova (Dubna w Federacji Rosyjskiej) przez zespół naukowców ze Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Federacji Rosyjskiej oraz Narodowego Laboratorium Lawrence Livermore (czyt. lorenc lewermore) w USA. Jeden atom ununoctium uzyskano latem 2002 r., a dwa kolejne – w 2005 roku.
Gazy szlachetne ze względu na swoją budowę są bierne chemicznie. Jednak chemicy próbują połączyć je z innymi substancjami. Już w latach 60. otrzymano związki zawierające ksenon, krypton i radon. Niedawno doniesiono, że i argon – najbardziej rozpowszechniony gaz szlachetny – może trwale połączyć się z fluorem i wodorem. Do dziś nie udało się otrzymać żadnego połączenia helu ani neonu.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D11e5ZM4Q
Prawdziwym bogactwem niemal pozbawionego atmosfery Księżyca jest hel‑3, wysokoenergetyczny izotop helu, wędrujący ze Słońca w postaci wiatru słonecznego. Gaz jest zatrzymywany przez naszą atmosferę, dlatego prawie nie występuje na Ziemi. Jego zasoby szacuje się na tysiące ton na Księżycu i około 10 kg na Ziemi.
Wstępnie obliczono, że do zasilania Warszawy w energię elektryczną przez cały rok wystarczyłoby 100 kg helu‑3.

Jedna z firm ogłosiła plany produkcji twardych dysków o pojemności 6 TB (1 terabajt jest równy 1000 GB).
Zwiększenie pojemności dysku można osiągnąć, wypełniając jego wnętrze helem, którego gęstość jest równa 1/7 gęstości powietrza. Powoduje to zmniejszenie oporu obracających się wewnątrz talerzy i umożliwia miniaturyzację. Dzięki temu jest możliwa produkcja cieńszych dysków i zmniejszenie masy o około 30% oraz zużycia energii o 23% – na 1 TB pojemności.
Podsumowanie
Głównymi składnikami powietrza są azot (78%), tlen (21%), argon i inne gazy szlachetne.
Azot jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 7, należącym do 15. grupy układu okresowego (grupa azotowców), ma pięć elektronów walencyjnych.
Azot znalazł zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu i medycynie.
18. grupę układu okresowego pierwiastków tworzą: hel, neon, argon, krypton, ksenon, radon.
Gazy szlachetne wykazują najmniejszą aktywność chemiczną spośród wszystkich znanych pierwiastków. Właściwość ta jest związana z trwałością konfiguracji elektronowej helu (dublet elektronowy) oraz pozostałych helowców (oktet elektronowy).
Gazy szlachetne są stosowane m.in. w technice oświetleniowej.
Zrób zdjęcie neonowej reklamie i ustal, jakie gazy szlachetne zostały użyte do jej wykonania.
Przygotuj plakat lub infografikę ilustrującą zastosowania azotu oraz helowców.
Zobacz także
Azot jako składnik każdego aminokwasu budującego skomplikowane struktury białek spełniające ważne i różnorodne funkcje w organizmie.Azot jako składnik każdego aminokwasu budującego skomplikowane struktury białek spełniające ważne i różnorodne funkcje w organizmie.
Dowiedz się więcej
*krioNgine - pojazd zeroemisyjny
Słowniczek
pierwiastek chemiczny z grupy helowców o największym rozpowszechnieniu na Ziemi; jego zawartość w atmosferze wynosi 0,94% (procenty objętościowe); stosuje się go w procesach chemicznych wymagających obojętnego środowiska, np. podczas spawania, do wypełniania przestrzeni zespolonej w oknach oraz w mieszaninie do wypełniania żarówek razem z azotem
pierwiastek chemiczny z grupy helowców; po wodorze drugi najbardziej rozpowszechniony pierwiastek chemiczny we wszechświecie; jest niepalny; stosuje się go do napełniania balonów, jako czynnik chłodzący w reaktorach jądrowych, a także składnik mieszaniny z tlenem w butlach tlenowych dla nurków
pierwiastek chemiczny z grupy helowców; stosuje się go do produkcji lamp jarzeniowych (czerwona barwa), w urządzeniach elektronicznych
Zadania
Rozwiąż zadanie.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D11e5ZM4Q
Zadaniem uczniów było zebranie 3 informacji na temat neonu. Wskaż, która z osób popełniła błąd.
-
IGOR
• pierwiastek chemiczny będący gazem szlachetnym z 2. okresu
• stosowany w lampach jarzeniowych, daje czerwoną barwę,
• nie tworzy żadnych związków chemicznych -
MACIEJ
• pierwiastek chemiczny będący gazem szlachetnym
• stosowany w butlach tlenowych dla nurków
• tworzy liczne związki chemiczne -
MARTA
• pierwiastek chemiczny z 18. grupy układu okresowego
• stosowany w technice oświetleniowej jako tzw. neonówki
• atom neonu ma na ostatniej powłoce 8 elektronów walencyjnych -
LENA
• pierwiastek chemiczny z grupy helowców
• występuje w formie pojedynczych atomów
• stosowany w technice oświetleniowej
Na podstawie danych w tabeli ustal, czy podane zdania są prawdziwe, czy fałszywe. Każdy z cienkich balonów napełniono taką samą objętością gazów, następnie puszczono je swobodnie.
Nazwa pierwiastka/związku chemicznego/mieszaniny | Gęstość [g/dmIndeks górny 33] w temp. 25°C |
hel | 0,178 |
powietrze | 1,3 |
neon | 0,82 |
tlenek węgla(IV) | 1,98 |
Prawda | Fałsz | |
Wszystkie balony uniosły się wysoko. | □ | □ |
Wszystkie balony opadły na ziemię. | □ | □ |
Trzy balony uniosły się wysoko, a jeden opadł na ziemię. | □ | □ |
Dwa balony uniosły się wysoko (jeden zdecydowanie wyżej), a dwa opadły na ziemię (jeden zdecydowanie szybciej). | □ | □ |