Dusík

Dusík, N, je za normální teploty plyn bez barvy a zápachu. Má dva stabilní izotopy – ¹⁴N a ¹⁵N a dva umělé – ¹³N a ¹⁶N.[8] Oba stabilní izotopy jsou důležité v NMR spektroskopii. Dusík je velmi nereaktivní plyn, čehož se využívá např. při práci s látkami citlivými na kyslík a vzdušnou vlhkost. Za laboratorní teploty reaguje pouze s lithiem[2] a plutoniem.[3]

Atomové číslo	7	Počet stabilních izotopů	2
Atomová hmotnost	14,0067	Elektronová konfigurace	[He] 2s²2p³
Teplota tání [°C]	-210,01	Teplota varu [°C]	-195,80
Elektronegativita	3,1	Hustota [kg.m^-3]	1,2506

Vlastnosti dusíku

Za vysokého tlaku vytváří dusík pevný 2D materiál.

Obsah

Dusík se získává frakční destilací zkapalněného vzduchu. V menším měřítku je možné jej získat pomocí speciálních selektivních membrán, které dokáží dusík separovat od ostatních složek vzduchu. Příp. využít vhodnou reakci, asi nejpoužívanější jsou termický rozklad azidu sodného nebo dusičnanu, příp. dusitanu amonného.

2 NaN₃ (s) → 2 Na + 3 N₂

NH₄NO₂(aq) → N₂ + 2 H₂O

2 NH₄NO₃(s) → 2 N₂ + 2 O₂ + 4 H₂O

Izotopy

Přírodní dusík se skládá ze dvou stabilních izotopů a stopového množství radioizotopu ¹³N.

Izotop	Poločas rozpadu	Zastoupení [%]
¹³N	9,965 minut	stopy
¹⁴N	stabilní	99,6
¹⁵N	stabilní	0,4

⁹N

V roce 2023 byl pozorován exotický izotop ⁹N, který obsahuje 7 protonů a pouze dva neutrony. Tento izotop byl zachycen v rozpadové řadě izotopu ¹³O, jeho poločas rozpadu je méně než 1 attosekunda (1 as = 1.10^-18 s). Rozpadá se za vzniku jádra ⁴He a uvolnění pěti protonů.[11]

$$^9_7\textrm{N}\ \rightarrow\ ^4_2\textrm{He}\ +\ 5\ ^1_1\textrm{p}$$

¹³N

Tento izotop v přírodě vzniká interakcí gamma záření s neutrony jader ¹⁴N a ¹⁶O:

$$^{14}_{\ \ 7}\textrm{N}\ +\ \gamma\ \rightarrow\ ^{13}_{\ \ 7}\textrm{N}\ +\ ^1_0\textrm{n} \\
^{16}_{\ \ 8}\textrm{O}\ +\ \gamma\ \rightarrow\ ^{15}_{\ \ 8}\textrm{O}\ +\ ^1_0\textrm{n}$$

Poločas přeměny je 9,965 minut, uměle se připravuje ostřelováním vody urychlenými protony:

$$^{16}_{\ \ 8}\textrm{O}\ +\ ^1_1\textrm{p}\ \rightarrow\ ^{13}_{\ \ 7}\textrm{N}\ +\ ^4_2\textrm{He}$$

Využívá se v lékařské diagnostice, ve formě značené molekuly dusíku nebo amoniaku, k vyšetřování dýchacích cest a prokrvení tkání.

¹⁶N

Poločas rozpadu 7,13 s. Vyrábí se ostřelováním kyslíku ¹⁶O rychlými neutrony.

$$^{16}_{\ \ 8}\textrm{O}\ +\ ^1_0\textrm{n}\ \rightarrow\ ^{16}_{\ \ 7}\textrm{N}\ +\ ^1_1\textrm{p}$$

Měření aktivity ¹⁶N v chladící vodě se využívá k regulaci výkonu některých jaderných reaktorů.

Sloučeniny

Amoniak

Amoniak nebo azan (NH₃) je jednou z průmyslově nejdůležitějších sloučenin dusíku. Za normálních podmínek je to bezbarvý plyn s charakteristickým, intenzivním zápachem, je silně toxický. V čistém stavu se musí skladovat podchlazený nebo v tlakových nádobách, vzhledem k jeho teplotě varu (−33,3 °C) je možné ho skladovat i ve skleněných ampulích s ventilem. Běžně dostupný amoniak je vodný roztok amoniaku, jeho maximální koncentrace se pohybuje kolem 31 %.

Průmyslově se vyrábí Haber-Boschovým procesem, vyvinutým v první polovině dvacátého století.[9] Tato výroba je energeticky náročná a amoniak se vyrábí v obrovských množstvích (198 miliónů tun v roce 2012),[6] důsledkem toho je, že výroba amoniaku spotřebuje asi jedno procento energie vyrobené člověkem. Tímto procesem se amoniak vyrábí z prvků, vodík a dusík spolu reagují za tlaku 15-25 MPa a teplotě 400-500 °C. Směs plynů prochází přes katalyzátor a dochází ke vzniku amoniaku, účinnost procesu je jen kolem 15 %, ale průmyslové reaktory mají mnoho pater a nezreagovaný plyn se regeneruje, tím se dosahuje účinnosti až 97 %. Neustále se hledají nové a úspornější cesty syntézy amoniaku, zatím se v praxi stále využívá jen Haber-Boschův proces.[10] Už byly položeny základy pro mechanochemickou a fotoelektrochemickou výrobu amoniaku.

N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃

Haber-Boschův proces můžeme popsat sérií rovnovážných reakcí. Nejprve dochází k adsorpci plynů na katalyzátor, disociaci a poté k vlastní reakci:

N₂ (g) ⇌ N₂ (ads.)
N₂ (ads.) ⇌ 2 N (ads.)
H₂ (g) ⇌ H₂ (ads.)
H₂ (ads.) ⇌ 2 H (ads.)
N (ads.) + 3 H(ads.) ⇌ NH₃ (ads.)
NH₃ (ads.) ⇌ NH₃ (g)

Oxidy

Známe nejméně sedm binárních sloučenin dusíku s kyslíkem:

Oxid dusný – N₂O
Oxid dusnatý – NO
Oxid dusitý – N₂O₃ ≡ NO.NO₂
Oxid dusičitý – NO₂
Oxid dusičný – N₂O₅
Nitrosylazid – N₄O
Trinitramid – N₄O₆ ≡ N(NO₂)₃

Hexazin

Hexazin je dusíkový analog benzenu, kde jsou všechny uhlíky nahrazeny atomy dusíku. Zatím nebyl připraven, ale v roce 2023 byla publikována příprava aromatického aniontu [N₆]^4-.

NMR

¹⁴N NMR

Jádro ¹⁴N je kvadrupól, tzn. že signály jsou rozšířené. To značně ztěžuje měření, zvláště u nesymetrických molekul, výhodou je ale vysoké zastoupení tohoto izotopu v přírodě.

Spin	1
Zastoupení v přírodě	99,63 %
Jaderný magnetický moment	+0,4037610
Rozsah chemických posunů	0 až 900 ppm
Relativní citlivost k ¹H	1,01×10^-3
Relativní citlivost k ¹³C	5,74

Jádro ¹⁴N může způsobit rozšíření signálů jader v jeho okolí, tomu lze předejít dekaplováním během měření.[7]

¹⁵N NMR

¹⁵N NMR poskytuje podstatně užší linie, ale pokud nemáme obohacené vzorky, tak je nutné měřit pomocí technik INEPT nebo HSQC, příp. HMBC. Kvůli minimálnímu zastoupení izotopu v přírodním dusíku je citlivost velice nízká.

Spin	1/2
Zastoupení v přírodě	0,368 %
Jaderný magnetický moment	-0,2831888
Rozsah chemických posunů	-300 až 900 ppm
Relativní citlivost k ¹H	3,85×10^-6
Relativní citlivost k ¹³C	0,0219

Odkazy

Dusík na české wikipedii
Dusík na anglické wikipedii
Surface and Corrosion Chemistry of Plutonium
Nitrogen NMR
15N NMR Spectroscopy in Structural Analysis: An Update (2001 – 2005)
Market Study Ammonia
Improved ¹H Resolution with ¹⁴N Decoupling
HÁLA, Jiří. Radioaktivní izotopy. Tišnov: Sursum, 2013. ISBN 978-80-7323-248-1.
Ammonia synthesis: the greatest innovation of the 20th century
Catalytic N₂-to-NH₃ (or -N₂H₄) Conversion by Well-Defined Molecular Coordination Complexes
Strong Evidence for ⁹N and the Limits of Existence of Atomic Nuclei

Izotopy

⁹N

¹³N

¹⁶N