Dusík

Dusík je nejrozšířenějším prvkem dostupným v přírodě v elementární formě. Jeho objev je připisován D. Rutherfordovi (1772, elementární povaha dusíku byla zpochybňována ještě v roce 1840). Dávno předtím byly známy a využívány některé sloučeniny dusíku (chlorid amonný, kyselina dusičná). Oxidy dusný, dusnatý a dusičitý patřily k prvním izolovaným a identifikovaným plynným sloučeninám a sehrály významnou roli při ověřování Daltonova zákona násobných poměrů slučovacích (1804). Dusík je biogenním prvkem, představuje nezbytnou složkou bílkovin, které ho obsahují ≈ 15 %. Převážná část dusíku se na Zemi nachází v atmosféře (obsah didusíku 75,5 %) v elementární formě, jako dusičnan sodný je obsažen v chilském ledku. Biosféra je kumulátorem dusíku, do půdy je doplňován ve formě přírodních nebo průmyslových hnojiv. Jiné látky s významným obsahem dusíku jsou v zemské kůře řídké.

Dusík (b. t. -210 °C, b. v. -195,8 °C) má dva stabilní izotopy ¹⁴N (99,63 %) a ¹⁵N (0,37 %) oba s jaderným spinem (pro NMR spektroskopii je vhodný izotop ¹⁵N s jaderným spinem ½). Ve vodě je dusík méně rozpustný než kyslík (23 cm³ N₂ v 1 litru vody při 0 °C).

[Zobrazit video]

Ukázka vlastností kapalného dusíku

Ve všech skupenstvích tvoří dusík biatomické molekuly N₂. Je třetím nejelektronegativnějším prvkem po fluoru a kyslíku (přibližně stejnou elektronegativitu má chlor), oxidační stupně se mohou pohybovat v intervalu -III až+V (kladné hodnoty jen vůči fluoru a kyslíku). Energie trojné vazby v molekule |N≡N| je 946,2 kJ.mol^-1, energie jednoduché vazby N-N jen 159,1 kJ.mol^-1. Trojná vazba N≡N je tedy 6× pevnější než jednoduchá, zatímco u uhlíku jen 2,5×. Anionty N³⁻ ve sloučeninách neexistují (v Mg₃N₂ je efektivní náboj na dusíku jen -0,9). S výjimkou některých amidů a imidů mají jeho vazby výraznou převahu kovalence. Volný elektronový pár na atomu |N^III se uplatňuje při tvorbě koordinačních vazeb v DA-komplexech pyridinu, trimethylaminu a dalších organických dusíkatých bází. Poměrně vysoká elektronegativita umožňuje dusíku vytvářet vodíkové můstky. Je schopen vytvořit nejvýše čtyři σ-vazby (NR, N = H, alkyl, aryl), vazebný řád může dosáhnout nejvýše hodnoty tři a π-vazby jsou nejčastěji delokalizované. Koordinační čísla se mohou pohybovat v rozsahu od nuly do osmi, některé sloučeniny dusíku mají charakter radikálů (·NO, ·NO₂). Je známa řada organických a komplexních sloučenin se skupinou NO₂, které podle způsobu vazby označujeme jako nitrosloučeniny M-N^VO₂ (obvykle stabilnější) nebo nitritosloučeniny M-ON^IIIO.

Dusík tvoří sloučeniny se všemi prvky s výjimkou lehčích vzácných plynů. Reakce didusíku vyžadují obvykle vysokou teplotu (do 3000 °C je disociace molekul N₂ zanedbatelná), tlak a přítomnost katalyzátoru. Výjimkou jsou reakce s lithiem, hořčíkem a vápníkem probíhající za mírných podmínek. Mechanismus, kterým některé bakterie vážou didusík ze vzduchu a za normální teploty a tlaku ho přeměňují na amoniak, patří k dosud neuspokojivě vysvětleným problémům chemie tohoto prvku. Atomární dusík vzniká v elektrickém výboji a je vysoce reaktivní. Jeho tvorba je spojena s emisí žlutého záření, jehož dosvit přetrvává až několik minut po přerušení výboje. Pro pokrok v chemii komplexů obsahujících didusík jako ligand bylo výrazným impulsem zjištění, že je lze připravit i ve vodných roztocích (z chloridu ruthenitého a N₂H₄.H₂O vzniká [Ru(NH₃)₅(N₂)]²⁺). Molekula N₂ se v nich může vázat čtyřmi různými způsoby (mono- a bidentátní σ- nebo π-ligand).

Dusík se laboratorně připravuje termickým rozkladem dusitanů nebo azidů

[Zobrazit video]

Příprava dusíku tepelným rozkladem dusitanu amonného

Průmyslově se vyrábí frakční destilací kapalného vzduchu. Jeho čištění obvykle znamená odstraňování kyslíku propíráním technického plynu v roztoku alkalického dithioničitanu (Na₂S₂O₄) nebo vedením přes zahřátou měď. Používá se při výrobě amoniaku, kyseliny dusičné, dusíkatých hnojiv a jako ochranný plyn. Pět jeho sloučenin patří mezi prvních patnáct chemických produktů průmyslově vyráběných v největších objemech.