7 Азот 14,0067
Азот инертен. Не будь он так инертен, в атмосфере произошли бы его реакции с Кислородом, и жизнь на планете в тех формах, в которых она существует, стала бы невозможной. Растения, животные, мы с вами буквально захлебывались бы в потоках неприемлемых жизнью окислов и кислот.
Но при этом именно в окислы и Азотную кислоту человечество стремится превратить атмосферный Азот - как можно большую его часть.
Противоречивость свойств Азота и в его названии, ибо ввела в заблуждение Антуана Лавуазье. Это он предложил назвать Азот Азотом после того, как (не первым и не последним) получил и исследовал не поддерживающую дыхания и горения часть воздуха.
Согласно Лавуазье, «Азот» означает «безжизненный». Слово это произведено от греческого «а» - отрицание и «зоэ» - жизнь.
Термин «Азот» бытовал еще в лексиконе алхимиков (откуда и заимствовал его Лавуазье). Означал он некое «философское начало», своего рода кабалистическое заклинание.
Ключом к расшифровке слова «Азот» служит заключительная фраза из Апокалипсиса: «Я есть альфа и омега, начало и конец, первый и последний...» В средние века особо почитались три языка: латинский, греческий и древнееврейский. И слово «Азот» алхимики составили из первой буквы «а» (а, альфа, алеф) и последних букв: «зет», «омега» и «тов» этих трех алфавитов. Таким образом, это таинственное синтетическое слово означало «начало и конец всех начал».
Современник и соотечественник Лавуазье Ж.Шапталь предложил назвать элемент №7 «нитрогениум», что значит «селитру рождающий».
Селитры - Азотнокислые соли, вещества, известные с древнейших времен.
Термин «Азот» укоренился только в русском и французском языках. По-английски элемент №7 - «Nitrogen». По-немецки - «Stockton» (удушающее вещество).
Химический же символ одинаков для всех - N.
Хотя действующую часть окружающего нас воздуха составляет Кислород, но наибольшую массу воздуха, как по объему, так и по весу, образует Азот - более 3/4, хотя и менее 4/5 объема воздуха. А так как Азот лишь немногим легче Кислорода, то весовое содержание Азота в воздухе составляет около 3/4 всей его массы.
Представление об Азоте получается только тогда, когда узнаем что в чистом Кислороде животные умирают.
Открытие Азота приписывают Даниелю Резерфорду (ученику шотландского ученого Джозефа Блэка), который в 1772 году опубликовал диссертацию «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе».
Блэк прославился своими опытами с Углекислым газом. Он обнаружил, что после связывания щелочью (фиксирования) Углекислоты, остается еще какой-то «не фиксируемый воздух», который, за то что не поддерживал горения и дыхания, был назван «мефитическим» - испорченным. Исследование этого «воздуха» Блэк и предложил Резерфорду в качестве диссертационной работы.
Поразительно несоответствие между содержанием Азота в литосфере (0,01%) и в атмосфере (75,6% по массе, или 78,09% по объему).
По сути мы обитаем в Азотной атмосфере, умеренно обогащенной кислородом.
Меж тем ни на других планетах солнечной системы, ни в составе комет или каких-либо других холодных космических объектов свободный Азот не обнаружен.
В обычных условиях Кислород и Азот между собой не реагируют, что и позволяет земному воздуху сохранять «статус кво» состава.
В наше время основной источник поступления Азота в атмосферу - вулканические газы.
В свободном (молекулярном) состоянии Азот инертный. Виной тому - тройная химическая связь его молекулы.
Обычно связи такой кратности малоустойчивы. И в этом явная аномалия Азота: его тройная связь образует самую стабильную двухатомную молекулу из всех известных. Нужно приложить колоссальные усилия, чтобы разрушить эту связь.
К примеру, промышленный синтез аммиака требует давления более 200 атмосфер и температуры свыше 500°C, да еще обязательного присутствия катализаторов...
В природе энергия для связи Азота берется из... молний.
В атмосфере нашей планеты ежегодно вспыхивают три с лишним миллиарда молний. Мощность отдельных разрядов достигает 200 000 000 Киловатт, а воздух при этом (в месте разряда) разогревается до 20 000°C.
При такой чудовищной температуре молекулы Кислорода и Азота распадаются на атомы, которые, легко реагируя друг с другом, образуют непрочную окись Азота.
Благодаря быстрому охлаждению (разряд молнии длится десятитысячную долю секунды) окись Азота не распадается и беспрепятственно окисляется Кислородом воздуха до более стабильной двуокиси.
В присутствии атмосферной влаги и капель дождя, двуокись Азота превращается в Азотную кислоту. Попав в грозу под дождь, мы получаем возможность искупаться в слабом растворе Азотной кислоты.
Проникая в почву, атмосферная Азотная кислота образует с ее веществами разные естественные удобрения.
Азот так же фиксируется в атмосфере и фотохимическим путем: поглотив квант света, молекула N2 переходит в возбужденное, активированное состояние и становится способной соединяться с Кислородом...
Из почвы соединения Азота попадают в растения. Далее: «лошади кушают овес», а хищники пожирают - травоядных.
По пищевой цепи идет круговорот вещества, в том числе и Азота. При этом форма существования Азота меняется - он входит в состав все более сложных и нередко весьма активных соединений.
Но не только рожденный грозой Азот путешествует по пищевым цепям. Некоторые растения, в частности бобовые, способны повышать плодородие почвы - бобовые обогащают почву Азотом.
Зерновые же (и еще многие другие растения) истощают землю, забирая, в частности, все тот же Азот.
Дело здесь не в самих растениях, а в особых микроорганизмах, вызывающих образование клубеньков на их корнях. В симбиозе с бобовыми эти организмы и фиксируют Азот атмосферы.
Известно много разных Азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты, дрожжевые и плесневые грибки, сине-зеленые водоросли... - все они поставляют Азот растениям. Тихий, без громов и молний механизм биологической фиксации Азота.
Путь элементарного Азота в живое вещество возможен благодаря восстановительным процессам, в ходе которых Азот превращается в Аммиак.
Решающую роль при этом играет фермент нитрогеназа. Его центры, содержащие соединения Железа и Молибдена, активируют Азот для «стыковки» с Водородом, который в свою очередь, предварительно активируется другим ферментом. Так из инертного Азота получается активный Аммиак - первый стабильный продукт биологической Азотфиксации.
Природная фиксация Азота молниями и почвенными бактериями ежегодно дает около 150 000 000 тонн его соединений. Однако не весь связанный Азот участвует в круговороте. Часть его выводится из процесса и отлагается в виде залежей селитры.
Богатейшей такой кладовой оказалась Чилийская пустыня Атакама в предгорьях Кордильер. Здесь годами не бывает дождей. Но изредка на склоны гор обрушиваются сильные ливни, вымывающие почвенные соединения. Потоки воды выносят вниз растворенные соли, среди которых больше всего - селитры.
В качестве удобрения природную селитру стали применять лишь в начале 19-го века, когда стали разрабатывать Чилийские залежи. В то время это был единственный значительный источник связанного Азота, от которого, казалось, зависит благополучие человечества.
Об Азотной промышленности тогда не могло быть и речи.
Позже человечество освоило искусственную фиксацию Азота в промышленных масштабах.
Соединения Азота люди умели получать давно. Селитру например готовили в особых сараях - селитряницах. Но способ был очень примитивным:
«Выделывают селитру из куч навоза, золы, помета, оскребков кож, крови, картофельной ботвы. Кучи эти два года поливают мочою и переворачивают, после чего на них образуется налет селитры»...
Источником соединений Азота может служить и каменный уголь, в котором до 3% готового - связанного - Азота. Этот Азот стали выделять при коксовании углей, улавливая аммиачную фракцию и пропуская ее через серную кислоту.
Конечный продукт - сульфат аммония.
Впервые атмосферный Азот связал еще Шееле. В 1775 году он получил цианистый натрий, нагревая в атмосфере Азота соду с углем.
В 1780 году, Пристли установил, что объем воздуха, заключенный в сосуде перевернутом над водой, уменьшается, если через него пропускать электрическую искру, а вода приобретает свойства слабой кислоты.
Этот эксперимент и был (Пристли тогда этого знать не мог) моделью природного механизма фиксации Азота.
В 1784 году Кавендиш, пропуская электрический разряд через воздух, заключенный в стеклянной трубке со щелочью, обнаружил там селитру.
В 1895 году, немецкими исследователями А.Франком и Н.Каро был запатентован цианамидный способ. По этому способу Азот при нагревании с карбидом Кальция связывался в цианамид Кальция.
В 1901 году, сын А.Франка, подав идею о том, что цианамид Кальция может служить хорошим удобрением, положил начало производству этого вещества.
Однако росту индустрии связанного Азота способствовало прежде всего появление доступной электроэнергии!
Наиболее перспективным способом фиксации атмосферного Азота, в конце XIX века считался (аналогичный природному) дуговой - при помощи электрического разряда.
Селитру, которую выпускали дуговые установки и целые дуговые заводы, называли норвежской. Однако расход электроэнергии при этом процессе был чрезвычайно велик и составлял до 70 000 Киловатт/час на 1 тонну связанного Азота.
Лишь 3% этой энергии использовалось непосредственно на фиксацию.
Популяризатор науки Э.Слоссон однажды заметил: «Всегда говорилось, что англичане господствуют на море, а французы - на суше. Немцам же остается только воздух. К этой шутке немцы отнеслись как будто бы серьезно и принялись использовать воздушное царство для нападения на англичан и французов...»
В 1784 году К.Бертолле установил состав Аммиака и высказал мысль о химическом равновесии реакций синтеза и разложения этого вещества.
Через пять лет У.Остином была предпринята первая попытка синтеза NH3 (Аммиака) из Азота и Водорода.
Но наладить синтез Аммиака из Водорода и Азота в промышленных масштабах впервые удалось именно в Германии.
В технологии производства Аммиака, разработанной в 1918 году немецким ученым Ф.Габером, впервые был применен принцип замкнутого цикла с непрерывно действующей аппаратурой и утилизацией энергии.
В 1964 году в Институте элементоорганических соединении АН СССР, в лаборатории Вольпина, было сделано открытие: в присутствии соединений переходных (в атомах которых появляются электроны на d- и f-орбиталях. Орбиталь - составная часть электронной оболочки - совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n составляет одну электронную оболочку) металлов - Титана, Ванадия, Хрома, Молибдена и Железа - Азот активируется и, при обычных условиях образует комплексные соединения, разлагаемые затем водой до Аммиака.
Именно эти металлы служат и центрами фиксации Азота в ферментах Азотфиксаторов, и прекрасными катализаторами в производстве аммиака.
Вскоре после этого канадские ученые А.Аллен и К.Зеноф, исследуя реакцию Гидразина (N2H2) с треххлористым Рутением, получили химический комплекс, в котором, опять же в мягких условиях, Азот оказался уже связанным.
Наиболее перспективными направлениями окисления Азота считают все же температурные: сжигание воздуха в специальных печах, применение плазмотронов, использование для этих целей пучка ускоренных электронов.
Однако искусственная фиксация Азота и внесение в почву огромного количества Азотсодержащих веществ - самое грубое и значительное вмешательство человека в естественный круговорот веществ.
В наше время Азотные удобрения из дефицита превратились в загрязнители окружающей среды. Они вымываются из почвы в реки и озера, вызывают вредное цветение водоемов, разносятся воздушными потоками на дальние расстояния... В подземные воды уходит до 13% Азота, содержащегося в минеральных удобрениях. Азотные соединения, особенно нитраты, вредны для людей и могут быть причиной отравлений.
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определила предельно допустимую концентрацию нитратов в питьевой воде: 22 мг/л для умеренных широт и 10 мг/л для тропиков.
4 октября 1957 года человечество еще раз вмешалось в круговорот Азота, запустив в космос «шарик», заполненный Азотом - первый искусственный спутник...
Азот - самый дешевый из химически инертных (в обычных условиях) газов. Его широко применяют в химической технологии для создания неокисляющих сред. В частности в лабораториях, в атмосфере Азота, хранят легко окисляющиеся соединения. Выдающиеся произведения живописи иногда (в хранилищах или при транспортировке) помещают в герметические футляры, заполненные Азотом - чтобы предохранить краски от влаги и химически активных компонентов воздуха.
Значительной бывает роль Азота в металлургии и при металлообработке. Разные металлы в расплавленном состоянии реагируют на присутствие Азота по-разному. Медь например, абсолютно инертна по отношению к Азоту. Поэтому изделия из Меди часто сваривают в струе Азота.
Магний напротив - при горении на воздухе дает соединения не только с Кислородом, но и с Азотом. Так что для работы с изделиями из Магния при высоких температурах, Азотная среда неприменима.
Насыщение Азотом поверхности Титана придает металлу большую прочность и износостойкость - на ней образуется очень прочный и химически инертный нитрид Титана. Эта реакция идет лишь при высоких температурах.
При обыкновенной температуре Азот активно реагирует только с одним металлом - Литием.
Азот инертен лишь при обычных условиях. При повышенном давлении (например при погружении водолазов), растет концентрация растворенного Азота в белковых и особенно жировых тканях организма. Это приводит к Азотному наркозу - водолаз словно пьянеет: нарушается координация движений, мутится сознание.
В том, что причина этого - Азот, окончательно убедились после того как вместо обычного воздуха в скафандр водолаза подавалась Гелио-Кислородная смесь. При этом симптомы наркоза исчезли.
В большом семействе соединений (связей) Азота, есть странное соединение - Аммоний (NH4). В свободном виде он нигде не встречается, а в солях играет роль щелочного металла.
Аммонийные соли (в первую очередь нашатырь) издавна получали сжигая верблюжий навоз. При распаде солей получался газ, который сейчас называют аммиаком.
Два из пяти окислов Азота - окись (NO) и двуокись (NO2) - нашли широкое промышленное применение. Два других - Азотистый ангидрид (N2O3) и Азотный ангидрид (N2O5) - не часто встретишь и в лабораториях.
Пятый окисел - закись Азота (N2O) - обладает весьма своеобразным физиологическим действием, за которое его часто называют веселящим газом.
Растение, если ему предоставлена возможность выбора, предпочитает аммиачный Азот нитратному. (Нитраты - это соли Азотной кислоты).
Азотная кислота (HNO3) - один из самых важных окислителей. Первым ее приготовил - действуя серной кислотой на селитру - Иоганн Рудольф Глаубер.
Среди соединений, получаемых с помощью Азотной кислоты, многие - совершенно необходимые вещества. Это удобрения, красители, полимерные материалы, взрывчатые вещества.
Некоторые Азотсодержащие соединения, применяемые в агрохимии, выполняют двоякие функции. Например цианамид кальция хлопкоробы применяют как вещество, вызывающее опадение листьев перед уборкой урожая.
Но это соединение одновременно служит и удобрением.
Далеко не все вещества, в состав которых входит Азот, способствуют развитию любых растений.
Аминные соли феноксиуксусной и трихлорфеноксиуксусной кислот - гербициды. Первая подавляет рост сорняков на полях злаковых культур, вторая применяется для очистки земель под пашни - уничтожает мелкие деревья и кустарники.
Атомы Азота входят в состав многих природных и синтетических полимеров - от белка до капрона. Кроме того Азот - важнейший элемент безуглеродных неорганических полимеров.
Например молекулы неорганического каучука - это замкнутые циклы, составленные из чередующихся атомов Азота и Фосфора, в окружении ионов Хлора.
К неорганическим полимерам относятся и нитриды некоторых металлов, в том числе и самое твердое из всех веществ - Боразон.
Карта сайта
Мой адрес Электронной почты: q2212@yandex.ru
Номер моего мобильного телефона: +79030100732
