Главная→Насморк у взрослых→Азот из атмосферы. Азот (общие сведения)

Азот из атмосферы. Азот (общие сведения)

Неметаллический элемент 15-й группы периодической таблицы - азот, 2 атома которого, соединяясь, образуют молекулу, - бесцветный, без запаха и вкуса газ, составляющий большую часть атмосферы Земли и являющийся составной частью всего живого.

История обнаружения

Газ азот составляет около 4/5 земной атмосферы. Он был выделен в ходе ранних исследований воздуха. В 1772 году шведский химик Карл-Вильгельм Шееле первым продемонстрировал, что такое азот. По его мнению, воздух представляет собой смесь двух газов, один из которых он назвал «огненным воздухом», т. к. тот поддерживал горение, а другой - «нечистым воздухом», потому что он оставался после того, как первый расходовался. Это были кислород и азот. Примерно в то же время азот был выделен шотландским ботаником Даниэлем Резерфордом, который первым опубликовал свои выводы, а также британским химиком Генри Кавендишем и британским священнослужителем и ученым Джозефом Пристли, который разделил с Шееле первенство открытия кислорода. Дальнейшие исследования показали, что новый газ входит в состав селитры, или нитрата калия (KNO 3), и, соответственно, он был назван нитрогеном ("рождающим селитру") французским химиком Шапталем в 1790 г. Азот был впервые отнесен к химическим элементам Лавуазье, чье объяснение роли кислорода в горении опровергло теорию флогистона - популярное в XVIII в. ошибочное представление о горении. Неспособность этого химического элемента поддерживать жизнь (по-гречески ζωή) стала причиной того, что Лавуазье назвал газ азотом.

Возникновение и распространение

Что такое азот? По распространенности химических элементов он занимает шестое место. Атмосфера Земли на 75,51 % по весу и на 78,09 % по объему состоит из этого элемента и является основным его источником для промышленности. В атмосфере также содержится небольшое количество аммиака и солей аммония, а также оксиды азота и образующиеся во время гроз, а также в двигателях внутреннего сгорания. Свободный азот найден во многих метеоритах, вулканических и шахтных газах и некоторых минеральных источниках, на солнце, в звездах и туманностях.

Азот также встречается в минеральных отложениях нитрата калия и натрия, но для удовлетворения потребностей человека их недостаточно. Другим материалом, богатым этим элементом, является гуано, которое можно найти в пещерах, где много летучих мышей, или в сухих местах, посещаемых птицами. Также азот содержится в дожде и почве в виде аммиака и солей аммония, а в морской воде в виде ионов аммония (NH 4 +), нитритов (NO 2 -) и нитратов (NO 3 -). В среднем он составляет около 16 % сложных органических соединений, таких как белки, присутствующих во всех живых организмах. Естественное его содержание в земной коре составляет 0,3 части на 1000. Распространенность в космосе - от 3 до 7 атомов на атом кремния.

Крупнейшими странами-производителями азота (в виде аммиака) в начале XXI века были Индия, Россия, США, Тринидад и Тобаго, Украина.

Коммерческое производство и использование

Промышленное производство азота основано на фракционной перегонке сжиженного воздуха. Температура его кипения равна -195,8 °С, что на 13 °С ниже, чем у кислорода, который таким образом отделяется. Азот также может быть получен в больших масштабах путем сжигания углерода или углеводородов в воздухе и отделения полученного диоксида углерода и воды из остаточного азота. В малых масштабах чистый азот производится путем нагревания азида бария Ba(N 3) 2 . Лабораторные реакции включают нагрев раствора нитрита аммония (NH 4 NO 2), окисление аммиака водным раствором брома или нагретым :

NH 4 + +NO 2 - →N 2 +2H 2 O.
8NH 3 +3Br 2 →N 2 +6NH 4 + +6Br - .
2NH 3 +3CuO→N 2 +3H 2 O+3Cu.

Элементарный азот может быть использован в качестве инертной атмосферы для реакций, требующих исключения кислорода и влаги. Находит применение и жидкий азот. Водород, метан, окись углерода, фтор и кислород - единственные вещества, которые при температуре кипения азота не переходят в твердое кристаллическое состояние.

В химической промышленности этот химический элемент используется для предотвращения окисления или другой порчи продукта, как инертный разбавитель химически активного газа, для удаления тепла или химических веществ, а также в качестве ингибитора пожара или взрыва. В пищевой промышленности газ азот применяется для предотвращения порчи продуктов, а жидкий - для сушки замораживанием и в системах охлаждения. В электротехнической промышленности газ предотвращает окисление и другие химические реакции, создает давление в оболочке кабеля и защищает электродвигатели. В металлургии азот используется при сварке и пайке, предотвращая окисление, обуглероживание и обезуглероживание. Как неактивный газ его применяют в производстве пористой резины, пластмассы и эластомеров, он служит в качестве пропеллента в аэрозольных баллончиках, а также создает давление жидкого топлива в реактивных самолетах. В медицине быстрое замораживание жидким азотом используется для сохранения крови, костного мозга, тканей, бактерий и спермы. Он нашел применение и в криогенных исследованиях.

Соединения

Большая часть азота используется в производстве химических соединений. Тройная связь между атомами элемента настолько сильна (226 ккал на моль, вдвое больше, чем у молекулярного водорода), что молекула азота с трудом вступает в другие соединения.

Основным промышленным методом фиксации элемента является процесс Хабера-Боша для синтеза аммиака, разработанный во время Первой мировой войны, чтобы уменьшить зависимость Германии от Он включает прямой синтез NH 3 - бесцветного газа с резким, раздражающим запахом - непосредственно из его элементов.

Большая часть аммиака превращается в азотную кислоту (HNO 3) и нитраты - соли и сложные эфиры азотной кислоты, кальцинированную соду (Na 2 CO 3), гидразин (N 2 H 4) - бесцветную жидкость, используемую в качестве ракетного топлива и во многих промышленных процессах.

Азотная кислота является другим основным коммерческим соединением данного химического элемента. Бесцветная, высококоррозионная жидкость используется в производстве удобрений, красителей, лекарственных средств и взрывчатых веществ. Нитрат аммония (NH 4 NO 3) - соль аммиака и азотной кислоты - является наиболее распространенным компонентом азотных удобрений.

Азот + кислород

С кислородом азот образует ряд оксидов, в т. ч. закись азота (N 2 O), в которой его валентность равна +1, окись (NO) (+2) и двуокись (NO 2) (+4). Многие оксиды азота чрезвычайно летучи; они являются главными источниками загрязнения в атмосфере. Закись азота, также известная как веселящий газ, иногда используется в качестве анестезирующего средства. При вдыхании она вызывает мягкую истерию. Оксид азота быстро реагирует с кислородом с образованием коричневого диоксида, промежуточного продукта в и мощного окислителя в химических процессах и ракетном топливе.

Также используются некоторые нитриды, образованные соединением металлов с азотом при повышенных температурах. Нитриды бора, титана, циркония и тантала имеют специальные применение. Одна кристаллическая форма нитрида бора (BN), например, по твердости не уступает алмазу и плохо окисляется, поэтому используется в качестве высокотемпературного абразива.

Неорганические цианиды содержат группу CN - . Цианистый водород, или HCN, является крайне неустойчивым и чрезвычайно токсичным газом, который применяется для фумигации, концентрации руды, в других промышленных процессах. Дициан (CN) 2 используется в качестве промежуточного химического вещества и для фумигации.

Азиды представляют собой соединения, которые содержат группу из трех атомов азота -N 3 . Большинство их неустойчиво и очень чувствительно к ударам. Некоторые из них, такие как азид свинца Pb(N 3) 2 , используются в детонаторах и капсюлях. Азиды, подобно галогенам, охотно взаимодействуют с другими веществами и образуют множество соединений.

Азот входит в состав нескольких тысяч органических соединений. Большинство из них являются производными от аммиака, цианистого водорода, циана, закиси или азотной кислоты. Амины, аминокислоты, амиды, например, получены из аммиака или тесно связаны с ним. Нитроглицерин и нитроцеллюлоза - сложные эфиры азотной кислоты. Нитриты получают из азотистой кислоты (HNO 2). Пурины и алкалоиды являются гетероциклическими соединениями, в которых азот замещает один или несколько атомов углерода.

Свойства и реакции

Что такое азот? Это бесцветный газ без запаха, который конденсируется при -195,8 °С в бесцветную, маловязкую жидкость. Элемент существует в виде молекул N 2 , представляемых в виде:N:::N:, у которых энергия связи, равная 226 ккал на моль, уступает только окиси углерода (256 ккал на моль). По этой причине энергия активации молекулярного азота очень высока, поэтому в обычных условиях элемент относительно инертен. Кроме того, высокостабильная молекула азота в значительной степени способствует термодинамической неустойчивости многих азотсодержащих соединений, в которых связи, пусть и достаточно сильные, но уступают связям молекулярного азота.

Относительно недавно и неожиданно была открыта способность молекул азота служить в качестве лигандов в комплексных соединениях. Наблюдение того, что некоторые растворы комплексов рутения могут поглощать атмосферный азот, привело к тому, что вскоре может быть найден более простой и лучший способ фиксации этого элемента.

Активный азот можно получить путем пропускания газа низкого давления через высоковольтный электрический разряд. Продукт светится желтым светом и гораздо охотнее вступает в реакции, чем молекулярный, с атомарным водородом, серой, фосфором и различными металлами, а также способен разлагать NO до N 2 и O 2 .

Более ясное представление о том, что такое азот, можно получить благодаря его электронной структуре, которая имеет вид 1s 2 2s 2 2p 3 . Пять электронов внешних оболочек слабо экранируют заряд, в результате чего эффективный ядерный заряд ощущается на расстоянии ковалентного радиуса. Атомы азота относительно невелики и обладают высокой электроотрицательностью, располагаясь между углеродом и кислородом. Электронная конфигурация включает три полузаполненные внешние орбитали, позволяющие образовывать три ковалентные связи. Поэтому атом азота должен обладать чрезвычайно высокой реакционной способностью, образуя с большинством других элементов стабильные бинарные соединения, особенно когда другой элемент существенно отличается электроотрицательностью, придающей значительную полярность связям. Когда электроотрицательность другого элемента ниже, полярность придает атому азота частичный отрицательный заряд, что освобождает его неразделенные электроны для участия в координационных связях. Когда другой элемент более электроотрицателен, частично положительный заряд азота существенно ограничивает донорные свойства молекулы. При малой полярности связи, вследствие равной электроотрицательности другого элемента, множественные связи превалируют над одиночными. Если несоответствие атомных размеров препятствует образованию множественных связей, то образованная простая связь, вероятно, будет относительно слабой, и соединение будет неустойчивым.

Аналитическая химия

Часто процент азота в газовой смеси может быть определен путем измерения ее объема после поглощения других компонентов химическими реагентами. Разложение нитратов серной кислотой в присутствии ртути высвобождает окись азота, которая может быть измерена в виде газа. Азот высвобождается из органических соединений, когда они сгорают над окисью меди, а свободный азот может быть измерен в виде газа после поглощения других продуктов сгорания. Хорошо известный метод Кьельдаля по определению содержания рассматриваемого нами вещества в органических соединениях заключается в разложении соединения концентрированной серной кислотой (в случае необходимости содержащей ртуть, или ее оксид, а также различные соли). Таким образом азот преобразуется в сульфат аммония. Добавление гидроксида натрия высвобождает аммиак, который собирают обычной кислотой; остаточное количество непрореагировавшей кислоты затем определяется титрованием.

Биологическое и физиологическое значение

Роль азота в живой материи подтверждает физиологическую активность его органических соединений. Большинство живых организмов не может использовать этот химический элемент непосредственно и должно иметь доступ к его соединениям. Поэтому фиксация азота имеет огромное значение. В природе это происходит в результате двух основных процессов. Одним из них является действие электрической энергии на атмосферу, благодаря чему молекула азота и кислорода диссоциируют, что позволяет свободным атомам образовать NO и NO 2 . Двуокись затем вступает в реакцию с водой: 3NO 2 +H 2 O→2HNO 3 +NO.

HNO 3 растворяется и приходит на Землю с дождем в виде слабого раствора. Со временем кислота становится частью комбинированного азота почвы, где нейтрализуется, образуя нитриты и нитраты. Содержание N в культивируемых почвах, как правило, восстанавливается благодаря внесению удобрений, содержащих нитраты и аммонийные соли. Выделения животных и растений и их разложение возвращает соединения азота в почву и воздух.

Другим основным процессом естественной фиксации является жизнедеятельность бобовых. Благодаря симбиозу с бактериями эти культуры способны превращать атмосферный азот непосредственно в его соединения. Некоторые микроорганизмы, такие как Azotobacter Chroococcum и Clostridium pasteurianum, способны фиксировать N самостоятельно.

Сам газ, будучи инертным, безвреден, за исключением случая, когда им дышат под давлением, и он растворяется в крови и других жидкостях тела в более высоких концентрациях. Это вызывает наркотический эффект, а если давление снижается слишком быстро, избыток азота выделяется в виде пузырьков газа в различных местах организма. Это может вызвать боль в мышцах и суставах, обмороки, частичный паралич и даже смерть. Эти симптомы называются декомпрессионной болезнью. Поэтому те, кто вынужден дышать воздухом в таких условиях, должны очень медленно снижать давление до нормального, чтобы избыток азота выходил через легкие без образования пузырьков. Лучшей альтернативой является использование для дыхания смеси кислорода и гелия. Гелий гораздо менее растворим в жидкостях организма, и опасность уменьшается.

Изотопы

Азот существует в виде двух стабильных изотопов: 14 N (99,63 %) и 15 N (0,37 %). Они могут быть разделены с помощью химического обмена или путем термической диффузии. Масса азота в виде искусственных радиоактивных изотопов находится в пределах 10-13 и 16-24. Наиболее стабильный период полураспада, равный 10 минутам. Первая искусственно индуцированная ядерная трансмутация была произведена в 1919 г. британским физиком который, бомбардируя азот-14 альфа-частицами, получил ядра кислорода-17 и протоны.

Свойства

Напоследок перечислим основные свойства азота:

Атомный номер: 7.
Атомная масса азота: 14,0067.
Температура плавления: -209,86 °C.
Точка кипения: -195,8 °C.
Плотность (1 атм, 0 °С): 1,2506 г азота на литр.
Обычные состояния окисления: -3, +3, +5.
Конфигурация электронов: 1s 2 2s 2 2p 3 .

Большая часть азота находится в природе в свободном состоянии. Свободный азот является главной составной частью воздуха, который содержит азота. Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру , образующую мощные пласты на побережье Тихого океана в Чили. Почва содержит незначительные количества азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты. Но в виде сложных органических соединений - белков - азот входит в состав всех живых организмов. Превращения, которым подвергаются белки в клетках растений и животных, составляют основу всех жизненных процессов. Без белка нет жизни, а так как азот является обязательной составной частью белка, то понятно, какую важную роль играет этот элемент в живой природе.

Получение азота из воздуха сводится в основном к отделению его от кислорода. В промышленности это осуществляется путем испарения жидкого воздуха в специальных установках.

В лабораториях обычно пользуются азотом, поставляемым в баллонах под повышенным давлением или в сосудах Дьюара. Можно получать азот разложением некоторых его соединений, например нитрита аммония , который разлагается с выделением азота при сравнительно небольшом нагревании:

В молекуле азота атомы связаны тройной связью. Энергия диссоциации этой молекулы очень велика (945 кДж/моль), поэтому термическая диссоциация азота делается заметной лишь при очень сильном нагревании (при диссоциирует около ).

Азот - бесцветный газ, не имеющий запаха и весьма мало растворимый в воде. Он немного легче воздуха: масса 1 л азота равна 1,25 г.

Молекулярный азот - химически малоактивное вещество. При комнатной температуре он взаимодействует лишь с литием. Малая активность азота объясняется большой прочностью его молекул, обусловливающей высокую энергию активации реакций, протекающих с участием азота. Однако при нагревании он начинает реагировать со многими металлами - с магнием, кальцием, титаном. С водородом азот вступает во взаимодействие при высоких температуре и давлении в присутствии катализатора. Реакция азота с кислородом начинается при .

Животные, помещенные в атмосферу азота, быстро погибают, но не вследствие ядовитости азота, а из-за отсутствия кислорода.

Основное применение азот находит в качестве исходного продукта для синтеза аммиака и некоторых других соединений. Кроме того, он применяется для заполнения электрических ламп, для создания инертной среды при промышленном проведении некоторых химических реакций, при перекачке горючих жидкостей.

Азот - седьмой элемент в таблице Менделеева и первый элемент группы УА. Название азот означает "безжизненный" (греч. "а" - отрицательная приставка, "зоэ" - жизнь). Такая оценка азота может считаться справедливой только в отношении простого вещества, но азот как элемент необходим для жизни, так как вместе с углеродом, водородом и кислородом он образует белки и другие жизненно важные вещества. В организме человека содержится в среднем 1,8 кг азота.

Азот - довольно широко распространенный элемент биосферы. Наибольшее количество его находится в атмосфере в виде простого вещества Ы 2 . Общая масса азота в атмосфере составляет 4 10 18 кг. Твердых минералов, содержащих азот, почти нет. Лишь в исключительно сухой

пустыне на севере Чили есть залежи нитрата натрия, названного чилийской селитрой. Значительное количество азота содержится в биомассе растений и животных и в органических остатках (каменный уголь, торф). В обычных условиях на поверхности земли большая часть азота из отмерших растений постепенно превращается в газообразный азот и переходит в атмосферу. Некоторая доля имеющихся в почве соединений азота вымывается водой и попадает в водоемы. Поэтому растения часто оказываются в условиях недостатка азота, доступного для биологического усвоения. Неисчерпаемые запасы азота Ы 2 в окружающем воздухе большинство растений использовать не могут. Можно сравнить отношение растений к атмосферному азоту и кислороду. Последний активно используется растениями и животными в процессах окисления. Это различие между азотом и кислородом связано с необычайной прочностью молекул Ы 2 . Азот с трудом участвует в обычных химических реакциях. Биохимические реакции азота возможны лишь при участии фермента нитрогеназы, который имеется только у отдельных видов бактерий.

Промышленное получение соединений азота было трудной проблемой еще в начале XX в. В то же время потребность в соединениях азота огромна, так как они необходимы для производства не только удобрений, но и взрывчатых веществ. Немецкий химик Ф. Габер (Нобелевская премия по химии 1918 г.) внес важнейший вклад в решение проблемы связывания атмосферного азота, разработав катализатор для синтеза аммиака из азота и водорода. Это изобретение оказало огромное влияние на дальнейшее развитие промышленности и сельского хозяйства. В 1913 г. был пущен первый завод по производству аммиака, а в настоящее время его годовое производство превышает 100 млн т.

По строению атома азот - трехвалентный элемент. В устойчивых соединениях он образует не менее трех химических связей. Азот не может повысить свою валентность за счет перехода в возбужденное состояние. Для него единственная возможность перехода в четырехвалентное состояние - это потеря одного электрона:

В таком состоянии азот может находиться только в соединениях с более электроотрицательными элементами, г.е. кислородом и фтором. В этих соединениях азот имеет положительные степени окисления, а в соединениях со всеми остальными элементами - отрицательные.

Атом азота имеет валентную электронную пару на подуровне 2.? и как донор (основание) часто образует дополнительную химическую связь по донорно-акцепторному механизму. Примерами соответствующих соединений служат соли аммония и комплексные соединения ионов металлов с лигандом МН 3 .

Пример 20.1. Каковы степени окисления у азота в гидразине К 2 Н 4 , нитробензоле С 6 Н 5 Ы0 2 и аминоэтане С 2 Н 5 ЫН 2 ?

Решение. В гидразине СО азота -2. В этой молекуле имеется связь между атомами азота, не влияющая на степень окисления. В нитробензоле азот связан одновременно с более электроотрицательным кислородом и менее электроотрицательным углеродом. К двум атомам кислорода смещено четыре электрона, а от углерода - один. Получается СО +3. В аминоэтане азот связан с менее электроотрицательными водородом и углеродом. Степень окисления -3.

У азота известно только одно простое вещество N9, называемое, согласно химической номенклатуре, диазотом. Это газ, начинающий переходить в жидкость при -195,8°С при обычном давлении. Жидкий азот замерзает в бесцветные кристаллы при -210°С. В индивидуальном состоянии азот хранят и перевозят в баллонах под высоким давлением. Молекулы К 2 имеют на два электрона меньше, чем молекулы кислорода 0 2:

Два дополнительных электрона кислорода уменьшают прочность связи. Связь между атомами азота без этих электронов становится по-настоящему тройной, и Ы 2 оказывается самой устойчивой и наименее реакционноспособной из всех молекул. Энергия связи в молекуле Ы 2 -946 кДж/моль.

Прочностью молекул Ы 2 определяются нс только свойства этого вещества, но и поведение соединений азота. Они, как правило, не очень устойчивы, разлагаются при сравнительно слабом нагревании. Азот образует также неустойчивые соединения, являющиеся взрывчатыми веществами. Во всех случаях разложению соединений азота способствует образование устойчивых молекул Ы 2 .

Простой лабораторный способ получения азота заключается в разложении нитрита аммония при слабом нагревании соли как в виде твердого вещества, так и ее раствора:

Для проведения реакции в растворе можно взять часто используемые соли с теми же ионами - хлорид аммония и нитрит натрия:

При сгорании органических соединений азота также образуется простое вещество:

В промышленности азот получают из воздуха ректификацией при низкой температуре. Используется также азот воздуха после удаления кислорода химическими способами. В этом случае азот содержит примесь благородных газов. Азот используется в наибольшем количестве для синтеза аммиака. Инертность азота в обычных условиях позволяет применять его в качестве газообразной среды при проведении технологических процессов и в научных исследованиях.

У азота крайне мало реакций, способных идти при обычной температуре. Металл литий на воздухе реагирует одновременно и с кислородом, и с парами воды, и с азотом. Поверхность лития чернеет, так как на ней образуется нитрид лития:

Других реакций азота при обычной температуре не было известно до середины прошлого века. Настоящей сенсацией в химии явилось открытие реакций азота в водной среде с совместно осажденными гидроксидами двух металлов, один из которых является восстановителем, а другой несет каталитическую функцию. Гидроксид ванадия(П), осажденный с гидроксидом магния, реагирует следующим образом:

Получающееся соединение азота с водородом называется гидразин. По строению молекулы он аналогичен перекиси водорода:

Известно также вещество гидроксиламин КН 2 ОП, молекулы которого сочетают фрагменты гидразина и перекиси водорода:

При высокой температуре азот может реагировать со многими простыми веществами. С кислородом реакция идет при нагревании до 2000°С:

Реакция эндотермическая и обратимая, выход оксида азота(П) увеличивается при повышении температуры. В небольшом количестве N0 образуется в атмосфере при грозовых разрядах и при работе двигателей внутреннего сгорания.

Наибольшее практическое значение имеет реакция азота с водородом, о которой уже говорилось в параграфах 67 и 70. Напомним, что это экзотермическая реакция, и ее равновесие смещается влево при повышении температуры. Согласно уравнению реакции, из четырех молекул азота и водорода образуются две молекулы аммиака. Следовательно, при повышении давления равновесие смещается вправо. Выход продукта, определяемый положением равновесия реакции, зависит как от температуры, так и от давления. Эта зависимость показана на рис. 20.1. Возьмем на рисунке какую-либо точку, например, 450°С при давлении 600 атм. В этих условиях выход аммиака составляет 40%, что вполне приемлемо для этого процесса.

Однако устанавливается равновесие крайне медленно. Скорость реакции можно увеличить повышением температуры, но при этом быстро падает выход. Для дальнейшего повышения давления потребовалось бы применение более дорогого оборудования. Поэтому экономически приемлемое сочетание выхода продукта и скорости его образования может быть

достигнуто только при применении катализатора. Катализатор обычно удается создать в результате длительного экспериментального поиска. В этом процессе хорошим катализатором оказалось металлическое железо, активированное оксидами калия и алюминия. Теперь при промышленном получении аммиака применяют давления 300-500 атм (3 10 4 -5 -10 1 кПа) и температуру около 300°С. При этом выход аммиака составляет 10-20%. Однако смесь азота и водорода после отделения полученного аммиака может снова направляться в контактный аппарат с катализатором, и таким образом доля использования сырья повышается.

Рис. 20.1.

Принципиальная схема заводской установки для синтеза аммиака показана па рис. 20.2.

Рис. 20.2.

1 - компрессор; 2 - колонна синтеза; 3 - холодильник; 3 - сепаратор; 5 - сборник жидкого аммиака; в - циркуляционный насос

Очищенная от примесей газовая смесь, состоящая из одного объема азота и трех объемов водорода, сжимается компрессором 1 до 300 атм и поступает в колонну синтеза 2, заполненную катализатором, где и идет реакция образования аммиака. Перед запуском процесса колонну с катализатором нагревают электрическими нагревателями до 500°С. Далее температура поддерживается выделяющейся при реакции теплотой. После прохождения через колонну газы, содержащие до 20% аммиака, поступают в холодильник^, где из смеси газов, находящейся под большим давлением, конденсируется жидкий аммиак. Жидкость отделяется от газовой смеси в сепараторе 4. Отсюда аммиак перекачивается в сборник низкого давления 5 и далее поступает на склад. Неирореагировавшие газы перекачиваются насосом в для смешивания со свежей азото-водородной смесью. Смесь продолжает непрерывно поступать в колонну 2, где постоянно идет синтез аммиака.

В химии уже длительное время изучается возможность получения соединений азота при обычных температуре и давлении, так как применение устройств высокого давления дорого и опасно: они могут взрываться. Надежда на успех поддерживается тем, что известны микроорганизмы - нитробактерии , - имеющие фермент нитрогеназу , при участии которого азот восстанавливается в бактериальной клетке, превращаясь в необходимые органические соединения. По искусственно воспроизвести работу этих чрезвычайно сложных ферментов или похожих на них веществ пока не удается. Восстановление азота до гидразина по реакции с гидроксидами металлов также не удается осуществить в виде непрерывного процесса. Поэтому синтез аммиака, существенным недостатком которого является необходимость применения высокого давления, является пока самым лучшим источником получения соединений азота.

Азот реагирует с углеродом при горении вольтовой дуги с образованием газообразного вещества д и циана:

До промышленного освоения синтеза аммиака имела практическое значение реакция азота с карбидом кальция, продуктом которой является цианамид кальция Са=Ы-С=Ы (СаСЫ 2):

Для осуществления реакции азот пропускают через слой карбида кальция, сильно нагретый в каком-то одном месте. В этом месте возникает реакция, сопровождающаяся выделением теплоты. Масса окружающего вещества нагревается, в нем тоже происходит процесс поглощения азота. В итоге в реакцию вступает весь помещенный в аппарат карбид кальция.

Полученный таким образом цианамид кальция гидролизуют перегретым водяным паром:

Этот способ получения аммиака в настоящее время вытеснен синтезом его из водорода и азота.

При высокой температуре азот реагирует со многими металлами и сплавами, образуя нитриды металлов. Иногда образование нитрида в поверхностном слое придает сплаву дополнительную твердость. В некоторых случаях металл приходится изолировать от воздействия азота. Например, листы титана сваривают в атмосфере аргона во избежание образования нитрида титана.

Всем известно: азот инертен. Часто мы сетуем за это на элемент №7, что естественно: слишком дорогой ценой приходится расплачиваться за его относительную инертность, слишком много энергии, сил и средств приходится тратить на его превращение в жизненно необходимые соединения.

Но, с другой стороны, не будь азот так инертен, в атмосфере произошли бы реакции азота с кислородом, и жизнь на пашей 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. И «при всем при том» именно в окислы и азотную кислоту мы стремимся превратить возможно большую часть атмосферного азота. Это один из парадоксов элемента №7. (Здесь автор рискует быть обвиненным в тривиальности, ибо парадоксальность азота, вернее его свойств, стала притчей во языцех. И все же...)

Азот – элемент необыкновенный. Порою кажется, что чем больше мы о нем узнаем, тем непонятнее он становится. Противоречивость свойств элемента №7 отразилась даже в его названии, ибо ввела в заблуждение даже такого блистательного химика, как Антуан Лоран Лавуазье. Это Лавуазье 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», и слово это произведено от греческого «а» – отрицание и «зоэ» – жизнь.

Термин «азот» бытовал еще в лексиконе алхимиков, откуда и заимствовал его французский ученый. Означал он некое «философское начало», своего рода кабалистическое заклинание. Знатоки утверждают, что 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, не мудрствуя лукаво, предложил назвать элемент №7 гибридным латино-греческим именем «нитрогениум», что значит «селитру рождающий». Селитры – азотнокислые соли, вещества, известные с древнейших времен. (О них речь впереди.) Надо сказать, что термин «азот» укоренился только в русском и французском языках. По-английски элемент №7 – «Nitrogen», по-немецки – «Stockton» (удушающее вещество). Химический же символ N – дань шапталевскому нитрогениуму.

Кем открыт азот

Открытие азота приписывают ученику замечательного шотландского ученого Джозефа Блэка Даниелю Резерфорду, который в 1772 г. опубликовал диссертацию «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе». Блэк прославился своими опытами с «фиксируемым воздухом» – углекислым газом. Он обнаружил, что после фиксирования углекислоты (связывания ее щелочью) остается еще какой-то «не фиксируемый воздух», который был назван «мефитическим» – испорченным – за то, что не поддерживал горения и дыхания. Исследование этого «воздуха» Блэк и предложил Резерфорду в качестве диссертационной работы.

Примерно в то же время азот был получен К. Шееле, Дж. Пристли, Г. Кавендишем, причем последний, как следовало из его лабораторных записей, изучал этот газ раньше Резерфорда, но, как всегда, не спешил с публикацией результатов своих трудов. Однако все эти выдающиеся ученые имели весьма смутное представление о природе открытого ими вещества. Они были убежденными сторонниками теории флогистона и связывали свойства «мефитического воздуха» с этой мнимой субстанцией. Только Лавуазье, ведя наступление на флогистон, убедился сам и убедил других, что газ, который он назвал «безжизненным», – простое вещество, как и кислород...

Вселенский катализатор?

Можно лишь догадываться, что означает «начало и конец всех начал» в алхимическом «азоте». Но об одном из «начал», связанных с элементом №7, можно говорить всерьез. Азот и жизнь – понятия неотделимые. По крайней мере, всякий раз, когда биологи, химики, астрофизики пытаются постичь «начало начал» жизни, то непременно сталкиваются с азотом.

Атомы земных химических элементов рождены в недрах звезд. Именно оттуда, от ночных светил и дневного светила, начинаются истоки нашей земной жизни. Это обстоятельство и имел в виду английский астрофизик У. Фаулер , говоря, что «все мы... являемся частичкой звездного праха»...

Звездный «прах» азота возникает в сложнейшей цепи термоядерных процессов, начальная стадия которых – превращение водорода в гелий. Это многостадийная реакция, идущая, как предполагают, двумя путями. Один из них, получивший название углеродно-азотного цикла, имеет самое непосредственное отношение к элементу №7. Этот цикл начинается, когда в звездном веществе, помимо ядер водорода – протонов, уже есть и углерод. Ядро углерода-12, присоединив еще один протон, превращается в ядро нестабильного азота-13:

12 6 C + 1 1 H → 13 7 N + γ.

Но, испустив позитрон, азот снова становится углеродом – образуется более тяжелый изотоп 13 С:

13 7 N → 13 6 C + е + + γ.

Такое ядро, приняв лишний протон, превращается в ядро самого распространенного в земной атмосфере изотопа - 14 N.

13 6 C + 1 1 H → 14 7 N + γ.

Увы, лишь часть этого азота отправляется в путешествие по Вселенной. Под действием протонов азот-14 превращается в кислород-15, а тот, в свою очередь, испустив позитрон и гамма-квант, превращается в другой земной изотоп азота – 15 N:

14 7 N + 1 1 H → 15 8 O + γ;

15 8 O → 15 7 N + е + + γ.

Земной азот-15 стабилен, но и он в недрах звезды подвержен ядерному распаду; после того, как ядро 15 N примет еще один протон, произойдет не только образование кислорода 16 О, но и другая ядерная реакция:

15 7 N + 1 1 H → 12 6 С + 4 2 He.

В этой цепи превращений азот – один из промежуточных продуктов. Известный английский астрофизик Р.Дж. Тейлер пишет: « 14 N – изотоп, который нелегко построить. В углеродно-азотном цикле образуется азот, и, хотя впоследствии он снова превращается в углерод, все же если процесс протекает стационарно, то азота в веществе оказывается больше, чем углерода. Это, по-видимому, основной источник 14 N»...

В умеренно сложном углеродно-азотном цикле прослеживаются любопытные закономерности. Углерод 12 С играет в нем роль своеобразного катализатора. Судите сами, в конечном счете не происходит изменения количества ядер 12 С. Азот же, появляясь в начале процесса, исчезает в конце... И если углерод в этом цикле – катализатор, то азот явно – аутокатализатор, т.е. продукт реакции, катализирующий ее дальнейшие промежуточные стадии.

Мы не случайно завели здесь речь о каталитических свойствах элемента №7. Но сохранил ли эту особенность звездный азот и в живом веществе? Катализаторы жизненных процессов – ферменты, и все они, равно как и большинство гормонов и витаминов, содержат азот.

Азот в атмосфере Земли

Жизнь многим обязана азоту, но и азот, по крайней мере атмосферный, своим происхождением обязан не столько Солнцу, сколько жизненным процессам. Поразительно несоответствие между содержанием элемента №7 в литосфере (0,01%) и в атмосфере (75,6% по массе или 78,09% по объему). В общем-то, мы обитаем в азотной атмосфере, умеренно обогащенной кислородом.

Между тем ни на других планетах солнечной системы, ни в составе комет или каких-либо других холодных космических объектов свободный азот не обнаружен. Есть его соединения и радикалы – CN * , NH * , NH * 2 , NH * 3 , а вот азота нет. Правда, в атмосфере Венеры зафиксировано около 2% азота, но эта цифра еще требует подтверждения. Полагают, что и в первичной атмосфере Земли элемента №7 не было. Откуда же тогда он в воздухе?

По-видимому, атмосфера нашей планеты состояла вначале из летучих веществ, образовавшихся в земных недрах: Н 2 , Н 2 О, СО 2 , СН 4, NH 3 . Свободный азот если и выходил наружу как продукт вулканической деятельности, то превращался в аммиак. Условия для этого были самые подходящие: избыток водорода, повышенные температуры – поверхность Земли еще не остыла. Так что же, значит, сначала азот присутствовал в атмосфере в виде аммиака? Видимо, так. Запомним это обстоятельство.

Но вот возникла жизнь... Владимир Иванович Вернадский утверждал, что «земная газовая оболочка, наш воздух, есть создание жизни». Именно жизнь запустила удивительнейший механизм фотосинтеза. Один из конечных продуктов этого процесса – свободный кислород стал активно соединяться с аммиаком, высвобождая молекулярный азот:

CO 2 + 2Н 2 О → фотосинтез → НСОН + Н 2 О + О 2 ;

4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6Н 2 О.

Кислород и азот, как известно, в обычных условиях между собой не реагируют, что и позволило земному воздуху сохранить «статус кво» состава. Заметим, что значительная часть аммиака могла раствориться в воде при образовании гидросферы.

В наше время основной источник поступления N 2 в атмосферу – вулканические газы.

Если разорвать тройную связь...

Разрушив неисчерпаемые запасы связанного активного азота, живая природа поставила себя перед проблемой: как связать азот. В свободном, молекулярном состоянии он, как мы знаем, оказался весьма инертным. Виной тому – тройная химическая связь его молекулы: N≡N.

Обычно связи такой кратности малоустойчивы. Вспомним классический пример ацетилена: НС = СН. Тройная связь его молекулы очень непрочна, чем и объясняется невероятная химическая активность этого газа. А вот у азота здесь явная аномалия: его тройная связь образует самую стабильную из всех известных двухатомных молекул. Нужно приложить колоссальные усилия, чтобы разрушить эту связь. К примеру, промышленный синтез аммиака требует давления более 200 атм. и температуры свыше 500°C, да еще обязательного присутствия катализаторов... Решая проблему связывания азота, природе пришлось наладить непрерывное производство соединений азота методом гроз.

Статистика утверждает, что в атмосфере нашей планеты ежегодно вспыхивают три с лишним миллиарда молний. Мощность отдельных разрядов достигает 200 млн киловатт, а воздух при этом разогревается (локально, разумеется) до 20 тыс. градусов. При такой чудовищной температуре молекулы кислорода и азота распадаются на атомы, которые, легко реагируя друг с другом, образуют непрочную окись азота:

N 2 + O 2 → 2NО.

Благодаря быстрому охлаждению (разряд молнии длится десятитысячную долю секунды) окись азота не распадается и беспрепятственно окисляется кислородом воздуха до более стабильной двуокиси:

2NO + О 2 → 2NO 2 .

В присутствии атмосферной влаги и капель дождя двуокись азота превращается в азотную кислоту:

3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO.

Так, попав под свежий грозовой дождик, мы получаем возможность искупаться в слабом растворе азотной кислоты. Проникая в почву, атмосферная азотная кислота образует с ее веществами разнообразные естественные удобрения. Азот фиксируется в атмосфере и фотохимическим путем: поглотив квант света, молекула N 2 переходит в возбужденное, активированное состояние и становится способной соединяться с кислородом...

Бактерии и азот

Из почвы соединения азота попадают в растения. Далее: «лошади кушают овес», а хищники – травоядных животных. По пищевой цепи идет круговорот вещества, в том числе и элемента №7. При этом форма существования азота меняется, он входит в состав все более сложных и нередко весьма активных соединений. Но не только «грозорожденный» азот путешествует по пищевым цепям..

Еще в древности было замечено, что некоторые растения, в частности бобовые, способны повышать плодородие почвы.

«...Или, как сменится год, золотые засеивай злаки
Там, где с поля собрал урожай, стручками шумящий,
Или где вика росла мелкоплодная с горьким лупином...»

Вчитайтесь: это же травопольная система земледелия! Строки эти взяты из поэмы Вергилия, написанной около двух тысяч лет назад.

Пожалуй, первым, кто задумался над тем, почему бобовые дают прибавки урожая зерновых, был французский агрохимик Ж. Буссенго. В 1838 г. он установил, что бобовые обогащают почву азотом. Зерновые же (и еще многие другие растения) истощают землю, забирая, в частности, все тот же азот. Буссенго предположил, что листья бобовых усваивают азот из воздуха, но это было заблуждением. В то время немыслимо было предположить, что дело не в самих растениях, а в особых микроорганизмах, вызывающих образование клубеньков на их корнях. В симбиозе с бобовыми эти организмы и фиксируют азот атмосферы. Сейчас это прописная истина...

В наше время известно довольно много различных азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты, дрожжевые и плесневые грибки, сине-зеленые водоросли. И все они поставляют азот растениям. Но вот вопрос: каким образом без особых энергетических затрат расщепляют инертную молекулу N 2 микроорганизмы? И почему одни из них обладают этой полезнейшей для всего живого способностью, а другие нет? Долгое время это оставалось загадкой. Тихий, без громов и молний механизм биологической фиксации элемента №7 был раскрыт лишь недавно. Доказано, что путь элементарного азота в живое вещество стал 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 предварительно активируется другим ферментом. Так из инертного азота получается весьма активный аммиак – первый стабильный продукт биологической азотфиксации.

Вот ведь как получается! Сначала процессы жизнедеятельности перевели аммиак первичной атмосферы в азот, а затем жизнь снова превратила азот в аммиак. Стоило ли природе на этом «ломать копья»? Безусловно, потому что именно так и возник круговорот элемента №7.

Залежи селитры и рост народонаселения

Природная фиксация азота молниями и почвенными бактериями ежегодно дает около 150 млн т. соединений этого элемента. 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 в течение тысячелетий выносили вниз растворенные соли, среди которых больше всего было селитры. Вода испарялась, соли оставались... Так возникло крупнейшее в мире месторождение азотных соединений.

Еще знаменитый немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер, живший в XVII в., отметил исключительную важность азотных солей для развития растений. В своих сочинениях, размышляя о круговороте азотистых веществ в природе, он употреблял такие выражения, как «нитрозные соки почвы» и «селитра – соль плодородия».

Но природную селитру в качестве удобрения стали применять лишь в начале прошлого века, когда стали разрабатывать чилийские залежи. В то время это был единственный значительный источник связанного азота, от которого, казалось, зависит благополучие человечества. Об азотной же промышленности тогда не могло быть и речи.

В 1824 г. английский священник Томас Мальтус провозгласил свою печально известную доктрину о том, что народонаселение растет гораздо быстрее, чем производство продуктов питания. В это время вывоз чилийской селитры составлял всего около 1000 т в год. В 1887 г. соотечественник Мальтуса, известный ученый Томас Гексли предсказал скорый конец цивилизации из-за «азотного голода», который должен наступить после выработки месторождений чилийской селитры (ее добыча к этому времени составляла уже более 500 тыс. т в год).

Через 11 лет еще один знаменитый ученый сэр Уильям Крукс заявил в Британском обществе содействия наукам, что не пройдет и полувека, как наступит продовольственный крах, если численность народонаселения не сократится. Он также аргументировал свой печальный прогноз тем, что «в скором времени предстоит полное истощение залежей чилийской селитры» со всеми отсюда вытекающими последствиями.

Пророчества эти не оправдались – человечество не погибло, а освоило искусственную фиксацию элемента №7. Более того, сегодня доля природной селитры – лишь 1,5% от мирового производства азотсодержащих веществ.

Как связывали азот

Соединения азота люди умели получать давно. Ту же селитру приготовляли в особых сараях – селитряницах, но очень уж примитивным был этот способ. «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», – такое описание селитряного производства есть в одной старинной книге.

Источником соединений азота может служить и каменный уголь, в котором до 3% азота. Связанного азота! Этот азот стали выделять при коксовании углей, улавливая аммиачную фракцию и пропуская ее через серную кислоту.

Конечный продукт – сульфат аммония. Но и это, в общем-то, крохи. Трудно даже представить, какими путями развивалась бы наша цивилизация, не реши она вовремя проблему промышленно приемлемой фиксации атмосферного азота.

Впервые атмосферный азот связал еще Шееле. В 1775 г. он получил цианистый натрий, нагревая в атмосфере азота соду с углем:

Na 2 CO 3 + 4С + N 2 → 2NaCN + 3СО.

В 1780 г. 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 был, как мы знаем (Пристли этого не знал), моделью природного механизма фиксации азота. Четыре года спустя Кавендиш, пропуская электрический разряд через воздух, заключенный в стеклянной трубке со щелочью, обнаружил там селитру.

И хотя все эти эксперименты не могли в то время выйти за пределы лабораторий, в них виден прообраз промышленных способов фиксации азота – цианамидного и дугового, появившихся на рубеже XIX...XX вв.

Цианамидный способ был запатентован в 1895 г. немецкими исследователями А. Франком и Н. Каро. По этому способу азот при нагревании с карбидом кальция связывался в цианамид кальция:

CaC 2 + N 2 → Ca(CN) 2 .

В 1901 г. сын Франка, подав идею о том, что цианамид кальция может служить хорошим удобрением, по существу, положил начало производству этого вещества. Росту индустрии связанного азота способствовало появление дешевой электроэнергии. Наиболее перспективным способом фиксации атмосферного азота в конце XIX в. считался дуговой, при помощи электрического разряда. Вскоре после строительства Ниагарской электростанции американцы неподалеку пустили (в 1902 г.) первый дуговой завод. Через три года в Норвегии вступила в строй дуговая установка, разработанная теоретиком и специалистом по изучению северного сияния X. Биркеландом и инженером-практиком С. Эйде. Заводы подобного типа получили широкое распространение; селитру, которую они выпускали, называли норвежской. Однако расход электроэнергии при этом процессе был чрезвычайно велик и составлял до 70 тыс. киловатт/час на тонну связанного азота, причем только 3% этой энергии использовалось непосредственно на фиксацию.

Через аммиак

Перечисленные выше способы фиксации азота были лишь подходами к методу, появившемуся незадолго до первой мировой войны. Это о нем американский популяризатор науки Э. Слоссон весьма остроумно 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... Кайзер... обладал целым флотом цеппелинов и таким способом фиксации азота, который не был известен никакой другой нации. Цеппелины разрывались, как мешки с воздухом, но заводы, фиксирующие азот, продолжали работать и сделали Германию независимой от Чили не только в годы войны, но и в мирное время»... Речь идет о синтезе аммиака – основном процессе современной индустрии связанного азота.

Слоссон был не совсем прав, говоря о том, что способ фиксации азота в аммиак не был известен нигде, кроме Германии. Теоретические основы этого процесса были заложены французскими и английскими учеными. Еще в 1784 г. знаменитый К. Бертолле установил состав аммиака и высказал мысль о химическом равновесии реакций синтеза и разложения этого вещества. Через пять лет англичанином У. Остином была предпринята первая попытка синтеза NH 3 из азота и водорода. И, наконец, французский химик А. Ле Шателье, отчетливо сформулировав принцип подвижного равновесия, первым синтезировал аммиак. При этом он применил высокое давление и катализаторы – губчатую платину и железо. В 1901 г. Ле Шателье запатентовал этот способ.

Исследования по синтезу аммиака в начале века проводили также Э. Перман и Г. Аткинс в Англии. В своих экспериментах эти исследователи в качестве катализаторов применяли различные металлы, в частности медь, никель и кобальт...

Но наладить синтез аммиака из водорода и азота в промышленных масштабах впервые удалось, действительно, в Германии. В этом заслуга известного химика Фрица Габера . В 1918 г. он был удостоен Нобелевской премии по химии.

Технология производства NH 3 , разработанная немецким ученым, очень сильно отличалась от других производств того времени. Здесь впервые был применен принцип замкнутого цикла с непрерывно действующей аппаратурой и утилизацией энергии. Окончательную разработку технологии синтеза аммиака завершил коллега и друг Габера К. Бош , который в 1931 г. также был удостоен Нобелевской премии – за развитие методов химического синтеза при высоких давлениях.

По пути природы

Синтез аммиака стал еще одной моделью природной фиксации элемента №7. Напомним, что микроорганизмы связывают азот именно в NH 3 . При всех достоинствах процесса Габера – Боша он выглядит несовершенным и громоздким по сравнению с природным!

«Биологическая фиксация атмосферного азота... была неким парадоксом, постоянным вызовом для химиков, своего рода демонстрацией недостаточности наших знаний». Эти слова принадлежат советским химикам М.Е. Вольпину и А.Е. Шилову, которые предприняли попытку фиксации молекулярного азота в мягких условиях.

Сначала были неудачи. Но в 1964 г. в Институте элементоорганических соединении АН СССР, в лаборатории Вольпина, было сделано открытие: в присутствии соединений переходных металлов – титана, ванадия, хрома, молибдена и железа – элемент №7 активируется и при обычных условиях образует комплексные соединения, разлагаемые 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 N 2 H 2 с треххлористым рутением, получили химический комплекс, в котором, опять же в мягких условиях, азот оказался связанным. Этот результат настолько противоречил обычным представлениям, что редакция журнала, куда исследователи послали свою статью с сенсационным сообщением, отказалась ее печатать. В дальнейшем советским ученым удалось в мягких условиях получить и азотсодержащие органические вещества. Пока еще рано говорить о промышленных способах мягкой химической фиксации атмосферного азота, однако, достигнутые успехи позволяют предвидеть надвигающуюся революцию в технологии связывания элемента №7.

Современной наукой не забыты и старые способы получения азотных соединений через окислы. Здесь главные усилия направлены на разработку технологических процессов, ускоряющих расщепление молекулы N 2 на атомы. Наиболее перспективными направлениями окисления азота считают сжигание воздуха в специальных печах, применение плазмотронов, использование для этих целей пучка ускоренных электронов.

Чего бояться?

Сегодня нет оснований опасаться, что человечество когда-либо будет испытывать недостаток в соединениях азота. Промышленная фиксация элемента №7 прогрессирует невероятными темпами. Если в конце 60-х годов мировое производство связанного азота составляло 30 млн т., то к началу будущего века оно, по всей вероятности, достигнет миллиарда тонн!

Такие успехи не только радуют, но и вызывают опасения. Дело в том, что искусственная фиксация N 2 и внесение в почву огромного количества азотсодержащих веществ – самое грубое и значительное вмешательство человека в естественный круговорот веществ. В наше время азотные удобрения не только вещества плодородия, но и 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. Вот вам и кормилец-азот!

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) приняла предельно допустимую концентрацию нитратов в питьевой воде: 22 мг/л для умеренных широт и 10 мг/л для тропиков. В СССР санитарные нормы регламентируют содержание нитратов в воде водоемов по «тропическим» меркам – не более 10 мг/л. Выходит, что нитраты средство «обоюдоострое»...

4 октября 1957 г. человечество еще раз вмешалось в круговорот элемента №7, запустив в космос «шарик», заполненный азотом, – первый искусственный спутник...

Менделеев об азоте

«Хотя деятельнейшую, т.е. наиболее легко и часто химически действующую часть окружающего нас воздуха, составляет кислород, но наибольшую массу его, судя как по объему, так и по весу, образует азот; а именно газообразный азот составляет 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. Входя в таком значительном количестве в состав воздуха, азот, по-видимому, не играет особо видной роли в атмосфере, химическое действие которой определяется преимущественно содержанием в ней кислорода. Но правильное представление об азоте получается только тогда, когда узнаем, что в чистом кислороде животные не могут долго жить, даже умирают, и что азот воздуха, хотя лишь медленно и мало-помалу, образует разнообразные соединения, часть которых играет важнейшую роль в природе, особенно в жизни организмов».

Где применяют азот

Азот – самый дешевый из всех газов, химически инертных в обычных условиях. Его широко применяют в химической технологии для создания неокислительных сред. 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. Различные 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 этого газа. 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.

Наибольшее количество азота идет на производство аммиака.

Азотный наркоз

Распространенное мнение о физиологической инертности азота не совсем правильно. Азот физиологически инертен при обычных условиях.

При повышенном давлении, например при погружении водолазов, растет концентрация растворенного азота в белковых и особенно жировых тканях организма. Это приводит к так называемому азотному наркозу. Водолаз словно пьянеет: нарушается координация движений, мутится сознание. В том, что причина этого – азот, ученые окончательно убедились после проведения экспериментов, в которых вместо обычного воздуха в скафандр водолаза подавалась гелио-кислородная смесь. При этом симптомы наркоза исчезли.

Космический аммиак

Большие планеты солнечной системы Сатурн и Юпитер состоят, как полагают астрономы, частично из твердого аммиака. Аммиак замерзает при –78°C, а на поверхности Юпитера, например, средняя температура – 138°C.

Аммиак и аммоний

В большой семье азота есть странное соединение – аммоний NH 4 . В свободном виде он нигде не встречается, а в солях играет роль щелочного металла. Название «аммоний» предложил в 1808 г. знаменитый английский химик Хэмфри Дэви. Латинское слово ammonium когда-то означало: соль из Аммонии. Аммония – область в Ливии. Там находился храм египетского бога Аммона, по имени которого и называли всю область. В Аммонии издавна получали аммонийные соли (в первую очередь нашатырь), сжигая верблюжий навоз. При распаде солей получался газ, который сейчас называют аммиаком.

С 1787 г. (в том самом году, когда был принят термин «азот») комиссия по химической номенклатуре дала этому газу имя ammoniaque (аммониак). Русскому химику Я.Д. Захарову это название показалось слишком длинным, и в 1801 г. он исключил из него две буквы. Так получился аммиак.

Веселящий газ

Из пяти окислов азота два – окись (NO) и двуокись (NO 2) – нашли широкое промышленное применение. Два других – азотистый ангидрид (N 2 O 3) и азотный ангидрид (N 2 O 5) – не часто встретишь и в лабораториях. Пятый – закись азота (N 2 O). Она обладает весьма своеобразным физиологическим действием, за которое ее часто называют веселящим газом.

Выдающийся английский химик Хэмфри Дэви с помощью этого газа устраивал специальные сеансы. Вот как описывал действие закиси азота один из современников Дэви: «Одни джентльмены прыгали по столам и стульям, у других развязались языки, третьи обнаружили чрезвычайную склонность к потасовке».

Свифт смеялся напрасно

Выдающийся писатель-сатирик Джонатан Свифт охотно издевался над бесплодием современной ему науки. В «Путешествиях Гулливера», в описании академии Лагадо, есть такое место: «В его распоряжении были две большие комнаты, загроможденные самыми удивительными диковинами; пятьдесят помощников работали под его руководством. Одни сгущали воздух в сухое плотное вещество, извлекая из него селитру...»

Сейчас селитра из воздуха – вещь абсолютно реальная. Аммиачную селитру NH 4 NO 3 действительно делают из воздуха и воды.

Бактерии связывают азот

Идею о том, что некоторые микроорганизмы могут связывать азот воздуха, первым высказал русский физик П. Коссович. Русскому биохимику С.Н. Виноградскому первому удалось выделить из почвы один вид бактерий, связывающих азот.

Растения разборчивы

Дмитрий Николаевич Прянишников установил, что растение, если ему предоставлена возможность выбора, предпочитает аммиачный азот нитратному. (Нитраты – соли азотной кислоты).

Важный окислитель

Азотная кислота HNO 3 – один из самых важных окислителей, применяемых в химической промышленности. Первым ее приготовил, действуя серной кислотой на селитру, один из крупнейших химиков XVII в. Иоганн Рудольф Глаубер.

Среди соединений, получаемых сейчас с помощью азотной кислоты, многие совершенно необходимые вещества: удобрения, красители, полимерные материалы, взрывчатые вещества.

Двойная роль

Некоторые азотсодержащие соединения, применяемые в агрохимии, выполняют двоякие функции. Например, цианамид кальция хлопкоробы применяют как дефолиант – вещество, вызывающее опадение листьев перед уборкой урожая. Но это соединение одновременно служит и удобрением.

Азот в ядохимикатах

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.

Полимеры: от биологических до неорганических

Атомы азота входят в состав многих природных и синтетических полимеров – от белка до капрона. Кроме того, азот – важнейший элемент безуглеродных, неорганических полимеров. Молекулы неорганического каучука – полифосфонитрилхлорида – 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.

Азот – это один из множества химических элементов из периодической таблицы, но вопрос о том, что такое азот, возникает очень часто. Причина этого вполне очевидна – данное вещество активно применяется в науке и технике, промышленности, выступает основой для создания множества полезных в быту и трудовой деятельности материалов и соединений.

Данный элемент относится к 15 группе таблицы Менделеева, он очень распространен по всей планете и составляет большую часть атмосферы Земли, особенно более высоких слоев.

Вещество относится к инертным образованиям – таким, которые практически не вступают во взаимодействие с другими элементами. Горение элемент не поддерживает.

Как и другие инертные газы, нитроген (как его называют в латыни nitrogen), не имеет запаха, отличается также отсутствием цвета. Также он не ядовитый и не опасный для живого организма. Большие количества n2 содержаться в воздухе (он составляет примерно 78% всего объема воздуха), также он может содержаться в скалах, горных породах, всевозможных соединениях.

Молекула азота является обязательным компонентом белковых структур живых организмов, также она имеется в нуклеиновых кислотах и других вещах.

Характеристика и физические свойства азота

Как уже было отмечено выше, данное вещество не имеет ни запаха, ни вкуса, оно отличается инертностью, то есть, слабой способностью взаимодействовать с другими химическими элементами.

Помимо того, что в воздухе содержится очень большое количество азота, его обнаружили и в других местах: в газовых туманностях в космосе, на планетах Нептун, а также Уран, некоторых спутниках планет солнечной системы.

Знать физические свойства элемента важно, так как он используется повсеместно. Выглядят они так:

Молекулярная масса вещества составляет 14 атомных единиц массы (а. е. м.). Этому же значению равна и относительная атомная масса.
Теплоемкость зависит от температуры. При 0 градусов Цельсия она равняется 1039 Дж/(кг*град). Если же сжать газ до давления в 100 атмосфер, то это значение увеличится до 1242.
Плотность составляет 1,25 килограмм/м 3.
Температура плавления нитрогена равняется -210 градусов Цельсия. В атмосфере элемент находится в газообразном состоянии, при охлаждении до -196 градусов он конденсируется в жидкость, которая внешне напоминает воду. Кипит нитроген при -195,8°C.
Степень окисления вещества зависит от того, в каких оно находится соединениях и может принимать значения −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5.

Еще одно важное физическое свойство – при контакте с воздухом азот поглощает имеющийся в нем кислород, благодаря чему плавится.

Химические свойства азота и его соединения

Между атомами N2 существуют тройные связи, молекулы вещества проявляют высокий уровень стойкости к процессам диссоциации. В обычных условиях диссоциация между молекулами элемента практически не происходит.

Между отдельными молекулами действуют достаточно слабые связи, благодаря чему нитроген существует преимущественно в газообразном состоянии. Интересно, что даже при нагреве до 3000°C термическая диссоциация практически не происходит.

Азот на Земле содержится в основном в свободном виде, так как любые соединения с ним очень малоустойчивы даже перед температурным фактором.

Атомарный газ из N обладает уже значительно большей способностью к взаимодействию с другими элементами, он реагирует при контакте с металлами, мышьяком, серой, фосфором и т. д.

Круговорот азота в природе

Так как рассматриваемое вещество является одним из самых распространенных на планете, то неудивительно, что оно имеет свой развитый круговорот. Оно входит в состав и представителей флоры, и фауны, находится в грунте, воздухе.

Цикл обращения его в биосфере выглядит так:

Сначала микроорганизмы поглощают азот из продуктов разложения, содержание которых насыщено N2 молекулами.
Происходит органический обмен веществ, где образуется как аммиак, так и аммоний.
Другие организмы поглощают эти продукты и переводят их в вид нитратов.
Нитраты участвуют в росте растений, которые потом опять будут съедены животными, а те в свою очередь генерируют продукты разложения. Таким образом, цепь кругооборота замыкается.

Строение молекул нитрогена таково, что лучше всего это вещество усваивают некоторые типы микроорганизмов, особенно относящиеся к бобовым растениям.

Именно поэтому очень эффективным способом повышения плодородия почвы является посадка там бобовых культур, которые активно поглощают азот и таким образом обогащают почву.

Также данному процессу способствуют грозы, немалую роль играет и искусственное производство аммиака.

Получение азота

Применение азота

Как водород, кислород и другие распространенные вещества, азот играет очень важную роль в жизни всего человечества.

Он активно применяется во многих сферах деятельности:

Аммиак обеспечивает в промышленности возможность выработки азотной кислоты, соды, удобрений для сельского хозяйства. Также он применяется в холодильных установках в качестве хладагента и в медицине.
С помощью газа создаются многие осветительные приборы, устройства для охлаждения и вымораживания, к примеру, азотные ловушки для вакуумных установок.
Вещество необходимо при производстве взрывчатки, красителей, пластмассы и синтетических материалов, без него нельзя себе представить работу ракетной и космической техники. Также используется для производства искусственных тканей.
В нефтедобывающей и газодобывающей отрасли с помощью нитрогена поддерживается внутрипластовое давление, которое позволяет извлечь больше полезных ископаемых.
В металлургии материал необходим для проведения отжига черных и цветных металлов.
В электронике данный газ используют для того, чтобы не допустить окисления элементов производимой электроники, полупроводников.

И это далеко не все сферы применения рассматриваемого компонента.

Как видите, таблица Менделеева скрывает много интересных элементов и азот является одним из них. Его температура замерзания, электронная формула и прочие вопросы широко представлены в Сети, поэтому ознакомиться с ними в случае необходимости не составляет никакого труда.

N2 – важнейший компонент живой и неживой природы нашей Планеты и всего космоса, поэтому каждый человек просто обязан знать о нем побольше.