Азот - элемент главной подгруппы пятой группы второго периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 7. Обозначается символом N (лат. Nitrogenium). Простое вещество азот (CAS-номер: 7727-37-9) - достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха (формула N2), из которого на три четверти состоит земная атмосфера.
История открытия.
В 1772 году Генри Кавендиш провёл следующий опыт: он многократно пропускал воздух над раскалённым углём, затем обрабатывал его щёлочью, в результате получался остаток, который Кавендиш назвал удушливым (или мефитическим) воздухом. С позиций современной химии ясно, что в реакции с раскалённым углём кислород воздуха связывался в углекислый газ, который затем поглощался щёлочью. При этом остаток газа представлял собой по большей части азот. Таким образом, Кавендиш выделил азот, но не сумел понять, что это новое простое вещество (химический элемент). В том же году Кавендиш сообщил об этом опыте Джозефу Пристли.
Пристли в это время проводил серию экспериментов, в которых также связывал кислород воздуха и удалял полученный углекислый газ, то есть также получал азот, однако, будучи сторонником господствующей в те времена теории флогистона, совершенно неверно истолковал полученные результаты (по его мнению, процесс был противоположным - не кислород удалялся из газовой смеси, а наоборот, в результате обжига воздух насыщался флогистоном; оставшийся воздух (азот) он и назвал насыщенным флогистоном, то есть флогистированным). Очевидно, что и Пристли, хотя и смог выделить азот, не сумел понять сути своего открытия, поэтому и не считается первооткрывателем азота.
Одновременно схожие эксперименты с тем же результатом проводил и Карл Шееле. В 1772 году азот (под названием «испорченного воздуха») как простое вещество описал Даниэль Резерфорд, он опубликовал магистерскую диссертацию, где указал основные свойства азота (не реагирует со щелочами, не поддерживает горения, непригоден для дыхания). Именно Даниэль Резерфорд и считается первооткрывателем азота. Однако и Резерфорд был сторонником флогистонной теории, поэтому также не смог понять, что же он выделил. Таким образом, чётко определить первооткрывателя азота невозможно.
В дальнейшем азот был изучен Генри Кавендишем (интересен тот факт, что он сумел связать азот с кислородом при помощи разрядов электрического тока, а после поглощения оксидов азота в остатке получил небольшое количество газа, абсолютно инертного, хотя, как и в случае с азотом, не смог понять, что выделил новый химический элемент - инертный газ аргон)
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 (англ. Nitrogen, франц. Azote, нем. Stickstoff) был открыт почти одновременно несколькими исследователями. Кавендиш получил азот из воздуха (1772), пропуская последний через раскаленный уголь, а затем через раствор щелочи для поглощения углекислоты. Кавендиш не дал специального названия новому газу, упоминая о нем как о мефитическом воздухе (лат. - mephitis - удушливое или вредное испарение земли). Официально открытие азота обычно приписывается Резерфорду, опубликовавшему в 1772 г. диссертацию "О фиксируемом воздухе, называемом иначе удушливым", где впервые описаны некоторые химические свойства азота. В эти же годы Шееле получил азот из атмосферного воздуха тем же путем, что и Кавендиш. Он назвал новый газ испорченным воздухом (Verdorbene Luft). Пристли (1775) назвал азот флогистированным воздухом (Air phlogisticated). Лавуазье в 1776-1777 гг. подробно исследовал состав атмосферного воздуха и установил, что 4/5 его объема состоят из удушливого газа (Air mofette).
Лавуазье предложил назвать элемент "азот" от отрицательной греческой приставки "а" и слова жизнь "зоэ", подчеркивая его неспособность поддерживать дыхание. В 1790 году для азота было предложено название "нитроген" (nitrogene - "образующий селитру"), что и стало в дальнейшем основой международного названия элемента (Nitrogenium) и символа азота - N.
Нахождение в природе, получение:
Азот в природе встречается главным образом в свободном состоянии. В воздухе объемная доля его составляет 78,09%, а массовая доля - 75,6%. Соединения азота в небольших количествах содержатся в почвах. Азот входит в состав белковых веществ и многих естественных органических соединений. Общее содержание азота в земной коре 0,01%.
В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10 15) тонн, а в океанах - около 20 триллионов (20·10 12) тонн. Незначительная часть этого количества - около 100 миллиардов тонн - ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллиардов тонн связанного азота только 4 миллиарда тонн содержится в тканях растений и животных - все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.
В технике азот получают из воздуха. Для получения азота воздух переводят в жидкое состояние, а затем испарением отделяют азот от менее летучего кислорода (t кип N 2 = -195,8°С, t кип O 2 = -183°С)
В лабораторных условиях чистый азот можно получить разлагая нитрит аммония или смешивая при нагревании растворы хлорида аммония и нитрита натрия:
NH 4 NO 2
N 2 + 2H 2 O; NH 4 Cl + NaNO 2
NaCl + N 2 + 2H 2 O.
Физические свойства:
Природный азот состоит из двух изотопов: 14 N и 15 N. При обычных условиях азот - газ без цвета, запаха и вкуса, немного легче воздуха, плохо растворяется в воде (в 1 л воды растворяется 15,4 мл азота, кислорода - 31 мл). При температуре -195,8°C азот переходит в бесцветную жидкость, а при температуре -210,0°C - в белое твердое вещество. В твердом состоянии существует в виде двух полиморфных модификаций: ниже -237,54°C устойчива форма с кубической решеткой, выше - с гексагональной.
Энергия связи атомов в молекуле азота очень велика и составляет 941,6 кДж/моль. Расстояние между центрами атомов в молекуле 0,110 нм. Молекула N 2 диамагнитна. Это свидетельствует о том, что связь между атомами азота тройная.
Плотность газообразного азота при 0°C 1,25046 г/дм 3
Химические свойства:
При обычных условиях азот - химически малоактивное вещество из-за прочной ковалентной связи. В обычных условиях реагирует только с литием, образуя нитрид:
6Li + N 2 = 2Li 3 N
С повышением температуры активность молекулярного азота увеличивается, при этом он может быть может быть и окислителем (с водородом, металлами), и восстановителем (с кислородом, фтором). При нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора азот взаимодействует с водородом образуя аммиак:
N 2 + 3H 2 = 2NH 3
С кислородом азот соединяется только в электрической дуге с образованием оксида азотa(II): N 2 + O 2 = 2NO
В электрическом разряде возможна и реакция со фтором: N 2 + 3F 2 = 2NF 3
Важнейшие соединения:
Азот способен образовывать химические соединения, находясь во всех степенях окисления от +5 до -3. Соединения в положительных степенях окисления азот образует с фтором и кислородом, причем в степенях окисления больше +3 азот может находиться только в соединениях с кислородом.
Аммиак
, NH 3 - бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворяется в воде ("нашатырный спирт").
Аммиак обладает основными свойствами, взаимодействует с водой, галогеноводородами, кислотами:
NH 3 + H 2 O NH 3 *H 2 O NH 4 + + OH - ; NH 3 + HCl = NH 4 Cl
Один из типичных лигандов в комплексных соединениях:
Cu(OH) 2 + 4NH 3 = (OH) 2 (фиол., р-рим)
Восстановитель:
2NH 3 + 3CuO 3Cu + N 2 + 3H 2 O.
Гидразин
- N 2 H 4 (пернитрид водорода), ...
Гидроксиламин
- NH 2 OH, ...
Оксид азота(I)
, N 2 O (закись азота, веселящий газ). ...
Оксид азота(II)
, NO - бесцветный газ, не имеет запаха, в воде малорастворим, относится к несолеобразующим.
В лаборатории получают при взаимодействии меди и разбавленной азотной кислоты:
3Cu + 8HNO 3 = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.
В промышленности получают каталитическим окислением аммиака при получении азотной кислоты:
4NH 3 + 5O 2 4NO + 6 H 2 O
Легко окисляется до оксида азота(IV): 2NO + O 2 = 2NO 2
Оксид азота(III)
, ??? ...
...
Азотистая кислота
, ??? ...
...
Нитриты
, ??? ...
...
Оксид азота(IV)
, NO 2 - ядовитый газ бурого цвета, имеет характерный запах, хорошо растворяется в воде, давая при этом две кислоты, азотистую и азотную: H 2 O + NO 2 = HNO 2 + HNO 3
При охлаждении переходит в бесцветный димер: 2NO 2 N 2 O 4
Оксид азота(V)
, ??? ...
...
Азотная кислота
, HNO 3 - бесцветная жидкость с резким запахом, t кип = 83°С. Сильная кислота, соли - нитраты. Один из сильнейших окислителей, что обусловлено наличием в составе кислотного остатка атома азота в высшей степени окисления N +5 . При взаимодействии азотной кислоты с металлами в качестве основного продукта выделяется не водород, а различные продукты восстановления нитрат-иона:
Cu + 4HNO 3 (конц) = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O;
4Mg + 10HNO 3 (оч.разб.) = 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 5H 2 O.
Нитраты
, ??? ...
...
Применение:
Широко используется для создания инертной среды - наполнения электрических ламп накаливания и свободного пространства в ртутных термометрах, при перекачке жидкостей, в пищевой промышленности как упаковочный газ. Им азотируют поверхность стальных изделий, в поверхностном слое образуются нитриды железа, которые придают стали большую твердость. Жидкий азот часто используется для глубокого охлаждения различных веществ.
Важное значение азот имеет для жизни растений и животных, поскольку он входит в состав белковых веществ. В больших количествах азот применяется для получения аммиака. Соединения азота находят применение в производстве минеральных удобрений, взрывчатых веществ и во многих отраслях промышленности.
Л.В. Черкашина
ХФ ТюмГУ, гр. 542(I)
Источники:
- Г.П. Хомченко. Пособие по химии для поступающих в вузы. М., Новая волна, 2002.
- А.С. Егоров, Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы. Ростов-на-Дону, Феникс, 2003.
- Открытие элементов и происхождение их названий/
Совместно с другими учеными в 1787 г. предложил термин «азот», что в переводе с греческого означает «безжизненный». Но не прошло и полувека, как выяснилось, что «безжизненный» азот – это один из элементов жизни, входящий в состав белков.
Азот входит в состав живых организмов – как растительных, так и животных: он имеется в каждой живой клетке, в белковых ее веществах. Жизнь без азота невозможна. Несмотря на неисчерпаемые запасы азота в атмосфере, ни животные, ни большинство растений непосредственно из воздуха усваивать свободный азот не могут.
То, что азот имеет громадное значение в жизни растений, было установлено учеными еще в 1822–1837 гг. Но откуда берут растения азот – из почвы или атмосферы, долгое время оставалось неясным. Ответить на этот вопрос взялся французский ученый Ж. Б. Буссенго. Его способ исследования получил название метода песчаных культур и с тех пор имеет широкое распространение среди ботаников и агрономов всего мира.
Буссенго брал сосуды с прокаленным песком, прибавлял туда золы семян того вида растений, над которыми производил опыт, и в эту почву сеял семена. Сосуд помещал в плоскую стеклянную чашку с серной кислотой и прикрывал большим стеклянным колпаком. Серная кислота предназначалась для поглощения могущего проникнуть из воздуха под колпак аммиака. Под колпак вводились две стеклянные трубки: через одну растение поливалось дистиллированной водой, а через другую вводился необходимый для растения углекислый газ. После этого прибор выставлялся на свет. Под колпаком кроме атмосферного азота других каких-либо его источников для растений не было. Количество азота в семенах определялось путем точного анализа таких же семян. После 2–3 месяцев от начала постановки опыта производился анализ зрелого растения. Прибавления азота не наблюдалось. Отсюда следовал ясный вывод: атмосферный азот растением не усваивается. Если посадить растение в лишенную азота почву, оно так же испытывает голод, как и животное, лишенное пищи.
Внесение азота в почву в виде солей резко влияет на рост и развитие растений. Но опыты над растениями семейства бобовых (бобы, горох, клевер, вика, чечевица, люпин и др.) показывают, что растение почти не отзывается на внесение в почву азотных соединений. Все они хорошо развиваются и без азотных удобрений. Более того, они сами удобряют азотом почву: после их гибели и разложения почва становится богаче азотом. На такой почве и другие растения, чуткие к содержанию азота в ней, начинают давать лучший урожай. Значит, каким-то образом растения усваивают атмосферный азот. Долгое время это было загадкой. Но при дальнейшем изучении вопроса выяснилась любопытная особенность в строении бобовых растений: у них у всех на корешках находятся особые образования в виде клубеньков, в которых, по исследованиям русского ученого М.С. Воронина (1838–1903), находятся особые бактерии, получившие название «клубеньковые». Вот эти-то бактерии способны связывать атмосферный азот и перерабатывать его в различные азотные соединения.
Большая заслуга в разгадке тайны питания растений почвенным азотом принадлежит русскому ученому С. Н. Виноградскому (1856–1953). Выяснение этого вопроса можно считать триумфом науки.
Биологи, физиологи, микробиологи совместными усилиями раскрыли перед нами одну из самых интересных сторон жизни природы. Но неясного и нерешенного здесь еще много. Как различные бактерии усваивают азот? По существу, это и сейчас еще нерешенный вопрос. Удалось выделить из мертвых азотобактерий сок, содержащий энзимы (ферменты), под влиянием которых происходит связывание азота при обычных температуре и давлении. В этом случае оно происходит не менее интенсивно, чем в присутствии живых бактерий. Это открытие может иметь громадное значение для науки и техники связывания азота.
На азот установился взгляд как на одно из самых инертных веществ, если не считать инертных газов. При обычных условиях он не реагирует ни с большинством металлов, ни с неметаллами. Но в общем круговороте в природе азот претерпевает ряд многообразных превращений.
Каковы источники пополнения почвы азотом? В результате грозового разряда происходит образование оксида азота(II), который, соединяясь с кислородом воздуха, превращается в оксид азота(IV): N2 + О2 = 2NО, 2NO + O2 = 2NО2.
Произведенные учеными расчеты позволили установить, что при каждом разряде молнии образуется от 80 до 1500 кг оксидов азота. Растворяясь в дождевой воде, оксид азота(IV) соединяется с ней химически и превращается в азотную кислоту: 3NO2 + Н2О = 2НNO3 + NO. Оксид азота(II) снова окисляется в ходе превращения в азотную кислоту, которая попадает вместе с дождем в почву, нейтрализуется ее карбонатами и дает соли азотной кислоты (нитраты), усваиваемые растениями. Подсчитано, что в результате грозовых разрядов в почву вносится в течение года от 4 до 15 кг азота на 1 га земной поверхности.
Свободный азот воздуха усваивается бактериями, находящимися в клубеньках бобовых растений (клевер, люцерна, люпин, горох). Азот из атмосферы усваивается свободноживущими бактериями почвы, входит в их состав. Животные при жизни выделяют кал, мочу, содержащие азотистые вещества, а поле смерти животного все тело его, содержащее белок, поступает в почву. Небольшое количество азота вносится в почву плесневыми грибками и другими организмами.
Что же происходит с органическим веществом в почве? Оно разлагается, образуя аммиак. Этот процесс проходит также не без участия бактерий особого рода и называется аммонизацией.
Ученые выяснили, что в почве аммиак при участии особых бактерий окисляется в азотистую кислоту НNO2. Эти бактерии в различных странах различны по величине и форме. Затем НNO2 окисляется в НNO3. Это происходит при помощи другого вида бактерий (Nitrobacter). Почти во всех странах мира они одинаковы по величине и форме. Так заканчивается процесс нитрификации. В дальнейшем процесс протекает по такой схеме: азотная кислота в почве нейтрализуется, т.е. образуются нитраты, они поглощаются корнями растений, образуется растительный белок; животные, съедая растение, усваивают азот, получается животный белок, этот белок попадает в том или ином виде в почву и... все повторяется.
Помимо перечисленных семейств бактерий в почве есть еще одно, которое занимается весьма нежелательным для земледельца разложением НNO3 с высвобождением азота. Это явление называется денитрификацией. Количество связанного азота в почве при этом уменьшается.
Уменьшение его может происходить и еще одним путем: нитриты, нитраты и соли аммония обладают очень хорошей растворимостью и легко вымываются из почвы наземными и подземными водами. Из почвы они уносятся водой в ручьи и реки, из рек – в моря, а там разлагаются (опять с помощью бактерий!), и снова получается свободный азот, поступающий в атмосферу.
Можно выделить три круга изменений, претерпеваемых азотом:
- большой круг – атмосферный азот нитрификация в почве разложение нитратов денитрифицирующими бактериями атмосферный азот;
- малый круг – животное разложение тела животного и его отбросов с образованием аммиака окисление NH3 в НNO2 окисление НNO2 в НNO3 и образование нитратов усвоение солей растениями с образованием растительного белка образование животного белка возвращение растительного и животного белка в почву;
- второй малый (подземный) круг – почвенные нитраты бактерии, потребляющие селитру, белок тела бактерий разложение тела бактерий с образованием нитратов.
Можно установить еще ряд циклов, но отмеченные, однако, являются важнейшими.
Мы привыкли смотреть на бактерии как на наших врагов. Таких среди них действительно очень много. Но приходило ли раньше кому-либо в голову, что вся жизнь на Земле, в том числе и наша, обязана все тем же бактериям?! Несмотря на то, что мы имеем естественный путь пополнения почвы азотом, для культурных растений, особенно при сильно развитом хозяйстве, азота совершенно не хватает. Это прежде всего объясняется тем, что азот содержится главным образом в продуктовых частях растений (зернах, плодах), уносимых человеком с поля вместе с другими продуктами урожая. Азот вносится в почву с навозом, но при развитом (интенсивном) хозяйстве навозного удобрения не хватает. Поэтому снабжение почв связанным азотом в виде природных или искусственных веществ – задача колоссальной важности.
Какие же имеются на Земле запасы азотсодержащих веществ, которые можно было бы использовать для производства искусственных удобрений? Это в первую очередь селитра и затем каменный уголь. Селитра встречается в разных местах земного шара. Самые большие запасы ее находятся в республике Чили (Южная Америка) между прибрежными и высокими Кордильерами. Залежи ее образовались, вероятно, следующим образом. Вся эта местность была некогда морским дном, а затем медленно поднялась. Огромные леса морских водорослей, накопившихся там, подверглись разложению под влиянием бактерий, которые превратили азот органического вещества в азотную кислоту, претерпевшую затем превращение в селитру. Эту теорию подтверждает наличие в селитре йодистых солей, которые, как известно, находятся в морской воде и поглощаются из нее водорослями. Ныне месторождения селитры в Чили представляют собой пустынную местность, называемую Атакамой. Селитра была обнаружена здесь в 1821 г. Связанного азота в ней около 7%. Перед отправкой селитру перекристаллизовывают, поэтому содержание NaNO3 в ней доходит до 90%. Вывозиться из Чили селитра стала в 1830 г., и с тех пор ее экспорт в Европу и другие страны стал расти с неимоверной быстротой. Залежи селитры найдены также в Калифорнии , Африке, Малой Азии, Египте, но везде в небольшом количестве. У нас селитра встречается во многих местах, но ни одно месторождение не является крупным промышленным. Царская Россия ввозила селитру на сотни тысяч золотых рублей.
В 1898 г. знаменитый английский ученый Уильям Крукс на ученом конгрессе в г. Бристоле сделал тревожное предупреждение о том, что при вывозе селитры из Чили такими темпами к 1950 г. вся селитра будет исчерпана, и мир окажется перед страшной угрозой голода. Особенно сильно, по уверениям Крукса, эта опасность коснется жителей Европы, основным продуктом питания которых является пшеница, требующая большого количества азотных удобрений. В меньшей степени эта опасность грозила жителям Азии, употребляющим в пищу рис, не требующий большого количества связанного азота.
Все эти рассуждения и заявления крайне встревожили правительства, земледельцев и фабрикантов разных стран. Чилийское правительство поспешило назначить специальную комиссию по обследованию запасов селитры. Выводы комиссии были таковы: Крукс не преувеличил опасности и перед человечеством действительно нависает страшная угроза голодного вымирания.
Где же взять то огромное количество соединений азота, которое так необходимо для жизни животных и растений? Естественно, что мысль ученых прежде всего обратилась к земной атмосфере - к этой гигантской кладовой азота. Количество азота в атмосфере выражается поистине астрономическим числом: ~4 млн млрд т (~4 1015 т). На каждый гектар земной поверхности приходится свыше 80 тыс. т атмосферного азота. Как связать азот из этого практически неиссякаемого источника и превратить его в удобрения для полей? Задачу спасения мира от голодной смерти пришлось решать химикам. «Фиксация атмосферного азота есть одно из величайших открытий, которых надлежит ожидать от изобретательности химиков», – говорил в своем выступлении Крукс. И химики с честью решили поставленную задачу! Наука дала не один, а несколько способов получения связанного азота, из которых наиболее важными являются следующие три: аммиачный, цианамидный и дуговой.
В начале XX в. проблема получения достаточного количества связанного азота из воздуха была успешно решена. Безбрежный океан азота, окружающий нашу Землю, был покорен. Страшный призрак азотного голода был уничтожен могуществом химии!
Загрузка...