История открытия азота кратко

Обновлено: 05.07.2024

Впервые азот был открыт английским ученым Д. Резерфордом в 1772 г.

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.

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.

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!

Содержание

Открытие

В 1777 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 реагировал со 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 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 новые химические элементы — инертные газы). Однако и Резерфорд был сторонником флогистонной теории, поэтому также не смог понять, что же он выделил. Таким образом, чётко определить первооткрывателя азота невозможно.

Происхождение названия

Азот в природе

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14 N — 99,635 % и 15 N — 0,365 %.

Известны радиоактивные изотопы азота с массовыми числами 11, 12, 13, 16 и 17. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13 N имеет период полураспада 10 мин.

Распространённость

Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, межзвёздном пространстве и др. Азот — четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).

Азот, в форме двухатомных молекул N₂ составляет большую часть атмосферы, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму), то есть около 3,87·10 15 т.

Содержание азота в земной коре, по данным разных авторов, составляет (0,7—1,5)·10 15 т (причём в гумусе — порядка 6·10 10 т), а в мантии Земли — 1,3·10 16 т. Такое соотношение масс заставляет предположить, что главным источником азота служит верхняя часть мантии, откуда он поступает в другие оболочки Земли с извержениями вулканов.

Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2·10 13 т, кроме того примерно 7·10 11 т азота содержатся в гидросфере в виде соединений.

Биологическая роль

Круговорот азота в природе

Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям — абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000 °C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).

Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и в конце концов попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5—8·10 7 т/год).

Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.

Токсикология азота и его соединений

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.

Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны.

Получение

В лабораториях его можно получать по реакции разложения нитрита аммония:

Реакция экзотермическая, идёт с выделением 80 ккал (335 кДж), поэтому требуется охлаждение сосуда при её протекании (хотя для начала реакции требуется нагревание нитрита аммония).

Практически эту реакцию выполняют, добавляя по каплям насыщенный раствор нитрита натрия в нагретый насыщенный раствор сульфата аммония, при этом образующийся в результате обменной реакции нитрит аммония мгновенно разлагается.

Выделяющийся при этом газ загрязнён аммиаком, оксидом азота (I) и кислородом, от которых его очищают, последовательно пропуская через растворы серной кислоты, сульфата железа (II) и над раскалённой медью. Затем азот осушают.

Ещё один лабораторный способ получения азота — нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция идёт по уравнениям:

Самый чистый азот можно получить разложением азидов металлов:

Один из лабораторных способов — пропускание аммиака над оксидом меди (II) при температуре ~700°С:

Аммиак берут из его насыщенного раствора при нагревании. Количество CuO в 2 раза больше расчётного. Непосредственно перед применением азот очищают от примеси кислорода и аммиака пропусканием над медью и её оксидом (II) (тоже ~700°C), затем сушат концентрированной серной кислотой и сухой щёлочью. Процесс происходит довольно медленно, но он того стоит: газ получается весьма чистый.

Свойства

Физические свойства

При нормальных условиях азот это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде (2,3 мл/100г при 0 °C, 0,8 мл/100г при 80 °C).

В жидком состоянии (темп. кипения -195,8 °C) – бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.

При -209,86 °C азот переходит в твердое состояние в виде снегоподобной массы или больших белоснежных кристаллов. При контакте с воздухом поглощает из него кислород, при этом плавится, образуя раствор кислорода в азоте.

Известны три кристаллические фазы твердого азота. В интервале 36,61 – 63,29 К β-N₂ гексагональная плотная упаковка, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=4.036Å и c=6.630Å. При температуре ниже 36,61 К фаза α-N₂ – гранецентрированный куб, группа Pa3 или P2₁3, a=5.660Å. Под давление более 3500 атм. и температуре ниже -190 °C образуется гексагональная фаза γ-N₂.

Химические свойства, строение молекулы

Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N₂, электронная конфигурация которых описывается формулой σ_s²σ_s *2 π_{x, y} 4 σ_z², что соответстует тройной связи между молекулами азота N≡N (длина связи d_N≡N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N₂ ↔ 2N удельная энтальпия образования ΔH°₂₉₈=945 кДж, константа скорости реакции К₂₉₈=10 -120 , то есть диссоциация молекул азота при нормальных условиях практически не происходит (равновесие практически полностью сдвинуто влево). Молекула азота неполярна и слабо поляризуется, силы взаимодействия между молекулами очень слабые, поэтому в обычных условиях азот газообразен.

Даже при 3000 °C степень термической диссоциации N₂ составляет всего 0,1 %, и лишь при температуре около 5000 °C достигает нескольких процентов (при нормальном давлении). В высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N₂. В лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N₂ при сильном разряжении через поле высокочастотного электрического разряда. Атомарный азот намного активнее молекулярного: в частности, при обычной температуре он реагирует с серой, фосфором, мышьяком и с рядом металлов, например, со ртутью.

Вследствие большой прочности молекулы азота многие его соединения эндотермичны, энтальпия их образования отрицательна, а соединения азота термически малоустойчивы и довольно легко разлагаются при нагревании. Именно поэтому азот на Земле находится по большей части в свободном состоянии.

Ввиду своей значительной инертности азот при обычных условиях реагирует только с литием:

при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды:

Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак):

Промышленное связывание атмосферного азота

Наиболее распространён аммиачный способ связывания атмосферного азота. Обратимая реакция синтеза аммиака:

экзотермическая (тепловой эффект 92 кДж) и идёт с уменьшением объёма, поэтому для сдвига равновесия вправо в соответствии с принципом Ле Шателье — Брауна необходимо охлаждение смеси и высокие давления. Однако с кинетической точки зрения снижение температуры невыгодно, так как при этом сильно снижается скорость реакции — уже при 700 °C скорость реакции слишком мала для её практического использования.

В таких случаях используется катализ, так как подходящий катализатор позволяет увеличить скорость реакции без сдвига равновесия. В процессе поиска подходящего катализатора было испробовано около двадцати тысяч различных соединений. По совокупности свойств (каталитическая активность, стойкость к отравлению, дешевизна) наибольшее применение получил катализатор на основе металлического железа с примесями оксидов алюминия и калия. Процесс ведут при температуре 400—600°С и давлениях 10—1000 атмосфер.

Следует отметить, что при давлениях выше 2000 атмосфер синтез аммиака из смеси водорода и азота идёт с высокой скоростью и без катализатора. Например, при 850 °C и 4500 атмосфер выход продукта составялет 97 %.

Существует и ещё один, менее распространённый способ промышленного связывания атмосферного азота — цианамидный метод, основанный на реакции карбида кальция с азотом при 1000 °C. Реакция происходит по уравнению:

Реакция экзотермична, её тепловой эффект 293 кДж.

Ежегодно из атмосферы Земли промышленным путём отбирается примерно 1·10 6 т азота. Подробно процесс получения азота изложен здесь ГРАСИС

Соединения азота

Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, +1, +2, +3, +4, +5.

Соединения азота в степени окисления −3 представлены нитридами, из которых практически наиболее важен аммиак;
Соединения азота в степени окисления −2 менее характерны, представлены пернитридами, из которых самый важный пернитрид водорода N₂H₄ или гидразин (существует также крайне неустойчивый пернитрид водорода N₂H₂, диимид);
Соединения азота в степени окисления −1 NH₂OH (гидроксиламин) — неустойчивое основание, применяющееся, наряду с солями гидроксиламмония, в органическом синтезе;
Соединения азота в степени окисления +1оксид азота (I) N₂O (закись азота, веселящий газ);
Соединения азота в степени окисления +2оксид азота (II) NO (монооксид азота);
Соединения азота в степени окисления +3оксид азота (III) N₂O₃, азотистая кислота, производные аниона NO₂ - , трифторид азота NF₃;
Соединения азота в степени окисления +4оксид азота (IV) NO₂ (диоксид азота, бурый газ);
Соединения азота в степени окисления +5 — оксид азота (V) N₂O₅, азотная кислота и её соли — нитраты, и др.

Применение

Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии.

Промышленные применения газообразного азота обусловлены его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению. В нефтехимии азот применяется для продувки резервуаров и трубопроводов, проверки работы трубопроводов под давлением, увеличения выработки месторождений. В горнодобывающем деле азот может использоваться для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы. В производстве электроники азот применяется для продувки областей, не допускающих наличия окисляющего кислорода. Если в процессе, традиционно проходящем с использованием воздуха, окисление или гниение являются негативными факторами — азот может успешно заместить воздух.

Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённая ошибка. Даже для замораживания цветка необходимо достаточно продолжительное время[2]. Это связано отчасти с весьма низкой теплоёмкостью азота. По этой же причине весьма затруднительно охлаждать, скажем, замки до −196 °C и раскалывать их одним ударом.

Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. По этой причине жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных емкостях под давлением. На этом же факте основан принцип тушения пожаров жидким азотом. Испаряясь, азот вытесняет кислород, необходимый для горения, и пожар прекращается. Так как азот, в отличие от воды, пены или порошка, просто испаряется и выветривается, азотное пожаротушение — самый эффективный с точки зрения сохранности ценностей механизм тушения пожаров.

Маркировка баллонов

Баллоны с азотом окрашены в чёрный цвет, должны иметь надпись жёлтого цвета и коричневую полосу(согласно нормам РФ).

См. также

Категория:Соединения азота; ; ;
Круговорот азота в природе; ; ; ; ; .

Литература

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Открытие азота" в других словарях:

Фторид азота(III) — Фторид азота(III) … Википедия

Трифторид азота — Общие Систематическое наименование Трифторид азота Химическая форму … Википедия

Оксид азота(II) — Оксид азота(II) … Википедия

Парацельс — Символическое имя, принятое величайшим оккультистом средневековья Филиппом Бомбастом Ауреолом Теофрастом фон Хохенхеймом, родившемся в округе Цюриха в 1493 г. Он был мудрейшим врачем своего столетия и самым знаменитым, ибо излечивал почти… … Религиозные термины

ПАРАЦЕЛЬС — Символическое имя, принятое величайшим оккультистом средневековья Филиппом Бомбастом Ауреолом Теофрастом фон Хохенхеймом, родившемся в округе Цюриха в 1493 г. Он был мудрейшим врачем своего столетия и самым знаменитым, ибо излечивал почти всякую… … Теософский словарь

Нитроклетчатка* — Открытие ее принадлежит Пелузу в 1838 г. Этим именем обозначаются собственно несколько различных азотных эфиров клетчатки, получающихся при обработке очищенных природных видов ее (хлопка, льна, пеньки, древесной целлюлозы и т. п.) азотной… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Нитроклетчатка — Открытие ее принадлежит Пелузу в 1838 г. Этим именем обозначаются собственно несколько различных азотных эфиров клетчатки, получающихся при обработке очищенных природных видов ее (хлопка, льна, пеньки, древесной целлюлозы и т. п.) азотной… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Медицина — I Медицина Медицина система научных знаний и практической деятельности, целями которой являются укрепление и сохранение здоровья, продление жизни людей, предупреждение и лечение болезней человека. Для выполнения этих задач М. изучает строение и… … Медицинская энциклопедия

СССР. Естественные науки — Математика Научные исследования в области математики начали проводиться в России с 18 в., когда членами Петербургской АН стали Л. Эйлер, Д. Бернулли и другие западноевропейские учёные. По замыслу Петра I академики иностранцы… … Большая советская энциклопедия

Е941 — Азот / Nitrogenium (N) Атомный номер 7 Внешний вид простого вещества Газ без цвета вкуса и запаха, химически весьма инертен Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 14,00674 а. е. м. (г/моль) Р … Википедия

Всех приветствую! Сегодня я расскажу вам, что общего у птичьего помёта, снарядного баланса и бума химической промышленности в Первой Мировой Войне, Нобелевской премии по химии и нашего с вами общего воздуха. Готовы? Поехали!

Как известно, к концу Средневековья одним из решающих факторов успешной войны стало превосходство в огневой мощи. И, если в случае луков все более-менее понятно (подводы со стрелами для лучников, специально тренированные по королевскому указу крестьяне, все дела), то с пороховым оружием все обстоит куда проще… и вместе с тем сложнее. Проще – потому что обучать пехотных юнитов стрельбе из ручниц, кулеврин, мушкетов, пищалей и прочего, прочего гораздо легче, чем готовить профессионалов в стрельбе из лука. Сложнее – потому что для того, чтобы вести тот самый огонь, нужны ресурсы, причем немалые.

Рассмотрим состав среднего пороха до появления всяческих бездымных смесей. А там примерно 15 процентов угля (причем хорошего, не забитого золой древесного угля из несмолистых пород дерева), 10 процентов серы (к качеству также предъявляются требования), и, самое главное, почти 75 процентов окислителя для всей этой радости – селитры. Только где же ее взять в отсутствие современной промышленности?

Гранулированный дымный порох

В Средневековье, о котором мы уже упоминали, этот вопрос решался с помощью так называемых селитряных ям. В них обильно загружали растительные и животные отходы, смешанные с разнообразным строительным мусором, содержащим в основном известняк. Образующийся в результате гниения аммиак окислялся при участии специальных бактерий кислородом воздуха, в результате чего в гниющей и бурлящей жиже (bon appetit) последовательно образовывались нитрит-, а затем нитрат-анионы. В соединении с солями кальция они давали норвежскую селитру – Ca(NO₃)₂. Это первая известная человеку селитра – пока что маломощная и плоховатая, но уже дающая взрыв. Дальше люди научились образовавшийся на стенках ямы беловатый налет растворять в воде, выщелачивать поташом (карбонат калия – K₂CO₃) – и в ходе этой реакции начал получаться нерастворимый карбонат кальция и более приятная в обращении калийная, или индийская селитра (KNO₃) в растворе, который затем упаривался и тщательно высушивался.

Неудобства такого способа добычи селитры очевидны каждому – чтобы получить довольно маленькое количество селитры, необходимо в течение нескольких лет заполнять вонючую, гнилостную яму, а потом производить над ней череду довольно сложных операций, понижающих выход целевого продукта. Само собой, все искали замену такому способу и, наконец, нашли.

Выяснилось, что так называемое гуано (слежавшийся помет птиц, столетиями скапливавшийся на скалистых островах Южной Америки) содержит огромное количество азота в процентном отношении и, самое главное, почти весь этот азот в гуано содержится в форме чилийской, или натриевой селитры (NaNO₃). В 1840 году французский химик Александр Коше открыл способ получения чистого нитрата натрия из гуано, и всё заверте…

То самое гуано (птички прилагаются)

Тем не менее, прогресс не стоял на месте, и к концу 19 века человечество начало изобретать новые и новые виды взрывчатых веществ. В 1884 году французский ученый Поль Вьель изобрел белый, бездымный порох на основе желатинизированной нитроцеллюлозы (азотсодержащий полимер, в сухом виде похожий на вату); в 1887 году был изобретен баллистит, в 1889 году – кордит (оба этих пороха основаны на смеси пироксилина и нитроглицерина). И вот тут-то мы и подходим к самому интересному. Оказывается, для производства всех трех порохов нужна азотная кислота (причем концентрированная), а делают ее… правильно, из селитры, спрос на которую теперь увеличивается тем более. Остается прибавить сюда все возрастающую плотность огня на единицу длины фронта – и понятно, что теперь человечеству для военного дела понадобится просто ГРОМАДНОЕ количество азота.

Проблема в том, что азот как химический элемент может принимать огромное количество всяких степеней окисления (ВСЕ возможные от -3 в аммиаке и до +5 в азотной кислоте), однако извлечь его из ехидного простого вещества с энергией порядка 1 МДж на моль – задача не из легких. Фигурально представим это так: чтобы разорвать тройные связи в 28 граммах атмосферного азота и сделать из него хоть что-то путное, надо условно сжечь килограмм дров (со 100%-ным КПД). Что характерно, азота в атмосфере 75%, поэтому тот, кто придумает способ извлекать азот из атмосферы, станет самым настоящим королем шаманов без всяких там.

Королем шаманов стал бывший студент Гейдельбергского университета, крещеный еврей Фриц Габер, ученик крайне известного химика Роберта Бунзена (а этот-уж был известен тем, что практически в каждой области химии успел оставить ОЧЕНЬ заметный след). В ходе исследований в университете Карлсруэ его научный коллектив сумел сотворить почти чудо по тем временам: при адекватных температуре и давлении (600 градусов Цельсия, 17.5 МПа) был получен первый синтетический аммиак. Следует отметить, что процессом фиксации азота из воздуха занимались многие крупные ученые того времени (как, например, Анри ле Шателье), но до каких-то сравнимых с нормальными выходов и условий они не добрались.

Вот за это давали Нобеля сто лет назад

Сам же Габер после своего открытия еще долго подвизался на почве химии – в 1915 году его коллектив участвовал в создании боевых отравляющих веществ для нужд Германии, в 1919 году им совместно с Максом Борном была развита теория энтальпии образования кристаллических решеток, в 1920-х годах Габер безуспешно пытался найти способ выделения из морской воды такого количества золота, которое покрыло бы долги Германии по контрибуциям, а в 1933 уехал из Германии в Великобританию и принял предложение Хаима Вейцмана возглавить НИИ на территории Британского мандата в Палестине. Последнему, увы, не суждено было случиться – Фриц Габер скончался в гостинице Базеля 29 января 1934 года на шестьдесят пятом году жизни.

Детище Габера пережило его на многие годы – процесс Габера до сих пор остается главным способом фиксации азота из атмосферы. Помимо военной функции, азот теперь выполняет и мирные цели – более половины получаемого аммиака идет на производство удобрений, что позволило человечеству в определенной степени преодолеть мальтузианскую ловушку: наконец-то население земного шара избавилось от призрака глобального голода.

Фриц Габер

Автор: Павел Ильчук

Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

История открытия азота.

Нахождение в природе.

Азот вслед за водородом, гелием и кислородом является четвертым по распространенности элементом Солнечной системы. Азот обнаружен в спектрах звезд, в том числе в фотосфере Солнца, в метеоритах, кометах, солнечном ветре и в межзвездных облаках газа. Молекулярный азот наблюдается в атмосферах Венеры и Марса, а аммиак характерен для Юпитера и Сатурна. Во всех космических объектах азот встречается только в восстановленном состоянии.

В земной коре по распространенности азот занимает 20-е место. Подавляющая его часть сосредоточена в следующих основных резервуарах: атмосфере (3,86*10 15 т), литосфере (1,7*10 15 т), гидросфере (2,2 *10 13 т) и биосфере (~ 10 10 т). В атмосфере свободный азот в виде молекулярного N₂ составляет 78,09% по объему (или 75,6% по массе), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и оксидов.

В гидросфере среднее содержание азота составляет 1,6- *10 -3 вес. %. Основную часть этого азота составляет молекулярный азот, растворенный в воде; химически связанный азот, которого примерно в 25 раз меньше, представлен нитратной и органической формами. В меньших количествах в воде содержится аммиачный и нитритный азот. Концентрация связанного азота в океане примерно в 104 раз меньше, чем в почвах, пригодных для сельскохозяйственного производства.

Между атмосферой, литосферой и биосферой происходит непрерывный обмен, с которым связана и смена химических форм азота. Этот обмен и определяет круговорот азота в природе. Обмен азота между атмосферой и биосферой получил название биохимического цикла азота. Основным процессом движения азота в биосфере является его переход из одной химической формы в другую в замкнутом цикле. Постоянная смена химических форм азота является источником жизни для многих организмов начиная от микроорганизмов и кончая высокоорганизованными формами жизни. Накопленные в почве запасы связанного азота служат источником питания высших растений, откуда связанный азот может поступать и в организмы животных. Растения и животные, отмирая, дают начало органическому азоту, находящемуся главным образом в аминокислотах. В процессе аммонификации органических остатков азот органических соединений переходит в аммонийную (аммиачную) форму. Последняя с помощью микроорганизмов переходит в нитритную форму. При этом выделяется около 70 ккал/молъ. Другая группа микроорганизмов завершает окисление аммиака до нитрата. Полученный в процессе нитрификации нитрат усваивается растениями, и цикл движения азота в биосфере замыкается.

Главными неорганическими соединениями азота в почвах являются нитрат, аммоний и в редко встречающихся в природных условиях нитрит. Поведение первых двух компонентов в почве совершенно различно. Если нитрат является легкоподвижным соединением, не сорбируется минералами почвы и остается в растворенном в воде состоянии, то аммоний легко хемосорбируется глинистыми минералами, хотя это не мешает ему в определенных условиях легко окисляться до нитрата. Такое различие в подвижности нитрата и аммония предопределяет источники азотного питания растений. С энергетических позиций аммонийная форма азота более предпочтительна, так как валентность азота в ней одинакова с валентностью азота в аминокислотах.

Нитратная форма служит основным источником азотного питания растительности в силу своей подвижности, несмотря на необходимость траты дополнительной энергии, связанной с восстановлением нитрата растением.

Неиспользованные живым веществом запасы химически связанного азота под действием микроорганизмов непрерывно преобразовываются в формы, доступные для азотного питания растений. Так, фиксированный глинистыми минералами аммоний окисляется до нитратов. В определенных условиях при отсутствии свободного кислорода и наличии неиспользованного живым веществом нитрата может происходить обусловленное процессом денитрификации восстановление азота до молекулярного с уходом последнего в атмосферу.

Количества азота, выведенные денитрифицирующими бактериями из биосферы, компенсируются процессами фиксации азота из атмосферы азотфиксирующими бактериями. Последние подразделяются на две группы: живущие самостоятельно и живущие в симбиозе с высшими растениями или с насекомыми. Первая группа бактерий фиксирует примерно 10 кг/га. Симбионты высших растений фиксируют значительно большие количества азота. Так, симбионты бобовых культур фиксируют до 350 кг/га. С осадками выпадает азота порядка нескольких килограммов на гектар.

В балансе фиксируемого азота все большее значение приобретает искусственно синтезированный аммиак, причем его количество удваивается каждые 6 лет. Уже в ближайшее время это может вызвать дисбаланс между процессами фиксации и денитрификации в биосфере.

Следует отметить подцикл круговорота аммиака и окислов азота через атмосферу, особенно если учесть, что этот подцикл регулирует масштабы развития биосферы. Источниками атмосферного аммиака служат биохимические процессы в почве и, в первую очередь, аммонификация. Окисляясь, аммиак дает основную массу окислов азота в атмосфере. Получающаяся в процессе денитрификации закись азота ответственна за содержание окислов азота в стратосфере, которые каталитически разрушают озон, защищающий живое вещество биосферы от губительного действия жесткого ультрафиолетового излучения. Таким образом в природе установились определенные пределы развития биосферы.

Деятельность человека грозит нарушить установившееся равновесие. Так, подсчет показал, что количества окиси азота, выделившиеся при планируемых полетах сверхзвуковых самолетов в стратосфере, будут сравнимы с поступлениями ее из природных источников.Таким образом, завершается цикл движения молекулярного азота через биосферу. В этом геохимическом цикле само существование азотной атмосферы Земли определяется скоростями процессов фиксации и денитрификации. При резком разбалансе этих скоростей азотная атмосфера Земли может исчезнуть всего за несколько десятков миллионов лет.

Помимо атмосферы, биосфера определяет существование и другого крупного резервуара азота в земной коре — литосферы, так как именно взаимодействие живого вещества с молекулярным азотом играет главную роль в процессе круговорота поверхностного азота через земную кору. Небольшая часть накопленного в биосфере связанного азота вместе с осадками увлекается вглубь земной коры. В резко восстановительных условиях из осадочных пород исчезает нитратная форма азота. С увеличением температуры и давления и выходом за границы биосферы реакции превращения органического вещества становятся односторонними и сдвигаются в сторону разрушения органической формы азота. Основной формой связанного азота становится ион аммония. С увеличением степени метаморфизма осадочных пород начинает разрушаться и уходить из пород и аммонийный азот. На высоких ступенях метаморфизма этот процесс практически заканчивается, а с ним заканчивается цикл обращения поверхностного азота в земной коре. Время жизни азота в этом цикле составляет около 1 млрд. лет.

Изотопы азота.

Азот — единственный элемент на Земле, у которого наиболее распространенными являются ядра изотопа 14 N нечетно-нечетного типа (7 протонов, 7 нейтронов). Содержание 14 N и 15 N в воздухе составляет 99,634 и 0,366% соответственно.

В настоящее время возможно получение химических соединений азота, искусственно обогащенных тяжелым изотопом 15 N до 99,9 атомн.%. Обогащенные по 15 N образцы используются при исследованиях в биохимии, биологии, медицине, химии и физической химии, физике, в сельском хозяйстве, в технологии и химическом машиностроении, в аналитической химии и т. д.

Читайте также: