Азот (лат. Nitrogenium) - химический элемент 15‑й группы (V группа в старой нумерации) периодической системы Менделеева; атомный номер 7, атомная масса 14,0067.
Бесцветный газ, без вкуса и запаха. Один из самых распространенных элементов, главная составляющая часть атмосферы Земли (4×10 15 т).
Круговорот азота в природе.
Строение молекулы аммиака NH 3 .
Синтез аммиака идет в гигантских колоннах синтеза, куда с помощью компрессора подается смесь водорода и азота. Реакция протекает под давлением в 300 ат и температуре около 500 °C в присутствии катализатора. Образовавшийся аммиак NH3 в холодильнике превращается в жидкость (конденсируется). Жидкий аммиак удаляется из системы, а непрореагировавшие газы поступают в циркуляционный насос, который снова подает их в колонну синтеза.
Слово «азот», предложенное французским химиком А. Лавуазье в конце XVIII в., греческого происхождения. «Азот» означает «безжизненный» (приставка «а» - отрицание, «зоэ» - «жизнь»). Именно так считал Лавуазье. Именно так считали его современники, в том числе шотландский химик и врач Д. Резерфорд, выделивший азот из воздуха чуть раньше своих известных коллег - шведа К. Шеелеу англичан Д. Пристли и Г. Кавендиига. Резерфорд в 1772 г. опубликовал диссертацию о так называемом «мефитическом», т. е. неполноценном, воздухе, не поддерживающем горения и дыхания.
Название «азот» для нового газа казалось достаточно точным. Но так ли это?
Азот действительно в отличие от кислорода не поддерживает дыхания и горения. Однако дышать чистым кислородом постоянно человек не может. Даже больным дают чистый кислород лишь непродолжительное время. Очевидно, он не просто нейтральный разбавитель кислорода. Именно смесь азота с кислородом наиболее приемлема для дыхания большинства обитателей нашей планеты.
А разве справедливо называть безжизненным этот элемент? Чем подкармливают растения, внося минеральные удобрения? Прежде всего соединениями азота, калия и фосфора. Азот входит в состав бесчисленного множества органических соединений, в том числе таких жизненно важных, как белки и аминокислоты.
Для человечества чрезвычайно полезна относительная инертность этого газа. Будь он более склонен к химическим реакциям, атмосфера Земли не могла бы существовать в том виде, в каком она существует. Сильный окислитель кислород вступил бы с азотом в реакцию, и образовались бы ядовитые оксиды азота. Но если бы азот был действительно инертным газом, таким, например, как гелий, то тогда ни химические производства, ни всемогущие микроорганизмы не смогли бы связать азот атмосферы и удовлетворить потребность всего живого в связанном азоте. Не было бы аммиака, азотной кислоты, необходимой для производства множества веществ, не было бы важнейших удобрений. Не было бы и жизни на Земле, ведь азот входит в состав всех организмов. На долю азота приходится около 3% от массы человеческого организма.
Элементарный, не связанный азот применяется достаточно широко. Это самый дешевый из газов, химически инертных в обычных условиях, поэтому в тех процессах металлургии и большой химии, где надо защищать активное соединение или расплавленный металл от взаимодействия с кислородом воздуха, создают чисто азотные защитные атмосферы. Под защитой азота хранят в лабораториях легко окисляющиеся вещества. В металлургии азотом насыщают поверхности некоторых металлов и сплавов, чтобы придать им большую твердость и износоустойчивость. Широко известно, например, азотирование стали и титановых сплавов.
Жидкий азот (температуры плавления и кипения азота: −210 °C и −196 °C) используют в холодильных установках.
Малая химическая активность азота объясняется прежде всего строением его молекулы. Как и у большинства газов (кроме инертных), молекула азота состоит из двух атомов. В образовании связи между ними участвуют по 3 валентных электрона внешней оболочки каждого атома. Чтобы разрушить молекулу азота, необходимо затратить очень большую энергию - 954,6 кДж/моль. Без разрушения молекулы азот в химическую связь не вступит. При обычных условиях с ним способен вступить в реакцию только литий, давая нитрид Li 3 N.
Намного активнее атомарный азот. При обычной температуре он вступает в реакции с серой, фосфороммышьяком и некоторыми металлами, например со ртутью. Но получить азот в виде отдельных атомов сложно. Даже при 3000 °C не наблюдается заметного разложения молекул азота на атомы.
Соединения азота имеют громадное значение и для науки, и для многих отраслей промышленности. Ради получения связанного азота человечество идет на огромные энергетические затраты.
Основным способом связывания азота в промышленных условиях остается синтез аммиака NH 3 (см. Синтез химический). Аммиак - один из самых массовых продуктов химической промышленности, мировое производство его - более 70 млн т в год. Процесс идет при температуре 400–600 °C и давлении в миллионы паскалей (сотни ат) в присутствии катализаторов, например губчатого железа с добавками оксида калия, оксида алюминия. Сам аммиак используется ограниченно и обычно в виде водных растворов (аммиачная вода - как жидкое удобрение, нашатырный спирт - в медицине). Но аммиак в отличие от атмосферного азота довольно легко вступает в реакции присоединения и замещения. Да и окисляется он легче, чем азот. Поэтому аммиак и стал исходным продуктом для получения большинства азотсодержащих веществ.
Прямое окисление азота кислородом требует очень высоких температур (4000 °C) или других очень активных методов воздействия на прочные молекулы азота - электрического разряда, ионизирующего излучения. Известны пять оксидов азота: N 2 O - оксид азота (I), NO - оксид азота (II), N 2 O 3 - оксид азота (III), NO 2 - оксид азота (IV), N 2 O 5 - оксид азота (V).
В промышленности широко применяется азотная кислота HNO 3 , которая одновременно является и сильной кислотой, и активным окислителем. Она способна растворять все металлы, кроме золота и платины. Химикам азотная кислота известна, по крайней мере, с XIII в., ею пользовались древние алхимики. Азотная кислота чрезвычайно широко используется для получения нитросоединений. Это главный нитрующий агент, с помощью которого в состав органических соединений вводят нитрогруппы NO 2 . А когда три таких группы появятся, к примеру, в молекуле толуола C 6 H 5 CH 3 , то обычный органический растворитель превращается во взрывчатое вещество - тринитротолуол, он же тротил, или тол. Глицерин после нитрования превращается в опасное взрывчатое вещество - нитроглицерин.
Не менее важна азотная кислота в производстве минеральных удобрений. Соли азотной кислоты - нитраты, прежде всего нитраты натрия, калия и аммония, используются главным образом как азотные удобрения. Но, как установил академик Д. Н. Прянишников, растение, если ему предоставлена возможность выбора, предпочитает аммиачный азот нитратному.
Соли другой кислоты азота - слабой азотистой HNO 2 - называются нитритами и также довольно широко используются в химической и других отраслях промышленности.
Получать соединения азота с минимальными энергетическими затратами при небольших температурах и давлениях ученые стремятся уже давно. Идею о том, что некоторые микроорганизмы могут связывать азот воздуха, первым высказал русский физик П. Коссович в конце XIX в., а выделил из почвы первую азотфиксирующую бактерию другой наш соотечественник - биохимик С. Н. Виноградский в 1890‑е гг. Но лишь в последнее время стал более или менее ясен механизм связывания азота бактериями. Бактерии усваивают азот, превращая его в аммиак, который затем очень быстро превращается в аминокислоты и белки. Процесс идет при участии ферментов.
В лабораториях нескольких стран (в СССР в начале 60‑х гг.) получены комплексные соединения, способные связывать атмосферный азот. Главная роль при этом отводится комплексам, содержащим молибден, железо и магний. В основном уже изучен и разработан механизм этого процесса.
АЗОТ , N (франц. Az), химический элемент (Nitrogenium - от nitrum, селитра, «образующий селитру»; по-немецки - Stickstoff «удушающий газ», по-франц. - Azote, от греч. α - отрицание, ξωη - жизнь, безжизненный); атомный вес 14,009, порядковый номер 7.
Физические свойства . D чистого азота (при D воздуха = 1) 0,9674; но обычно мы имеем дело с азотом из воздуха, с содержанием 1,12% аргона, D такого азота 0,9721; вес 1 л чистого азота при 0°С и 760 мм - 1,2507 г, вес 1 л «атмосферного» азота - 1,2567 г. Растворимость азота в воде меньше растворимости кислорода. 1 л воды при 760 мм и 0°С растворяет 23,5 см 3 азота (растворимость О 2 - 48,9 см 3), при 20°С - 15,4 см 3 азота (растворимость О 2 - 31,0 см 3). Древесный уголь свежепрокаленный поглощает, по Дьюару, в 1 см 3 при 0°С всего 15 см 3 азота, при -185°С он поглощает 155 см 3 азота (объемы перечислены на 0°С и 760 мм). Температура критическая -147°С при критическом давлении в 33 atm., или 25 м ртутного столба, температура кипения при 760 мм равна -195°,67±0°,05, а температура плавления при 88 мм±4 мм равна - 210°,52±0°,2. Коэффициент расширения азота при 1 atm равен 0,003667; удельная теплота при 20°С равна 0,249, а для температурного интервала (0-1400)°С, в среднем, 0,262; отношение с р /с η = 1,40, как и для О 2 . Жидкий азот бесцветен, подвижен как вода, хотя легче последней. Удельный вес при температуре кипения и 760 мм - 0,7914, при -184°С - 0,7576, при -195,5°С - 0,8103 и при -205°С - 0,8537; близ точки застывания - 0,8792 (цифры колеблются в зависимости от содержания Аr). Удельная теплота жидкого азота между -196°С и -208°С - 0,430; теплота испарения 1кг жидкого азота при температуре кипения -195°,55 равна 47,65 Cal. Из 1 л жидкого азота при испарении, при атмосферном давлении и 0°С, 14°С и 27°С, образуется соответственно: 640, 670 и 700 л газообразного азота. Жидкий азот немагнитен и не проводит электричества.
Химические свойства азота в значительной степени определяются его крайней инертностью при обыкновенных условиях температуры и давления, объясняющеюся устойчивостью молекул N 2 . Только металл литий соединяется с азотом при невысокой температуре, выделяя при этом 69000 cal и образуя нитрид лития NLi 3 . Нитрид Ва образуется при 560°С и имеет формулу Ba 3 N 2 ; о других нитридах. Как с кислородом, так и с водородом азот соединяется лишь при высокой температуре, причем реакция с кислородом эндотермична, а с водородом экзотермична. Валентность азота определяется строением его атома по Бору. При удалении с наружного кольца всех пяти электронов азот становится пятизарядным положительным ионом; при пополнении верхнего кольца тремя электронами до предельного числа - восьми - атом азота проявляется как трехзарядный электроотрицательный ион. Состояние азота в аммонийных соединениях может быть легко выяснено теорией комплексных соединений. Азот дает целый ряд соединений с кислородом и с галоидами (последние соединения являются вследствие сильной эндотермичности своего образования чрезвычайно взрывчатыми). С водородом азот дает соединения: аммиак и азотистоводородную кислоту. Кроме того, известны: соединение азота с водородом - гидразин и с водородом и кислородом - гидроксиламин.
Применение азота . Газообразный азот имеет в качестве инертного газа применение в медицине для иммобилизации пораженных туберкулезом участков легких (операция Pneumotorax), для защиты металлов от химического действия на них активных газов и вообще в тех случаях, когда необходимо предотвратить какую-нибудь нежелательную химическую реакцию (например, для наполнения лампочек накаливания, для надувания автомобильных резиновых шин, на которые при высоком давлении разрушающим образом действует воздух, для сохранения красок ценных картин, помещаемых в наполненных азотом герметических сосудах, для предотвращения пожарной опасности при переливке бензина и других горючих жидкостей, и т. п.). Но самое важное техническое применение азота имеет в процессе получения синтетического аммиака из элементов.
При оценке свойств азота и его исключительного значения в общей экономике органической природы и общественной жизни человека следует резко различать азот свободный от азота связанного , т. е. уже вступившего в химическое соединение с каким-нибудь другим элементом, гл. обр. с кислородом, водородом и углеродом . Азот свободный при условиях температуры и давления, господствующих на поверхности земного шара, представляет собою крайне инертный элемент. Мышь в классическом опыте Лавуазье погибала в воздухе, лишенном кислорода, т. е. в почти чистом азоте. Между тем связанный азот является как бы носителем жизни, ибо все без исключения живые существа, будь это растения или животные, выстраивают свой организм обязательно при участии т. н. белковых веществ, неизбежно заключающих в своем химическом составе азот (белки содержат до 16% азота). Процесс перехода от свободного азота к связанному и обратно представляет собою величайшей важности процесс природы и грандиознейшую проблему сельского хозяйства, а в последнее время и индустрии. Свободный азот содержится в смеси с другими газами в атмосфере в необъятном количестве, составляя около 4 / 5 по объему (75,51 весовых %) от всей атмосферы и окутывая земной шар воздушным покровом, постепенно все более и более разрежающимся, достигающим в высоту десятков км. Над одним гектаром земной поверхности содержится азота столько, что, если бы он был в связанном состоянии, его хватило бы для обеспечения всей живой природы и потребностей человечества на 20 лет (А. Э. Мозер). Но свободный азот лишь с громадным усилием м. б. понужден к соединению с другими элементами, и притом не только в тех случаях, когда это соединение происходит эндотермически (как, например, при образовании кислородных соединений азота), но и в тех случаях, когда соединение азота с другим элементом сопровождается выделением энергии и является реакцией экзотермической (соединение азота с водородом).
Лишь в исключительных случаях, например, с литием, соединение азота протекает в обыкновенных условиях температуры и давления легко. Поэтому в общем балансе связанного азота в природе приходится констатировать круговорот . Растения поглощают связанный азот в виде растворимых солей из почвы и изготовляют белки; животные пользуются при обмене веществ готовыми азотистыми соединениями за счет поглощенной растительной пищи, выделяя соединения связанного азота, неусвоенные, а также образовавшиеся в результате распада в их организме белковых веществ - в экскрементах и в моче, и, наконец, внося при своей гибели весь свой организм в общий баланс связанного азота в природе для дальнейших процессов минерализации белковых и других азотистых веществ, происходящих в почве. В этих последних процессах громадная роль остается за микроорганизмами почвы, в результате жизнедеятельности которых сложные азотистые органические соединения превращаются в простейшие соли азотной кислоты, которая, в свою очередь, образуется в результате окисления в почве аммиачных соединений как более ранней стадии разрушения белковых веществ и продуктов ид распада. Принимая во внимание чрезвычайную инертность свободного азота, неспособного самостоятельно вступать в соединения, и, с другой стороны, потери или случаи глубокого разрушения азотистого соединения до свободного азота (например, в результате жизнедеятельности денитрифицирующих почвенных бактерий, при сжигании каменного угля , дров и торфа, при вымывании из почвы азотистых соединений дождем в реки и моря, при спуске в реки отбросов больших городов и т. д.), - можно было бы считать неизбежным последствием всего этого постепенное обеднение природы связанным азотом и в результате гибель органической жизни на земле, если бы в общее русло круговорота связанного азота не вливались бы некоторые процессы, пополняющие указанную убыль связанного азота в природе. Таким естественным источником связанного азота в природе являются атмосферные осадки, приносящие в почву окислы азота, образовавшиеся в атмосфере при электрических разрядах, которые понуждают некоторое количество атмосферного азота соединиться с кислородом (дождевая вода содержит около 0,00001% связанного азота). Можно подсчитать, что этим путем в почву земного шара ежегодно вносится до 400 млн. т связанного азота. Кроме того, Бертело удалось установить, что в почве, без внесения в нее новых запасов азотистых соединений, содержание азота с течением времени повышается благодаря жизнедеятельности некоторых видов бактерий. Впоследствии эти бактерии были выделены в чистых культурах, а именно: анаэробная бактерия маслянокислого брожения (Clostridium pasteuri- anum) и аэробная бактерия (Azotobakter Виноградского, которая может обогатить почву на 48 кг в год на 1 га). Кроме этих свободно живущих в почве бактерий, было обнаружено в клубеньковых наростах некоторых растений семейства бобовых (Leguminosae) присутствие симбиотически связанных с ними бактерий (Bacillus radicicola), также способных усваивать свободный атмосферный азот и передавать этот связанный ими азот своему «растению-хозяину». Как известно, это свойство бобовых растений (лупина, вики, сераделлы и др.) широко применяется для обогащения почвы азотистыми веществами, являясь своеобразным методом удобрения почвы для последующих посевов хлебных злаков на участке с запаханными и разложившимися в почве, предварительно взращенными на ней, удобрительными растениями. Однако указанные естественные источники пополнения связанного азота в природе никоим образом не могут восполнить его убыли, в особенности в виду громадного расточения связанного азота во всех процессах разрушения азотистых соединений в топливе, а также при использовании азотистых взрывчатых веществ. Принимая во внимание потребности в азотистой пище населения земли, исчисляемого в 1,6 млрд. чел., и ежегодный прирост населения земли в одних только странах, располагающих статистическими сведениями, в 4 млн. чел. или в 400 млн. в столетие, эту убыль связанного азота в природе приходится считать весьма существенной. Вильям Крукс еще в 1898 г. забил тревогу, предсказывая гибель человечества от голода в ближайшем будущем, когда, по его расчетам, должны будут иссякнуть единственные на земном шаре богатые месторождения чилийской селитры - того ресурса связанного азота, который гл. обр. должен был восполнить насущную нужду сельского хозяйства в азотных удобрениях, а вместо того хищнически расточался для военных целей, т. к. большинство взрывчатых веществ изготовлялось при действии азотной кислоты, полученной из чилийской селитры. Действительно, хотя Крукс преуменьшил несколько запасы селитры в Чили, однако и по последним геологическим подсчетам, если даже принять только довоенную норму выработки чилийской селитры (2750000 т селитры с содержанием 400000 т связанного азота), ее запасов (600 млн. т селитры с содержанием 30 млн. т связанного азота) не может хватить более, чем на 150-200 лет (см. Селитра). Однако запасы чилийской селитры отнюдь не являются единственным источником, из которого человечество черпает свои пополнения необходимого для его питания и промышленности связанного азота. По данным Интернационального агрикультурного института в Риме, вычисленным на основании сведений об урожаях всех стран света, мировое потребление связанного азота на 1924 г. определяется количеством около 7000000 т связанного азота; из них человек сумел выработать и вернуть природе лишь около 1 / 6 части, т. е. около 1200000 т связанного азота. На долю чилийской селитры в этом количестве пришлось в 1924 г. всего 420000 т. Остальное количество связанного азота поступило в общую экономику природы в значительной степени за счет таких же естественных ресурсов связанного азота в природе, как и селитра, требующих, однако, со стороны человека некоторой обработки. К числу таких естественных ресурсов связанного азота относятся мировые запасы каменного угля и торфа. Каменный уголь содержит даже в плохих сортах от 0,5 до 2% связанного азота. Те же сорта, которые идут для производства кокса и светильного газа, содержат обыкновенно от 1,2 до 1,9%, в среднем 1,3% связанного азота. По современным геологическим данным, мировые запасы каменного угля следует оценить приблизительной цифрой около 8000 млрд. т. Считая содержание связанного азота в угле в 1%, мы получим содержание связанного азота в мировом запасе каменного угля в 80 млрд. т, т. е. в 2000 раз больше, чем содержание связанного азота в запасах чилийской селитры. Это количество могло бы обеспечить потребность человечества в связанном азоте на 6000 лет, если бы при использовании угля можно было утилизировать весь заключающийся в нем связанный азот. Довоенная ежегодная выработка каменного угля была равна 1350 млн. т с содержанием связанного азота (1,3%) в 17 млн. т (соответственно 85 млн. т азотнокислого аммония, на сумму более 25 млрд. фр.). Однако почти все это количество связанного азота выпускалось в воздух в качестве свободного азота при сжигании каменного угля в печах заводов, паровозов, в домашних печах и т. д. Только примерно 1 / 50 ч. всего этого количества улавливалась азотной промышленностью и служила для получения сернокислого аммония, который является и поныне самым значительным, наравне с селитрой, ресурсом для искусственных азотных удобрений (Matignon). В среднем из каменного угля, подвергающегося коксованию или газации, добывается 12 кг сернокислого аммония на т. Утилизация связанного азота из торфа пока еще не представляет собою крупного фактора в экономике связанного азота. Т. о. использование каменноугольного азота только отчасти сглаживает остроту недостачи связанного азота для целей сельского хозяйства и промышленности, но отнюдь не является разрешением азотной проблемы в целом. Окончательное разрешение этой проблемы принесли с собой наука и техника, гл. обр. в продолжение текущего столетия, осуществив фиксацию атмосферного азота техническим путем. Эта фиксация осуществляется главным образом тремя основными методами: 1) путем сжигания азота воздуха при действии вольтовой дуги, с получением окислов азота и азотной кислоты; этот метод, вследствие эндотермичности реакции соединения N 2 + О 2 , требует затраты значительных количеств тепла, высокого напряжения, и является рентабельным только при наличии дешевой гидроэлектрической энергии; 2) путем присоединения азота при высокой температуре электрической печи к карбиду кальция, с образованием цианамида кальция; последний либо непосредственно идет для целей удобрения, либо при действии воды образует аммиак, нейтрализуемый до сернокислого или азотнокислого аммония; 3) путем непосредственного соединения атмосферного азота с водородом, с образованием синтетического аммиака; этот способ (Габер-Боша) является, несомненно, величайшим достижением химической технологии за истекшую часть 20 в. и одним из грандиознейших завоеваний науки и техники в истории человечества.
Несмотря на то, что для повышения урожая необходимо внесение в почву также и других удобрений - фосфорных и калийных, все же именно азотные удобрения играют преобладающее значение в экономике сельского хозяйства. Если, например, в мясе фосфорного ангидрида и окиси калия содержится по 0,4%, то количество связанного азота в том же продукте достигает около 3%, т. е. на 30 ч. связанного азота в мясе приходится лишь по 4 ч. Р 2 О 6 и К 2 О. При этом цены указанных трех видов искусственных удобрений в 1913 г., при нормальных, сравнительно, условиях довоенного времени, выражались следующими цифрами: за 1 кг связанного азота - 1,5 фр., а за 1 кг К 2 О или Р 2 О 5 - по 0,4 фр. за каждый. Т. о. мы можем считать, что азотные удобрения дают экономический эффект в 32 раза более значительный по сравнению с эффектом остальных двух классов удобрительных туков. Насколько значительна роль азотных удобрений, видно из того факта, что внесение в почву искусственных азотных удобрений вызывает, при прочих равных условиях, прирост урожая на 1 т внесенного связанного азота: для зерновых хлебов - в 20 т, для картофеля - в 200 т и для свеклы - в 300 т. Для количественной оценки роли вносимых в экономику сельского хозяйства азотистых удобрительных туков интересно хотя бы приблизительно подсчитать общий мировой капитал связанного азота, участвующий в органической жизни нашей планеты. При поверхности суши земного шара в 135000000 км 2 и толщине слоя пахотной земли в 0,4 м, мы можем оценить (приняв плотность почвы за единицу) весь капитал всей плодородной почвы земли в 54 млрд. т. Среднее содержание связанного азота в почве не превышает 0,1%. Уменьшив весь расчет до 3 / 4 вследствие учета пустынь, ледников, скал и других неплодородных почв, не содержащих азота, мы можем оценить общий тоннаж связанного азота в почве всего земного шара приблизительно в 40 млрд. т, т. е. в половину всех запасов связанного азота, имеющихся в каменном угле, утилизация которых возможна лишь в самой ограниченной степени.
Потребность мирового сельского хозяйства в азотных удобрительных туках характеризуется следующими цифрами (Partington, The Nitrogen Industry):
Мировое потребление чилийской селитры в военные годы мало показательно, ибо на нем отразились факторы блокады, затрудненного транспорта и пр.
Мировое производство связанного азота достигло 1200000 т в год, из которых: около 30% - 360000 т было выделено при коксовании и газификации из каменного угля, около 35% - 420000 т было выработано в виде чилийской селитры, около 35% - 420000 т было произведено путем фиксации атмосферного азота. В самые последние годы это соотношение несколько изменилось в смысле увеличения выработки селитры (до 36,5%) за счет уменьшения утилизации каменноугольного азота (около 30%).
Из всей продукции связанного азота путем фиксации атмосферного азота в свою очередь 60% д. б. отнесено к синтетическому аммиаку, 30% - к цианамиду и только 10% - к норвежской синтетической селитре. Особенно быстрое развитие азотной промышленности наблюдается в Германии, что характеризуется следующими цифрами: всего в Германии азотных продуктов было произведено: в 1915 г. - 64000 т связанного азота, в 1919 г. - 132000 т, в 1920 г. - 190000 т, в 1922 г. - 238000 т (в эти количества не входит ввезенная чилийская селитра). Следующая диаграмма наглядно рисует степень удовлетворения на 1925 г. мировой потребности в связанном азоте со стороны добывающей и обрабатывающей азотной промышленности.
Из всего количества добытого связанного азота 83% (около 1000000 т) было израсходовано для удобрения, вследствие чего был получен прирост сельскохозяйственных продуктов, эквивалентный 20000000 т (1,2 млрд. пудов) пшеницы, т. е. почти в два раза большего количества, чем весь хлебный годовой экспорт России в довоенные годы. Развитие синтетической азотной промышленности иллюстрируют следующие цифры:
По отдельным странам мировая производительная способность заводов, вырабатывающих соединения связанного азота, в 1925 г. подразделяется следующим образом (в т):
Т. о. в технической фиксации атмосферного азота по тому или иному методу участвуют: Германия на 60%, Франция - 14%, Англия - 2,5%, Италия - 4,3%, Япония - 1,9% и США - 18%. Но синтетическая азотная промышленность развивается чрезвычайно быстро. Уже в настоящее время частью заканчивается постройкой, а частью находится в действии целый ряд новых установок. Когда все они начнут функционировать, то общая продукция синтетического связанного азота будет еще больше.
Преобладающее значение и наибольшие перспективы из всех синтетических методов фиксации атмосферного азота следует признать за способами получения синтетического аммиака. Главным преимуществом этого пути фиксации атмосферного азота является весьма незначительная затрата энергии на его производство, ибо энергия, в виду экзотермичности процесса, д. б. затрачена, при рациональном использовании теплоты самой реакции, исключительно на компрессию газов до давления в 200 и более atm. Parsons (JournalofInd. a. Eng. Chem., v. 9, p. 839, 1917) приводит интересный подсчет расходуемой энергии на тонну связанного азота при разных методах:
Современное состояние синтетической аммиачной промышленности (на 1925 г.) характеризуется следующими цифрами:
Т. о. 93% всего синтетического аммиака производится в Германии. Когда все установки по фиксации атмосферного азота будут закончены, то количество производимого синтетического аммиака будет приблизительно равно, в переводе на тонну связанного азота:
В общем все виды технической фиксации атмосферного азота (аммиак, дуговой процесс и цианамидный метод) смогут дать ежегодную продукцию, вероятно несколько меньшую указанной выше, а именно:
В СССР выработано в 1924 г. около 7400 т концентрированной аммиачной воды с содержанием около 400 т связанного азота, кроме того было импортировано значительное количество чилийской селитры с содержанием 1700 т связанного азота. О потребностях СССР можно получить представление из следующих цифр. Во время войны Россией было израсходовано на производство взрывчатых веществ около 330000 т селитры с 48000 т связанного азота. Потребность в азотистых удобрениях для культур сахарной свекловицы, хлопка и других технических растений исчисляется десятками тысяч тонн, а потребность в удобрениях для крестьянского хозяйства - многими сотнями тыс. т связанного азота. Недостаток удобрений вызывает слабый урожай в СССР, в среднем с 1 га 6,5 ц хлеба и 98 ц свекловицы, против 24,5 ц хлеба и 327,5 ц свекловицы в странах Западной Европы, применяющих азотные и другие искусственные удобрения (Мозер). В настоящее время в СССР принимаются решительные меры для обеспечения развития азотной промышленности. См. .
Азот - химический элемент, который известен каждому. Его обозначают буквой N. Он, можно сказать, основа неорганической химии, и поэтому его начинают изучать еще в восьмом классе. В этой статье мы подробно рассмотрим азот, а также его характеристики и свойства.
Такие соединения, как аммиак, селитра, азотная кислота, были известны и применялись на практике задолго до получения чистого азота в свободном состоянии.
Во время эксперимента, проведенного в 1772 году, Даниель Резерфорд сжигал фосфор и прочие вещества в колоколе из стекла. Он выяснил, что газ, остающийся после сгорания соединений, не поддерживает горения и дыхания, и назвал его «удушливым воздухом».
В 1787 году Антуан Лавуазье установил, что газы, входящие в состав обычного воздуха, - это простые химические элементы, и предложил название «Азот». Чуть позже (в 1784 г.) физик Генри Кавендиш доказал, что это вещество входит в состав селитры (группы нитратов). Отсюда происходит латинское название азота (от позднелатинского nitrum и греческого gennao), предложенное Ж. А. Шапталем в 1790 году.
К началу XIX века учеными были выяснены химическая инертность элемента в свободном состоянии и его исключительная роль в соединениях с другими веществами. С этого момента «связывание» азота воздуха стало важнейшей технической проблемой химии.
Азот немного легче воздуха. Его плотность составляет 1,2506 кг/м³ (0 °С, 760 мм рт. ст.), температура плавления - -209,86 °С, кипения - -195,8 °С. Азот с трудом сжижается. Его критическая температура относительно низка (-147,1 °С), при этом критическое давление довольно высоко - 3,39 Мн/м². Плотность в жидком состоянии - 808 кг/м³. В воде этот элемент менее растворим, чем кислород: в 1 м³ (при 0 °С) Н₂О может раствориться 23,3 г N. Этот показатель выше при работе с некоторыми углеводородами.
При нагревании до невысоких температур этот элемент взаимодействует только с активными металлами. Например, с литием, кальцием, магнием. С большинством других веществ азот вступает в реакцию в присутствии катализаторов и/или при высокой температуре.
Хорошо изучены соединения N с О₂ (кислородом) N₂O₅, NO, N₂O₃, N₂O, NO₂. Из них при взаимодействии элементов (t - 4000 °С) образуется оксид NO. Далее в процессе охлаждения он окисляется до NO₂. Оксиды азота образуются в воздухе при прохождении атмосферных разрядов. Их можно получить действием ионизирующих излучений на смесь N с О₂.
При растворении в воде N₂O₃ и N₂O₅ соответственно получаются кислоты HNO₂ и HNO₂, образующие соли - нитраты и нитриты. Азот соединяется с водородом исключительно в присутствии катализаторов и при высокой температуре, образуя NH₃ (аммиак). Кроме того, известны и другие (они довольно многочисленны) соединения N с H₂, к примеру диимид HN = NH, гидразин H₂N-NH₂, октазон N₈H₁₄, кислота HN₃ и другие.
Стоит сказать, что большинство соединений водород + азот выделены исключительно в виде органических производных. Этот элемент не взаимодействует (непосредственно) с галогенами, поэтому все его галогениды получают только косвенным путем. К примеру, NF₃ образуется при взаимодействии аммиака с фтором.
Большинство галогенидов азота - малостойкие соединения, более устойчивы оксигалогениды: NOBr, NO₂F, NOF, NOCl, NO₂Cl. Непосредственного соединения N с серой также не происходит, N₄S₄ получается в процессе реакции аммиак + жидкая сера. Во время взаимодействия раскаленного кокса с N образуется циан (CN)₂. В процессе нагревания ацетилена С₂Н₂ с азотом до 1500 °С можно получить цианистый водород HCN. При взаимодействии N с металлами при относительно высоких температурах образуются нитриды (к примеру, Mg₃N₂).
При воздействии на обычный азот электроразрядов [при давлении 130–270 н/м² (соответствует 1–2 мм рт. cт.)] и при разложении Mg₃N₂, BN, TiNx и Ca₃N₂, а также при электроразрядах в воздухе может быть образован активный азот, обладающий повышенным запасом энергии. Он, в отличие от молекулярного, весьма энергично взаимодействует с водородом, парами серы, кислородом, некоторыми металлами и фосфором.
Азот входит в состав довольно многих важнейших органических соединений, в том числе - аминокислот, аминов, нитросоединений и прочих.
В лаборатории этот элемент может быть легко получен в процессе нагревания концентрированного раствора нитрита аммония (формула: NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O). Технический метод получения N основан на разделении заранее сжиженного воздуха, который в дальнейшем подвергается разгонке.
Основная часть получаемого свободного азота используется при промышленном производстве аммиака, который потом в довольно больших количествах перерабатывается на удобрения, взрывчатые вещества и т. п.
Кроме прямого синтеза NH₃ из элементов, применяется разработанный в начале прошлого века цианамидный метод. Он основан на том, что при t = 1000 °С карбид кальция (образованный накаливанием смеси угля и извести в электропечи) реагирует со свободным азотом (формула: СаС₂ + N₂ = CaCN₂ + С). Полученный цианамид кальция под действием разогретого водяного пара разлагается на CaCO₃ и 2NH₃.
В свободном виде данный элемент применяется во многих отраслях промышленности: в качестве инертной среды при разнообразных металлургических и химических процессах, при перекачке горючих жидкостей, для заполнения пространства в ртутных термометрах и т. д. В жидком состоянии он используется в различных холодильных установках. Его транспортируют и хранят в стальных сосудах Дьюара, а сжатый газ - в баллонах.
Широко применяют и многие соединения азота. Их производство стало усиленно развиваться после Первой мировой войны и на данный момент достигло поистине огромных масштабов.
Это вещество является одним из основных биогенных элементов и входит в состав важнейших элементов живых клеток - нуклеиновых кислот и белков. Однако количество азота в живых организмах невелико (примерно 1–3 % на сухую массу). Имеющийся в атмосфере молекулярный материал усваивают лишь сине-зеленые водоросли и некоторые микроорганизмы.
Довольно большие запасы этого вещества сосредоточены в почве в виде различных минеральных (нитраты, аммонийные соли) и органических соединений (в составе нуклеиновых кислот, белков и продуктов их распада, включая еще не полностью разложившиеся остатки флоры и фауны).
Растения отлично усваивают азот из грунта в виде органических и неорганических соединений. В природных условиях большое значение имеют особые почвенные микроорганизмы (аммонификаторы), которые способны минерализировать органический N почвы до солей аммония.
Нитратный азот грунта образуется в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий, открытых С. Виноградским в 1890 году. Они окисляют аммонийные соли и аммиак до нитратов. Часть усвояемого флорой и фауной вещества теряется из-за воздействия денитрифицирующих бактерий.
Микроорганизмы и растения отлично усваивают как нитратный, так и аммонийный N. Они активно превращают неорганический материал в различные органические соединения - аминокислоты и амиды (глутамин и аспарагин). Последние входят в состав многих белков микроорганизмов, растений и животных. Синтез аспарагина и глутамина путем амидирования (ферментативного) аспарагиновой и глутаминовой кислот осуществляется многими представителями флоры и фауны.
Производство аминокислот происходит при помощи восстановительного аминирования ряда кетокислот и альдегидокислот, возникающих путем ферментативного переаминирования, а также в результате окисления различных углеводов. Конечными продуктами усвоения аммиака (NH₃) растениями и микроорганизмами являются белки, которые входят в состав ядра клеток, протоплазмы, а также откладываются в виде так называемых запасных белков.
Человек и большинство животных могут синтезировать аминокислоты лишь в довольно ограниченной мере. Они не способны производить восемь незаменимых соединений (лизин, валин, фенилаланин, триптофан, изолейцин, лейцин, метионин, треонин), и потому для них главным источником азота являются потребляемые с пищей белки, то есть, в конечном счете, - собственные белки микроорганизмов и растений.
Из этой статьи вы узнаете про кислород и азот - два газа, которые успешно взаимодействуют между собой.
Сам азот был открыт в 1772 году химиком Генри Кавендишем. В своей лаборатории Генри с помощью специального устройства несколько раз пропускал над раскаленным углем. Затем воздух обрабатывался щелочами. Из-за свойств полученный от эксперимента остаток был назван «удушливым» газом. Но ученый не смог понять, какое вещество он получил. Современному химику известно, что пропускание воздуха над раскаленным углем дает в результате углекислый газ, который нейтрализуется щелочью. О своем опыте Генри сообщил приятелю - Джозефу Пристли.
Интересно, что это не первый случай, когда ученые не могут понять, какое вещество получилось в ходе . Например, с помощью тока Пристли как-то связал кислород и азот, но не смог понять, что в результате опыта он получил аргон, который является инертным газом.
При стандартных условиях азот представляет собой инертный бесцветный газ без запаха и вкуса. Он безопасен для человека. Кроме того, этот газ практически не растворяется в воде и химически не взаимодействует с ней.
Также седьмой элемент периодической системы Менделеева существует в жидком и твердом агрегатных состояниях.
Жидкий азотТемпература кипения жидкого азота составляет -195,8 °С, а в твердое состояние он переходит при -209,86 °С.
Сам бесцветный газ имеет очень прочные двухатомные молекулы, которые образуют тройную связь. Поэтому молекулы практически не распадаются. И именно из-за этого свойства азот проявляет малую химическую активность. Все его соединения крайне неустойчивы, потому что при нагреве вещества образуется свободный азот.
Молекулярный азот может вступать в реакцию лишь с небольшой группой металлов, которые проявляют восстановительные свойства. Например, N₂ может вступать в реакцию с литием:
6Li + N₂ = 2Li₃N
Также он реагирует с легким серебристым металлом , но для этого химического процесса нужен нагрев до 300 °С. Результатом реакции будет нитрид магния - желтовато-зеленые кристаллы, которые при нагревании разлагаются на магний и свободный азот:
3Mg + N₂ = Mg₃N₂
Mg₃N₂ → 3Мg + N₂ (при нагреве от 1000 °С)
Если нитрид активного металла добавить в воду, запустится процесс гидролиза, и в итоге получится аммиак.
При температуре около 400 °С и давлении в 200 атмосфер, а также в присутствии железа (то есть катализатора) протекает взаимодействие азота и водорода:
3H₂ + N₂ = 2NH₃
Все реакции с азотом проходят при высоких температурах. Например, с бором:
2B + N₂ = 2BN.
Азот не взаимодействует со многими галогенами, а также серой. Однако сульфиды и галогениды можно получить косвенным путем.
Кислород - это химический элемент, который имеет VIII порядковый атомный номер. Это прозрачный без запаха и цвета. В жидком виде кислород имеет синеватый оттенок.
Жидкий кислород
Также он способен находиться и в твердом агрегатном состоянии и представляет собой голубые кристаллики. Кислород имеет двухатомную молекулу.
Интересный факт: ученый Пристли первоначально не понял, что он открыл кислород - он считал, что в результате эксперимента получил некую составную часть воздуха. Ученый наблюдал за разложением оксида ртути в герметичном устройстве и с помощью линзы направлял на оксид солнечные лучи.
Если говорить о взаимодействии азота и кислорода, то вещества вступают в реакцию под воздействием электрического тока. У азота очень прочная молекула, которая весьма неохотно взаимодействуют с другими веществами:
O₂ + N₂ = 2NO
Существует несколько оксидов бесцветного газа, валентность которых колеблется от одного до пяти.
Вот несколько соединений, которые могут образовываться в ходе реакции азота и кислорода:
N₂O - закись азота;
NO - окись азота;
N₂O₃ - азотистый ангидрид;
NO₂ - двуокись азота;
N₂O₅ - азотный ангидрид.
Нажмите , чтобы провести интересный с получением двуокиси азота и изучить его свойства.
Закись азота применяют в качестве анестезии. Это соединение получают путем распада азотнокислого аммония - бесцветного газа с характерным запахом. Закись отлично растворяется в воде.
Молекула закиси азота
N₂O является постоянной составляющей воздуха. Химический процесс протекает при температуре 200 °С. Уравнение реакции выглядит следующим образом:
NH₄NO₃ = 2Н₂О + N₂O
Окись азота NO тоже является бесцветным газом, который практически не растворяется в воде. Это соединение неохотно отдает кислород, но зато известно своими реакциями присоединения. Например, взаимодействие с зеленовато-желтым токсичным газом хлором.
