Азот

Правильное представление об азоте воздуха 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. 

Д. И. Менделеев. Основы химии.

Более 200 лет назад ученые установили, что в воздухе есть газ, без которого невозможны дыхание и горение. Его назвали «жизненным воздухом». В 1772 г. шотландский химик, ботаник и врач Даниэль Резерфорд (1749—1819) установил, что при сжигании в стеклянном сосуде фосфора и других горючих веществ объем воздуха уменьшался примерно на 20%. Остаток он назвал «испорченным воздухом». В том же году английский физик и химик Генри Кавендиш (1731—1810) удалил из воздуха кислород (раскаленным углем) и углекислый газ (щелочью). Оставшийся газ он назвал «удушливым воздухом». Приоритет открытия азота остался за Резерфордом, так как Кавендиш не опубликовал свои наблюдения. В 1787 г. французский химик А.Л. Лавуазье установил, что составные части воздуха — «жизненный воздух» и «удушливый воздух» — это простые вещества, то есть в каждом из них есть атомы только одного сорта. Лавуазье назвал эти газы кислородом и азотом (франц. oxygène и azote). Слово azote он произвел от греч. zoos — живой и отрицательной приставки. Лавуазье имел в виду «не поддерживающий жизни»: в атмосфере азота мышь у Лавуазье погибала, свеча гасла. Но оказалось, что название это неудачное: азот — важнейший эле-мент жизни, он входит в состав всех белков и ДНК; в организме среднего человека содержится примерно 2 кг азота.

Слово «азот» стало интернациональным, однако в немецком языке азот и сейчас называют «удушливым веществом» (Stickstoff). Латинское название азота nitrogenium происходит от др.-евр. neter или от др.-егип. niter. Этот термин попал в греческий (nitron) и латинский (nitrum); так в древности называли природную щелочь — соду, а позднее — селитру. Селитра — это соль азотной кислоты.

На Земле основная масса азота находится в атмосфере в свободном виде: воздух на 4/5 состоит из газообразного азота. В молекуле азота N₂ два атома соединены друг с другом так прочно, что разорвать эту связь исключительно трудно. А чтобы азот вошел в состав какого-нибудь химического соединения, эту связь необходимо предварительно разорвать или ослабить. Поэтому газообразный азот очень инертен и при обычных условиях исключительно неохотно вступает в химические реакции. Значительно легче про-исходит обратный процесс — превращение азота, входящего в состав различных веществ, в газообразный «безжизненный» азот. Свободный азот всегда образуется при горении веществ, содержащих этот элемент.

Предполагают, что и в воздухе азот образовался в результате химической реакции аммиака с кислородом. Произошло это на ранних стадиях развития Земли, когда в атмосфере было много аммиака. Аммиака очень много на Сатурне и Юпитере, но на этих планетах нет кислорода.

Малая химическая активность газообразного азота создает большие проблемы для всего живого. Ведь животные, в том числе и человек, «строят» свой организм из уже готовых веществ, содержащих необходимый им азот в «связанном» виде в составе пищи. Животные питаются другими животными и растениями, а растения получают питательные вещества из воздуха и почвы. Только сельскохозяйственные культуры ежегодно уносят с полей около 30 миллионов тонн азота. Запасы азотных соединений в почве частично пополняются за счет особых бактерий, умеющих превращать азот воздуха в различные вещества. Некоторое количество азота связывается с кислородом при ударе молний. Но всего этого недостаточно, и азотные удобрения необходимо регулярно вносить на поля: они играют решающую роль в повышении урожая всех сельскохозяйственных культур. Богатейшим источником азота в течение десятков лет являлась чилийская селитра — природный нитрат натрия.

Залежи селитры с целью получения удобрений, а также пороха начали разрабатывать еще в начале XIX века. В 1887 г. экспорт чилийской селитры достиг 500 тысяч тонн в год, а в начале ХХ века исчислялся уже миллионами тонн. Запасы чилийской селитры стремительно истощались, тогда как потребность в нитратах росла очень быстро. Постоянно растущему населению Земли грозил голод от снижения урожайности. Ситуация казалась безвыходной, пока немецкий химик Фриц Габер (1868—1934) не разработал в начале ХХ века метод связывания атмосферного азота в аммиак. Для этого он использовал высокую температуру и давление, а также катализатор. Превращать аммиак в ни-траты и другие соединения азота химики уже умели. Некоторые историки считают, что без этого изобретения Германия не смогла бы вести войну дольше нескольких месяцев, и вся мировая история пошла бы иначе. В настоящее время производство аммиака ежегодно забирает из атмосферы примерно 100 млн тонн азота.

Неисчерпаемый источник азота — атмосфера: в ней содержится 12,5 млн тонн азота над 1 км² поверхности. Азот получают из сжиженного воздуха: он кипит при более низкой температуре, чем жидкий кислород. В 2012 г. было получено 137 млн тонн азота. Газообразный азот применяют, если нужно создать инертную атмосферу, например защитить расплавленный металл от кислорода воздуха. Иногда же, наоборот, поверхность металла специально насыщают азотом, при этом металл становится более прочным.

Инертный азот используют при перекачке горючих жидкостей, чтобы они не воспламенились, им наполняют непроницаемые для воздуха упаковки с продуктами. Автомобильные подушки безопасности в случае аварии моментально надуваются азотом (он получается при быстром разложении специально подобранных веществ). Жидкий азот, имеющий очень низкую температуру (–196 ^оС), применяют в холодильных установках.