Для чего нужен азот в природе
Что такое азот и для чего используется?
Азот – это химический элемент с атомным номером 7. Является газом без запаха, вкуса и цвета.
Таким образом, человек не ощущает присутствия азота в земной атмосфере, между тем как она состоит из этого вещества на 78 процентов. Азот относится к самым распространенным веществам на нашей планете. Часто можно слышать, что без азота не было бы жизни на Земле, и это правда. Ведь белковые соединения, из которых состоит все живое, обязательно содержат в себе азот.
Азот в природе
Азот находится в атмосфере в виде молекул, состоящих из двух атомов. Помимо атмосферы, азот есть в мантии Земли и в гумусном слое почвы. Основной источник азота для промышленного производства – это полезные ископаемые.
Однако в последние десятилетия, когда запасы минералов стали истощаться, возникла острая необходимость выделения азота из воздуха в промышленных масштабах. В настоящее время эта проблема решена, и огромные объемы азота для нужд промышленности добываются из атмосферы.
Роль азота в биологии, круговорот азота
На Земле азот претерпевает ряд трансформаций, в которых участвуют и биотические (связанные с жизнью) и абиотические факторы. Из атмосферы и почвы азот поступает в растения, причем не напрямую, а через микроорганизмы. Азотфиксирующие бактерии удерживают и перерабатывают азот, превращая его в форму, легко усваиваемую растениями. В организме растений азот переходит в состав сложных соединений, в частности – белков.
По пищевой цепи эти вещества попадают в организмы травоядных, а затем – хищников. После гибели всего живого азот вновь попадает в почву, где подвергается разложению (аммонификации и денитрификации). Азот фиксируется в грунте, минералах, воде, попадает в атмосферу, и круг повторяется.
Применение азота
После открытия азота (это произошло в 18-м столетии), были хорошо изучены свойства самого вещества, его соединений, возможности использования в хозяйстве. Поскольку запасы азота на нашей планете огромны, данный элемент стал использоваться крайне активно.
Чистый азот применяется в жидком или газообразном виде. Жидкий азот имеет температуру минус 196 градусов по Цельсию и применяется в следующих областях:
– в медицине. Жидкий азот является хладагентом при процедурах криотерапии, то есть лечения холодом. Мгновенная заморозка применяется для удаления различных новообразований. В жидком азоте хранят образцы тканей и живые клетки (в частности – сперматозоиды и яйцеклетки). Низкая температура позволяет сохранить биоматериал в течение длительного времени, а затем разморозить и использовать.
Возможность хранить в жидком азоте целые живые организмы, а при необходимости размораживать их без всякого вреда высказана писателями-фантастами. Однако в реальности освоить эту технологию пока не удалось;
– в пищевой промышленности жидкий азот используется при розливе жидкостей для создания инертной среды в таре.
Вообще азот применяется в тех областях, где необходима газообразная среда без кислорода, например,
– в пожаротушении. Азот вытесняет кислород, без которого процессы горения не поддерживаются и огонь затухает.
Газообразный азот нашел применение в таких отраслях:
– производство продуктов питания. Азот используется как инертная газовая среда для сохранения свежести продуктов в упаковке;
– в нефтедобывающей промышленности и горном деле. Азотом продувают трубопроводы и резервуары, его нагнетают в шахты для формирования взрывобезопасной газовой среды;
– в самолетостроении азотом накачивают шины шасси.
Все вышесказанное относится к применению чистого азота, но не стоит забывать, что этот элемент является исходным сырьем для производства массы всевозможных соединений:
– аммиак. Чрезвычайно востребованное вещество с содержанием азота. Аммиак идет на производство удобрений, полимеров, соды, азотной кислоты. Сам по себе применяется в медицине, изготовлении холодильной техники;
– красители и т.д.
Азот – не только один из наиболее распространенных химических элементов, но и очень нужный компонент, применяемый во многих отраслях человеческой деятельности.
Для чего нужен азот?
Азот – это химический элемент с атомным номером 7. Является газом без запаха, вкуса и цвета.
Таким образом, человек не ощущает присутствия азота в земной атмосфере, между тем как она состоит из этого вещества на 78 процентов. Азот относится к самым распространенным веществам на нашей планете. Часто можно слышать, что без азота не было бы жизни на Земле, и это правда. Ведь белковые соединения, из которых состоит все живое, обязательно содержат в себе азот.
Азот в природе
Азот находится в атмосфере в виде молекул, состоящих из двух атомов. Помимо атмосферы, азот есть в мантии Земли и в гумусном слое почвы. Основной источник азота для промышленного производства – это полезные ископаемые.
Однако в последние десятилетия, когда запасы минералов стали истощаться, возникла острая необходимость выделения азота из воздуха в промышленных масштабах. В настоящее время эта проблема решена, и огромные объемы азота для нужд промышленности добываются из атмосферы.
Роль азота в биологии, круговорот азота
На Земле азот претерпевает ряд трансформаций, в которых участвуют и биотические (связанные с жизнью) и абиотические факторы. Из атмосферы и почвы азот поступает в растения, причем не напрямую, а через микроорганизмы. Азотфиксирующие бактерии удерживают и перерабатывают азот, превращая его в форму, легко усваиваемую растениями. В организме растений азот переходит в состав сложных соединений, в частности – белков.
По пищевой цепи эти вещества попадают в организмы травоядных, а затем – хищников. После гибели всего живого азот вновь попадает в почву, где подвергается разложению (аммонификации и денитрификации). Азот фиксируется в грунте, минералах, воде, попадает в атмосферу, и круг повторяется.
Азот: что это такое и где он используется?
Азот или Nitrogenium – это инертный двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха: его невозможно увидеть, если газ не заморожен и не сжижен. Первооткрыватели азота поначалу называли вещество, как «удушливый», «испорченный или флогистированный воздух», «атмосферный мофетт». Эти и другие названия употреблялись вплоть до выхода новой химической номенклатуры, авторы которой решили остановиться на слове «азот», которое, по их мнению, полностью отображало основное свойство вещества – непригодность для дыхания и жизни.
Мало, кто знает, что азот по важности для человека занимает третье место, после кислорода и водорода. Во-первых, потому что газ является главной составляющей атмосферного воздуха (в пределах 75% всего объема). И во-вторых, азот широко используется во многих сферах деятельности человека, начиная от медицины и заканчивая производством взрывчатых устройств. Не случайно в 1992 году авторитетное издание Science присудило оксиду азота (NO) почетную премию «Молекула года».
Чтобы иметь неограниченный источник его получения и обеспечить непрерывность технологических процессов, используют специальное оборудование – генераторы азота, которые позволяют получать данный газ требуемой чистоты.
Виды азота
По видам азот делиться на следующие:
Свойства этого газа были изучены английским химиком Гемфри Дэви (Humphry Davy) в 1799 году. Интересуясь действием различных газов на организм человека, Дэви обычно испытывал их на себе. При вдыхании закиси азота, он пришел в возбужденное состояние, сопровождаемое смехом. За эти свойства закись азота была названа им – веселящим газом. В дальнейшем было установлено, что при более длительном вдыхании закиси азота наступает потеря сознания. Закись азота – окисел, не дающий кислот, он относится к несолеобразующим окислам.
Закись азота (N2O) не может быть получена из газообразного кислорода и N2, она образуется из азотнокислой соли аммония, которая при осторожном нагревании разлагается на закись азота и воду по реакции:
В отличие от кислорода, который взаимодействует почти со всеми элементами, встречающимися в природе, газообразный азот при комнатной температуре соединяется с единственным элементом – литием, образуя при этом нитрид лития:
Но при высоких температурах ряд металлов (титан, молибден и др.) с азотом образуют нитриды, снижающие механические свойства и поэтому его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить.
Свойства азота
Молекула азота очень стабильна, поэтому химреактив в основном инертен, взаимодействует в нормальных условиях только с литием, цезием и комплексами переходных металлов. Для проведения реакций с другими веществами требуются особые условия: очень высокая температура и давление, а иногда и катализатор. Не вступает в реакции с галогенами, серой, углеродом, кремнием, фосфором.
Элемент крайне важен для жизни всего живого. Он является неотъемлемой частью белков, нуклеиновых кислот, гемоглобина, хлорофилла и многих других биологически важных соединений. Играет основную роль в обмене веществ живых клеток и организмов.
Азот выпускается в виде сжатого при 150 атмосфер газа, поставляется в баллонах черного цвета с крупной и четкой надписью желтого цвета. Жидкий реагент хранят в сосудах Дьюара (термос с двойными стенками, с серебрением изнутри и вакуумом между стенок).
Опасность азота
Несмотря на то, что азот N2 является нетоксичным и не имеет отрицательного влияния на окружающую среду, для человека его действие может иметь весьма неприятные последствия. Замещая в атмосфере и вытесняя из организма кислород, данный газ работает как удушающий агент. При уменьшении концентрации кислорода в воздухе ниже 19% человек начинает испытывать следующие симптомы:
Поэтому при работе в азотной среде важно придерживаться основных мер безопасности – часто проветривать помещение и контролировать содержание O2.
Источники получения азота
Физико-химические свойства азота обуславливают его широкое применение во многих отраслях жизнедеятельности человека. Для непрерывного протекания технологических процессов требуется постоянное наличие инертного газа требуемой степени чистоты. С это целью используют три основных источника его получения:
Самостоятельная генерация азота для промышленных нужд – к такому решению приходят многие компании, в технологических процессах которых требуется постоянное применение данного газа. Получение азота посредством работы собственных генераторов является наиболее экономически выгодным способом, так как:
Существует два типа генераторных установок для получения азота:
Каждый из данных способов получения газа имеет свои преимущества, поэтому выбор генераторов азота осуществляется в зависимости от нужд конкретного предприятия.
Применение азота в технологических процессах
Азот широко используется в различных технологических процессах. В промышленности и при выполнении сварочных работ используются, в основном, инертные свойства газа. Жидкий азот также применяется в качестве эффективного хладагента.
Наибольшее распространение этот инертный газ получил в следующих сферах промышленности:
Также этот газ может быть использован при изготовлении электроники и производстве стекла. В газообразном состоянии азот используется в качестве защитного газа при сварке металлов. В процессе соединения металла с помощью азота вытесняется кислород, тем самым снижая разрушительное действие этого окислителя.
Инертные качества этого газа могут применяться в установках пожаротушения. Азот не поддерживает горение, а, попадая в очаг возгорания, уменьшает концентрацию кислорода, что приводит к прекращению процесса окисления вещества.
В медицине жидкий азот используется для удаления различных новообразований на поверхности кожи. В этом агрегатном состоянии вещество может применяться при проведении омолаживающих процедур. Криогенная терапия хорошо воздействует на весь организм, активируя защитные и восстановительные свойства иммунной системы. В химической промышленности азот применяется для производства азотных удобрений и аммиака.
В чем хранится и транспортируется технический азот?
Хранение и перевозка технического азота осуществляется в баллонах из стали (ГОСТ 949-73) черного цвета с желтой надписью. Сжиженный газ транспортируется в специальных цистернах или криогенных резервуарах.
До недавнего времени эксплуатация жидкого азота как инертного вещества считалась абсолютно безопасной. Однако, на сегодня известно несколько случаев взрывов резервуаров и оборудования, работающего со сжиженным N2, что вызвано быстрым испарением жидкой фазы и обогащением ее кислородом. Поэтому при эксплуатации житкоазотных сосудов необходимо руководствоваться такими же требованиями, как и при работе с резервуарами с жидким кислородом.
Во время перевозки газообразного состава необходимо избегать ударов и падений сосудов, а также их перегрева. Поскольку внутреннее давление емкости составляет 15-20 Мпа, при сильном ударе или нагреве более 60°C появляется риск разгерметизации или взрыва.
Азотный баллон, как и любая емкость, работающая под давлением, должен периодически подвергаться переаттестации. При этом к качеству и чистоте резервуара предъявляются, как правило, более высокие требования, чем, например, к сосудам, предназначенным для заправки CO2.
Читайте также:
Жидкий азот – сколько градусов?
Сколько азота в воздухе?
Как сказывается на растениях недостаток азота фосфора калия?
Азот — «безжизненный» газ, крайне важный для всего живого
Азот — газ, простое химическое вещество, неметалл, элемент 
таблицы Менделеева. Латинское название Nitrogenium переводится как «рождающий селитры».
Название «азот» и созвучные ему используются во многих странах: во Франции, Италии, России, Турции, в некоторых восточнославянских и в странах бывшего СССР. По основной версии, название «азот» происходит от греческого слова azoos — «безжизненный», так как не пригоден для дыхания.
Азот в основном встречается как газ — в воздухе его около 78% (по объему). Месторождения полезных ископаемых, а которых он содержится — например, чилийской селитры (нитрат натрия), индийской селитры (нитрат калия) большей частью уже истощены, поэтому в промышленных масштабах реактив добывают химическим синтезом прямо из атмосферы.
Свойства
Молекула азота очень стабильна, поэтому химреактив в основном инертен, взаимодействует в нормальных условиях только с литием, цезием и комплексами переходных металлов. Для проведения реакций с другими веществами требуются особые условия: очень высокая температура и давление, а иногда и катализатор. Не вступает в реакции с галогенами, серой, углеродом, кремнием, фосфором.
Элемент крайне важен для жизни всего живого. Он является неотъемлемой частью белков, нуклеиновых кислот, гемоглобина, хлорофилла и многих других биологически важных соединений. Играет основную роль в обмене веществ живых клеток и организмов.
Азот выпускается в виде сжатого при 150 атмосфер газа, поставляется в баллонах черного цвета с крупной и четкой надписью желтого цвета. Жидкий реагент хранят в сосудах Дьюара (термос с двойными стенками, с серебрением изнутри и вакуумом между стенок).
Опасность азота
В обычных условиях азот не вреден для человека и животных, но при повышенном давлении вызывает наркотическое опьянение, а при нехватке кислорода — удушье. С азотом и его воздействием на кровь человека при резком снижении давления связана очень опасная кессонная болезнь.
Это интересно
Вероятно, все хотя бы однажды видели в фильмах или сериалах, 
как жидким азотом мгновенно замораживают людей или замки на решетке, сейфе и т. п., после чего они становятся хрупкими и легко разбиваются. На самом деле жидкий азот замораживает достаточно медленно, ввиду своей малой теплоемкости. Именно поэтому с его помощью нельзя замораживать людей для последующей разморозки — не получается равномерно и одномоментно заморозить все тело и органы.
Азот относится к пниктогенам — химическим элементам той же подгруппы таблицы Менделеева, что и он сам. Кроме азота к пниктогенам относят фосфор, мышьяк, сурьму, висмут и искусственно полученный московий.
Жидкий азот — идеальный материал для тушения пожаров, особенно с ценными объектами. После тушения азотом не остается ни воды, ни пены, ни порошка, а газ просто выветривается.
Применение
— Три четверти всего выпускаемого в мире азота идет на производство аммиака, из которого, в свою очередь, производят широко использующуюся в разных сферах промышленности азотную кислоту.
— В сельском хозяйстве соединения азота используются как удобрения, а сам азот — для лучшей сохранности овощей в овощехранилищах.
— Для производства взрывчатых веществ, детонаторов, топлива для космических аппаратов (гидразина).
— Для изготовления красителей, медикаментов.
— При перекачке горючих веществ по трубам, в шахтах, в электронных приборах.
— Для тушения кокса в металлургии, для создания нейтральной атмосферы в промышленных процессах.
— Для продувки труб и резервуаров; распирания пластов в горнодобыче; прокачки топлива в ракетах.
— Для закачки в самолетные шины, иногда — в автомобильные.
— Для производства особой керамики — нитрида кремния, обладающего повышенной механической, термической, химической стойкостью и многими другими полезными характеристиками.
— Пищевую добавку Е941 используют для создания в упаковках консервирующей среды, исключающей окисление и развитие микроорганизмов. Жидкий азот используют при разливе напитков и масел.
Жидкий азот применяется как:
— Хладагент в криостатах, вакуумных установках и т. п.
— В криогенной терапии в косметологии и медицине, для проведения некоторых видов диагностики, для хранения образцов биоматериалов, спермы, яйцеклеток.
— В криогенной резке.
— Для тушения пожаров. Испаряясь, реагент образует массу газа в 700 раз большую, чем объем жидкости. Этот газ оттесняет кислород от пламени, и оно тухнет.
Азот в природе
Большая часть азота находится в природе в свободном состоянии. Свободный азот, как известно, является главной составной частью воздуха, который содержит около 78% азота по объему. Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру NaNO3, образующую мощные пласты на побережье Тихого океана в Чили. Почва содержит незначительные количества азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты. Но в виде сложных органических соединений — белковых веществ — азот входит в состав тела каждого растения и животного. Из белковых веществ построены самые важные части клеток — протоплазма и ядро. Изумительные превращения, которым подвергаются белковые вещества в клетках растений и животных, составляют основу всех жизненных процессов. Без белка нет жизни, а так как азот является обязательной составной частью белка, то понятно, какую важную роль играет этот элемент в природе.
Общее содержание азота в земной коре (включая гидросферу и атмосферу) составляет 0,04%. Получение азота из воздуха сводится в основном к отделению его от кислорода. В промышленности это осуществляется путем испарения жидкого воздуха в специальных установках, совершенно чистый азот может быть получен из его соединений, например из аммиака, путем пропускания последнего над раскаленной окисью меда:
или разложением азотистокислого аммония при нагревания:
Чистый азот — бесцветный газ, имеющий запаха и весьма мало растворимый в воде. Он немного легче воздуха: 1 л его весит 1,25 г. При сильном охлаждении под высоким давлением азот переходит в жидкость, которая кипят при —195,8°, а при —210 ° затвердевает в снегообразную массу.
Для чего азот
В химическом отношении азот отличается большой инертностью. При обыкновенной температуре он почти не способен вступать в соединения. При нагревания довольно легко соединяется с некоторыми металлами, например с литием, магнием, кальцием, титаном. Наконец, при очень высокой температуре азот непосредственно соединяется с кислородом и водородом.
Для чего нужен азот в природе
(молярная масса)
(первый электрон)
Азот (N, лат. nitrogenium ) — химический элемент 15-й группы (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе V группы, или к группе VA), второго периода периодической системы с атомным номером 7.
Относится к пниктогенам.
Как простое вещество представляет собой двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
Один из самых распространённых элементов на Земле.
Химически весьма инертен, однако реагирует с комплексными соединениями переходных металлов.
Основной компонент воздуха (78,09 % объёма), разделением которого получают промышленный азот (более ¾ идёт на синтез аммиака).
Применяется как инертная среда для множества технологических процессов; жидкий азот — хладагент.
Азот — один из основных биогенных элементов, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот.
Содержание
История открытия
В 1772 году Генри Кавендиш провёл 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), и описал его как мефитический воздух (от английского mephitic — ‘вредный’). В том же году Кавендиш сообщил об этом опыте Джозефу Пристли.
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.
Джозеф 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, также неверно истолковал полученные результаты — он решил, что выделил флогистированный воздух (т. е. насыщенный флогистоном).
В сентябре 1772 года шотландский химик Даниэль Резерфорд опубликовал магистерскую диссертацию «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе», в которой описал азот как вредный, ядовитый воздух и предположил, что это новый химический элемент, а также описал основные свойства азота (не реагирует со щелочами, не поддерживает горения, непригоден для дыхания). Резерфорд также был сторонником флогистонной теории, поэтому также не смог понять, что же он выделил. Таким образом, чётко определить первооткрывателя азота невозможно.
В то же время азот выделил Карл Шееле: летом 1772 года он получил азот по методу Кавендиша и исследовал его в течение пяти лет, затем опубликовал результаты своих исследований. В этой публикации Шееле первым описал воздух как смесь отдельных газов: «огненного воздуха» (кислорода) и «грязного воздуха» (азота). Из-за того, что Шееле задержался с публикацией своих исследований, до сих пор идут споры о первооткрывателе азота.
Происхождение названия
Само слово «азот» (без связи с газом) известно с древности и употреблялось философами и алхимиками средневековья для обозначения «первичной материи металлов», так называемого «меркурия» у философов, «двойного меркурия» у алхимиков. «Первичную материю металлов» алхимики считали «альфой и омегой» всего сущего. И слово для её обозначения составили из начальных и конечных букв алфавитов трёх языков, считавшихся священными, — латинского, греческого и древнееврейского: а, альфа, алеф и зет, омега, тов — AAAZOT. Инициатор создания новой химической номенклатуры Гитон де Морво отмечал в своей «Методической энциклопедии» (1786 год) алхимическое значение термина.
Многие современники Лавуазье считали название элемента неудачным, в частности, Жан-Антуан Шапталь предложил название фр. nitrogène — «рождающий селитру» (и использовал это название в своей книге «Элементы химии»). Поныне соединения азота называют «нитраты», «нитриты» и «нитриды».
Название «азот», помимо французского и русского, принято в итальянском, турецком и ряде славянских языков, а также во многих языках народов бывшего СССР.
До принятия символа N в России, Франции и других странах использовался символ Az, который можно видеть, например, в статье А. М. Бутлерова об аминах 1864 года.
Азот в природе
Изотопы
Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14 N — 99,635 % и 15 N — 0,365 %.
Искусственно получены четырнадцать радиоактивных изотопов азота с массовыми числами от 10 до 13 и от 16 до 25. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13 N имеет период полураспада 10 мин.
Спин ядер стабильных изотопов азота: 14 N — 1; 15 N — 1/2.
Распространённость
Азот — один из самых распространённых элементов на Земле. Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, в межзвёздном пространстве и др. Атмосферы таких планет-спутников как Титан, Тритон, а также карликовой планеты Плутон в основном состоят из азота. Азот — четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).
Азот в форме двухатомных молекул N2 составляет большую часть атмосферы Земли, 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
Азот является химическим элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле — около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9⋅10 11 т. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.
Химия гидридов азота при давлениях порядка 800 ГПа (около 8 миллионов атмосфер) более разнообразна, чем химия углеводородов при нормальных условиях. Отсюда появилась гипотеза, что азот может быть основой пока неоткрытой жизни на таких планетах, как Уран и Нептун.
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).
Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4⋅10 8 т/год) фиксируется биотическим путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium, цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубеньках ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH4 + ). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий — первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» — глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.
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
Разложение нитрита аммония
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.
Нагревание дихромата калия с сульфатом аммония
Ещё один лабораторный способ получения азота — нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция идёт по уравнениям:
Разложение азидов
Наиболее чистый азот можно получить разложением азидов металлов:
Реакция воздуха с раскалённым коксом
Так называемый «воздушный», или «атмосферный» азот, то есть смесь азота с благородными газами, получают путём реакции воздуха с раскалённым коксом, при этом образуется так называемый «генераторный», или «воздушный», газ — сырьё для химических синтезов и топливо. При необходимости из него можно выделить азот, поглотив монооксид углерода.
Перегонка воздуха
Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Этим методом можно получить и «атмосферный азот». Также широко применяются азотные установки и станции, в которых используется метод адсорбционного и мембранного газоразделения.
Пропускание аммиака над оксидом меди (II)
Один из лабораторных способов — пропускание аммиака над оксидом меди (II) при температуре
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/100 г при 0 °C, 1,5 мл/100 г при 20 °C, 1,1 мл/100 г при 40 °C, 0,5 мл/100 г при 80 °C), плотность 1,2506 кг/м³ (при н. у.).
Известны три кристаллические модификации твёрдого азота. В интервале 36,61 — 63,29 К существует фаза β-N2 с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P63/mmc, параметры решётки a=3,93 Å и c=6,50 Å. При температуре ниже 36,61 К устойчива фаза α-N2 с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P213 и период a=5,660 Å. Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83 K образуется гексагональная фаза γ-N2.
Фазовая диаграмма
Фазовая диаграмма азота показана на рисунке.
Химические свойства, строение молекулы
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 разрежении 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 некоторые его соединения эндотермичны (многие галогениды, азиды, оксиды), то есть энтальпия их образования положительна, 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) NH3, получаемый взаимодействием водорода с азотом (см. ниже).
В электрическом разряде реагирует с кислородом, образуя оксид азота (II) NO.
Описано несколько десятков комплексов с молекулярным азотом.
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 °C 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 составляет 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.
Соединения азота
Степени окисления азота в соединениях −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5.
Применение
Газообразный азот
Промышленное применение газообразного азота обусловлено его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению. В нефтедобывающей промышленности газообразный азот применяется для обеспечения безопасного бурения, используется в процессе капитального и текущего ремонта скважин. Кроме того, газообразный азот высокого давления используют в газовых методах повышения нефтеотдачи пласта. 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, тушения эндогенных пожаров. 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.
Газообразным азотом заполняют камеры шин шасси летательных аппаратов. Кроме того, в последнее время заполнение шин азотом стало популярно и среди автолюбителей, хотя однозначных доказательств эффективности использования азота вместо воздуха для наполнения автомобильных шин нет.
Жидкий азот
Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии.
Важной областью применения азота является его использование для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, содержащих азот, таких, как аммиак, азотные удобрения, взрывчатые вещества, красители и т. п. Более 3/4 промышленного азота идёт на синтез аммиака.
Большие количества азота используются в коксовом производстве («сухое тушение кокса») при выгрузке кокса из коксовых батарей, а также для «передавливания» топлива в ракетах из баков в насосы или двигатели.
В пищевой промышленности азот зарегистрирован в качестве пищевой добавки E941, как газовая среда для упаковки и хранения, хладагент, а жидкий азот применяется при разливе масел и негазированных напитков для создания избыточного давления и инертной среды в мягкой таре.
Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённое заблуждение. Даже для замораживания цветка необходимо достаточно продолжительное время. 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 ёмкостях 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.
Заморозка жидким азотом живых существ с возможностью последующей их разморозки проблематична. Проблема заключается в невозможности заморозить (и разморозить) существо достаточно быстро, чтобы неоднородность заморозки не сказалась на его жизненных функциях. Станислав Лем, фантазируя на эту тему в книге «Фиаско», придумал экстренную систему заморозки азотом, в которой шланг с азотом, выбивая зубы, вонзался в рот астронавта и внутрь его подавался обильный поток азота.
В качестве легирующей добавки к кремнию, образует высокопрочное соединение (керамику) нитрид кремния, обладающее высокой вязкостью и прочностью.
Маркировка баллонов
Выпущенные в России баллоны с азотом, согласно требованиям ПБ 03-576-03, должны быть окрашены в чёрный цвет с коричневой полосой и надписью жёлтого цвета. ГОСТ 26460-85 не требует полосы, но надпись должна содержать сведения о чистоте азота (особой чистоты, высокой чистоты, повышенной чистоты).
Опасность для здоровья
В обычных условиях азот не токсичен, однако при повышенном атмосферном давлении способен вызывать азотное отравление. Большинство соединений азота представляют сильную опасность для здоровья.
Азот относится ко 2-му классу опасности. Рейтинг NFPA 704: Опасность для здоровья: 3, огнеопасность: 0, реакционная способность: 0.