Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 3 » Азот
17:03
Азот

Азот открыт в 1772 г. шотландским химиком Д. Резерфордом. В те годы активно обсуждалась теория флогистона, двумя годами ранее был открыт кислород. Азот обнаружили как второй основной компонент воздуха, достаточно инертный по сравнению с кислородом. Как это часто бывает, элемент открывают там, где его больше всего и где он "перед глазами”. Большая часть азота на Земле находится в атмосфере в свободном виде, около 78% по объему (75% по массе). Несмотря на огромную роль кислорода для дыхания живых организмов, чистым кислородом человек дышать не может, для дыхания нужен менее "концентрированный” окислитель. Если бы атмосфера Земли содержала бы больший процент кислорода, площадь поверхности легких и других дыхательных органов у жителей нашей планеты была бы значительно меньше.

В почве и живой природе находится связанный азот. Содержание азота в почве составляет около 0,1% по массе, при этом он сосредоточен в основном, в верхних слоях (20-50 см). В почву азот попадает тремя путями: отходы живых организмов, отмершие ткани животных, растений и микроорганизмов и связанный атмосферным электричеством азот.

Для начала остановимся подробнее на последнем случае. При перемещении под действием ветра и конвекции огромных воздушных масс, происходит их намагничивание статическим электричеством. При этом, общая величина заряда отдельного облака может достигать тысяч Фарад (эквивалент миллиардов конденсаторов по 1 мФ). При сближении этих облаков происходит разрядка – "пробой искры”, иначе говоря, молния. Молния представляет собой Вольтову дугу, протяженностью до нескольких десятков метров, диаметром до полуметра и температурой в 2000-5000оС. При таких условиях происходит активация молекулярного азота, то есть, разрыв от одной до трех связей в молекуле, с образованием активного атомарного азота. При этом происходит присоединением атомов кислорода (активированных таким же путем).

При этом получается оксид азота, с зарядом на атоме азота 2+. Так как, азот имеет 3 валентных электрона в атоме, то этот оксид является неустойчивым и присоединяет еще один атом кислорода, переходя в диоксид азота – наиболее устойчивый при нормальных условиях оксид азота. Образовавшийся диоксид азота диспропорционирует в микрокапельках воды и переходит в молекулы азотной и азотистой кислоты. Азотистая кислота, будучи неустойчивой и слабой кислотой, склонна к окислению атмосферным кислородом до азотной кислоты.

Образовавшиеся кислоты выпадают вместе с дождем на землю. Концентрация кислоты в таком дожде ничтожна, но, если учесть, что в секунду на планете происходит в среднем около 10-15 молний, энергия каждой молнии достигает энергии взрыва нескольких десятков тонн тротила, а КПД реакции окисления азота кислородом, при этом составляет около 1-3%, то становится ясно, что в масштабе планеты, ежесекундно связывается эти путем до нескольких сотен килограммов азота. Для сравнения, одному человеку в сутки необходимо для жизни около 70-100 гр. белка, содержащих около 5-8 граммов связанного азота. При этом, после попадания в почву в виде нитрата, азот переходит в растения, где входит в состав аминокислот или белков. Растительное сырье употребляют в пищу животные. После гибели животных, их ткани, а также их выделения, попадают в почву и переходят в результате термораспада и деятельности микроорганизмов в те же нитраты и другие неорганические соединения азота. За один такой теоретический цикл, в атмосферу возвращается в свободном виде около 10-30% из связанного в начале азота. Таким образом, в биосфере и почве Земли постепенно накапливался азот. Сегодня его только в живых организмах связанно столько, что для связывания такого количества азота атмосферным электричеством потребовалось бы несколько десятков миллионов лет.

Атмосферный азот, таким образом, попадает в почву в виде раствора азотной кислоты. Почва, как мы помним, содержит множество ионов металлов, как связанных в высокомолекулярные соединения различной прочности, так и находящиеся в виде свободных оксидов, солей и гидроксидов. Азотная кислота, будучи сильной кислотой, вытесняет все более слабые кислоты (гуминовые кислоты, угольную кислоту, различные органические кислоты и др.). При этом получаются соли азотной кислоты – нитраты. Будучи хорошо растворимыми в воде солями с анионом и катионом сравнительно небольшого размера, нитраты легко усваиваются корнями растений. Это один из основных путей ввода неорганического азота в живую природу.

Если почва в данном месте отличается низкой влажностью (нет вымывания солей грунтовыми водами в подземные и поверхностные водоемы), растительности мало или нет совсем, а почва богата основными солями, тогда происходит накопление селитры в почве. Этот процесс очень медленный, для накопления селитры в количестве, достаточным для образования кристаллов заметных невооруженным глазом могут потребоваться тысячи лет. Обычное содержание селитр в почве на территории северных регионов центральной Евразии составляет около 0,1-1 гр. на 10 кг. сухой почвы.

Кроме атмосферного азота, в почву попадают соединения азота из животного мира: аммиак, мочевина (карбамид), белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты и др. Всем садоводам известен метод повышения урожайности почвы внесением перегноя, который в классическом варианте представляет собой сгнившие стебли и листья растений. Еще больше азота содержится в животных организмах, в теле млекопитающего содержится 20-30% белков, То есть, взрослый человек содержит столько же связанного азота, сколько содержится в 1-2 кг дымного пороха.

Попадающий в почву животный азот превращается почвенными бактериями в продукты конечного распада, которые в условиях почвы окисляются атмосферным кислородом до оксидов азота и в итоге, становятся теми же селитрами. Здесь можно отметить исторический факт сбора селитры. Во многих европейских странах в средневековье и вплоть до начала 19-го века, существовали так называемые, "селитряные налоги”. Население многих регионов, кроме обычных налогов, платили дополнительные налоги селитрой, которую добывали на своей земле. Процесс добычи сводился к промыванию почвы (желательно теплой водой) и упариванию полученного раствора. При упаривании из раствора выпадали кристаллы солей, содержащихся в почве, в том числе селитры. После простенькой перекристаллизации, селитра получала чистоту порядка 60-95%. В России практически не было селитряных налогов, из-за большой территории, низкой плотности населения и небольшой удельной численности армии.

Сборщики селитры проверяли чистоту и качество товара по характерному блеска и форме кристаллов (пищевая соль тогда стоила в 10-15 раз дороже селитры), а также, по запаху. Техническая селитра, полученная таким путем, имеет характерный запах, состоящий из затхлого запаха почвы, оттенка запаха гниющих белков, тонкой примеси аромата окисляющихся аминов и других низших производных азота, и конечно же, кислотного запаха окислов азота. Если селитру хранили в большом количестве, в закрытом подвале, то он пропитывался этим характерным запахом.

Вы и сами можете провести этот простой процесс. Для промывания почвы потребуется: ведро, гвоздь, молоток, ванночка или другая емкость, в которую ведро можно поставить, ковш и источник тепла для подогрева воды (электроплитка). В дне ведра пробиваете отверстия гвоздем, чем больше отверстий, тем лучше, главное чтобы не просыпалась почва. Почву набираете в ведро, насыпать нужно неплотно, но максимально равномерно. Когда ведро почти полное, ставите его в ванночку (или тазик), но лучше на парочку металлических или полимерных брусков или камней (дерево не желательно, оно сорбирует соли), что бы были проходы для вытекающей воды. Затем, подогреваете воду и поливаете грунт тонкой струйкой по всей поверхности, следя, что бы не было промоин а грунт набухал и оседал равномерно. После поливания грунта горячей или теплой водой, в количестве 1 литр воды на 1-2 литра почвы (в зависимости от набухания почвы, чем больше набухает, тем больше нужно воды, и медленнее ее лить). Чем больше впитывающая способность почвы, тем больше в ней органики, а значит – селитры. В такую почву накануне, желательно добавить немного поташа или древесной золы.

После полного стекания воды можно отжать грунт, затем отфильтровываете механические примеси через небольшой кусочек синтетической ткани и упариваете воду, можно на солнце или при слабом нагреве на плитке или батарее центрального отопления. После упаривания получается небольшое количество кристаллов грязно-мутного цвета с запахом земли. После перекристализации из горячей воды Вы получите селитру с чистотой 50-90%. Для больших количеств грунта удобнее применять большую ванну вместо ведра, а воду отделять декантацией.

Для снижения затрат труда, простолюдины предпочитали промывать почву из более "селитряных” мест. Не имея знаний в химии, они экспериментальным путем установили такие места: кладбища, сортиры, выгребные ямы стаек и хлевов, могильники скота, прочие места гниения биоматериалов. То есть, те места, где в почву попадало много животных и растительных соединений азота.

Интересно отметить, что в подвалах древних зданий тоже накапливается селитра. Ведь, человеческий пот и моча также содержат аммиак и карбамид. В течении многих лет, жильцы дома испаряют со своей кожи небольшие количества аммиака, который скапливается в нижней части дома, и поглощается почвой (дома строятся на сухом месте, поэтому почва в подвалах достаточно сухая, напоминает пыль и имеет за счет высокой пористости, высокую сорбционную способность). Бактерии и плесени почвы перерабатывают этот азот в свою ткань, и в итоге, азот оказывается в виде селитры в почве.

Это напомнило мне один очень интересный документ, изданный в 1793 году в Париже. В те времена отживала последние месяцы первая Французская республика. Париж и его окрестности были осаждены многочисленной интернациональной армией интервентов, пришедших восстановить законную монархию во Франции. В осажденном Париже начинался голод, блокада давала о себе знать, заканчивались боеприпасы. Документ назывался, если память мне не изменяет, "Декрет о спасении республики”. Кроме других пунктов, он содержал постановление, обязывающее всех жителей Парижа промывать грунт из своих подвалов, с целью добычи селитры для изготовления пороха. Но, ни какие декреты уже не могли спасти оплот "народной” власти.

Мы столь подробно остановились на обороте азота в природе, так как он имеет ключевое значении для жизни. После открытия в начале 20-го века синтеза Габера-Боша, позволяющего связывать атмосферный азот в аммиак – одно из важнейших веществ в химической промышленности, химическая промышленность получила практически бесконечный источник дешевых соединений азота. Аммиак используют для производства удобрений, например, аммиачной селитры или карбамида. Также, аммиак окисляют в чистом кислороде на платиновом катализаторе, для получения оксидов азота, которые идут на производство азотной кислоты.

Очень высокая устойчивость молекулярного азота обуславливает высокую разницу в энергии, между многими соединениями азота и свободным азотом (что, кстати, и объясняет пребывание основной массы азота в атмосфере в свободном виде). Эта разница в энергии выделяется по закону Гесса из энергонасыщенных соединений азота при их разложении. Поэтому, многие соединения азота имеют огромное значение для промышленности ВВ.

Промышленное связывание азота имеет большое значение для промышленности удобрений, энергонасышенных соединений, органического синтеза (лекарства, краски, полимеры, БАДы и многое другое) и др. важных отраслей промышленности и народного хозяйства.

Категория: Химия элементов | Просмотров: 2297 | Добавил: Chemadm | Теги: круговорот азота, связанный азот, соединения азота | Рейтинг: 4.8/27
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]