Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Трудно найти элемент, у которого название так противоречило бы его значению, как у азота. Слово «азот» греческого происхождения и означает «не поддерживать жизни».

Впервые азот был получен из воздуха в 1774 году.

Оказалось, что горящая лучинка, внесенная в сосуд, наполненный азотом, гаснет, а живое существо в атмосфере этого газа быстро гибнет. За эти свойства азот и получил свое название. Тем не менее, без азота невозможна никакая жизнь.

История открытия азота тесно связана с открытием кислорода. Эти два газа составляют основную часть воздуха.

В начале XVIII столетия воздух считали простым однородным газом. Опыт, показал, что воздух необходим не только для жизни живых организмов, на и для горения. Однако процесс горения объясняли ошибочно и связывали ею с наличием некоей «огненной силы». Такого представления придерживались многие ученые того времени, в том числе английский ученый Роберт Бойль, считавший, что он сумел доказать существование «огненной материи».

В 1773 году выдающийся французский учёный Лавуазье занялся количественным определением состава воздуха.

Поместив немного ртути в стеклянную реторту и подведя узкий конец ее под цилиндр, опрокинутый в чашку с ртутью, Лавуазье стал нагревать реторту, доведя ртуть почти до кипения. Вскоре на поверхности горячей ртути появился красный налет. Это была окись ртути, которая образовалась от соединения ртути с кислородом воздуха. Двенадцать суток длился опыт; по мере окисления ртути все больше и больше расходовалось кислорода воздуха. Давление в реторте и цилиндре падало. С понижением давления ртуть всасывалась в цилиндр; когда опыт был закончен, объем ртути, вошедшей в цилиндр, составлял примерно 1/5 общего объема воздуха до начала опыта. Какой же газ остался в системе? Лавуазье внес в него горящую свечу, и она погасла. Животное, посаженное в сосуд, наполненный этим газом, быстро погибло. Газ, который, составлял большую часть воздуха, оказался непригодным для жизни и не поддерживал горения.

Он был назван азотом.

С названиями азоту не везло. Д. Резефорд назвал его «постоянным или удушливым воздухом». Другой известный химик Джозеф Пристли считал азот «флогистонированным воздухом»; Карл Шееле употреблял термин «дурной воздух»; Генри Кавендиш говорило нем как об «удушливом воздухе», и, наконец, прижившееся у нас название «азот», дал ему ученый Антуан Лоран Лавуазье («а» - по-гречески отрицание, «зое» - жизнь); по-русски это означает «безжизненный». Но почему же символ N, если первая буква в названии А? Дело в том, что название «азот» сохранилось лишь у русских и французов, а немцы, например, его зовут Stickstoff- удушающее вещество;· англичане называют Nitrogen - от латинского слова Nitrogenium. Первая буква этого слова и стала символом элемента Nitrogenium - словесный гибрид, образованный от латинского nitrum - селитра и греческого genos - рождение, значит - рождающий селитру . Таким образом название элемента прошло путь от «безжизненного» до «рождающего». Слово Nitrogenium пытались перевести на русский язык и азот назвать селитротвором, но это не прижилось. В 1824 г. вернулись к термину «азот».

Впоследствии выяснилось, что слово «азот» встречается у алхимиков в рукописях. Алхимики взяли первую букву всех алфавитов «а» и последние буквы трех древних: «зет» - латинского, «омега» - греческого, «стов» - древнееврейского. Получилось А +З +0 +Т, слово, которое как бы в себя вобрало «все начала и концы». В наше время применение к азоту прилагательного «безжизненный» звучит парадоксом ведь основу жизни на нашей планете составляют именно соединения азота. Они входят в состав веществ всех живых организмов. Набор в 25 аминокислот обеспечивает весь спектр белков органических структур. Без азота не обходится и великий процесс рождения химических элементов на нашей звезде - Солнце. Ядра азота появляются как промежуточные продукты при реакции превращения четырех протонов в гелий. Заметьте, скорость превращения водорода в гелий мала и для отдельно взятого протона составляет в среднем 50 млн. лет. Однако масса Солнца и водорода в нем так велика что такая «малопроизводительная» реакция в сумме доставляет нашей планетной системе основную долю энергии.

Слово «азот» употреблялось задолго до присвоения этого названия открытому газу. Однако оно имело совершенно другой смысл. Так, в средние века алхимики называли азотом «философский камень», который они старались найти, чтобы с его помощью превращать металлы в золото.

Получение азота

Для выделения азота из жидкого воздуха используют разницу в температурах кипения азота (-196 ОС) и кислорода (-183 ОС). Обычно отделение жидкостей (а при указанных температурах азот и кислород - жидкости) с близкими температурами кипения осуществляют в разделительных колонках. Они представляют собой трубу, или башню, по всей высоте которой расположены полочки или «тарелки». Последние сообщаются между собой так, что жидкость, переполняя одну из тарелок, переливается на расположенную ниже. Создается поток жидкости, двигающейся вниз, а вверх поднимается пар, который, попадая с нижней тарелки па верхнюю, проходит через слой жидкости.

Молекулы из состава пара, конденсируясь, переходят в жидкость, а часть молекул жидкости, получив тепловую энергию, испаряется. При этом у вещества с более низкой температурой кипения (азот, - 196 ОС) молекулы чаще попадают в поток пара, а молекулы вещества с более высокой температурой кипения (кислород, -183 ОС) чаще оказываются в жидкости.

В лаборатории проще всего азот может быть получен разложением нитрита аммония при нагревании:

NН4NО2=N2+Н20+334,4 кДж

Нагревать нужно лишь вначале, а затем требуется охлаждать реакционный сосуд, чтобы процесс не шел слишком бурно. Вместо нитрита аммония можно воспользоваться смесью:

NaN02+ NH4CI=NaCI+NH4N02

образующийся NH4N02 разлагается, сдвигая равновесие реакции вправо. Самая удобная методика заключается в медленном приливании по каплям насыщенного раствора нитрита аммония в нагретый насыщенный раствор сульфата аммония. Выделяющийся при этом газ освобождают от аммиака, оксида азота и кислорода, пропуская его последовательно через раствор серной кислоты, затем через раствор сульфата железа и над раскаленной медью.

Сушат оставшийся газ, состоящий теперь уже практически из азота с небольшой примесью паров воды, над хлоридом кальция или для особой тщательности, пропуская через склянку с фосфорным оксидом.

Спектрально чистый азот обычно получают термическим разложением при 3000С тщательно высушенных азидов натрия или бария:

2NаN3=2Nа+3N2;

Bа(NЗ)2=Bа+3N2

Физические свойства азота

Достаточно поверхностного ознакомления со свойствами азота, чтобы стало ясно, что позднее открытие азота во многом объясняется его малой химической активностью и ничем не примечательными физическими свойствами.

Человек окружен воздухом, он непрерывно пользуется им, но редко думает об этом, так как не замечает и не чувствует воздуха.

Азот, как и все другие составные части воздуха, совершенно бесцветен, не обладает ни запахом, ни вкусом и при вдохе не раздражает органов чувств. Не замечает человек и веса воздуха, хотя окружающий нас воздух, в состав которого главным образом входит азот, имеет довольно значительный вес. Один кубический метр азота весит 1,25 килограмма. Вес кубического метра воздуха несколько больше и составляет 1,3 килограмма. Нетрудно подсчитать, что в комнате площадью в 15 квадратных метров, при высоте ее в 3 метра, содержится около 60 килограммов воздуха, из которых 48 килограммов приходится на азот. Казалась бы, что человек должен ощущать на себе давление такой массы воздуха, но он не замечает его, так как атмосферное давление на уровне моря колеблется в пределах одной атмосферы, а человеческий организм приспособлен к такому давлению. Однако организм человека легко реагирует на изменение в давлении воздуха. Известно, что с удалением от земли воздух все больше и больше разрежается и давление его становится намного ниже, чем на уровне моря.

Изменение давления газа сказывается на его растворимости. Все газы растворяются в воде, но каждый из них в разных количествах. Любой газ, входит ли он в состав какой-либо смеси газов или находится отдельно, обладает своей собственной растворимостью, не зависящей от наличия или отсутствия в воде другого растворенного газа. Но имеются и общие закономерности для всех газов. Они сводятся к тому, что с увеличением давления растворимость газов увеличивается, а с повышением температуры жидкости уменьшается. Если при нормальном атмосферном давлении пропустить чистый азот через воду с температурой 0,то в каждом литре воды растворится 23,9 кубического сантиметра азота, а при температуре воды в 30 его растворится всего лишь 13,8 кубического сантиметра.

При температуре -195,80 газообразный азот переходит в жидкость, а при дальнейшем охлаждении жидкий азот превращается в бесцветную твердую массу с температурой плавления -209,90.

Для того чтобы сохранить жидкий азот при комнатной температуре, его держат в специальных стеклянных или металлических сосудах.

Если поместить в жидкий азот или в другой сжиженный газ, обладающий низкой температурой, кусочек резины, она потеряет свою эластичность и начнет трескаться. Замороженную резину можно растереть в порошок. В порошок, можно превратить и замороженное мясо или фрукты.

Цинковая пластинка, охлажденная в жидком азоте до температуры - 195,8°, становится хрупкой, как стекло. Жидкая ртуть при этой же температуре превращается в твердую массу, которую можно ковать, как свинец, а свинец приобретает способность при ударе звенеть, как бронзовый колокольчик

Чрезвычайно интересным свойством обладает охлажденное олово.

При низких температурах обычное белое олово постепенно переходит в серую рыхлую массу. Образование серого олова идет особенно интенсивно при температуре ниже 48°.

Явление это получило название «оловянной чумы» и принесло в свое время много неприятностей интендантскому управлению царской армии. Однажды, в суровую зиму, на не отапливаемых складах интендантства все оловянные пуговицы, медали, духовые трубы и другие изделия из олова рассыпались. И превратились в серый порошок. Впоследствии были выяснены не только причины разрушения белого олова, но и способы его восстановления. Оказалось, что достаточно серое олово облить горячей водой, как оно опять переходит в белое олово.

Мягкое железо, охлажденное до температуры жидкого азота, приобретает необычную для него хрупкость, но не разрушается самопроизвольно, а разлетается на мелкие куски только под ударом. Если же охладить высококачественную сталь, то она совершенно не изменит своих свойств, а лишь уменьшится в объеме. Этим воспользовались в производстве при насадке одной детали на другую. Раньше для насадки какой-либо металлической детали на вал ее нагревали, металл расширялся, отверстие увеличивалось и в него свободно вставляли вал. По мере охлаждения деталь уменьшалась в объеме и плотно прилегала к валу. Этот удобный способ плотной насадки одной детали на другую имеет, однако, и свои недостатки. При нагревании больших деталей они иногда коробятся и теряют свою первоначальную форму.

Для того чтобы избежать этой неприятности, в настоящее время для насадки детали вал опускают в жидкий азот и через некоторое время, когда он достаточно охладится и уменьшится в объеме, его свободно вставляют в отверстие подготовленной детали и дают постепенно согреться на воздухе. По мере согревания вал расширяется и плотно прижимается к стенкам· отверстия. Этот способ насадки оказался более удобным и целесообразным и получил широкое применение в промышленности.

Свойство жидкого азота при испарении резко понижать температуру окружающей среды используется в химической промышленности и в лабораториях для охлаждения реагирующих веществ и для очистки воздуха от всевозможных примесей.

Химические свойства азота

Трудно говорить о химических свойствах элемента, который так мало активен, как азот.

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 (N2 + 6Li = 2LiзN).

С другими химическими элементами азот вступает в реакцию только при высокой температуре, большом давлении и в присутствии катализатора.

С металлами, как в случае лития, азот дает нитриды, в которых он обычно бывает трехвалентным. Образование нитридов происходит при высокой температуре, при непосредственном взаимодействии элементарного азота с раскаленным металлом.

Существует реакция, протекание которой как будто бы опровергает малую активность азота. Это реакция образования нитрида алюминия из окиси алюминия и азота при высокой температуре (Аl2Оз + N2 + 3С = 2AlN + 3СО). Может показаться, что в этой реакции азот более активен, чем кислород, и что при высокой температуре ему удается отобрать алюминий у кислорода.

На самом же деле это не так. В отсутствии углерода азот не способен вытеснить кислород из окиси алюминия, так же как без азота нельзя получить окись углерода из окиси алюминия и угля. Дело в том, что в раскаленной смеси окиси алюминия с углем в присутствии азота создаются благоприятные условия для получения окиси углерода с одновременным образованием довольно устойчивого нитрида алюминия.

Если через нагретую смесь соды с углем пропустить азот, получается натриевая соль синильной кислоты или цианистый натрий и окись углерода

(Nа2СОз + 4С + +N2 = 2NaCN + 3СО).

Азот довольно легко поглощается раскаленным карбидом кальция (СаС2), образуя при этом важный технический продукт - цианамид кальция

(СаС2 + N2 = = Ca(CN)2 + С).

Существуют и другие реакции которые для азота кажутся необычными. При высокой температуре уран так бурно соединяется с азотом, что создается впечатление, будто бы уран горит в атмосфере азота так же, как железная проволока горит в кислороде. Так же бурно реагирует с азотом раскаленный цезий.

Нитриды металлов очень неустойчивы и разлагаются на гидраты металлов и аммиак (AlN + + 3Н2О = Аl (ОН)3 + NН3). Окись азота - бесцветный газ тяжелее воздуха, не растворяется в воде и представляет собой несолеобразующий оксид. С кислородом она сразу же вступает в реакцию и дает двуокись азота (2NO + 02 = 2N02).

В лаборатории окись азота получают действием азотной кислоты на медь. Если в колбу, наполненную разбавленной азотной кислотой опустить несколько кусочков меди, то сразу же начнут выделяться пузырьки бесцветного газа - окиси азота. Если собрать окись азота в цилиндр и оставить его открытым, то газ в цилиндре начнет буреть с поверхности и постепенно бурый слой будет увеличиваться, продвигаясь вглубь цилиндра. Это окись азота окисляется до двуокиси азота кислородом воздуха.

Аммиак (NН3) - простейшее соединение азота и водорода. Из всех химических соединений азота именно аммиак - наиболее важный промышленный продукт. В настоящее время самое широкое применение в промышленности находит аммиак, полученный непосредственно из газообразного азота и водорода (N2+3H2=2NНз).

Реакция эта, как видно из уравнения, обратима, т. е. может протекать как в сторону образования аммиака, так и в сторону его разложения на азот и водород. Чтобы заставить реакцию идти в сторону образования аммиака с нужной скоростью, необходимо подобрать наиболее выгодные условия. Такими условиями служат высокие температура и давление, и соответствующий катализатор.

Чрезвычайно важными химическими соединениями азота являются его кислородные соединения.

Известны пять различных окислов азота: закись азота, или веселящий газ (N20), где азот одновалентен; окись азота (NO), в которой азот двухвалентен; азотистый ангидрид, или трехокись азота (N2Оз),- в этом соединении азот трехвалентен; двуокись азота (N02), где азот четырехвалентен, и, наконец, азотный ангидрид, или пятиокись азота (N20s), в которой азот пятивалентен.

Закись азота (N20) не может быть получена из газообразного кислорода и азота, она образуется из азотнокислой соли аммония, которая при осторожном нагревании разлагается на закись азота и воду (NН4NОз = = N20 + 2Н2О).

Закись азота - бесцветный газ, имеет сладковатый вкус и слабый, приятный запах. Свойства этого газа были изучены английским химиком г. Дэви. 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.

Окись азота (NO) получается соединением азота с кислородом при очень высокой температуре в электрической искре (N2 +02 = 2NO). Реакция эта идет обратимо, то есть наряду с образованием окиси азота идет ее разложение. В электрической искре можно получить сравнительно небольшое количество окиси азота. В природе, также в небольших количествах, окись азота образуется из кислорода и азота воздуха во время грозы.

Окись азота - бесцветный газ тяжелее воздуха, не растворяется в воде и представляет собой несолеобразующий окисел. С кислородом она сразу же вступает в реакцию и дает двуокись азота (2NO + 02 = 2N02).

В лаборатории окись азота получают действием азотной кислоты на медь. Если в колбу, наполненную разбавленной азотной кислотой, .опустить несколько кусочков меди, то сразу же начнут выделяться пузырьки бесцветного газа - окиси азота. Если собрать окись азота в цилиндр и оставить его открытым, то газ в цилиндре начнет буреть с поверхности и постепенно бурый слой будет увеличиваться, продвигаясь вглубь цилиндра. Это окись азота окисляется до двуокиси азота кислородом воздуха.

Двуокись азота (N02) - газ в полтора раза тяжелее воздуха. При охлаждении ниже нуля переходит в жидкость желтоватого цвета, а при температуре - 10° образует бесцветную кристаллическую массу. Двуокись азота хорошо растворяется в воде, и, реагируя с ней, дает азотную и азотистую кислоты (2N02 + Н2О = НNОз + HN02). Азотистый ангидрид, или трехокись азота (N2Оз), при комнатной температуре и атмосферном давлении малоустойчивое газообразное соединение, которое распадается на окись и двуокись азота. Но азотистый ангидрид распадается не до конца: между тремя газообразными веществами устанавливается равновесие, при котором остается 10,5 процента нераспавшейся трехокиси азота.

Азотный ангидрид (N20s) существует только при температуре выше 450-500. Ниже этой температуры он сжижается, а при 300 затвердевает, образуя бесцветные кристаллы.

Аммиак - одно из соединений, важность которого для ,неорганической и органической областей химии чрезвычайно велика. Достаточно сказать, что подавляющая часть азотсодержащих соединений получается при участий аммиака. Благодаря способности отдельных видов бактерий и, вероятно, растений превращать азот воздуха в аммиак, на Земле появилась существующая форма жизни.

По некоторым своим свойствам аммиак похож на воду. Правда, при обычной комнатной температуре это бесцветный едкий газ (вспомните запах нашатырного спирта), но ведь и вода может быть газообразной.

Аммиак легко превратить в жидкость. Для этого достаточно его вынести на тридцатипятиградусный мороз.

Получение, аммиака, Подавляющая чacть NНз получается так:

N2+3H2=2NH3+92 кДж

Гидразин. Молекула гидразина - N2H4 является продуктом замещения атома водорода в аммиаке группой NH2:

2NНз+ NaOCl=N2H4+NaCl+ Н2О

Это основание более слабое, чем аммиак.

Безводный гидразин - бесцветная дымящаяся жидкость затвердевающая при 20 С.

Довольно устойчив и лишь при 350 ОС спокойно разлагается на N2 и NH3. С водой смешивается в любых соотношениях, присоединяя молекулу воды, образует гидрат гидразина.

Интерес к гидразину и его значение сразу возросли, когда оказалось, что он может служить жидким ракетным топливом. Горит он в кислороде красивым фиолетовым пламенем

N2H4+02=2H20+N2+Q

На этой реакции основано использование гидразина для ракетных двигателей.

Восстановительные функции гидразина очень сильны. Окислительные свойства у N2H4 почти, отсутствуют. Только сильнейшие восстановители могут превратить гидразин в аммиак, например водород в момент выделения:

N2H4+2H=2NH3

Азотистоводородная кислота по своим свойствам резко отличается от аммиака и гидразина, хотя и содержит только атомы водорода и азота

По силе азотистоводородная кислота близка к уксусной, но соли ее растворимы так же хорошо, как и соли соляной кислоты. Сама кислота представляет собой бесцветную летучую жидкость с резким неприятным запахом.

Практически получают кислоту и ее соли при реакции амида натрия с оксиом азота (1):

NаNН2+N20=Н2О+NаN3

Азотная кислота

Азотная кислота - бесцветная, похожая на воду, жидкость с едким запахом. Очень жадно поглощается водой и смешивается с ней в любых пропорциях. Охладив безводную азотную кислоту до -41,5 ОС, можно получить ее в виде бесцветных кристаллов. Она кипит при 84 ОС. Взаимодействует почти со, вcеми металлами, со многими неметаллами и органическими соединениями. Захватывая электроны, азот становится четырех-, трех-, двух или однозарядным, а при сильном восстановлении превращается в аммиак. Особенно интересным является взаимодействие азотной кислоты с металлами, при этом она ведет себя по-разному, в зависимости от активности металла и от крепости кислоты.

Изотопы азота

У азота имеется три изотопа с атомным весом 13, 14 и 15.

У азота с атомным весом 13 всего лишь 6 нейтронов, а у азота с атомным весом 15 их насчитывается восемь.

Среди трех хорошо известных изотопов азота обычного изотопа с атомным весом 14 содержится 99,62 процента общего количества азота, встречающегося в природе. Изотопа азота с атомным весом 15 - 0,38 процента. Это два устойчивых изотопа азота, которые всегда находятся вместе. Третий изотоп азота с атомным весом 13 неустойчив и, претерпевая радиоактивное превращение, легко распадается, излучая при этом большое количество энергии.

Азот в природе

Состав воздуха

Основную массу воздуха (78 %) составляет азот.

Над каждым квадратным метрам поверхности земли находится около восьми тонн азота, а общее количества свободного азота, находящегося над земной поверхностью, равно 4 000 000 000 000 000 тонн (4· 1015 т).

Азот в недрах земли

Двести миллионов квадратных километров поверхности земли окружены плотным слоем воздуха однородного химического состава. Азот при нормальном атмосферном давлении и любой температуре воздуха, встречающейся в природе, не вступает ни в какие химические соединения с другими элементами, кроме лития. Казалось бы, что при таких условиях трудно найти соли, содержащие азот. Тем не менее, в земной коре нередко встречаются различные азотсодержащие соединения.

Как же образовались эти соединения? Существует около 15 разнообразных гипотез, объясняющих образование и накопление азотнокислых солей в земной коре. По одной из этих гипотез, в отдаленную геологическую эпоху, когда наша земля представляла собой расплавленную вязкую массу - «магму», в расплаве земли содержались все химические вещества встречающиеся в природе. Из расплавленной массы с огромной силой вырывались пары и газы, образуя вокруг нее горячую атмосферу. Высокая температура раскаленной земли способствовала соединению азота с расплавленными металлами, в результате чего образовались различные нитриды.

В раскаленной атмосфере азот сравнительно легко вступал в соединение с газообразным кислородом, образуя сначала окись, а затем и двуокись азота.

Одновременно в жидкой магме происходило постепенное распределение элементов и их соединений с азотом и кислородом. Более тяжелые металлы и их соединения собирались в глубине расплавленной массы, а более легкие всплывали на ее поверхность.

Когда легкие металлы и их соединения, всплывшие на поверхность, застыли, они образовали как бы скорлупу вокруг раскаленной жидкой магмы. Этот огненно-жидкий расплав еще и сейчас временами вырывается наружу во время вулканических извержений. Когда же верхний слой земли затвердел, температура на ее поверхности упала. В более позднюю геологическую эпоху охладилась и атмосфера, потоки воды хлынули на землю, затопив ее глубокие впадины. Двуокись азота, которая находилась в атмосфере, соединилась с водой, образовались азотная и азотистая кислоты, которые скопились в водоемах.

Это была эпоха проливных дождей и мощных грозовых разрядов. В искрах часто блиставших молний азот воздуха соединялся с кислородом, давал новые окислы азота, которые в атмосфере, обильно насыщенной влагой, также переходили в кислоту, оседающую на почву.

Просачиваясь в землю, кислоты взаимодействовали с различными металлами и соединениями, образуя азотнокислые и азотистокислые соли, постепенно скоплявшиеся в земной коре.

Долгое время не могли решить вопрос о том, сколько кремния, алюминия, магния, кальция, натрия, калия, железа, кислорода или азота находится в недрах земли и в какой пропорции эти и другие химические элементы входят в ее состав. Лишь в конце XIX века был найден путь, позволяющий правильно оценить содержание различных элементов в земле.

Постепенно возникла новая наука - геохимия, задачей которой является изучение законов распределения, перемещения и накопления отдельных химических элементов в земной коре. При современной геологической технике земная кора может быть исследована на глубине 16 километров.

К наиболее распространенным соединениям, содержащим азот, относятся азотнокислые соли натрия, калия, бария, стронция, кальция, магния и алюминия. В природе главным образом распространена натриевая, или чилийская, селитра (NаNОз). Менее часто, но в довольно больших количествах встречается калиевая, или индийская, селитра (КNОз). Остальные азотнокислые соли отдельно почти не встречаются и в большинстве случаев находятся в смеси с натриевой или калиевой селитрами.

Селитра редко встречается в чистом виде. Когда геологу попадает в руки кусок селитру содержащей породы, ему не всегда удается сразу определить ее состав. Порода эта представляет собой кусок сцементированного песка, глины, камня и других веществ. Цементирующим материалам служит азотнокислый натрий вместе с другими растворимыми солями. Обычные растворимые примеси к селитре: поваренная соль (NaCl), натриевая соль серной кислоты (Na2S04), ,а также соли KI или NaI.

Происхождение селитры

азот кислота аммиак испарение

Образование, и скопление, селитры в природе со времени появления жизни на земле идет отчасти за счет химических процессов разложения органических остатков; кроме того, селитра образуется биохимическим путем из азота воздуха при помощи микроорганизмов, живущих в почве,- азотобактерий. Как химические, так и биохимические процессы образования селитры особенно интенсивно идут в местах с жарким и сухим климатом. При этом немаловажную роль играет и состав почвы. Если к тому же районы с благоприятными климатическими и почвенными условиями расположены в низинах, то во время дождей туда стекают воды, приносящие с возвышенностей растворенные соли. Такие места особенно богаты залежами азотнокислых солей.

Впервые крупные месторождения калиевой селитры были открыты в Индии. Скопления калиевой селитры были обнаружены на равнинах северо-восточных и северо-западных районов страны. Районы эти известны своей высокой среднегодовой температурой в 26-270С и длительными периодами (иногда по 7-8 месяцев подряд) отсутствия дождей. Во время же дождей потоки вод стекают с окружающих возвышенностей и приносят с собой растворенные соли. В течение веков климатические и географические условия Индии способствовали скоплению селитры в стране. В начале прошлого столетия калиевая селитра служила основным сырьем для производства пороха. Спрос на индийскую селитру появился сразу же с открытием ее залежей, и до середины прошлого века Индия являлась почти единственным поставщиком селитры в Европу. Но недолго продолжалась монополия Индии на поставку селитры в другие страны. Уже в 1818 году в Перу - одной из южноамериканских стран - были обнаружены запасы селитры. Особенно богатой оказалась ее южная провинция - Таралака.

Однако разработка этих богатых месторождений селитры развилась не сразу. Отсутствие дорог через горный хребет, отделяющий месторождения селитры от портов западного побережья страны, явилось крупным препятствием к добыче и вывозу селитры из Перу. Кроме того, из-за отсутствия растительности и питьевой воды хребет этот был трудно проходим даже для вьючных животных. Тем не менее, ничто не могло остановить колонизаторов, жаждущих обогатиться на эксплуатации природных богатств Перу. После того как в 1823 году генералом Боливаром были изгнаны из Перу испанцы, в страну начал проникать английский капитал. Предприимчивые дельцы, почуяв добычу, жестоко эксплуатировали местное население; разрабатывая селитряную руду, они переправляли ее через горы в порт на вьючных животных. На пути караванов встречались многочисленные трупы животных, свидетельствовавшие о трудностях перевалки. Наконец в 1829 году первые два парохода, нагруженные селитрой, отбыли от берегов Перу. Но предпринимателей ожидало разочарование. Селитра не нашла себе сбыта. Потребители в Америке, в Англии и во Франции отказались от ее покупки. Груз пришлось сбросить в море.

Не из-за высокой стоимости натриевая селитра не нашла себе покупателей, а вследствие свойства поглощать влагу. Чистая индийская, или калиевая, селитра, как правило, шла в производство пороха без какой-либо предварительной переработки. Необработанная натриевая селитра, вывезенная из Перу, сильно поглощала влагу, то есть обладала большой гигроскопичностью, и изготовленный из нее порох быстро сырел и становился непригодным к употреблению. Для того чтобы использовать чилийскую селитру в производстве пороха, ее нужно было переработать в калиевую соль. В то время такая переработка селитры представляла значительные трудности и предприниматели предпочитали этим не заниматься.

Но жизнь заставила их скоро изменить свои решения.

Все возрастающий спрос на азотнокислые соли и ограниченная возможность Индии в поставках калиевой селитры вынудили промышленников перейти на использование натриевой селитры, добыча и вывоз которой из Перу стали быстро расти.

В середине прошлого столетия в другой южноамериканской стране - Чили были также открыты богатые залежи селитры. Как и в Перу, из-за бездорожья транспортировка селитры от ее месторождения до близлежащего порта представляла огромные трудности. В начале 60-х годов прошлого века в Чили начали строить железную дорогу. Добыча руды и вывоз ее из страны с каждым годом увеличивались. Выросли и аппетиты у промышленников. Между Чили и ее северными соседями Перу и Боливией началась война за обладание богатыми источниками азотнокислых солей. «Селитряная» война продолжалась с 1879 по 1881 год. Победителем из нее вышла технически более передовая страна Чили. К ней перешла богатая селитрой провинция Тарапака. Чили стала почти единственным мировым источником селитры.

Основные залежи чилийской селитры находятся на огромном плато, возвышающемся на 1000-1500 метров над уровнем моря. Плато это расположено между главной цепью Кардильерских гор и их прибрежными гребнями.

Залежи чилийской селитры располагаются слоями небольшой толщины, неглубоко под землей. Сверху слои покрыты пустой породой. Обычна толщина слоя селитряной породы не превышает полутора метров, а содержание азотнокислого натрия в ней колеблется в среднем от 15 до 50 процентов. Общий запас чилийской селитры исчисляется приблизительна в 8 миллиардах тонн. Чилийское месторождение селитры оказалась самым мощным месторождением в мире.

Крупные ученые различных стран с огромным интересам взялись за изучение вопроса о происхождении чилийской селитры. Некоторые из них предполагают, что источником богатых залежей чилийской селитры являются огромные скопления в этих местах гуано - помета морских птиц.

Гуано как азотсодержащее вещество под воздействием особых бактерий разлагается с образованием аммиака, в дальнейшем другими бактериями аммиак переводится в азотную или азотистую кислоту. В присутствии поваренной соли (NaCl) или соды (Nа2СОз) процесс завершается образованием селитры.

На не все ученые согласны с этим предположением.

Существенным возражением против этого служит отсутствие в селитру содержащей руде фосфатов, которых в гуано содержится в среднем до 15 процентов. В самом деле если бы залежи чилийской селитры образовались из помета птиц, который накапливался веками на защищенных от ветров плато, то селитряная руда не только содержала бы до 15 процентов фосфатов, но и не содержала бы иода, который находится в руде в количестве от 3 до 4 процентов.

Наличие иода в чилийской селитре привела другую группу ученых к выводу, что источниками залежей явились огромные скопления водорослей, которые постепенно разлагались при помощи бактерий с образованием азотнокислых солей.

Эти предположения ученые обосновывают тем, что в весьма отдаленную эпоху западное побережье Южной Америки была покрыто водой. Постоянные ветры и морские течения заносили в межгорную ложбину, служащую в то время дном моря, большое количество водорослей и других морских растений. впоследствии море отступило и скопившиеся в ложбине на огромной территории водоросли под воздействием солнца, бактерий и морских солей разрушились. Азот, содержащийся в водорослях, превратился в селитру, которая впитала в себя иод из растений.

Существует и третье предположение о происхождении селитры в Чили. Наличие большого количества потухших и действующих вулканов вокруг месторождений селитры навела ученых на мысль о том, что чилийская селитра является продуктом вулканической деятельности и что она образовалась из азотсодержащих веществ, выбрасываемых вулканами во время извержений.

Имеются и другие гипотезы относительно происхождения селитры в Чили, но ни одна из них, вероятно, не может претендовать на полное объяснение процесса образования селитры. Скорее всего образование чилийской селитры произошло благодаря удачному сочетанию различных процессов, протекающих в природе, в там числе и перечисленных выше.

Районы залежей чилийской селитры отличаются исключительно сухим и жарким климатом. В этой равнине не редки случаи, когда в течение 4-5 лет не выпадает ни одного дождя.

Залежи селитры можно встретить и в других странах с жарким и сухим климатам. Они встречаются в Калифорнии, в Сахаре и на острове Цейлон, но по своей мощности эти месторождения не могут сравниться с чилийским.

В России наиболее крупные залежи селитры были открыты В пустынях Средней Азии в конце прошлого века. Некоторые из этих месторождений отличались большими запасами и высоким содержанием селитры.

Впоследствии залежи селитры были найдены на Памире и в районах Казахстана.

Природные месторождения селитры в Средней Азии представляют собой невысокие холмы, в которых селитра сосредоточена в поверхностных слоях. Предполагают, что холмы эти являются остатками древних городищ, где размещались в пределах небольших крепостей жители со своим домашним скотом.

Скопление селитры вблизи поверхности бугров объясняется тем, что благодаря жаркому и сухому климату, преобладающему в районах Средней Азии, верхние слои почвы быстро высыхают. Высохшая земля, как фитиль, всасывает в себя влагу с растворенными солями из низлежащих слоев почвы. Соли постепенно скапливаются на поверхности. При исследовании месторождений селитры на буграх установлено, что на глубине 1О сантиметров содержание селитры в почве резко уменьшается, а на глубине одного метра ее практически совершенно нет.

В горной местности селитра встречается главным образом в пещерах и нишах, где она образовалась за счет разложения животных. Полагают, что пещеры эти в свое время являлись убежищем для кочевых племен и стойбищами для домашних животных. Кроме того, в пещерах часто скоплялись олени и другие животные.

Селитра пещерного типа могла образоваться и в результате разложения погибших животных: грызунов, птиц, летучих мышей.

Применение азота

Питание растений азотом

Вопрос о механизме фиксации растениями молекулярного азота воздуха до сих пор еще окончательно не выяснен. Однако известно, что клубеньковые бактерии, попадая через корневой волосок в корень бобового растения, проникают во внутренние его покровы. Под воздействием бактерий клетки корня начинают усиленно делиться на множество мелких клеток. Вскоре мелкие клетки укрепляются и начинают неравномерно развиваться. Это приводит к тому, что на корне растения появляется бесформенный, уродливый нарост в виде клубня.

Вначале, когда бактерии проникают в корень растения, оно как бы заболевает, рост его замедляется. Это объясняется тем, что для своего существования бактерии забирают у растения часть питательных веществ. Через короткое время зараженное бактериями бобовое растение оправляется, наступает длительное, «мирное» И тесное сожительство растения с бактериями.

Бактерии забирают у растения пищу в виде углеродистых и минеральных соединений, а погибая, оставляют ему азот, который они черпают из проникшего в почву воздуха, перерабатывая его в форму усваиваемую растениями.

Для того чтобы бобовые растения могли питаться атмосферным азотом, в почве, в которой они произрастают, должны находиться азотфиксирующие бактерии.

Отсюда понятно, почему бобовые растения не всегда развивались за счет атмосферного азота. Когда опыты ставились с тщательно промытым и прокаленным песком, в котором были уничтожены все бактерии, исключалась всякая возможность нормального роста и развития даже такого растения, как люцерна, которая в благоприятных естественных условиях на одном гектаре почвы поглощает до 300 килограммов атмосферного азота. Примерно столько же азота черпают из находящегося в почве воздуха клевер, люпин и другие бобовые растения.

Для того чтобы бобовые растения могли питаться атмосферным азотом, в почве, в которой они произрастают, должны находиться азотфиксирующие бактерии.

Отсюда понятно, почему бобовые растения не всегда развивались за счет атмосферного азота. Когда опыты ставились с тщательно промытым и прокаленным песком, в котором были уничтожены все бактерии, исключалась всякая возможность нормального роста и развития даже такого растения, как люцерна, которая в благоприятных естественных условиях на одном гектаре почвы поглощает до 300 килограммов атмосферного азота. Примерно столько же азота черпают из находящегося в почве воздуха клевер, люпин и другие бобовые растения.

В среднем «азотсобиратели» способны на одном гектаре связать от 100 до 400 килограммов атмосферного азота. Но не весь связанный ими азот уходит из почвы в наземные части растения. Примерно 25 процентов связанного азота остается в почве с корневой системой. Этим объясняется тот факт, что в тех районах, где имеются благоприятные почвенно-климатические условия, урожаи злаковых культур, посеянных на площадях, на которых до этого произрастали бобовые растения, значительно выше, чем на участках, где бобовые не произрастали.

Вскоре после открытия клубеньковых бактерий в почве были обнаружены свободноживущие бактерии, которые также способны фиксировать азот воздуха и переводить его в соединения, усваиваемые растениями.

Этот вид бактерий - азотобактер - был выделен в 1901 году голландским микробиологом Бейериком. Азотобактер для своего развития требует много воздуха, поэтому он хорошо развивается на вспаханной земле и почти отсутствует в целине. Другим условием развития этих бактерий является наличие в почве достаточного количества минеральных солей и органических веществ. Свободноживущие азотобактерии усваивают в среднем на одном гектаре до 30 килограммов азота в год.

Одним из условий азотфиксирующей активности бактерий является дополнительное обогащение почвы органическими веществами.

Это объясняется тем, что азотфиксирующие бактерии в процессе фиксации азота сами сильно размножаются и при благоприятных условиях могут накопить на одном гектаре не 20-30 килограммов азота, а 100.

Известны такие земли, на которых без всякого искусственного азотного удобрения почвы высокий уровень плодородия не снижается на протяжении сотен лет. Примером таких благодатных земель могут служить некоторые районы степей Северной Америки - Прерии, где содержание азота в почве особенно высоко и устойчиво. Причина этого явления еще не совсем ясна, но ученые считают несомненным, что в этой устойчивости ведущая роль принадлежит бактериям, то есть биологической фиксации атмосферного азота.

Азот - неотъемлемая составная часть белка

К самым сложным органическим соединениям в природе относятся белки - протеины. Еще в начале ХIХ века было установлено, что белковые вещества в среднем содержат 50-55 процентов углерода, 21-25 процентов кислорода, 15-17 процентов азота и 6~7 процентов водорода.

Азот является непременной составной частью белка, а белок наиболее важной составной частью живого организма.

Какую бы малую часть животного или растительного организма мы ни взяли, мы всегда найдем в ней белок, тот основной материал, из которого состоит протоплазма живой клетки. В состав протоплазмы, кроме белка, входят углеводы, жиры и вода; последней насчитывается от 50 до 80 процентов общего веса протоплазмы. Однако самой главной составной частью ее является белок.

В 1871 году профессор Харьковского университета Любавин впервые, на основании экспериментальных данных, высказал предположение, что белки построены из определённых химических соединений - аминокислот.

В состав белковой молекулы могут входить и другие группировки атомов, но их наличие в белке не является для него столь же характерным, как присутствие аминокислот.

Аминокислоты представляют собой производные органических кислот, которые в свою очередь характеризуются наличием карбоксильной группы (СООН).

Молекула уксусной кислоты, кроме карбоксильной группы, содержит радикал (СНз) и структурно может быть выражена следующим образом:

Н О

I | |

Н-С-С-ОН

I

Н

Структурная формула пропионовой кислоты; молекула которой, кроме карбоксильной группы и радикала (СНз), содержит еще один атом углерода и два атома водорода, может быть изображена:

Н Н О

I I ||

Н-С-С-С-ОН

I I

Н Н

Для того чтобы получить аминопроизводную уксусной кислоты необходимо у радикала (СНз) один атом водорода заменить на аминогруппу. В результате будет получена аминоуксусная кислота или структурная формула которой:

Н О

| | |

Н-С-С-ОН

I

NH2

Производная пропионовой кислоты - аминопропионовая кислота или аланин - получается замещением одного атома водорода у ближайшего к карбоксипьной группе углерода на аминогруппу, в результате чего образуется соединение:

H

I

СНз-С-СООН

I

NH2

Аланин, гликоль и многие другие аминокислоты представляют собой отдельные звенья, которые, соединяясь между собой, образуют молекулы белка.

Как же соединяются между собой аминокислоты в белке? Любая молекула аминокислоты, благодаря наличию в ней карбоксильной группы, имеет кислотные свойства. Одновременно молекула аминокислоты обладает и основными свойствами, которые обуславливаются присутствием в ней аминогруппы.

Таким образом, аминокислоты обладают амфотерными свойствами. В кислой среде они ведут себя, как щелочи, реагируя своими аминогруппами, а в щелочной среде - как кислоты, реагируя своими карбоксильными группами.

В молекуле белка аминокислоты соединены между собой пептидными связями. Это означает, что карбоксильная группа одной молекулы аминокислоты соединяется с аминогруппой другой молекулы, при этом выделяется молекула воды.

Соединения, образующиеся в результате пептидной связи нескольких аминокислот, получили название полипептидов.

Bceгo в настоящее, время открыто и выделено более 30 разнообразных аминокислотных групп. В каждую из них входит большое число индивидуальных аминокислот, из различных комбинаций которых состоят отдельные белки.

В молекулу белка может входить по несколько аминокислот от каждой группы, причем, общее число аминокислот в белке может достигать нескольких сотен.

В последние годы интенсивное развитие техники требует создание материалов, не имеющих аналогов в природе, иначе говоря, лучших, чем природные. Возникли металлургические процессы по созданию материалов, подобных сплавам. Такие образования превосходят металлы по многим свойствам. В их состав входят неметаллические компоненты - графит, глинозем, карбиды, нитриды и т. д., придающие материалам характеристики, недостижимые при образовании обычных сплавов.

Подобные структуры называются металлокерамикой, так как их изготовление основано на принципах технологии изготовления керамических изделий путем прессования и спекания подготовленных композиций при высоких температурах.

В заключение скажем несколько слов о применении самого азота в виде свободного вещества. Из воздуха его получают в виде жидкости прозрачной и бесцветной. Это удобно при использовании жидкого азота в криогенной технике, сверхпроводящих приборах и холодильных установках. Инертность газообразного азота используется для создания инертной атмосферы при химических и металлургических процессах, включая сварку металлов. Как наполнитель азот используется в газовых термометрах, электрических лампочках и вакуумных установках.

Биологическое значение азота чрезвычайно велико, так как без него не могла бы возникнуть существующая на Земле жизнь. Однако животные организмы способны потреблять только биологически связанный азот в виде его органических соединений. Их создают растения при усвоении неорганических азотистых веществ - нитратов или аммиачных образований, а они в свою очередь возникают из азота воздуха. Так получается пирамида вершиной вниз, острием которой является молекула азота.

Простейшим, но самым главным сырьем для всех азотных соединений при меняемых в различных отраслях промышленности, служат аммиак и азотная кислота.

Круговорот азота в природе

В природе огромное количество белков синтезируется растениями из неорганических соединений, содержащих углерод и азот. Углерод поступает в зеленый лист растения из воздуха в виде углекислого газа, а азот из почвы в виде растворимых солей. Многие растения идут в пищу человека и на корм животным.

Большая часть растительных белков, попадая в организм человека или животного, перерабатывается в животные белки. Наряду с образованием белков в организме человека и животного непрерывно осуществляется процесс их разложения.

Одним из конечных продуктов разложения белковых веществ является мочевина. По мере его накопления мочевина выбрасывается из организма с мочой.

Таким образом, почти весь азот, поступающий в организм взрослого человека или животного, выходит из организма в виде выделений.

При гниении умерших животных или растительных организмов их белковые вещества также распадаются с образованием элементарного азота и аммиака. Наконец, при сжигании топлива большая часть азотсодержащих соединении распадается, и молекулярный азот выделяется в атмосферу.

Во время грозы молекулярный азот воздуха соединяется с кислородом и вместе с влагой попадает в почву. В свою очередь, в почве протекают процессы биологической фиксации азота. Фиксированный азот усваивается растениями и, переходя в организм человека и животного, совершает круговорот, который уже миллиарды лет осуществляется в природе.

Заключение

Из написанного выше следует, что азот - элемент, который необходим для жизни всех живых существ, так как он входит в состав аминокислот. Азот и его соединения широко применяются в промышленности (сельском хозяйстве, химической, фармацевтической, металлургической, аэрокосмической) для нужд народного хозяйства. Недаром в своё время шли войны за территории, содержащие в своих недрах соединения азота (селитры).

Список использованной литературы:

Вредные химические вещества V-VIII групп. СПб: Наука, 1979.

Медведовский Владимир Исаевич. Азот. М, Изд-во Академии наук СССР, 1957.

Фадеев Герман Николаевич. Пятая вертикаль: элементы V группы периодической системы Д. И. Менделеева. М: Просвещение, 1985.

Приложение

Круговорот азота в природе

Размещено на Allbest.ru