Без него нет жизни

7. Азот — Nitrogenium (N)

Безжизненным называется газ, наиболее распространенный в природе. Он — составная часть воздуха, в котором на долю этого газа приходится 78,16 % по объему и 75,5 % по массе. Масса воздушной оболочки, окружающей земной шар, составляет 5 300 000 000 000 000 т, на долю безжизненного газа приходится 4 001 500 000 000 000 т. Это почти в 10 (а точнее в 9,8) раз больше массы всего Кавказского хребта.

Несмотря на то, что изучение воздуха началось очень давно и еще древнегреческий философ Анаксимандр, живший в VI в. до нашего летоисчисления, доказал современникам существование воздуха. Состав воздуха был определен гораздо позднее — во второй половине XVIII столетия.

В 1772 г. англичанин Даниэль Резерфорд установил, что воздух, оставшийся под колоколом, где жила несколько дней мышь, освобожденный от углекислоты, не поддерживает горения и дыхания. Оставшийся под колоколом газ он назвал «ядовитым воздухом». В том же году другой английский ученый Пристли, получив «ядовитый воздух» иным путем, назвал его «флогистированным воздухом». В 1773 г. Карл Вильгельм Шееле, шведский аптекарь из города Штральзунда, установил, что воздух состоит из двух газов. Он назвал газ, не поддерживающий дыхания и горения, «дурным», или испорченным, «воздухом».

В 1776 г. известный французский ученый Антуан Лоран Лавуазье, подробно исследуя «ядовитый», «флогистированный» и «дурной» воздухи, установил тождество между ними. Одиннадцать лет спустя, будучи членом комиссии по выработке новой химической номенклатуры, он предложил назвать этот газ безжизненным (от греческих слов «а» — отрицание и «зоэ» — жизнь). Слово «азот» имеет древнее происхождение. Еще в алхимических рукописях далекого средневековья встречается термин «азот философов», в котором слово «азот» было произведено путем сочетания буквы «а» — первой во всех известных в то время алфавитах — с последними буквами латинского (зет), греческого (омега) и древнееврейского (тов) алфавитов. Полученное таким образом слово «а-з-о-т» означает «начало и конец всех начал».

Азот — газ несколько легче воздуха (1 л его весит 1,251 г), без цвета и запаха. При –196 °C азот превращается в бесцветную жидкость, отвердевающую при –210,5 °C в прозрачную бесцветную массу.

Научное название азота происходит от латинского слова «нитрогениум» (введенного в науку в 1790 г. Шапталем), что значит «рождающий селитру» — пожалуй, единственное соединение азота, в более или менее значительных количествах встречающееся в природе.

В небольших количествах селитра встречается в Закавказье (в долине реки Аракс), в Средней Азии. В начале XIX в. в Южной Америке, в пустынях Чили, были открыты крупные месторождения селитры. В настоящее время эти залежи сильно истощены, так как селитра является одним из основных предметов чилийского экспорта и представляет собой ценное удобрение, а также исходный продукт для приготовления взрывчатых веществ.

Нередко азот оправдывает свое буквальное название — «безжизненный». В 1342 г. солдаты испанского короля с ужасом, молитвами и заклинаниями отхлынули от стен Алхезираса, распространяя по Европе весть о том, что союзником арабов, оборонявших Алхезирас, является дьявольская сила, без пощады и страха перед святым крестом кидающая с грохотом, огнем и дымом каленые ядра. С того времени до настоящего дня в угоду наживе азот, входящий в состав взрывчатых веществ, работает на полях войны во славу смерти.

И все-таки вопреки своему названию азот совершенно необходим для жизни организмов. Установлено, что азот является составной частью каждой молекулы, каждой клетки любого организма, независимо от того, будет ли это невесомая бактерия или 150-тонная туша синего кита. В химическом отношении азот — довольно инертный газ. При обычных условиях он не вступает в соединения ни с металлоидами, ни с металлами (исключая литий). Находящийся в атмосфере азот представляет собой простое вещество — газ, молекулы которого состоят из двух атомов, очень прочно связанных друг с другом. Над каждым гектаром земной поверхности постоянно «висят» 80 тыс. т азота. Несмотря на огромные запасы свободного азота в природе, животные и растения не могут непосредственно его усваивать. Исключение составляют бактерии (открытые русским ученым Виноградским), развивающиеся на корнях бобовых растений. Они усваивают атмосферный азот, образуя азотистые соединения. Основная масса растений получает соединения азота из почвы, которая постепенно беднеет азотом, Внесение органических удобрений только частично пополняет убыль азота, других же путей для восполнения запасов азотистых соединений в почве не было открыто до начала XX в. На рубеже ХІХ–XX столетий приобрела популярность и серьезно обсуждалась такая нелепая идея, как «азотная смерть» человечества. Ее сторонники пытались доказать, что прогрессивная потеря азота почвой должна привести к резкому снижению урожайности полей, к наступлению «азотного голода», а за ним и «азотной смерти» всего человечества.

В противоположность этой «теории» Д. И. Менделеев в своем труде «Основы химии» писал: «Так как азотистые вещества организмов играют в них весьма важную роль (без них органической жизни нет), … то вопрос о способах превращения азота воздуха в почвенные азотистые соединения … составляет один из таких вопросов, которые представляют великий теоретический и практический интерес».

Каким же образом пополняются запасы азотистых соединений в почве? Оказывается, что эти вещества поступают в почву из атмосферы во время … грозовых ливней. При высокой температуре азот образует различные соединения с кислородом (второй составной частью воздуха) и влагой воздуха. Высокая температура создается молниями во время грозы. Всякая электрическая искра, даже самая маленькая, представляет собой мощный взрыв. При достаточно крупной искре в течение миллионных долей секунды развивается мощность, равная мощности крупной электростанции, а температура достигает нескольких тысяч градусов.

Длительность существования основного разряда молнии колеблется от 0,05 до 0,1 секунды, и сила тока достигает в среднем 20 000 ампер при напряжении 10 000 000 вольт. Мощность молнии баснословна и достигает 200 000 000 квт. Эта мощность во много раз больше, чем мощность, развиваемая в самых больших электрических установках, когда-либо созданных человеком. Такова мощность одного только разряда. А число гроз, во время которых бывают десятки и сотни таких разрядов, очень велико. Ежегодно в атмосфере земного шара происходит около 16 млн. гроз. Каждый час в различных участках воздушного океана грохочут громы и сверкают молнии двух тысяч гроз. Каждую секунду воздух пронзают молнии, которые повышают температуру на пути своего движения; азот соединяется с кислородом в окисел, хорошо растворимый в воде, образуя одно из важнейших соединений азота — азотную кислоту. Если учесть, что ливни, сопровождающиеся грозами, основательно промывают атмосферу (из грозового облака с радиусом в 5 км за одну минуту выливается до 375 000 т воды), то ни одна молекула кислородного соединения азота не «пропадает даром». Азотная кислота, попадая в почву, реагирует с находящимися в ней соединениями натрия, кальция, калия и образует соли азотной кислоты — селитры, необходимые для растений. Так, с помощью гроз безжизненный азот вовлекается в процесс жизни растений, а через них — животных и человека. Недаром народ издавна называет грозы «живоносными и животворными».

Человек скопировал у природы способ получения соединений азота. В 1901 г. норвежский теоретик, специалист по изучению северных сияний Биркеланд в сотрудничестве с инженером-практиком Эйде успешно осуществил опыты соединения азота и кислорода с помощью электричества. К началу 1905 г. уже несколько заводов стали получать азотную кислоту непосредственным «сжиганием воздуха» в пламени электрической дуги.

Однако малый выход окиси азота, а также чрезвычайно большой расход электрической энергии (на тонну связанного азота более 60 000 квтч) не оправдали скопированного у природы способа получения азотистых соединений. В конце 20-х годов эти заводы были закрыты, и способ Биркеланда и Эйде уступил свое место другим.

В 1905 г. был осуществлен в промышленности цианамидный способ связывания азота, получивший свое название от цианамида кальция, продукта соединения карбида кальция с азотом. Цианамид кальция получается в электрической печи путем пропускания азота через слой измельченного и нагретого до температуры 1000 °C карбида кальция. Технический продукт содержит от 18 до 24 % азота и в измельченном состоянии непосредственно применяется как удобрение.

Несмотря на то, что процесс получения цианамида кальция несложен, исходные материалы недороги, однако расход энергии все еще высок: на одну тонну связанного азота требуется около 10 000 квтч. Поэтому производство цианамида кальция хотя и не утратило своего значения до настоящего времени, тем не менее, начиная с 20-х годов текущего столетия, первое место в азотной промышленности занял синтез аммиака, разработанный Бошем, Габером и Нернстом.

Первый завод синтетического аммиака начал работать в Германии в 1913 г. Спустя 10 лет синтез аммиака широко применялся на многих заводах различных стран. Экономичность способа (расход энергии при получении водорода из водяного газа не превышает 1700 квтч на каждую тонну связанного азота) сделала аммиак исходным материалом для получения не только азотной кислоты, но и других азотистых соединений.

Азотная кислота и водородное соединение азота — аммиак — являются важнейшими соединениями азота, без которых не могли бы развиваться многие отрасли современной химической промышленности и сельского хозяйства. Основоположником отечественного производства азотной кислоты был инженер И. И. Андреев. В 1914 г. он разработал способ получения азотной кислоты путем окисления аммиака, образующегося при коксовании угля.

Потребность отыскания эффективного способа получения азотной кислоты, необходимой в производстве взрывчатых веществ, стала особенно остро ощущаться в России во время первой мировой войны в связи с трудностями доставки из Чили селитры. Она служила исходным материалом для получения азотной кислоты по способу, разработанному еще алхимиками (нагревание селитры в смеси с железным купоросом или квасцами). О величине этой потребности можно судить по следующим фактам: если в начале войны на заводах России изготовлялось 80 т взрывчатых веществ в месяц, то к концу 1916 г. месячная продукция составляла уже 6400 т.

Проделав огромную работу по изучению реакции окисления аммиака, подбора катализаторов для нее, действия «ядов» на эти катализаторы, конструкции аппаратов для окисления аммиака, И. И. Андреев приступил к созданию опытно-промышленной установки на коксохимическом заводе в Макеевке.

Данные о работе этой установки легли в основу проекта первого отечественного завода по производству азотной кислоты из аммиака, составленного Н. М. Кулепетовым. Этот завод был создан в Юзовке и в июле 1917 г. дал первые порции азотной кислоты.

Сейчас азотная промышленность в СССР, включающая производство аммиака, азотной кислоты и азотных удобрений, является одной из наиболее мощных в мире.

Практическое применение свободного азота ограничено. Его употребляют для заполнения электрических ламп. В медицине чистый азот используется для наложения пневмоторакса при некоторых формах туберкулеза легких. Растения и животные настолько приспособились к азоту, что обычно он считается неопасным. Однако из опыта работы водолазов и кессонных рабочих на больших глубинах известно, что нередко при подаче для дыхания сжатого воздуха развивается своеобразное состояние, известное под названием «азотного наркоза», несколько похожее на алкогольное опьянение. Симптомы «наркоза» (головокружение, нарушение координации движений, спутанность сознания и др.) быстро проходят, если сжатый воздух заменяется кислородно-гелиевой смесью. Причиной «азотного наркоза» является увеличение концентрации азота, растворенного в жирах, тканях и жидкостях организма.

Когда грянет последний час капитализма, азот будет служить только процветанию человеческого общества, ибо, как указывала передовая статья газеты «Правда» еще в 1932 г., «азот в сложении с капитализмом — это война, разрушение, смерть. Азот в сложении с социализмом — это высокий урожай, высокая производительность труда, высокий материальный и культурный уровень трудящихся».