Азот
Опубликовано: 30.09.2018
Азот — элемент главной подгруппы пятой группы второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 7. Обозначается символом N (лат. Nitrogenium). Простое вещество азот — достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха (формула N2), из которого на три четверти состоит земная атмосфера.
Его «открывали» несколько раз и разные люди. Его называли по-разному, приписывая едва ли не мистические свойства — и «флогистированный воздух», и «мефитический воздух», и «атмосферный мофетт», да и просто «удушливое вещество». До сих пор у него несколько названий: английский Nitrogen, французский Azote, немецкий Stickstoff, русский «азот»…
История «испорченного воздуха»
Азот (от греческого слова azoos – безжизненный, по-латыни Nitrogenium) – четвертый по распространенности элемент Солнечной системы (после водорода,гелия и кислорода). Соединения азота – селитра, азотная кислота, аммиак — были известны задолго до получения азота в свободном состоянии.
В 1777 году Генри Кавендиш многократно пропускал воздух над раскалённым углём, а 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 реагировал со 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).
В том же году Кавендиш сообщил об этом опыте Джозефу Пристли. 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, совершенно неверно истолковал полученные результаты (по его мнению, процесс был противоположным — не кислород удалялся из газовой смеси, а наоборот, в результате обжига воздух насыщался флогистоном; оставшийся воздух (азот) он и назвал насыщенным флогистоном, то есть флогистированным).
Очевидно, что и Пристли, хотя и смог выделить азот, не сумел понять сути своего открытия, поэтому и не считается первооткрывателем азота. Одновременно схожие эксперименты с тем же результатом проводил и Карл Шееле.
Еще до того времени, в 1772 г., Даниэль Резерфорд, сжигая фосфор и другие вещества в стеклянном колоколе, увидел, что остающийся после сгорания газ, названный им «удушливым воздухом», не поддерживает дыхания и горения. Лишь в 1787 г. Антуан Лавуазье установил, что «жизненный» и «удушливый» газы, входящие в состав воздуха, это простые вещества, и предложил название «азот».
Ранее, в 1784 г. Г. Кавендиш показал, что азот входит в состав селитры; отсюда и происходит латинское название азота (от позднелатинского nitrum — селитра и греческого genna — рождаю, произвожу). К началу ХIX в. были выяснены химическая инертность азота в свободном состоянии и исключительная роль его в соединениях с другими элементами в качестве связанного азота.
«Не поддерживающий жизни» жизненно необходим
Хотя название «азот» означает «не поддерживающий жизни», на самом деле это – необходимый для жизнедеятельности элемент. В белке животных и человека содержится 16–17% азота. В организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества, главным образом неорганические. Значительные количества азота поступают в почву благодаря азотфиксирующим микроорганизмам, способным переводить свободный азот воздуха в соединения азота. В результате извлечения из почвы растениями огромного количества связанного азота (особенно при интенсивном земледелии) почвы оказываются обедненными.
Дефицит азота характерен для земледелия почти всех стран. Наблюдается дефицит азота и в животноводстве («белковое голодание»). На почвах, бедных доступным азотом, растения плохо развиваются. В прошлом веке довольно богатый источник связанного азота был обнаружен в природе. Это – чилийская селитра, натриевая соль азотной кислоты. Долгое время селитры были главным поставщиком азота для промышленности. Ее месторождение в Южной Америке уникально, практически оно единственное в мире. И не удивительно, что в 1879 году за обладание богатой селитрой пограничной провинцией Тарапака вспыхнула война между Перу, Боливией и Чили. Победителем оказалась Чили. Однако удовлетворить мировую потребность в азотных удобрениях чилийское месторождение, конечно, не могло.
«Азотное голодание» планеты
В атмосфере Земли содержится почти 80% азота, в земной коре – всего 0,04%. Проблема «как связать азот» старая, она — ровесник агрохимии. Возможность связывания азота воздуха кислородом в электрическом разряде первым увидел англичанин Генри Кавендиш. Это было еще в XVIII веке. Но осуществить процесс управляемого синтеза окислов азота удалось лишь в 1904 году. В 1913 году немцы Фриц Габер и Карл Бош предложили аммиачный метод связывания азота. Сейчас, пользуясь этим принципом, сотни заводов всех континентов вырабатывают из воздуха более 20 миллионов тонн связанного азота в год. Три четверти его идет на производство азотных удобрений. Однако дефицит азота на посевных площадях земного шара составляет более 80 миллионов тонн в год. Азота Земле явно не хватает. Основная часть добываемого свободного азота используется для промышленного производства аммиака, который затем в значительных количествах перерабатывается на азотную кислоту, удобрения, взрывчатые вещества и т. д.
Применение азота
Свободный азот применяют во многих отраслях промышленности: как инертную среду при разнообразных химических и металлургических процессах, для заполнения свободного пространства в ртутных термометрах, при перекачке горючих жидкостей и т. д.
Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии. Промышленные применения газообразного азота обусловлены его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению.
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.
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.
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. 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. Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённая ошибка. Даже для замораживания цветка необходимо достаточно продолжительное время, что связано отчасти с весьма низкой теплоёмкостью азота .
По этой же причине весьма затруднительно охлаждать, скажем, замки до −180 °C и раскалывать их одним ударом. Литр жидкого азота , испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. По этой причине не стоит хранить азот в закрытых сосудах, не приспособленных для больших давлений. На этом же факте основан принцип тушения пожаров жидким азотом . Испаряясь, азот вытесняет воздух, 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 .
Как уже было сказано выше, азот жидкий и газообразный получают из атмосферного воздуха способом глубокого охлаждения.
Показатели качества азота газообразного ГОСТ 9293-74