Экологическая химия азота
Знакомьтесь – азот и его круговорот
В предлагаемом цикле статей рассматривается логическая химия азота – предсказание физических и химических свойств веществ, исходя из строения атомов и молекул. Приводится дополнительная информация в цифрах, выходящая за рамки школьного курса. Экологическая химия азота содержит сведения о том, как живая и неживая природа реагирует на конкретные вещества. Даются рекомендации по уменьшению вредного воздействия этих веществ.
«Отрицающий жизнь»
История открытия азота тесно переплетена с историей развития химии вообще. С XVII в. ученых начали интересовать газы, были придуманы приборы для их собирания и исследования. Естественно, что они заинтересовались воздухом – газом, который всегда под рукой. Изучением воздуха занимались примерно в одно и то же время и Карл Шееле, и Джозеф Пристли, и Даниэль Резерфорд, и Генри Кавендиш. Вскоре они выделили из воздуха азот. Собственно говоря, азот выделился сам.
Например, анализ газовой смеси, образующейся при сжигании свечи под колпаком (рис. 1), показывает следующее. Кислород воздуха расходуется при горении, углекислый газ реагирует с известью, пары воды поглощаются прокаленным хлоридом кальция. Остается азот (и «букет» инертных газов в количестве около одного процента по объему). Выделить газ азот было несложно даже в то время. Открыть новое простое вещество было гораздо сложнее.
Рис. 1. Возможно, именно так получали азот и
проверяли его свойства
Процессы взаимодействия веществ с воздухом объясняла теория флогистона. Предполагали, что флогистон – это горючее начало, которое выделяется из веществ при горении и рассеивается в воздухе. Эта теория очень похожа на современные теории горения с точностью до наоборот, как бы вверх ногами. Именно флогистон мешал опознать азот как простое вещество. Перевернул теорию с головы на ноги, избавил науку от флогистона Антуан Лоран Лавуазье. Попутно он убедил ученых, что азот – простое вещество, а не соединение чего-то с флогистоном.
В атмосфере чистого азота животные и растения погибают. Лавуазье об этом знал и назвал азот «отрицающим жизнь» (от греч. a – отрицательная частица и Zoos – живой). Такое название элемент № 7 имеет во французском и русском языках. Немецкое название обладает похожим смыслом: Stickstoff – удушающее вещество. Англичане пошли по другому пути, приняв название Nitrogen – селитру рождающий.
Вещество, без которого невозможна жизнь, назвали «жизнь отрицающим» (без азота жизнь невозможна хотя бы потому, что он разбавляет кислород в воздухе, ибо в чистом кислороде жизнь так же невозможна, как и в чистом азоте). Даже в названии проявилась уникальность элемента № 7.
Круговорот азота
Азот – один из элементов, активно используемых природой для построения веществ. Элемент азот содержится в нас с вами и почти во всех объектах фауны и флоры. Роль фауны и флоры в круговороте азота различна. Фауна поедает и переделывает те вещества, которые смастерила флора из «кирпичиков» неживой природы. Сами «кирпичики» – это воздух и водные растворы различных веществ. Подобное «разделение труда» – очень мудрое творение природы. Оно позволяет создавать более сложные и динамичные организмы.
Круговорот азота в животных – это область биохимии, а мы займемся неорганической химией в зеленой травинке и вокруг нее.
В растение азот попадает в виде растворенных в воде ионов. Это могут быть ионы аммония, которые сразу используются по назначению, или нитрат-ионы, которые для усвоения организмом должны превратиться в ионы аммония. Главное направление перестройки азотсодержащих соединений в растении: нитраты ® нитриты ® ионы аммония ® амины ® аминокислоты ® белки (рис. 2). Природой предусмотрена возможность и обратного хода, если какого-то из веществ окажется в избытке. Подробнее об этом будет рассказано при обсуждении экологических свойств соединений азота.
Рис. 2. Круговорот азота в зеленой травинке и
вокруг нее (знаком 
показаны органические соединения – амины
и белки)
В почве с помощью бактерий осуществляется превращение попавших в нее белков через аминокислоты и амины в нитрат ионы как наименее ядовитые и наиболее устойчивые. В этот круг задействован и атмосферный азот. Некоторые бактерии превращают молекулы N2 в ионы аммония, другие бактерии возвращают азот N2 в атмосферу, восстанавливая его из нитрат-ионов. Часть атмосферного азота превращается в соединения с помощью молний во время грозы. Природа в отличие от человека очень экономно и рационально расходует азот атмосферы.
Человек активно вмешивается в круговорот всех веществ и элементов, в том числе и азота. Сейчас изменился баланс: простое вещество азот – соединения азота. Многие азотистые соединения вместо выполнения полезных функций расходуются только на отравление окружающей среды.
Главным образом, это соединения, содержащиеся в выбросах различных предприятий и образующиеся при горении топлива.
Кроме того, что человек выбрасывает многие соединения «на ветер», он еще и разделил две половинки круговорота азота. Цепочка «нитрат ® белок» осуществляется на полях, а цепочка «белок ® нитрат» – в городах и поселках. Поэтому возникла потребность вносить азот в почву, удобрять ее, делать «доброй» и плодородной (рис. 3). Это непростая задача. Нельзя просто высыпать пакет нитрата аммония на грядку. Прежде надо тщательнейшим образом выяснить, в чем именно нуждается конкретная почва. Необходимо любить и знать свою землю. И не важно, бескрайние ли это поля или клумба под окнами.
Рис. 3. Разделенный круговорот азота:
– соединения азота, выбрасываемые в атмосферу двигателями автомобилей, заводами и т. п. (кислородсодержащие соединения и бескислородные, аммиак, дициан и т. п.);
– разделенные расстоянием соединения азота, включенные в круговорот только с помощью техники;
– обыкновенные машины, перевозящие азотсодержащие соединения
Конечно, представление об основных соединениях в «круге превращений» азота (см. рис. 2) получилось весьма схематичным. Помимо ионов аммония и нитрат-ионов растение впитывает и перерабатывает другие соединения азота. Интересны и сложны превращения одних белков в другие. Но невозможно объять необъятное.
Особенности строения атома азота
Адрес азота в периодической системе химических элементов – второй период, пятая группа, главная подгруппа. Основа уникальности элемента азота заложена в строении второго электронного слоя. Этот слой может разместить максимально восемь электронов на четырех атомных орбиталях (одна s и три p).
Отличие второго слоя от третьего и более удаленных от ядра атома электронных слоев в том, что он не имеет запасных d-орбиталей. Поэтому максимальное число химических связей для элементов второго периода равно четырем. (Для перехода электрона на третий слой необходима гораздо большая энергия, чем может выделиться при образовании химической связи. Именно поэтому в природе не существует пятивалентного азота.)
У элементов второго периода есть и еще одна особенность: предвнешний слой у них занят только двумя электронами. А это значит, что при сближении двух атомов при образовании одинарных и двойных связей их электронные оболочки будут меньше отталкивать друг друга.
Мы рассмотрели, как влияет пребывание элемента во 2-м периоде периодической системы на строение его атома. Теперь рассмотрим, к чему обязывает пребывание в V группе. У элементов группы Vа – пять электронов на внешнем электронном слое. До октета (до восьми) не хватает трех электронов. Можно предположить, что простое вещество азот имеет молекулярное строение. Действительно, молекулы N2 (NєN) состоят из двух атомов, соединенных тройной связью.
Вещества с молекулярной кристаллической решеткой имеют относительно низкие температуры плавления и кипения, силы межмолекулярного притяжения на несколько порядков слабее химической ковалентной связи. Вдобавок ко всему молекула азота очень легкая. Напрашивается вывод, что температуры плавления и кипения азота даже не относительно, а значительно низкие. (Действительно, воздух в Антарктиде не сжижается сам по себе, хотя температуры там бывают до –80 °C.)
Молекула азота образована одинаковыми атомами и, следовательно, неполярна. Поэтому азот слабо растворяется в воде. Следует, однако, помнить про увеличение растворимости азота в воде с ростом внешнего давления. Именно поэтому водолазам с больших глубин, где давление выше, приходится подниматься медленно. Иначе растворившийся в крови азот, выделяясь, как бы вскипает, образуя пузырьки в кровеносных сосудах.
Знания о строении молекулы азота могут посодействовать и в предсказании химических свойств этого вещества. При химических реакциях разрываются имеющиеся между атомами связи и образуются новые. Понятно, что разорвать тройную связь намного сложнее, чем двойную и одинарную (крученую веревку разорвать сложнее, чем одну из нитей). Скорее всего простое вещество азот должно неохотно вступать во взаимодействие с другими веществами.
Так оно и есть на самом деле. При обычных условиях и даже при небольшом нагревании азот практически ни с чем не реагирует. И это замечательно, потому что иначе нас не было бы на этой голубой планете и планета, возможно, не была бы голубой.
Вопросы. Выскажите предположения о жизни на Земле, если бы азот был твердым веществом, как углерод, фосфор, кремний. А что случится, если азот станет таким же активным, как кислород и фтор?
Физические свойства азота в цифрах
Молярная масса – 28 г/моль. Температура плавления равна –210 °С, температура кипения составляет –195,8 °С. Плотность газообразного азота при нормальных условиях (1 атм, 0 °С) – 1,251 г/л. (Для справки: плотность воздуха при нормальных условиях составляет 1,293 г/л, азот немного легче воздуха.) Плотность жидкого азота (при –196 °С) – 0,808 г/см3. Растворимость при 1 атм и 0 °С – 2,35 мл газа на 100 г воды, при 20 °С – 1,54 мл N2 на 100 г воды.
Химические свойства азота
1. Реакции с металлами.
При обычных условиях азот реагирует с литием:
При нагревании идут реакции с Nа, Са, Мg, Мn. Марганец, например, соединяется с азотом при 1200 °С:
3Mn + N2 = Mn3N2.
Иными словами, азот реагирует только с наиболее активными металлами, да и то с неохотой.
2. Реакции с неметаллами.
При нагревании до 1200 °С азот начинает реагировать с кислородом. Однако в этих условиях оксида азота получается мало. При 3000 °С равновесие в реакции устанавливается мгновенно и оксид азота образуется в ощутимых количествах:
Такая температура возможна в канале молнии, поэтому именно при грозах растения естественным путем пополняют свой запас соединениями азота.
При нагревании под давлением (500 °С, 300 атм) в присутствии катализатора (например, железо, активизированное оксидами кальция и алюминия) азот реагирует с водородом. Даже при таких жестких условиях выход аммиака не превышает 30%, но этого достаточно для промышленного использования этой реакций:
3. Реакции со сложными веществами.
При нагревании карбида кальция до 1000 °С в наглухо закрытой печи с подачей туда под давлением азота между ними протекает реакция:
Экологические свойства простого вещества азота
Азот – «жизнь отрицающий элемент» – на самом деле элемент, жизнь утверждающий. И в первую очередь азот утверждает жизнь своей инертностью. Разбавляя кислород, он дает возможность реакциям окисления органических веществ протекать сравнительно медленно и останавливаться на «полустанках» – промежуточных степенях окисления углерода. Для всего живого азот безвреден в любых количествах (при наличии, однако, необходимых количеств кислорода и углекислого газа).
В то же время азот может быть носителем вредного и просто опасного. Например, азот спокойно может снести крышу дома во время урагана. Ведь воздушные массы – и ураган, и муссон, и просто ветер – это все на три четверти азот. И экологическая химия азота превращается в экологию воздуха – тему весьма обширную. А посему пора поставить точку.