экологическая химия азота

Применение азота и его соединений

В общем и целом разумное применение чего-либо основывается на свойствах применяемого. Микроскопом, конечно, можно забить гвоздь, но это «применение» никоим образом не разумное. Все-таки основное свойство у него другое – увеличивать.

Азот

По порядку изложения следует рассмотреть прежде всего азот.
Основные свойства простого вещества азота – инертность в большинстве случаев, возможность вступать в химические реакции при определенных (весьма «жестких», но принципиально и технически осуществимых) условиях и низкая температура кипения. Напомним, что давление, температура газа и занимаемый им объем взаимосвязаны (что отражено в уравнении Менделеева–Клапейрона), а следовательно, газы можно сжижать воздействием на их объем. Жидкий азот – субстанция вполне доступная (получают ректификацией жидкого воздуха) и на редкость холодная.
Итак, простое вещество азот используют для создания инертной атмосферы при синтезах различных соединений, чувствительных к кислороду, углекислому газу и воде, содержащимся в воздухе. В герметичные футляры, наполненные азотом, запаковывают произведения искусства при их хранении. Азотом наполняют автомобильные камеры (не все, конечно), что продлевает срок их службы.
Большое (многотоннажное) применение нашел и жидкий азот. Химики в своих научных лабораториях «выпивают» его цистернами. Например, химический факультет МГУ расходует около двух тонн в неделю. Жидкий азот применяют также «в помощь» жидкому гелию (температура кипения –269 °С), чтобы не так быстро испарялось это дорогое и ценное вещество.
Явление сверхпроводимости – полная потеря сопротивления проводником, по которому течет электрический ток, – первоначально было открыто для некоторых металлов, находящихся в жидком гелии при температурах около абсолютного нуля. Явление полезное: один раз запущенный в контуре ток не затухает, параметры его не меняются. Это дает возможность изготавливать сверхпроводящие электромагниты.
Некоторое время спустя выяснилось, что не только металлы могут быть сверхпроводниками. Соединения, полученные на основе оксидов, переходят в сверхпроводящее состояние не только в жидком гелии, но и в жидком азоте, температура кипения которого почти на 80° выше. А главное, жидкий азот намного дешевле жидкого гелия, соответственно и перспективы изучения и применения сверхпроводников расширяются.
Еще одно направление применения азота – это синтез аммиака. Особенности метода – быстрый, безотходный, непрерывный, менее энергоемкий, чем другие способы фиксации атмосферного азота. Стоит отметить, что различные методы и способы фиксации атмосферного азота начали активно изучать и применять в промышленности в начале XX в. Сейчас эти способы тоже существуют и модифицируются, но все-таки синтез аммиака держит пальму первенства по многотоннажности.
Стоит отметить, что применять азот начали вслед за его открытием – после его выделения из воздуха. А вот использование аммиака, наоборот, опередило открытие этого вещества. Как свидетельствуют исторические книги, нашатырь и нашатырный спирт (хлорид аммония и раствор аммиака в воде) были известны, добывались и применялись при лечении людей (стимуляция дыхания, сердечной деятельности) еще в древнем Египте.

Аммиак

Именно из аммиака получают в промышленности все остальные соединения азота. Широкое применение аммиака основано на таких его особенностях, как многотоннажное производство и способность реагировать с другими веществами, разветвляя «дерево» соединений азота промышленного назначения. А еще используют такое нехимическое свойство, как легкое превращение аммиака в жидкость при повышенном давлении. Испарение жидкого аммиака при понижении давления сопровождается сильным охлаждением окружающих предметов. Используется это свойство в холодильных установках.

Оксиды азота

Оксид азота(I). По химическим свойствам достаточно инертен, однако заметно активен по физиологическому действию. В силу специфики своего наркотического воздействия на организм человека используется в медицине.
Оксид азота(II). Наиболее характерны для оксида азота(II) реакции присоединения. Присоединение кислорода к NO происходит с необычайной легкостью и ведет к получению оксида азота(IV). Может этот оксид присоединять также хлор:

Смесь NO с равным объемом H₂ взрывается при нагревании. В кислой среде ион Cr³⁺ восстанавливает оксид азота(II) до гидроксиламина – продукта, необходимого для получения многих сложных органических соединений, содержащих азот.
Оксид азота(III). У оксида N₂O₃ на передний план выходит свойство разлагаться при температуре, близкой к температуре его плавления (–102 °С), а потому применение этого оксида затруднительно.
Оксид азота(IV). Применение диоксида азота NO₂ основано на его свойствах восстанавливаться (т. е. быть окислителем) и окисляться. Конечно, как окислитель оксид азота(IV) намного сильнее, чем восстановитель. Оксид NO₂ применяют как компонент в ракетном топливе и в смесевых взрывчатых веществах, им очищают нефтепродукты от сераорганических соединений. На этом же свойстве – умении отдавать кислород, восстанавливаясь (в сочетании со свойством оксида азота(II) присоединять кислород), – основано его использование как катализатора окисления некоторых соединений (например, бензола до фенола, метана до формальдегида, оксида серы(IV) до серной кислоты...). Но не стоит забывать, что при образовании азотной кислоты (а это очень существенная часть применения оксида азота(IV)), он работает все же восстановителем, окисляясь (т. е. присоединяя кислород) до максимально возможной для азота степени окисления +5.
Оксид азота(V). При комнатной температуре N₂O₅ самопроизвольно разлагается на оксид азота(IV) и кислород. Применяется весьма ограниченно.

Азотная кислота

Сильная неорганическая кислота и сильный окислитель. Соответственно и применение: основная часть разбавленной азотной кислоты идет на производство минеральных удобрений, много кислоты расходуется при получении различных лаков и красок, она активно используется в химических лабораториях, входит в состав ракетного топлива. Еще одно применение – получение взрывчатых веществ (саму кислоту использовать как взрывчатое вещество затруднительно именно из-за ее кислотных свойств).

* * *

Можно и дальше с той или иной степенью подробности перечислять примеры применения азота и его соединений. Но это скучно. К тому же если азот, аммиак и оксиды азота активно начали применять исторически относительно недавно, потому что для этого необходима развитая химическая отрасль промышленности, то азотная кислота известна и много применяема уже около семи столетий, а ее соли – и того больше. Поэтому воспользуемся принципиально иным способом изложения материала.

Пьеса
«Соединения азота и жизнь человеческая...»

ПРОЛОГ

Не известно, когда и почему человек стал человеком. Может быть, потому, что какой-то наш далекий предок взял в руки палку и решил с ней куда-то далеко отправиться. И пришлось идти на двух ногах. А может быть, потому, что взял в руки не палку, а собственных детей. Есть такая теория, что становлению прямохождения способствовал тот факт, что мама, передвигающаяся на двух ногах, способна была унести трех детенышей одновременно и на достаточно далекое расстояние: новорожденного и годовалого в руках, двухлетку на спине – он уже сам мог удержаться. А это существенно продлевало период защиты беззащитного потомства. Так или иначе, но человек встал на ноги. И начал использовать руки – покорил огонь, изобрел письменность. Собственно письмо известно с конца четвертого – начала третьего тысячелетия до нашей эры, но еще раньше появились некие средства, служившие для запоминания устных сообщений. А еще раньше человек рисовал на стенах пещеры охоту. И если какой-то другой человек смог по этим рисункам понять, как именно надо ловить мамонта, то это тоже своего рода «письменность» – передача опыта без непосредственного контакта.
Покорение огня было первым шагом вмешательства человека в круговорот азота – ведь при горении дерева почти весь азот, имеющийся в нем в виде соединений, переходил в атмосферу в виде простого вещества. И бактериям, фиксирующим азот, надо было работать все больше и больше.

Письменность тоже добавила этим бактериям неприятности – человек передавал опыт использования огня. И конечно, опыт использования многого другого.

ДЕЙСТВИЕ ПЕРВОЕ

Первое знакомство (завязка)

Действующие лица: Человек, Золото, Свинец, Селитра.
Человек. Золото! Я хочу золота! Много золота! Я сделаю из него украшения, много украшений. Я сделаю кувшины и кубки. Я...
Золото. Ах! Добудь меня. И я твое. Я гибкое, пластичное, очень красивое. Добудь меня!
Человек. Но как же тебя добыть? Ведь ты так рассеяно!
Свинец. Я, конечно, не так искусен, как человек, но я тоже люблю золото. Я собираю его в себя и становлюсь другим – становлюсь сплавом. Мне только надо расплавиться, и вокруг тоже все должно быть жидким.
Человек. Ага! Так надо расплавить этот кусок руды и добавить свинец. Конечно, он соберет золото, которое рассеяно мелкими крупинками по всему куску руды, но как потом я отберу у свинца свое золото?
Селитра. Ведь это так просто, друг мой! Я очень щедра, я оделяю кислородом все, что находится рядом со мной, если меня погреть. Вот только золото я не люблю, оно не хочет брать мой кислород.
Золото. Конечно, не хочу. Я такое прекрасное, из меня такого, какое я есть, можно сделать столько красивых вещей. Зачем мне твой кислород?
Свинец. А я, наверное, взял бы. Золото все равно у меня отнимут. А так вдвоем с кислородом и не скучно будет.
Человек. Здравствуй, Селитра, будем знакомы. Спасибо за помощь, я ведь так люблю золото. Я тебя запомню. И то, что ты щедра на кислород.
Напоминание. Селитры – это соли азотной кислоты. У нас сейчас их называют нитратами.
Суть действия – извлечение золота из руд методом купеляции – плавлением руды вместе со свинцом, а потом и с селитрой. Сначала расплавленный свинец собирает, «коллекционирует» (по крайней мере, называется коллектором) золото, а потом окисляется селитрой и отдает золото, но уже не рассеянное, а одним кусочком.

Древнеегипетский художник мог бы вот так изобразить процесс купеляции

ДЕЙСТВИЕ ВТОРОЕ

Толкая науку... (кульминация)

Явление первое

Действующие лица: Селитра, Азотная кислота.
Азотная кислота (разбавленная, падающая на землю вместе с дождем после грозы и молний). Ах! Какая несправедливость! Я всю жизнь кручусь, как белка, в этом круговороте, а Человек до сих пор меня не открыл!
Селитра. Так потому и не открыл, что ты все время крутишься: то в растение – ему, видите ли, белок нужно сделать, то еще куда-нибудь. А я лежу себе спокойненько на месте. Вот Человек меня и открыл.
Уходят.

Явление второе

Действующие лица: Человек, другой человек по имени Роджер, Квасцы, Купорос, Серная и Азотная кислоты, Нашатырь. Человек. Эй, Роджер! Хватит заниматься этим дурацким философским камнем. Уж очень он твердый и тяжелый. Вчера мне на ногу свалился, так я полчаса прыгал по лаборатории на одной ноге. Займемся чем-нибудь жидким. Например, спиртом.
Роджер. Да, да, да... С философским камнем у меня ничего не получается. Надо переключиться! Жидкое... Жидкое. Жидкое! Да. Универсальный растворитель – вот чем следует заняться! Надо что-то погреть... Так, что у нас имеется?
Квасцы. Это мы! Это мы! Это нас надо погреть!
Купорос. И меня тоже неплохо было бы погреть.
Роджер. Ну что ж, погреем вас всех. Так, что у нас получается? Неужели я его нашел? Растворяет! И это, и это, и это тоже. Да, но керамический сосуд, к счастью, не растворился. А золотой? Тоже нет. Значит, это не универсальный растворитель, но все же довольно хороший. Назову его купоросным спиртом.
Серная кислота. Фу! Ну какой же я купоросный спирт? Я же обыкновенная необыкновенная серная кислота. Хотя этот Роджер молодец: заметил, как много чего я умею растворять. Эх, жаль, что он меня сейчас не слышит. Впрочем, не важно. Могу какое-то время откликаться и на имя Купоросный спирт.
Роджер. А если так попробовать? Смешаем Селитру, Медный купорос, квасцы и погреем.
Азотная кислота. Ура! Наконец-то меня получили!
Роджер. Так, так, так. Что же я получил на этот раз? Это не Купоросный спирт. Это... Ай! Больно как жжется! Крепкая штука! Вот так и назовем ее – Крепкая водка. Так, а на золото она действует? Нет? Какая жалость!
Нашатырь. Эй, ты, химик!
Роджер. Я не химик! Прошу не путать! Я – алхимик!
Нашатырь. Да не важно, хоть горшком, как говорится, назови, только в печь не ставь, а соедини меня вон с той дамой, с Крепкой водкой. Не пожалеешь!
Роджер. Смешать Нашатырь с Крепкой водкой. А почему бы и нет? Так, замесили, отделили, отлили. Это растворяет, это растворяет, и это, и это... И золото тоже растворяет?! Неужели я нашел универсальный растворитель? Ах, нет. Керамический сосуд же цел. Ну и ладно. Зато я нашел растворитель царя металлов! Я назову его Царская водка!

Оборудование для приготовления соляной и азотной кислот. (Рисунок из курса «Общей химии», середина XIX в.)

Комментарий. Квасцами называли раньше, да и сейчас иногда называют, кристаллогидраты двойных сульфатов, например алюмокалиевые квасцы Kal(SO₄)₂•12H₂O.
Купоросы – это кристаллогидраты сульфатов, например железный купорос FeSO₄•7H₂O
Нашатырем издавна называли хлорид аммония NН₄Cl.

Явление третье (800 лет спустя)

Действующие лица: Нильс Бор, Голос «за кадром».
Нильс Бор. Снова война. Немцы оккупируют Данию. Нобелевская медаль, золотая медаль нобелевского лауреата. Ее необходимо сохранить. (Оглядывается.) Царская водка. Да, это подойдет.
Голос «за кадром». Все годы гитлеровской оккупации Дании во время второй мировой войны золотая нобелевская медаль физика Нильса Бора спокойно стояла в виде раствора на полочке под тягой в его институте. После окончания войны золото выделили из раствора и медаль восстановили.

Явление четвертое

Действующие лица: Селитра, Азотная кислота, Порох.
Селитра. Ну вот тебя и открыли.
Азотная кислота. Да. Теперь с моей помощью можно получить тебя!
Селитра. Это как?
Азотная кислота. А очень просто. Если смешать меня с поташом, получится индийская селитра, а если с каустиком – чилийская селитра.
Селитра. Постой, постой, но ведь этот алхимик получал тебя нагреванием меня с купоросами и квасцами.
Азотная кислота. Ну да.
Селитра. Но зачем надо греть меня, чтобы получилась ты, а потом снова получать меня?
Азотная кислота. Потому что ты разная! Для пороха, например, нужна только калийная селитра, а натриевая или кальциевая селитра уже не подходит.
Селитра. И все равно я не пойму, зачем это надо?
Азотная кислота. Потому что и чилийская, и индийская селитры – импортные, а если их не привезут?
Порох. Да, люди уже, что называется, «понюхали пороха». И теперь им нужно меня все больше и больше.
Селитра. Послушай, Порох, но ведь когда ты делаешь громкий «бах!», то потом никакой селитры уже не получишь: ни чилийской, ни норвежской.
Порох. Так ведь в том-то все и дело. Нужно Селитру как-то по-другому получать.
Человек. А люди это поняли. И стали делать искусственные «месторождения». Навоз, отходы скотобоен смешивали с известковыми почвами, донными отложениями прудов, болотной жижей. Туда же добавляли известь, золу, отходы мыловарения. Все это складывали в кучу (или яму), заливали опять-таки навозной жижей и выдерживали год-два. Выход был весьма производительным – одна шестая часть по весу приходилась в итоге на селитру. В Швеции крестьяне даже налоги должны были частично платить селитрой.
Порох. Оно и понятно, какой король захочет под окнами кучу навоза иметь, пусть даже и становящегося драгоценной селитрой?
Человек. Кстати, шум, который ты, Селитра, произвела в науках, сравним, по мнению некоторых ученых, с грохотом на полях сражений.
Селитра. Почему?
Порох. Потому что людям стало просто необходимо заниматься химией, физикой, металлургией, баллистикой и, конечно, философией, чтобы все это хоть как-то можно было объяснить.

Окончание следует

О.Р.ВАЛЕДИНСКАЯ,
МГУ (Москва)