Элемент: азот (Nitrogenium)
Химический символ: N
Порядковый номер: 7
Год открытия: 1772
Стандартная атомная масса: 14.00643
Температура плавления: 63.15 К
Температура кипения: 73.355 К
Плотность при стандартных условиях: 1.2504 г/л
Скорость звука в азоте: 353 м/с (газ при 27 °C)
Число стабильных изотопов: 2
Кристаллическая решётка: гексагональная
Трудно привести столь ошибочное название химического элемента, как название элемента номер семь. άζωτικός. То есть «нет жизни», как решил давший ему название Лавуазье. И это при том, что азот – важнейший элемент в составе аминокислот, ДНК и РНК…
С другой стороны, есть же версия, что средневековое слово azot вообще происходит от фразы из Апокалипсиса «Я есмь Альфа и Омега, начало и конец» – и предания, что на кресте Христа были написаны первые и последние буквы латинского, греческого и иврита. То бишь «а, альфа, алеф» – и «зет, омега и тав». Ну или AAAZOTH. Но обо всем по порядку.
Азот известен человечеству издавна не только потому, что он составляет основную долю воздуха. Важнейшие его соединения использовались еще алхимиками. Aqua forta – азотная кислота, Aqua regia – всем хорошо знакомая царская водка. Да и селитра тоже известна еще с древности.
Джозеф Блэк
Однако открытие азота как элемента состоялось только в XVIII веке. Великий шотландский химик Джозеф Блэк изучал «связанный воздух», как он называл продукт горения – углекислый газ. Видимо, как-то ему надоело возиться с этой темой и он, как правильный ученый, поручил ее своему студенту, Даниэлю Резерфорду, который и отделил в 1772 году от «связанного воздуха» «испорченный» или «отравленный» воздух. Название неудивительно – ведь в чистом азоте гибли животные и вяли цветы. Впрочем, о том, что «отравленный воздух» представляет собой новый химический элемент, Резерфорд не подумал. Немудрено – он был приверженцем теории флогистона, некоей сверхтонкой материи, которая содержится во всех горючих веществах и высвобождается при горении. Вот за флогистон-то и приняли новый газ.
Даниэль Резерфорд
Примерно в то же время «испорченный воздух» изучали Карл Шееле, Генри Кавендиш и Джозеф Пристли – и все они относили его к флогистону. И только Антуан Лоран Лавуазье сумел понять, что перед ним новый химический элемент – и назвал его мефитическим (бесполезным воздухом) или азотом. Забавно: термин, который прижился в английском (nitrogen), придумал Жан-Антуан Шапталь в 1790 году (через 10 лет этот химик станет министром внутренних дел Франции). Но в самой Франции термин не стали использовать, и остался «азот», как и в русском.
Жан-Антуан Шапталь
Итак, на начало XIX века человечество поняло, что оно его окружает огромное количество азота, который входит в состав очень полезных веществ, таких, как аммиак, азотная кислота, селитра… Но толку от этого почти не было. Дело в том, что азот, действительно являясь критически важным для жизни элементом, оставался очень инертным как газ. Все потому, что два атома в молекуле N2 связаны прочной тройной связью. Неужели прав был Лавуазье, назвав его «бесполезным воздухом» (в отличии от оксида азота (I), о котором мы уже писали. С 1799 года и минимум до 1863 года источники отмечали новую забаву среди высшего света в Великобритании – «вечеринки веселящего газа», где салонная публика собиралась для того, чтобы надышаться закисью азота до явления короля Артура. А с середины XIX века самый «младший» оксид азота применяют как наркоз)?
Действительно, химии в те времена до природы с ее азотфиксирующими бактериями, способными разрывать эту связь и превращать азот в его соединения (иначе откуда бы взялись аминокислоты и нуклеотиды) было еще далеко.
Все изменилось с приходом в химию «отца химического оружия» Фрица Габера (он и хлор первым применит в Первой мировой, и Циклон Б создаст, который потом в газовые камеры будут пускать). В 1905 году Габер начал работу, которая в итоге принесла ему Нобелевскую премию. Вообще-то он собирался заниматься производством азотных удобрений и селитры для взрывчатки. Но исходное вещество для этих соединений — аммиак — было не так-то просто получить. В начале XX века было известно, что аммиак можно сделать из азота и водорода, но при температуре в 1000 градусов.
Фриц Габер
Габер, «играя» различными методиками, существовавшими до него, смог получить аммиак при сравнительно низких температурах (300-600 градусов), но при высоких давлениях.
Однако от настольной установки до промышленного крупнотоннажного производства очень долгий путь. Главный камень преткновения тут – масштабирование. О, сколько современных стартапов разбились о него! Однако Габер поступил правильно: он в 1909 году продал свою технологию BASF, где она попала в руки Карла Боша. Уже в 1907 году Бош смог создать в компании свою лабораторию. И перед ним поставили срочную задачу – сделать технологию Габера а) масштабируемой, б) не такой дорогой – ведь у Габера в числе катализаторов были не самые дешевые осмий и уран. Работа заняла четыре года – нужно было сделать оборудование, которое выдержит нужные давление и температуру, устранить диффузию водорода, который так и норовил «сбежать» сквозь стенки реактора, заменить катализаторы…
Карл Бош
В 1913 году в Оппау, близ Людвигсхафена-на-Рейне, BASF построила первый завод по производству аммиака. Так начал свою историю метод Габера-Боша. Забавно, что Габер получил премию за метод производства аммиака в 1918 году, а Бош – только в 1931 году, за технологии синтезов под высоким давлением вообще.
Так человечество вступило в эпоху химической технологии азота. Впрочем, одно важное применение самого азота началось еще с 1882 года – когда польский ученый Сигизмунд Вроблевский в Ягеллонском университете сумел получить жидкий азот.
Сигизмунд Вроблевский
В связи с этим, конечно же, вспоминается любимый киношный прием: на плохого парня, будь то робот из жидкого металла в «Терминаторе-2» или алчный русский программист из «Золотого Глаза» «Бондианы» выливается жидкий азот – и тело мгновенно замерзает, превращаясь в лед. Дальше «сосульку» можно расколоть – и дело с концом.
Кадр из фильма «Терминатор-2»
Однако на деле можно, при определенной сноровке, смело опустить руку в сосуд с жидким азотом и достать ее обратно, даже не обморозив (впрочем, не пробуйте это делать на всякий случай – сноровка бывает разной). Тому есть две причины. Первая – крайне низкая теплопроводность самого жидкого азота. А вторая – так называемый эффект Лейденфроста: поскольку температура руки намного выше точки кипения, между рукой и сверххолодной жидкостью всегда будет тонкая прослойка из испарившегося газообразного азота. Так что стоит поискать другой способ борьбы с киношными злодеями. Зато из сливок при помощи жидкого азота можно сделать вкусное мороженое.
Жидкий азот изо рта
Итак, с историей мы разобрались. Однако в прошлом выпуске, беседуя про углерод, мы обещали подробно рассказать про один из главных процессов в звездах, в которых и рождается наш сегодняшний герой.
Речь идёт о CNO-цикле, в котором на самом деле происходит «сборка» атома гелия из атомов водорода. Но помогают в этом атомы азота, углерода и водорода.
Первым этапом в СNO-цикле становится CN-цикл или цикл Бете (собственно, астрофизик Ханс Бете его и предложил, за что тоже получил Нобелевскую премию – по физике 1967 года).
Ханс Бете
«Собравшись» из трех атомов гелия атом углерода 12С начинает последовательно присоединять к себе протоны:
| 12C + p | → | 13N + γ | +1,94 МэВ |
| 13N | → | 13C + e+ + νe | +2,22 МэВ |
| 13C + p | → | 14N + γ | +7,55 МэВ |
| 14N + p | → | 15O + γ | +7,30 МэВ |
| 15O | → | 15N + e+ + νe | +2,75 МэВ |
| 15N + p | → | 12C + 4He | +4,96 МэВ |
Иногда процесс идет дальше, с образованием 16О – и начинаются NO-циклы.
Собственно говоря, несмотря на то, что главная суть CNО-процесса – это синтез гелия, привычный нам азот синтезируется именно в нем, после гибели звезд попадая в межзвездное пространство и участвуя в формировании новых звезд и планет.
CNO-цикл
Нужно сказать, что в нашей Солнечной системе азот – самый «модный» газ для атмосфер планет с твёрдой поверхностью. Пожалуй, только у Венеры азот в атмосфере – в миноре (его там 3,5%, остальное занимает углекислый газ). На Земле его 78%, в основном из азота состоит и атмосфера единственного в нашей системе спутника с плотной атмосферой – крупнейшего спутника Сатурна Титана.
Азотная атмосфера Титана
Азотные атмосферы, но гораздо более разреженные, у спутника Нептуна Тритона и карликовой планеты Плутона. Кстати, что интересно: судя по всему, некоторую часть года Плутона его атмосфера замерзает и выпадает азотным снегом на поверхность, а затем вновь испаряется.
Атмосфера Плутона
Но вернемся на грешную Землю. Как же применяется азот?
Жидкий азот применяется в качестве хладагента, в криохирургии (вот тут-таки жидкий азот разрушает пораженные клетки), газообразным накачивают шины шасси авиалайнеров и выдавливают нефть из пласта.
А знаете ли вы, что такое пищевая добавка E941? Да, это тоже азот, который используется в качестве газовой среды для упаковки и хранения пищевых продуктов.
Что же касается соединений азота – то их огромное количество, и они очень важны.
Весьма сильная азотная кислота – НNО3 – одна из самых распространенных кислот в химической лаборатории и один из самых крупнотоннажных продуктов в химической промышленности, а в смеси с соляной кислотой, известной под названием «царская водка» – способна растворять даже золото. Без нее не обойтись ни в производстве удобрений, ни в синтезе красителей, ни в создании взрывчатых веществ (здесь вообще, чем больше азота в молекуле – тем лучше).
Но и другие соединения азота тоже очень интересны. Для примера возьмем азид натрия NaN3. Кто бы мог подумать, что способность этого вещества при нагревании мгновенно разлагаться с выделением азота будет спасать тысячи жизней? А ведь именно разложение этого вещества за 0,04 секунды производит около 70 литров азота, который наполняет подушку безопасности автомобиля.
А вот нитрид кремния Si3N4 заметно улучшает свойства всех огнеупорных материалов. Ну а нитрид титана (соединение внедрения с формулой приблизительноот Ti10N6 до TiN, состав варьируется ) сейчас успешно заменяет сусальное золото для покрытия глав церквей.
Нитрид кремния
Купол храма, покрытый нитридом титана
Ну а в завершение скажем, что, как оказалось, «простые» соединения азота крайне важны и для работы нашего организма. Оказалось, что оксид азота (II) – кстати, у этой молекулы тоже тройная связь – играет важнейшую сигнальную роль во всем организме. Это и нейромедиатор, наравне с дофамиином, и сигнальная молекула в иммунной системе, и, что самое важное – в сердечно-сосудистой. Недаром в 1998 году за это открытие Роберт Ферчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине. А сам оксид азота стал в 1992 году молекулой года по версии журнала Science. Впрочем, историю этого вещества мы еще расскажем отдельно.
Текст: Алексей Паевский
Материал подготовлен ИОНХ РАН для Виртуального музея химии при грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий»
