Lämmastikusisaldus maakoores. Lämmastik looduses

Lämmastik (üldteave)

Lämmastik

lühike teave

Lämmastik on Mendelejevi D.I. keemiliste elementide perioodilisuse tabeli teise perioodi 15. rühma element aatomnumbriga 7.

Üldine teave lämmastiku kohta

Lämmastik on Maa atmosfääris kõige levinum gaas. Teisisõnu, kolmveerand meid ümbritsevast õhust koosneb lämmastikust, mitte hapnikust. Mendelejevi keemiliste elementide perioodilises tabelis on lämmastik tähistatud sümboliga N (ladinakeelsest sõnast Nitrogenium), selle aatomnumber on 7 ja see on 15. rühmas. Normaaltingimustes on lämmastik kaheaatomiline ja väga inertne gaas. Sellel pole värvi, maitset ega lõhna, seetõttu pole see inimesele tajutav. Gaasilise lämmastiku valem N2; Just sellises molekulaarses olekus täidab see kolmveerandi meie planeedi atmosfäärist.

Avastamise ajalugu

18. sajandi lõpus jõudsid mitmed teadlased lähedale uue keemilise elemendi avastamisele, mille omadusi polnud teadus veel uurinud. Nii viis Henry Cavendish 1772. aastal läbi järgmise katse: ta lasi korduvalt õhku üle kuuma kivisöe, töötles kivisütt leeliselise lahusega ja sai lõpuks uue aine ülejäänud osa. Keemik nimetas seda jääki "lämmatavaks õhuks". Cavendish sai tegelikult lämmastikku, uut keemilist elementi, kuid ta ei osanud seda arvata. Samal aastal jätkas Cavendishi sõber professor Priestley katseid lämmatava õhu tootmiseks. Samuti sai ta katsete käigus korduvalt lämmastikku, kuid eeldas ekslikult, et see gaas on hapnik. Seetõttu ei peeta kumbagi neist kahest teadlasest lämmastiku avastajaks.

Paralleelselt nende katsetega viis Daniel Rutherford läbi oma katsed samal 1772. aastal. Just tema kirjeldas oma magistritöös õigesti lämmastiku põhiomadusi. Eelkõige asjaolu, et see ei sobi hingamiseks, ei reageeri leelistega ega toeta põlemisprotsessi. Kõige sagedamini nimetatakse Rutherfordi lämmastiku avastajaks.

Lämmastiku omadused

Lämmastiku füüsikalised omadused normaaltingimustes iseloomustavad seda kui värvitu, lõhnatu ja inimese meeltele mittetajutavat gaasi. Lämmastik lahustub vees vähe ja selle tihedus on 1,2506 kg/m 3 . Vedelas olekus on lämmastik värvitu ja liikuv vedelik, mis on visuaalselt sarnane veega. See keeb temperatuuril –195,8 °C. Vedela lämmastiku tihedust vähendatakse 808 kg/m3-ni. Temperatuuril –209,86 °C muutub lämmastik agregatsiooni tahkeks olekuks, võttes suurte mõõtmetega erkvalgete kristallide kujul.

Lämmastiku vaba olek on kaheaatomiline N2 molekul, mille molekulide vahel on kolmikside. See side muudab lämmastiku molekuli ülitugevaks ning tavatingimustes molekulide dissotsiatsiooni praktiliselt ei toimu. Selle tulemusena on lämmastik väga inertne gaas: see praktiliselt ei astu keemilistesse reaktsioonidesse teiste ainetega ja on tavatingimustes vabas olekus. Molekulidevahelise interaktsiooni jõud on äärmiselt nõrk, mistõttu on lämmastik normaalsetes tingimustes gaas, mitte vedel või tahke aine.

Huvitavad faktid lämmastiku kohta

Nimetus lämmastik, mis tähendab "elus ilma jäänud", tekkis Antoine Lavoisier' kerge käega 18. sajandi lõpus, kui katseliselt tehti kindlaks, et lämmastik ei toeta hingamist ja põlemist. Nüüd teame, et ehkki nime poolest "elutu", on lämmastik äärmiselt oluline kõigi olendite elu säilitamiseks. Lämmastiku ladinakeelne nimetus "nitrogenium" on tõlgitud kui "soolpeetrit andev" ja see tuletab meelde selle elemendi kriitilist tähtsust tööstuse jaoks.

Kõik elusorganismid ei suuda puhtal kujul lämmastikku omastada. Vajaliku koguse omastame läbi valgurikka toidu. Kui inimene hingab, hingab ta sisse õhus sisalduvat lämmastikku. Kopsud ei omasta seda kuidagi (erinevalt hapnikust), seega sisaldab meie väljahingamine peamiselt lämmastikku. Üllataval kombel on just lämmastiku rohkus atmosfääris see, mis aitab meil mitte tarbida hapnikku inimorganismile saatuslikes kogustes.

Ulmekirjanduses levinud lugu räägib elusolendite külmutamisest lämmastikuga, et neid tulevaste põlvede jaoks säilitada. Tegelikkuses ei saa tänapäeva teadlased seda teha, kuna vedela lämmastikuga külmutamine toimub aeglaselt ja keha sureb enne, kui tal on aega "õigesti" külmuda.

Lämmastiku kasutamine

Lämmastiku kasutamise tööstuslikus tootmises määravad ära selle kõrged inertsed omadused. Vedelat lämmastikku kasutatakse tööstusliku külmutusagensina. Gaasilises olekus lämmastikku kasutatakse antioksüdandina. Kuna puhas gaasiline lämmastik võib asendada õhku (mis sisaldab oksüdeeriva ainena hapnikku), puhastatakse õõnsused elektritööstuses ja masinaehituses lämmastikuga. Seda kasutatakse mahutite ja torustike puhastamiseks ning nende töö juhtimiseks kõrge rõhu all paagi sees.

Lämmastik on tooraineks oluliste lämmastikku sisaldavate ühendite sünteesiks. Nende hulka kuuluvad lämmastikväetised, mis koos fosfor- ja kaaliumväetistega on taimekasvatuses asendamatud. Lämmastik on ammoniaagi komponent, mida kasutatakse külmutusseadmetes, tööstusliku lahustina, meditsiinis ja üldiselt on see oluline keemiline tooraine. Enamiku lõhkeainete tootmine planeedil põhineb hapniku ja lämmastiku keemilistel omadustel.

Lämmastikku leidub toiduainetööstuses ka toidulisandina E941. Gaasi lämmastikku on vaja lennukite teliku rehvitorude täitmiseks. Nüüd on autohuviliste seas muutunud moes rehve täita lämmastikuga, kuigi teaduslikke tõendeid sellise kasutamise tõhususe kohta pole veel esitatud. Lämmastik ja teised gaasid on leidnud laialdast rakendust meditsiinis: nii uute ravimite ja tehnikate loomisel kui ka ülitäpsete meditsiiniseadmete valmistamisel.

Ukraina juhtiv gaasitarnija on täna ettevõte DP Air Gas.

Lämmastik on keemiline element, aatomnumber 7, aatommass 14,0067. Õhus on vaba lämmastikku (N 2 molekulide kujul) 78,09%. Lämmastik on õhust veidi kergem, tihedus nulltemperatuuril ja normaalrõhul 1,2506 kg/m 3. Keemistemperatuur -195,8°C. Kriitiline temperatuur on -147°C ja kriitiline rõhk 3,39 MPa. Lämmastik on värvitu, lõhnatu, maitsetu, mittetoksiline, mittesüttiv, mitteplahvatusohtlik ja tavatemperatuuril gaasilises olekus mittesüttiv gaas, mis on väga inertne. Keemiline valem - N. Normaaltingimustes on lämmastiku molekul kaheaatomiline - N 2.

Lämmastiku tootmine tööstuslikus mastaabis põhineb selle saamisel õhust (vt.).

Siiani vaieldakse selle üle, kes oli lämmastiku avastaja. 1772. aastal Šoti arst Daniel Rutherford(Daniel Rutherford), kes juhtis õhku läbi kuuma kivisöe ja seejärel leelise vesilahuse, tekitas gaasi, mida ta nimetas "mürgiseks gaasiks". Selgus, et lämmastikuga täidetud anumasse toodud põlev kild kustub ja selle gaasi atmosfääris sureb elusolend kiiresti.

Samal ajal sai Briti füüsik sarnase katse läbiviimisel lämmastikku Henry Cavendshin(Henry Cavendish), kes nimetas seda "lämbuvaks õhuks", Briti loodusteadlane Joseph Priestley(Joseph Priestley) andis sellele nime "deflogisticated air", Rootsi keemik Karl Wilhelm Scheele(Carl Wilhelm Scheele) - "rikutud õhk".

Lõpliku nimetuse "lämmastik" andis sellele gaasile prantsuse teadlane Antoine Laurent Lavoisier(Antoine Laurent de Lavoisier). Sõna "lämmastik" on kreeka päritolu ja tähendab "elutu".

Tekib loogiline küsimus: "Kui tekib lämmastik, siis mis mõtet on seda kasutada karbiidi moodustavaid elemente sisaldava roostevaba terase keevitamiseks?"

Asi on selles, et isegi suhteliselt väike lämmastikusisaldus suurendab kaare soojusvõimsust. Selle omaduse tõttu kasutatakse kõige sagedamini lämmastikku mitte keevitamiseks, vaid plasma lõikamiseks.

Lämmastik on mittetoksiline gaas, kuid võib toimida lihtsa lämmatava gaasina (lämmatav gaas). Lämbumine tekib siis, kui lämmastikusisaldus õhus vähendab hapnikusisaldust 75%-ni või alla normaalse kontsentratsiooni.

Nad eraldavad lämmastikku gaasilisel ja vedelal kujul. Sest keevitamisel ja plasmalõikamisel kasutatakse lämmastikku 1. (99,6% lämmastikku) ja 2. (99,0% lämmastikku) klass.

Seda hoitakse ja transporditakse kokkusurutuna terassilindrites. Silindrid on värvitud mustaks, silindrilise ülaosa peal on kollaste tähtedega kiri “NITROGEN”.

Kõik teavad: lämmastik on inertne. Selle eest kurdame sageli elemendi nr 7 üle, mis on loomulik: selle suhtelise inertsi eest tuleb maksta liiga kõrget hinda, selle elutähtsateks ühenditeks muutmiseks tuleb kulutada liiga palju energiat ja raha.

Kuid teisest küljest, kui lämmastik poleks nii inertne, tekiksid atmosfääris lämmastiku reaktsioonid hapnikuga ja elu meie planeedil sellisel kujul, nagu see eksisteerib, muutuks võimatuks. Taimed, loomad, sina ja mina lämbuksime sõna otseses mõttes elule vastuvõetamatute oksiidide ja hapete voogudesse. Ja kõige selle nimel püüame muuta võimalikult suure osa õhulämmastikust oksiidideks ja lämmastikhappeks. See on üks elemendi nr 7 paradoksidest. (Siin riskib autorit süüdistada triviaalsuses, sest lämmastiku, õigemini selle omaduste paradoksaalsus on kõneaineks saanud. Ja ometi...)

Lämmastik on erakordne element. Mõnikord tundub, et mida rohkem me temast teada saame, seda arusaamatumaks ta muutub. Elemendi nr 7 vastuolulised omadused kajastusid isegi selle nimes, sest see eksitas isegi nii särava keemiku nagu Antoine Laurent Lavoisier. Just Lavoisier tegi ettepaneku nimetada lämmastikku lämmastikuks pärast seda, kui ta polnud esimene ega viimane, kes sai ja uuris seda õhuosa, mis ei toeta hingamist ja põlemist. Lavoisieri järgi tähendab "lämmastik" "elutu" ja see sõna on tuletatud kreekakeelsest sõnast "a" - eitus ja "zoe" - elu.

Termin "lämmastik" oli endiselt kasutusel alkeemikute sõnavaras, kust prantsuse teadlane selle laenas. See tähendas teatud "filosoofilist põhimõtet", omamoodi kabalistlikku loitsu. Eksperdid ütlevad, et sõna "lämmastik" dešifreerimise võti on Apokalüpsise lõpufraas: "Ma olen alfa ja oomega, algus ja lõpp, esimene ja viimane..." Keskajal kolmes keeles ​olid eriti austatud: ladina, kreeka ja heebrea keel. Ja alkeemikud tegid sõna "lämmastik" nende kolme tähestiku esimesest tähest "a" (a, alfa, aleph) ja viimastest tähtedest: "zet", "omega" ja "tov". Seega tähendas see salapärane sünteetiline sõna "kõigi alguste algust ja lõppu".

Lavoisieri kaasaegne ja kaasmaalane J. Chaptal pakkus ilma pikema jututa välja elemendi nr 7 nimetuse ladina-kreeka hübriidse nimetusega "nitrogenium", mis tähendab "salpeetrit kandvat". Nitraat on nitraatsool, iidsetest aegadest tuntud aine. (Neist räägime hiljem.) Peab ütlema, et termin “lämmastik” on juurdunud vaid vene ja prantsuse keeles. Inglise keeles on element nr 7 “Nitrogen”, saksa keeles – “Stockton” (asphyxiant). Keemiline sümbol N on austusavaldus Shaptali lämmastikule.

Kes avastas lämmastiku?

Lämmastiku avastamise põhjuseks on tähelepanuväärse Šoti teadlase Joseph Blacki õpilane Daniel Rutherford, kes avaldas 1772. aastal väitekirja "Nn fikseeritud ja mefiitsest õhust". Must sai kuulsaks oma katsetega "fikseeritud õhuga" - süsinikdioksiidiga. Ta avastas, et pärast süsihappegaasi fikseerimist (leelisega sidumist) jääb alles mingisugune "fikseerimata õhk", mida nimetati "mefiitseks" - rikutud -, kuna see ei toetanud põlemist ja hingamist. Black pakkus selle "õhu" uurimist Rutherfordile väitekirjana.

Umbes samal ajal hankisid lämmastikku K. Scheele, J. Priestley, G. Cavendish ja viimane uuris, nagu tema laboriandmetest järeldub, seda gaasi enne Rutherfordi, kuid nagu alati, ei kiirustanud ta avaldama tema töö tulemusi. Kõigil neil silmapaistvatel teadlastel oli aga väga ebamäärane ettekujutus nende avastatud aine olemusest. Nad olid flogistoni teooria kindlad toetajad ja seostasid "meefilise õhu" omadusi selle kujuteldava ainega. Ainult Lavoisier, kes juhtis rünnakut flogistoni vastu, veenis ennast ja veenis teisi, et gaas, mida ta nimetas "elutuks", on lihtne aine, nagu hapnik ...

Universaalne katalüsaator?

Võib vaid aimata, mida tähendab "kõigi alguste algus ja lõpp" alkeemilises "lämmastikus". Aga ühest elemendiga nr 7 seotud “algusest” saame rääkida tõsiselt. Lämmastik ja elu on lahutamatud mõisted. Vähemalt alati, kui bioloogid, keemikud ja astrofüüsikud püüavad mõista elu "alguse algust", kohtavad nad kindlasti lämmastikku.

Maapealsete keemiliste elementide aatomid sünnivad tähtede sügavuses. Just sealt, öövalgustitest ja päevavalgusest saavad alguse meie maise elu alged. Seda asjaolu pidas silmas inglise astrofüüsik W. Fowler, kui ta ütles, et "me kõik... oleme tähetolmu osake"...

Lämmastiku täht "tuhk" tekib väga keerulises termotuumaprotsesside ahelas, mille algetapp on vesiniku muundamine heeliumiks. See on mitmeastmeline reaktsioon, mis toimub arvatavasti kahel viisil. Üks neist, mida nimetatakse süsinik-lämmastiku tsükliks, on otseselt seotud elemendiga nr 7. See tsükkel algab siis, kui täheaine sisaldab lisaks vesiniku tuumadele - prootonitele juba süsinikku. Süsinik-12 tuum, lisades veel ühe prootoni, muutub ebastabiilseks lämmastik-13 tuumaks:

12 6 C + 1 1 H → 13 7 N + γ.

Kuid pärast positroni emiteerimist muutub lämmastik taas süsinikuks - moodustub raskem isotoop 13 C:

13 7 N → 13 6 C + e + + γ.

Selline tuum, olles vastu võtnud lisaprootoni, muutub Maa atmosfääris kõige tavalisema isotoobi - 14 N - tuumaks.

13 6 C + 1 1 H → 14 7 N + γ.

Kahjuks liigub ainult osa sellest lämmastikust ümber universumi. Prootonite mõjul muutub lämmastik-14 hapnikuks-15, mis omakorda, kiirgades positroni ja gamma-kvanti, muutub teiseks maapealseks lämmastiku isotoobiks - 15 N:

14 7 N + 1 1 H → 15 8 O + γ;

15 8 O → 15 7 N + e + + γ.

Maapealne lämmastik-15 on stabiilne, kuid see allub ka tähe sisemuses tuuma lagunemisele; pärast seda, kui 15 N tuum võtab vastu teise prootoni, ei toimu mitte ainult hapniku 16O moodustumine, vaid ka teine ​​tuumareaktsioon:

15 7 N + 1 1 H → 12 6 C + 4 2 He.

Selles muundumiste ahelas on lämmastik üks vaheproduktidest. Kuulus inglise astrofüüsik R.J. Theiler kirjutab: „14 N on isotoop, mida pole lihtne konstrueerida. Lämmastik moodustub süsinik-lämmastiku tsüklis ja kuigi see muutub hiljem tagasi süsinikuks, on protsessi paigal kulgemisel aines lämmastikku rohkem kui süsinikku. See näib olevat 14 N" peamine allikas...

Mõõdukalt keerulisel süsiniku-lämmastiku tsüklil on huvitavad mustrid. Süsinik 12C mängib selles omamoodi katalüsaatori rolli. Otsustage ise, lõppkokkuvõttes ei muutu 12 C tuumade arv, protsessi alguses tekkiv lämmastik kaob lõpus... Ja kui süsinik selles tsüklis on katalüsaator, siis lämmastik on selgelt autokatalüsaator. , st. reaktsiooni produkt, mis katalüüsib selle edasisi vaheetappe.

Pole juhus, et me siin elemendi nr 7 katalüütilistest omadustest rääkima hakkasime. Kuid kas tähtede lämmastik on elusaines selle omaduse säilitanud? Eluprotsesside katalüsaatorid on ensüümid ja kõik need, nagu ka enamik hormoone ja vitamiine, sisaldavad lämmastikku.

Lämmastik Maa atmosfääris

Elu võlgneb palju lämmastikule, kuid lämmastik, vähemalt õhulämmastik, võlgneb oma päritolu mitte niivõrd Päikesele, kuivõrd eluprotsessidele. Elemendi nr 7 sisalduse erinevus litosfääris (0,01%) ja atmosfääris (75,6% massist või 78,09% mahust) on silmatorkav. Üldiselt elame hapnikuga mõõdukalt rikastatud lämmastikuatmosfääris.

Vahepeal pole vaba lämmastikku leitud ei teistelt Päikesesüsteemi planeetidelt ega komeetidelt ega muudelt külmakosmoseobjektidelt. Seal on selle ühendid ja radikaalid - CN *, NH *, NH * 2, NH * 3, kuid lämmastikku pole. Tõsi, Veenuse atmosfääris registreeriti umbes 2% lämmastikku, kuid see arv vajab veel kinnitust. Arvatakse, et elementi nr 7 ei olnud Maa primaarses atmosfääris. Kust see siis õhust tuleb?

Ilmselt koosnes meie planeedi atmosfäär algselt maa sooltes tekkinud lenduvatest ainetest: H 2, H 2 O, CO 2, CH 4, NH 3. Vaba lämmastik, kui see tekkis vulkaanilise tegevuse tulemusena, muutus ammoniaagiks. Tingimused selleks olid kõige sobivamad: liigne vesinik, kõrgem temperatuur - Maa pind polnud veel jahtunud. Mida siis tähendab see, et lämmastik oli esmakordselt atmosfääris ammoniaagi kujul? Ilmselt nii. Meenutagem seda asjaolu.

Kuid siis tekkis elu... Vladimir Ivanovitš Vernadski väitis, et "maa gaasikest, meie õhk, on elu loomine". Just elu käivitas fotosünteesi kõige hämmastavama mehhanismi. Selle protsessi üks lõpp-produktidest, vaba hapnik, hakkas aktiivselt ühinema ammoniaagiga, vabastades molekulaarset lämmastikku:

CO2 + 2H2O → fotosüntees→ HSON + H2O + O2;

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O.

Hapnik ja lämmastik, nagu teada, tavatingimustes üksteisega ei reageeri, mis võimaldas maa õhul säilitada "status quo" koostise. Pange tähele, et märkimisväärne osa ammoniaagist võis hüdrosfääri moodustumise ajal vees lahustuda.

Tänapäeval on põhiliseks atmosfääri siseneva N2 allikaks vulkaanilised gaasid.

Kui purustate kolmikside...

Olles hävitanud seotud aktiivse lämmastiku ammendamatud varud, on elusloodus seisnud silmitsi lämmastiku sidumise probleemiga. Vabas molekulaarses olekus, nagu me teame, osutus see väga inertseks. Selle põhjuseks on selle molekuli keemiline kolmikside: N≡N.

Tavaliselt on selle paljususega sidemed ebastabiilsed. Meenutagem klassikalist atsetüleeni näidet: HC = CH. Selle molekuli kolmikside on väga habras, mis seletab selle gaasi uskumatut keemilist aktiivsust. Kuid lämmastikus on siin selge anomaalia: selle kolmikside moodustab kõigist teadaolevatest kaheaatomilistest molekulidest stabiilseima. Selle ühenduse hävitamine nõuab tohutuid jõupingutusi. Näiteks ammoniaagi tööstuslik süntees nõuab rõhku üle 200 atm. ja temperatuurid üle 500°C ja isegi kohustuslik katalüsaatorite olemasolu... Lahendades lämmastiku sidumise probleemi, tuli loodusel rajada pidev lämmastikuühendite tootmine äikesemeetodil.

Statistika ütleb, et igal aastal lööb meie planeedi atmosfääri rohkem kui kolm miljardit välku. Üksikute tühjenduste võimsus ulatub 200 miljoni kilovatini ja õhku soojendatakse (loomulikult kohapeal) 20 tuhande kraadini. Sellisel koletul temperatuuril lagunevad hapniku- ja lämmastikumolekulid aatomiteks, mis üksteisega kergesti reageerides moodustavad hapra lämmastikoksiidi:

N2 + O2 → 2NO.

Tänu kiirele jahutamisele (pikselöök kestab kümnetuhandiksekundi) lämmastikoksiid ei lagune ja oksüdeerub õhuhapniku toimel vabalt stabiilsemaks dioksiidiks:

2NO + O 2 → 2NO 2.

Atmosfääri niiskuse ja vihmapiiskade juuresolekul muutub lämmastikdioksiid lämmastikhappeks:

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO.

Nii saame värske äikesetormi kätte sattudes võimaluse ujuda nõrgas lämmastikhappe lahuses. Mulda tungides moodustab atmosfääri lämmastikhape oma ainetega erinevaid looduslikke väetisi. Lämmastik fikseeritakse atmosfääris ka fotokeemiliste vahenditega: neelanud valguskvanti, läheb N2 molekul ergastatud, aktiveeritud olekusse ja muutub võimeliseks hapnikuga ühinema...

Bakterid ja lämmastik

Mullast satuvad lämmastikuühendid taimedesse. Lisaks: "hobused söövad kaera" ja kiskjad söövad taimtoidulisi. Aine ringkäik, sealhulgas element nr 7, toimub piki toiduahelat. Samal ajal muutub lämmastiku olemasolu vorm üha keerulisemaks ja sageli väga aktiivseks ühendiks. Kuid mitte ainult "äikesetormi tekitatud" lämmastik ei liigu toiduahelates.

Isegi iidsetel aegadel märgati, et mõned taimed, eriti kaunviljad, on võimelised suurendama mulla viljakust.

“...Või kui aasta vahetub, külvata kuldseid teri
Kus ma põllult saaki korjasin, kaunad kahisesid,
Või kus kasvas väikeseviljaline vikk koos mõru lupiiniga..."

Lugege seda: see on rohukasvatussüsteem! Need read on võetud Vergiliuse luuletusest, mis on kirjutatud umbes kaks tuhat aastat tagasi.

Võib-olla esimene inimene, kes mõtles sellele, miks kaunviljad teraviljasaaki suurendavad, oli prantsuse agrokeemik J. Boussingault. 1838. aastal tegi ta kindlaks, et kaunviljad rikastavad mulda lämmastikuga. Terad (ja paljud teised taimed) kurnavad maad, võttes eelkõige sama lämmastiku. Boussingault väitis, et kaunviljade lehed imavad õhust lämmastikku, kuid see oli eksitav. Sel ajal ei osatud arvata, et probleem pole taimedes endis, vaid spetsiaalsetes mikroorganismides, mis põhjustasid nende juurtele sõlmede moodustumist. Sümbioosis kaunviljadega seovad need organismid õhulämmastikku. Nüüd on see tavaline tõde...

Tänapäeval on teada üsna palju erinevaid lämmastikufiksaatoreid: bakterid, aktinomütseedid, pärm- ja hallitusseened, sinivetikad. Ja nad kõik varustavad taimi lämmastikuga. Kuid siin on küsimus: kuidas mikroorganismid lagundavad inertset N2-molekuli ilma palju energiat kulutamata? Ja miks mõnel neist on see kõigi elusolendite jaoks kõige kasulikum võime, teistel aga mitte? See jäi pikka aega saladuseks. Elemendi nr 7 vaikne, ilma äikese ja välguta bioloogilise fikseerimise mehhanism avastati alles hiljuti. On tõestatud, et elementaarse lämmastiku tee elusaineks sai võimalikuks tänu redutseerimisprotsessidele, mille käigus lämmastik muundatakse ammoniaagiks. Ensüüm lämmastik mängib selles protsessis otsustavat rolli. Selle raua- ja molübdeeniühendeid sisaldavad keskused aktiveerivad lämmastiku "dokkimiseks" vesinikuga, mis on eelnevalt aktiveeritud teise ensüümi poolt. Seega saadakse väga aktiivne ammoniaak inertsest lämmastikust – esimesest stabiilsest bioloogilise lämmastiku sidumise produktist.

Nii see käib! Kõigepealt muutsid eluprotsessid ürgatmosfääri ammoniaagi lämmastikuks ja seejärel muutis elu lämmastiku tagasi ammoniaagiks. Kas loodus oli seda väärt, et "odad murda"? Muidugi, sest täpselt nii tekkis elemendi nr 7 tsükkel.

Salpeetri lademed ja rahvastiku kasv

Looduslik lämmastiku sidumine välgu ja mullabakterite poolt toodab aastas umbes 150 miljonit tonni selle elemendi ühendeid. Kuid mitte kõik fikseeritud lämmastik ei osale tsüklis. Osa sellest eemaldatakse protsessist ja ladestatakse salpeetri ladestustena. Kõige rikkalikumaks selliseks ait osutus Kordillera jalamil asuv Tšiili Atacama kõrb. Siin pole aastaid sadanud. Kuid aeg-ajalt sajab mäenõlvadele tugevaid vihmasid, mis uhuvad minema mullaühendid. Tuhandete aastate jooksul kandsid veevoolud alla lahustunud soolasid, mille hulgas oli kõige rohkem nitraate. Vesi aurustus, soolad jäid... Nii tekkis maailma suurim lämmastikuühendite maardla.

Kuulus saksa keemik Johann Rudolf Glauber, kes elas 17. sajandil, märkis lämmastiksoolade erakordset tähtsust taimede arengus. Oma kirjutistes, mõeldes lämmastikku sisaldavate ainete ringlusele looduses, kasutas ta selliseid väljendeid nagu "mulla lämmastikmahlad" ja "soolpeeter on viljakuse sool".

Kuid looduslikku salpeetrit hakati väetisena kasutama alles eelmise sajandi alguses, kui hakati arendama Tšiili maardlaid. Sel ajal oli see ainus oluline fikseeritud lämmastiku allikas, millest näis sõltuvat inimkonna heaolu. Lämmastikutööstus ei tulnud siis kõne allagi.

1824. aastal kuulutas inglise vaimulik Thomas Malthus välja oma kurikuulsa doktriini, et rahvaarv kasvab palju kiiremini kui toiduainete tootmine. Sel ajal eksporditi Tšiili salpeetrit vaid umbes 1000 tonni aastas. Aastal 1887 ennustas Malthuse kaasmaalane, kuulus teadlane Thomas Huxley tsivilisatsiooni peatset lõppu "lämmastikunälja" tõttu, mis peaks tekkima pärast Tšiili soolamaardlate väljakujunemist (selleks ajaks oli selle toodang juba üle 500 tuhande tonni aastas ).

Üksteist aastat hiljem kuulutas teine ​​kuulus teadlane Sir William Crookes Briti Teaduse Edendamise Seltsis, et poole sajandi jooksul tekib toidukriis, kui rahvaarv ei vähene. Ta põhjendas oma kurba prognoosi ka sellega, et "Tšiili salpeetri leiukohad on peagi täielikult ammendatud" koos kõigi sellest tulenevate tagajärgedega.

Need ennustused ei täitunud – inimkond ei surnud, vaid omandas elemendi nr 7 kunstliku fikseerimise. Veelgi enam, tänapäeval moodustab looduslike nitraatide osa maailma lämmastikku sisaldavate ainete toodangust vaid 1,5%.

Kuidas lämmastikku fikseeriti

Lämmastikuühendeid on inimestel õnnestunud saada juba pikka aega. Sama salpeetrit valmistati spetsiaalsetes kuurides - salpeetris, kuid see meetod oli väga primitiivne. "Nad valmistavad salpeetrit sõnnikuhunnikutest, tuhast, väljaheidetest, nahakraapidest, verest ja kartulipealsetest. Selle kahe aasta jooksul kastetakse hunnikuid uriiniga ja pööratakse ümber, misjärel tekib neile soolakate,” kirjeldatakse salpeetri tootmist ühes vanas raamatus.

Kivisüsi, mis sisaldab kuni 3% lämmastikku, võib olla ka lämmastikuühendite allikas. Seotud lämmastik! See lämmastik hakkas eralduma söe koksimisel, püüdes kinni ammoniaagifraktsiooni ja suunates selle läbi väävelhappe.

Lõpptoode on ammooniumsulfaat. Kuid isegi see on üldiselt puru. Raske on isegi ette kujutada, kuidas oleks meie tsivilisatsioon arenenud, kui see poleks õigel ajal lahendanud atmosfäärilämmastiku tööstuslikult vastuvõetava sidumise probleemi.

Scheele oli esimene, kes sidus õhulämmastikku. Aastal 1775 sai ta naatriumtsüaniidi, kuumutades soodat ja kivisütt lämmastikuatmosfääris:

Na2CO3 + 4C + N2 → 2NaCN + 3CO.

1780. aastal avastas Priestley, et vee kohal ümberpööratud anumas sisalduva õhu maht väheneb, kui sellest läbi lastakse elektrisäde ja vesi omandab nõrga happe omadused. See katse oli, nagu me teame (Priestley seda ei teadnud), lämmastiku sidumise loomuliku mehhanismi mudel. Neli aastat hiljem avastas Cavendish, kes lasi leelisega klaastorusse suletud õhu kaudu elektrilahendust, sealt salpetri.

Ja kuigi kõik need katsed ei saanud tollal laborist kaugemale minna, näitavad need tööstuslike lämmastiku sidumise meetodite prototüüpi - tsüaanamiid ja kaar, mis ilmusid 19....20. sajandi vahetusel.

Tsüaanamiidi meetodi patenteerisid 1895. aastal Saksa teadlased A. Frank ja N. Caro. Seda meetodit kasutades seoti kaltsiumkarbiidiga kuumutamisel lämmastik kaltsiumtsüaanamiidiks:

CaC 2 + N 2 → Ca(CN) 2.

1901. aastal alustas Franki poeg mõttega, et kaltsiumtsüaanamiid võiks olla hea väetis, sisuliselt selle aine tootmist. Fikseeritud lämmastikutööstuse kasvu on soodustanud odava elektri kättesaadavus. Kõige lootustandvam meetod õhulämmastiku fikseerimiseks 19. sajandi lõpus. peeti kaareks, kasutades elektrilahendust. Varsti pärast Niagara elektrijaama ehitamist käivitasid ameeriklased selle läheduses (1902. aastal) esimese kaarejaama. Kolm aastat hiljem hakkas Norras tööle teoreetiku ja virmaliste uurimise spetsialisti H. Birkelandi ning praktilise inseneri S. Eide välja töötatud kaareinstallatsioon. Seda tüüpi taimed on laialt levinud; Nende toodetud salpeetrit nimetati Norraks. Energiatarve selle protsessi käigus oli aga äärmiselt suur ja ulatus kuni 70 tuhat kilovatti/tunnis seotud lämmastiku tonni kohta ning ainult 3% sellest energiast kasutati otse fikseerimiseks.

Läbi ammoniaagi

Eespool loetletud lämmastiku sidumise meetodid olid vaid lähenemised meetodile, mis ilmus vahetult enne Esimest maailmasõda. Just tema kohta märkis Ameerika teaduse populariseerija E. Slosson väga vaimukalt: „Alati on räägitud, et inglased domineerivad merel, prantslased aga maismaal, sakslastel on aga jäänud vaid õhk. Tundus, et sakslased võtsid seda nalja tõsiselt ja hakkasid õhukuningriiki kasutama brittide ja prantslaste ründamiseks... Keiseril... oli terve laevastik tsepeliine ja lämmastiku sidumise meetod, mida ükski teine ​​rahvas ei teadnud. . Tsepeliinid lõhkesid nagu õhukotid, kuid lämmastikku siduvad tehased jätkasid tööd ja muutsid Saksamaa Tšiilist sõltumatuks mitte ainult sõja ajal, vaid ka rahuajal „... Räägime ammoniaagi sünteesist – põhiprotsessist tänapäevasest fikseeritud lämmastikutööstusest.

Slossonil polnud täiesti õigus, kui ta ütles, et lämmastiku ammoniaagiks sidumise meetodit ei tuntud mujal kui Saksamaal. Selle protsessi teoreetilise aluse panid Prantsuse ja Inglise teadlased. 1784. aastal tegi kuulus C. Berthollet kindlaks ammoniaagi koostise ja väljendas ideed selle aine sünteesi- ja lagunemisreaktsioonide keemilisest tasakaalust. Viis aastat hiljem tegi inglane W. Austin esimese katse sünteesida NH 3 lämmastikust ja vesinikust. Ja lõpuks, prantsuse keemik A. Le Chatelier, olles selgelt sõnastanud liikuva tasakaalu põhimõtte, sünteesis esimesena ammoniaaki. Samal ajal kasutas ta kõrgsurvet ja katalüsaatoreid - käsnplaatina ja rauda. 1901. aastal patenteeris Le Chatelier selle meetodi.

Ammoniaagi sünteesi uurimusi tegid sajandi alguses ka E. Perman ja G. Atkins Inglismaal. Need teadlased kasutasid oma katsetes katalüsaatoritena erinevaid metalle, eriti vaske, niklit ja koobaltit...

Kuid Saksamaal oli tõepoolest esimest korda võimalik luua tööstuslikus mastaabis ammoniaagi süntees vesinikust ja lämmastikust. Selle põhjuseks on kuulus keemik Fritz Haber. 1918. aastal pälvis ta Nobeli keemiaauhinna.

Saksa teadlase välja töötatud NH 3 tootmistehnoloogia erines oluliselt teistest tolleaegsetest tööstusharudest. Siin rakendati esmakordselt suletud tsükli põhimõtet pidevalt töötavate seadmete ja energia taaskasutamisega. Ammoniaagi sünteesitehnoloogia lõpliku väljatöötamise viis lõpule Haberi kolleeg ja sõber K. Bosch, kes pälvis 1931. aastal ka Nobeli preemia kõrgel rõhul keemilise sünteesi meetodite väljatöötamise eest.

Mööda loodusteed

Ammoniaagi süntees on muutunud elemendi nr 7 loomuliku fikseerimise teiseks mudeliks. Tuletagem meelde, et mikroorganismid seovad lämmastikku täpselt NH 3 -s. Kõigi Haber-Boschi protsessi eelistega näeb see loomulikuga võrreldes ebatäiuslik ja tülikas välja!

"Atmosfääri lämmastiku bioloogiline fikseerimine... oli omamoodi paradoks, pidev väljakutse keemikutele, omamoodi demonstratsioon meie teadmiste ebapiisavuse kohta." Need sõnad kuuluvad nõukogude keemikutele M.E. Volpin ja A.E. Shilov, kes püüdis kergetes tingimustes molekulaarset lämmastikku fikseerida.

Alguses esines ebaõnnestumisi. Kuid 1964. aastal tehti NSVL Teaduste Akadeemia orgaaniliste elementide ühendite instituudis Volpini laboris avastus: siirdemetalliühendite - titaani, vanaadiumi, kroomi, molübdeeni ja raua - juuresolekul aktiveerub element nr 7. ja normaalsetes tingimustes moodustab kompleksühendeid, mis lagunevad vee toimel ammoniaagiks. Just need metallid toimivad lämmastiku sidumise keskustena lämmastikku siduvates ensüümides ja suurepäraste katalüsaatoritena ammoniaagi tootmisel.

Varsti pärast seda said Kanada teadlased A. Allen ja K. Zenof, uurides hüdrasiini N 2 H 2 reaktsiooni ruteeniumtrikloriidiga, keemilise kompleksi, milles jällegi pehmetes tingimustes seoti lämmastik. See tulemus oli nii vastuolus tavapäraste ideedega, et ajakirja toimetajad, kuhu teadlased saatsid oma artikli sensatsioonilise sõnumiga, keeldusid seda avaldamast. Seejärel õnnestus Nõukogude teadlastel saada kergetes tingimustes lämmastikku sisaldavaid orgaanilisi aineid. Tööstuslikest meetoditest õhulämmastiku pehmeks keemiliseks fikseerimiseks on veel vara rääkida, kuid saavutatud edu võimaldab ennustada eelseisvat revolutsiooni sidumiselemendi nr 7 tehnoloogias.

Kaasaegne teadus ei ole unustanud vanu meetodeid lämmastikuühendite tootmiseks oksiidide kaudu. Siin on põhilised jõupingutused suunatud selliste tehnoloogiliste protsesside väljatöötamisele, mis kiirendavad N 2 molekuli lõhenemist aatomiteks. Lämmastiku oksüdatsiooni kõige lootustandvamateks valdkondadeks peetakse õhu põletamist spetsiaalsetes ahjudes, plasmapõletite kasutamist ja kiirendatud elektronide kiiret nendel eesmärkidel.

Mida karta?

Tänapäeval pole põhjust karta, et inimkonnal lämmastikuühendid kunagi puudu jääks. Elemendi nr 7 tööstuslik fikseerimine edeneb uskumatul kiirusel. Kui 60ndate lõpus oli fikseeritud lämmastiku tootmine maailmas 30 miljonit tonni, siis järgmise sajandi alguseks ulatub see suure tõenäosusega miljardi tonnini!

Sellised õnnestumised ei ole mitte ainult julgustavad, vaid tekitavad ka muret. Fakt on see, et N2 kunstlik fikseerimine ja tohutul hulgal lämmastikku sisaldavate ainete viimine pinnasesse on inimese kõige jämedam ja olulisem sekkumine ainete loomulikku ringlusse. Tänapäeval pole lämmastikväetised mitte ainult viljakust soodustavad ained, vaid ka keskkonna saasteained. Need uhutakse pinnasest välja jõgedesse ja järvedesse, tekitavad veekogudes kahjulikku õitsengut ning kanduvad õhuvooludega pikkade vahemaade taha...

Mineraalväetistes sisalduvast lämmastikust läheb kuni 13% põhjavette. Lämmastikuühendid, eriti nitraadid, on inimestele kahjulikud ja võivad põhjustada mürgistust. Siin on lämmastik teie toitjaks!

Maailma Terviseorganisatsioon (WHO) on võtnud vastu nitraatide maksimaalse lubatud kontsentratsiooni joogivees: 22 mg/l parasvöötme ja 10 mg/l troopilistes piirkondades. NSV Liidus reguleerivad sanitaarnormid nitraatide sisaldust reservuaaride vees “troopiliste” standarditega - mitte rohkem kui 10 mg/l. Selgub, et nitraadid on “kahe teraga mõõk”...

4. oktoobril 1957 sekkus inimkond taas elemendi nr 7 tsüklisse, saates kosmosesse lämmastikuga täidetud “palli” – esimese tehissatelliidi...

Mendelejev lämmastiku kohta

“Kuigi kõige aktiivsem, s.o. meid ümbritseva õhu kõige kergemini ja sageli keemiliselt aktiivsem osa on hapnik, kuid selle suurima massi moodustab nii mahu kui kaalu järgi otsustades lämmastik; nimelt moodustab gaas lämmastik rohkem kui 3/4, kuigi vähem kui 4/5 õhu mahust. Ja kuna lämmastik on hapnikust vaid veidi kergem, moodustab lämmastiku massisisaldus õhus umbes 3/4 selle kogumassist. Olles nii olulises koguses õhu osa, ei oma lämmastik ilmselt atmosfääris erilist rolli, mille keemilise toime määrab eelkõige hapnikusisaldus selles. Kuid õige arusaam lämmastikust saadakse alles siis, kui saame teada, et puhtas hapnikus ei saa loomad kaua elada ja isegi surra ning et õhu lämmastik moodustab, kuigi ainult aeglaselt ja vähehaaval, mitmesuguseid ühendeid, millest mõned mängivad väga oluline roll looduses, eriti organismide elus."

Kus kasutatakse lämmastikku?

Lämmastik on kõigist gaasidest odavaim, tavatingimustes keemiliselt inertne. Seda kasutatakse laialdaselt keemiatehnoloogias mitteoksüdeeriva keskkonna loomiseks. Laborites hoitakse kergesti oksüdeeruvaid ühendeid lämmastiku atmosfääris. Silmapaistvad värvimistööd on mõnikord (hoius või transportimise ajal) paigutatud suletud lämmastikuga täidetud karpidesse, et kaitsta värve niiskuse ja õhu keemiliselt aktiivsete komponentide eest.

Lämmastiku roll metallurgias ja metallitöötlemises on märkimisväärne. Erinevad sulas olekus metallid reageerivad lämmastiku olemasolule erinevalt. Näiteks vask on lämmastiku suhtes absoluutselt inertne, seetõttu keevitatakse vasktooted sageli selle gaasi voolus. Magneesium, vastupidi, tekitab õhus põletamisel ühendeid mitte ainult hapniku, vaid ka lämmastikuga. Seega ei saa kõrgel temperatuuril magneesiumitoodetega töötamiseks kasutada lämmastikukeskkonda. Titaanpinna lämmastikuga küllastumine annab metallile suurema tugevuse ja kulumiskindluse - sellele tekib väga tugev ja keemiliselt inertne titaannitriid. See reaktsioon toimub ainult kõrgetel temperatuuridel.

Tavatemperatuuril reageerib lämmastik aktiivselt ainult ühe metalliga – liitiumiga.

Suurim kogus lämmastikku kasutatakse ammoniaagi tootmiseks.

Lämmastiku narkoos

Laialt levinud arvamus lämmastiku füsioloogilise inertsuse kohta ei ole täiesti õige. Lämmastik on normaalsetes tingimustes füsioloogiliselt inertne.

Suurenenud rõhu korral, näiteks sukeldumisel, suureneb lahustunud lämmastiku kontsentratsioon keha valkudes ja eriti rasvkudedes. See viib nn lämmastiku narkoosini. Tundub, et tuuker hakkab purju jääma: liigutuste koordineerimine on häiritud, teadvus hägune. Teadlased veendusid lõpuks, et selle põhjuseks oli lämmastik, pärast katseid, kus tavalise õhu asemel toodi sukelduja skafandrisse helio-hapniku segu. Samal ajal kadusid ka anesteesia sümptomid.

Kosmose ammoniaak

Päikesesüsteemi suured planeedid Saturn ja Jupiter on astronoomide hinnangul osaliselt valmistatud tahkest ammoniaagist. Ammoniaak külmub –78°C juures ja näiteks Jupiteri pinnal on keskmine temperatuur 138°C.

Ammoniaak ja ammoonium

Lämmastiku suures perekonnas on kummaline ühend - ammoonium NH 4. Vabal kujul seda kusagil ei leidu, kuid soolades mängib see leelismetalli rolli. Nime "ammoonium" pakkus 1808. aastal välja kuulus inglise keemik Humphry Davy. Ladinakeelne sõna ammoonium tähendas kunagi: ammooniumi soola. Ammoniaak on piirkond Liibüas. Seal asus Egiptuse jumala Ammoni tempel, kelle järgi kogu piirkonda kutsuti. Ammoniaagis on ammooniumisoolasid (peamiselt ammoniaaki) ammu saadud kaamelisõnniku põletamisel. Kui soolad lagunesid, tekkis gaas, mida nüüd nimetatakse ammoniaagiks.

Alates 1787. aastast (samal aastal, mil võeti kasutusele termin "lämmastik") andis keemilise nomenklatuuri komisjon sellele gaasile nimetuse ammoniaak (ammoniaak). Vene keemik Ya.D. Zahharovi arvates oli see nimi liiga pikk ja 1801. aastal jättis ta sellest kaks tähte välja. Nii tekkis ammoniaak.

Naerugaas

Viiest lämmastikoksiidist on kaks – oksiid (NO) ja dioksiid (NO 2) – leidnud laialdast tööstuslikku kasutust. Ülejäänud kahte – dilämmastikanhüdriidi (N 2 O 3) ja lämmastikanhüdriidi (N 2 O 5) – laborites sageli ei leidu. Viies on dilämmastikoksiid (N 2 O). Sellel on väga ainulaadne füsioloogiline toime, mille tõttu nimetatakse seda sageli naerugaasiks.

Silmapaistev inglise keemik Humphry Davy kasutas seda gaasi eriseansside korraldamiseks. Nii kirjeldas üks Davy kaasaegne dilämmastikoksiidi mõju: "Mõned härrad hüppasid laudadele ja toolidele, teistel lasid keeled lahti ja teised näitasid üles äärmist kalduvust kaklema."

Swift naeris asjata

Silmapaistev satiirik Jonathan Swift pilkas meelsasti kaasaegse teaduse steriilsust. Gulliveri reisides on Lagado Akadeemia kirjelduses järgmine lõik: „Tema käsutuses oli kaks suurt tuba, mis olid täis kõige hämmastavamaid kurioosumeid; tema juhtimisel töötas viiskümmend abilist. Mõned kondenseerisid õhu kuivaks, tihedaks aineks, eraldades sellest soola..."

Nüüd on õhust saadav salpeet täiesti reaalne asi. Ammooniumnitraat NH 4 NO 3 on tegelikult valmistatud õhust ja veest.

Bakterid seovad lämmastikku

Idee, et mõned mikroorganismid suudavad õhust lämmastikku siduda, väljendas esmakordselt vene füüsik P. Kossovitš. Vene biokeemik S.N. Winogradsky oli esimene, kellel õnnestus mullast eraldada ühte tüüpi bakterid, mis fikseerivad lämmastikku.

Taimed on valivad

Dmitri Nikolajevitš Prjanišnikov leidis, et taim, kui tal on võimalus valida, eelistab ammoniaaklämmastikku nitraatlämmastikule. (Nitraadid on lämmastikhappe soolad).

Oluline oksüdeerija

Lämmastikhape HNO 3 on üks olulisemaid keemiatööstuses kasutatavaid oksüdeerivaid aineid. Üks 17. sajandi suurimaid keemikuid oli esimene, kes valmistas selle väävelhappega soolapeetriga. Johann Rudolf Glauber.

Nüüd lämmastikhappe abil toodetavate ühendite hulgas on palju hädavajalikke aineid: väetised, värvained, polümeersed materjalid, lõhkeained.

Kahekordne roll

Mõned agrokeemias kasutatavad lämmastikku sisaldavad ühendid täidavad kahesuguseid funktsioone. Näiteks kaltsiumtsüaanamiidi kasutavad puuvillakasvatajad defoliantina – ainet, mis põhjustab lehtede langemist enne koristamist. Kuid see ühend toimib ka väetisena.

Lämmastik pestitsiidides

Kõik lämmastikku sisaldavad ained ei aita kaasa ühegi taime arengule. Fenoksüäädik- ja triklorofenoksüäädikhappe amiinisoolad on herbitsiidid. Esimene pärsib umbrohtude kasvu teraviljapõldudel, teist kasutatakse põllumaa puhastamiseks - see hävitab väikesed puud ja põõsad.

Polümeerid: bioloogilistest anorgaanilisteni

Lämmastikuaatomid on osa paljudest looduslikest ja sünteetilistest polümeeridest – valgust nailonini. Lisaks on lämmastik süsinikuvabade anorgaaniliste polümeeride kõige olulisem element. Anorgaanilise kummi – polüfosfonitriilkloriidi – molekulid on suletud tsüklid, mis koosnevad vahelduvatest lämmastiku- ja fosforiaatomitest, mida ümbritsevad klooriioonid. Anorgaaniliste polümeeride hulka kuuluvad ka mõnede metallide nitriidid, sealhulgas kõige kõvema aine, borasoon.

LÄMMAStik, N (lad. Nitrogenium * a. lämmastik; n. Stickstoff; f. asoot, lämmastik; i. lämmastik), on Mendelejevi perioodilisuse süsteemi V rühma keemiline element, aatomnumber 7, aatommass 14,0067. Avastas 1772. aastal inglise maadeavastaja D. Rutherford.

Lämmastiku omadused

Normaaltingimustes on lämmastik värvitu ja lõhnatu gaas. Looduslik lämmastik koosneb kahest stabiilsest isotoobist: 14 N (99,635%) ja 15 N (0,365%). Lämmastiku molekul on kaheaatomiline; aatomid on omavahel ühendatud kovalentse kolmiksidemega NN. Lämmastiku molekuli läbimõõt, mis on määratud erinevate meetoditega, on 3,15-3,53 A. Lämmastiku molekul on väga stabiilne - dissotsiatsioonienergia on 942,9 kJ/mol.

Molekulaarne lämmastik

Molekulaarsed lämmastikukonstandid: f sulamistemperatuur - 209,86 °C, f keemistemperatuur - 195,8 °C; Gaasilise lämmastiku tihedus on 1,25 kg/m3, vedela lämmastiku tihedus - 808 kg/m3.

Lämmastiku omadused

Tahkes olekus on lämmastik kahes modifikatsioonis: kuubikujuline a-vorm tihedusega 1026,5 kg/m3 ja kuusnurkne b-vorm tihedusega 879,2 kg/m3. Sulamissoojus 25,5 kJ/kg, aurustumissoojus 200 kJ/kg. Vedela lämmastiku pindpinevus kokkupuutel õhuga 8,5,10 -3 N/m; dielektriline konstant 1,000538. Lämmastiku lahustuvus vees (cm 3 100 ml H 2 O kohta): 2,33 (0 °C), 1,42 (25 °C) ja 1,32 (60 °C). Lämmastikuaatomi välimine elektronkiht koosneb 5 elektronist. Lämmastiku oksüdatsiooniaste varieerub vahemikus 5 (N 2 O 5) kuni -3 (NH 3).

Lämmastikuühend

Normaaltingimustes võib lämmastik reageerida siirdemetalliühenditega (Ti, V, Mo jne), moodustades komplekse või redutseerides ammoniaagiks ja hüdrasiiniks. Lämmastik interakteerub aktiivsete metallidega, näiteks kuumutamisel suhteliselt madalale temperatuurile. Lämmastik reageerib enamiku teiste elementidega kõrgel temperatuuril ja katalüsaatorite juuresolekul. Lämmastikuühendid, mis sisaldavad: N 2 O, NO, N 2 O 5, on hästi uuritud. Lämmastik ühineb C-ga ainult kõrgetel temperatuuridel ja katalüsaatorite juuresolekul; see tekitab ammoniaaki NH 3 . Lämmastik ei interakteeru otseselt halogeenidega; seetõttu saadakse kõik lämmastikhalogeniidid ainult kaudselt, näiteks lämmastikfluoriid NF 3 - interaktsioonil ammoniaagiga. Ka lämmastik ei ühine otseselt väävliga. Kuuma vee reageerimisel lämmastikuga moodustub tsüanogeen (CN) 2. Tavalise lämmastiku kokkupuutel elektrilahendusega, samuti elektrilahenduse ajal õhus võib tekkida aktiivne lämmastik, mis on suurenenud energiavaruga lämmastiku molekulide ja aatomite segu. Aktiivne lämmastik interakteerub väga energiliselt hapniku, vesiniku, auru ja mõnede metallidega.

Lämmastik on üks levinumaid elemente Maal ja suurem osa sellest (umbes 4,10 15 tonni) on koondunud vabas olekus. Igal aastal paiskab vulkaaniline tegevus atmosfääri 2,10 6 tonni lämmastikku. Väike osa lämmastikust on kontsentreeritud (keskmine sisaldus litosfääris 1,9,10 -3%). Looduslikud lämmastikuühendid on ammooniumkloriid ja mitmesugused nitraadid (soolpeeter). Lämmastiknitriidid võivad tekkida ainult kõrgel temperatuuril ja rõhul, mis näib olevat nii olnud ka Maa arengu varases staadiumis. Salpeetri suuri kogumeid leidub ainult kuivas kõrbekliimas (jne). Väikeses koguses fikseeritud lämmastikku leidub (1-2,5%) ja (0,02-1,5%), samuti jõgede, merede ja ookeanide vetes. Lämmastik koguneb muldadesse (0,1%) ja elusorganismidesse (0,3%). Lämmastik on osa valgumolekulidest ja paljudest looduslikest orgaanilistest ühenditest.

Lämmastiku tsükkel looduses

Looduses eksisteerib lämmastiku tsükkel, mis hõlmab molekulaarse õhulämmastiku tsüklit biosfääris, keemiliselt seotud lämmastiku tsüklit atmosfääris, orgaanilise ainega mattunud pinnalämmastiku tsüklit litosfääris ja selle tagasipöördumist atmosfääri. . Tööstuse jaoks mõeldud lämmastikku ammutati varem täielikult looduslikest soolamaardlatest, mille arv on maailmas väga piiratud. Eriti suuri lämmastikuvarusid naatriumnitraadi kujul leidub Tšiilis; Salpeetri toodang ulatus mõnel aastal üle 3 miljoni tonni.

Lämmastik

Lämmastik- D.I Mendelejevi keemiliste elementide perioodilise süsteemi teise perioodi viienda rühma põhirühma element, mille aatomnumber on 7. Tähistatakse sümboliga N (lat. Nitrogenium). Lihtne aine lämmastik - kaheaatomiline gaas, mis on tavatingimustes üsna inertne, ilma värvi, maitse ja lõhnata (valem N2), millest kolmveerand maakera atmosfäärist koosneb.

Erinevad inimesed "avastasid" selle mitu korda. Seda nimetati erinevalt, omistades peaaegu müstilisi omadusi - "flogisteeritud õhk" ja "mefiitne õhk" ja "atmosfäärimofett" ja lihtsalt "lämmatav aine". Seni on sellel mitu nimetust: inglise lämmastik, prantsuse Azote, saksa Stickstoff, vene "lämmastik"...

"Rikitud õhu" ajalugu

Lämmastik(kreeka sõnast azoos - elutu, ladina keeles Nitrogenium) - neljas kõige levinum element päikesesüsteemis (pärast vesinik , heelium Ja hapnikku ). Lämmastikuühendid – salpeetrit, lämmastikhapet, ammoniaaki – tunti ammu enne, kui lämmastikku vabas olekus saadi.

1777. aastal lasi Henry Cavendish korduvalt õhku üle kuuma kivisöe ja seejärel töötles seda leelisega. Tulemuseks oli jääk, mida Cavendish nimetas lämmatavaks (või mefiitseks) õhuks. Kaasaegse keemia seisukohast on selge, et reaktsioonis kuuma kivisöega seostus õhuhapnik süsinikdioksiidiks, mis seejärel reageeris leelisega. Ülejäänud gaas oli peamiselt lämmastik. Nii eraldas Cavendish lämmastiku, kuid ei saanud aru, et tegemist on uue lihtsa ainega (keemilise elemendiga).

Samal aastal teatas Cavendish sellest kogemusest Joseph Priestleyle. Priestley viis sel ajal läbi rea katseid, milles ta sidus ka õhuhapnikku ja eemaldas tekkiva süsihappegaasi, st sai ka lämmastikku, kuid olles tol ajal domineeriva flogistoni teooria pooldaja, tõlgendas ta täiesti valesti. saadud tulemused (tema arvates oli protsess vastupidine - gaasisegust ei eemaldatud hapnikku, vaid vastupidi, põletamise tulemusena oli õhk küllastunud flogistoniga; järelejäänud õhku nimetas ta () lämmastik) küllastunud flogistoon, st flogisteeritud).

On ilmne, et Priestley, kuigi ta suutis lämmastikku eraldada, ei mõistnud oma avastuse olemust ja seetõttu ei peeta teda lämmastiku avastajaks. Samal ajal viis sama tulemusega sarnaseid katseid läbi Karl Scheele.

Juba enne seda aega, 1772. aastal, nägi Daniel Rutherford, põletades klaasist kellas fosforit ja muid aineid, et pärast põlemist järele jäänud gaas, mida ta nimetas “lämbutavaks õhuks”, ei toeta hingamist ja põlemist. Alles 1787. aastal tegi Antoine Lavoisier kindlaks, et õhku moodustavad "elutähtsad" ja "lämmatavad" gaasid on lihtsad ained, ning pakkus välja nimetuse "lämmastik".

Varem, 1784. aastal, näitas G. Cavendish, et lämmastik on osa nitraadist; Siit pärineb lämmastiku ladinakeelne nimetus (hilisladina keelest nitrum – salpeetrit ja kreeka sõnast genna – sünnitan, tootan). 19. sajandi alguseks. Selgitati lämmastiku keemilist inertsust vabas olekus ja selle ainuosalist rolli muude elementidega ühendites seotud lämmastikuna.

"Mitteelu säilitamine" on ülioluline

Kuigi pealkiri " lämmastik " tähendab "elu mittesäilitavat", tegelikult on see eluks vajalik element. Loomade ja inimeste valk sisaldab 16-17% lämmastikku. Lihasööjate organismides moodustub valk tänu tarbitud valguainetele, mis esinevad taimtoiduliste loomade organismides ja taimedes. Taimed sünteesivad valke, assimileerides mullas sisalduvaid, peamiselt anorgaanilisi lämmastikku sisaldavaid aineid. Märkimisväärne kogus lämmastikku satub mulda tänu lämmastikku siduvatele mikroorganismidele, mis on võimelised muutma õhust vaba lämmastiku lämmastikuühenditeks. Taimede poolt mullast tohutul hulgal fikseeritud lämmastiku ekstraheerimisel (eriti intensiivviljelusel) mullad kurnavad.

Lämmastikupuudus on põllumajandusele tüüpiline peaaegu kõigis riikides. Lämmastikupuudust täheldatakse ka loomakasvatuses (“valgunälg”). Lämmastikuvaestel muldadel arenevad taimed halvasti. Eelmisel sajandil avastati loodusest küllaltki rikkalik fikseeritud lämmastiku allikas. See on Tšiili nitraat, lämmastikhappe naatriumsool. Pikka aega oli nitraat tööstuse peamine lämmastiku tarnija. Selle maardla Lõuna-Ameerikas on ainulaadne, praktiliselt ainus maailmas. Ja pole üllatav, et 1879. aastal puhkes Peruu, Boliivia ja Tšiili vahel sõda rikka salpetri piiriprovintsi Tarapaca valduse pärast. Võitjaks tuli Tšiili. Kuid Tšiili maardla ei suutnud mõistagi rahuldada maailma nõudlust lämmastikväetiste järele.

Planeedi "lämmastikunälg".

Maa atmosfäär sisaldab peaaegu 80% lämmastikku, maakoor aga ainult 0,04%. Probleem “kuidas kinnistada lämmastikku” on vana, sama vana kui agrokeemia. Võimalust siduda õhus olevat lämmastikku hapnikuga elektrilahenduses nägi esmakordselt inglane Henry Cavendish. See oli 18. sajandil. Kuid lämmastikoksiidide kontrollitud sünteesi protsess viidi läbi alles 1904. aastal. 1913. aastal pakkusid sakslased Fritz Haber ja Carl Bosch välja ammoniaagi meetodi lämmastiku sidumiseks. Nüüd toodavad seda põhimõtet kasutades sajad tehased kõikidel mandritel õhust rohkem kui 20 miljonit tonni fikseeritud lämmastikku aastas. Kolmveerand sellest läheb lämmastikväetiste tootmiseks. Maakera haritavatel aladel on lämmastikupuudus aga üle 80 miljoni tonni aastas. Maal ei ole ilmselgelt piisavalt lämmastikku. Suurem osa tekkivast vabast lämmastikust kasutatakse ammoniaagi tööstuslikuks tootmiseks, mis seejärel töödeldakse märkimisväärses koguses lämmastikhappeks, väetisteks, lõhkeaineteks jne.

Lämmastiku kasutamine

Tasuta lämmastik kasutatakse paljudes tööstusharudes: inertse keskkonnana erinevates keemilistes ja metallurgilistes protsessides, vaba ruumi täitmiseks elavhõbedatermomeetrites, tuleohtlike vedelike pumpamisel jne.

Vedel lämmastik kasutatakse jahutusvedelikuna ja krüoteraapias. Lämmastikgaasi tööstuslikud rakendused tulenevad selle inertstest omadustest. Gaasiline lämmastik on tule- ja plahvatuskindel, takistab oksüdeerumist ja mädanemist.

IN naftakeemia lämmastik kasutatakse mahutite ja torustike puhastamiseks, surve all olevate torustike töö kontrollimiseks, põldude toodangu suurendamiseks. Kaevandamisel lämmastik saab kasutada kaevandustes plahvatuskindla keskkonna loomiseks ja kivimikihtide laiendamiseks.

IN elektroonika tootmine lämmastik kasutatakse nende piirkondade puhastamiseks, mis ei võimalda oksüdeerivat hapnikku. Kui traditsiooniliselt õhuga läbi viidud protsessis on oksüdatsioon või mädanemine negatiivsed tegurid - lämmastik suudab edukalt õhku asendada.

Oluline rakendusvaldkond lämmastik on tema kasutada edasiseks sünteesiks laias valikus ühendeid, mis sisaldavad lämmastik , nagu ammoniaak, lämmastikväetised, lõhkeained, värvained jne. Suured kogused lämmastik kasutatakse koksi tootmisel ("koksi kuivkarastus") koksi mahalaadimisel koksi akudest, samuti kütuse "pressimiseks" rakettides tankidest pumpadesse või mootoritesse.

Valed arusaamad: lämmastik pole jõuluvana

IN Toidutööstus lämmastik registreeritud toidu lisaainena E941, gaasilise keskkonnana pakendamiseks ja säilitamiseks, külmutusagens. Vedelik lämmastik Sageli demonstreeritakse seda filmides kui ainena, mis suudab üsna suured objektid koheselt külmutada. See on levinud viga. Isegi lille külmutamine nõuab üsna pikka aega, mis on osaliselt tingitud väga madalast soojusmahtuvusest lämmastik .

Samal põhjusel on väga raske jahutada näiteks lukke –180 °C-ni ja neid ühe hoobiga poolitada. Liiter vedelikku lämmastik , aurustades ja kuumutades kuni 20 °C, moodustab ligikaudu 700 liitrit gaasi. Sel põhjusel ei tohiks te seda säilitada lämmastik suletud anumates, mis ei sobi kõrge rõhu jaoks. Tulekahju vedelikuga kustutamise põhimõte põhineb samal faktil. lämmastik . Aurustumine lämmastik tõrjub põlemiseks vajaliku õhu välja ja tuli lakkab.

Sest lämmastik , erinevalt veest, vahust või pulbrist lihtsalt aurustub ja kaob, lämmastikkustutus on väärtuslike asjade säilitamise seisukohalt tõhusaim tulekustutusmehhanism. Külmutav vedelik lämmastik elusolendid koos võimalusega neid hiljem sulatada on problemaatiline. Probleemiks on suutmatus olendit piisavalt kiiresti külmutada (ja lahti külmutada), et külmumise ebahomogeensus ei mõjutaks tema elutähtsaid funktsioone. Stanislav Lem, kes fantaseeris sellel teemal raamatus “Fiasco”, tuli välja hädakülmutamissüsteemiga lämmastik , milles astronaudi suhu torgati hambaid välja lööv lämmastikuvoolik ja tema sisse voolas ohtralt voolu lämmastik .

Nagu eelnevalt mainitud, lämmastik vedelad ja gaasilised saadakse atmosfääriõhust sügavjahutuse teel.

Gaasilise lämmastiku kvaliteedinäitajad GOST 9293-74

Indikaatori nimi	Eriline	Suurenenud	Suurenenud
	2. klass	1. klass	2. klass
Lämmastiku mahuosa, mitte vähem	99,996	99,99	99,95
Hapnik, mitte enam	0,001	0,001	0,05
Veeaur lämmastikgaasis, mitte enam	0,0007	0,0015	0,004
Vesinik, mitte enam	0,001	Ei ole standardiseeritud	Ei ole standardiseeritud
Süsinikku sisaldavate ühendite summa CH 4-na, mitte rohkem	0,001	Ei ole standardiseeritud