Nitrogen (maklumat am)
Nitrogen
maklumat ringkas
Nitrogen ialah unsur kumpulan ke-15 tempoh kedua jadual berkala unsur kimia Mendeleev D.I., dengan nombor atom 7.
Maklumat am tentang nitrogen
Nitrogen adalah gas yang paling biasa di atmosfera Bumi. Dalam erti kata lain, tiga perempat daripada udara di sekeliling kita terdiri daripada nitrogen, bukan oksigen. Dalam jadual unsur kimia berkala Mendeleev, nitrogen ditetapkan dengan simbol N (dari bahasa Latin Nitrogenium), mempunyai nombor atom 7 dan menduduki tempat dalam kumpulan ke-15. Di bawah keadaan biasa, nitrogen ialah gas diatomik dan sangat lengai. Ia tidak mempunyai warna, rasa atau bau, oleh itu, ia tidak dapat dilihat oleh manusia. Formula gas nitrogen N2; Dalam keadaan molekul inilah ia memenuhi tiga perempat daripada atmosfera planet kita.
Sejarah penemuan
Pada akhir abad ke-18, beberapa saintis hampir dengan penemuan unsur kimia baru, yang sifatnya belum dipelajari oleh sains. Oleh itu, Henry Cavendish pada tahun 1772 menjalankan eksperimen berikut: dia berulang kali melewati udara ke atas arang panas, merawat arang batu dengan larutan alkali, dan akhirnya memperoleh baki bahan baru. Ahli kimia memanggil sisa ini "udara yang menyesakkan." Cavendish sebenarnya menerima nitrogen, unsur kimia baru, tetapi dia tidak dapat meneka tentangnya. Pada tahun yang sama, rakan Cavendish, Profesor Priestley meneruskan eksperimen untuk menghasilkan "udara yang menyesakkan". Dia juga berulang kali memperoleh nitrogen semasa eksperimennya, tetapi tersilap mengandaikan bahawa gas ini adalah oksigen. Oleh itu, kedua-dua saintis itu tidak dianggap sebagai penemu nitrogen.
Selari dengan eksperimen ini, Daniel Rutherford menjalankan eksperimennya sendiri pada tahun 1772 yang sama. Dialah yang menerangkan dengan betul sifat asas nitrogen dalam tesis sarjananya. Khususnya, hakikat bahawa ia tidak sesuai untuk bernafas, tidak bertindak balas dengan alkali dan tidak menyokong proses pembakaran. Selalunya, Rutherford dipanggil penemu nitrogen.
Sifat nitrogen
Sifat fizikal nitrogen dalam keadaan normal mencirikannya sebagai gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak dapat dilihat oleh deria manusia. Nitrogen sedikit larut dalam air dan mempunyai ketumpatan 1.2506 kg/m 3 . Dalam keadaan cecair, nitrogen ialah cecair tidak berwarna dan mudah alih, secara visual serupa dengan air. Ia mendidih pada suhu -195.8 °C. Ketumpatan nitrogen cecair dikurangkan kepada 808 kg/m3. Pada -209.86 °C, nitrogen memasuki keadaan pepejal pengagregatan, mengambil bentuk kristal putih terang bersaiz besar.
Keadaan bebas nitrogen ialah molekul N2 diatomik dengan ikatan tiga kali ganda antara molekul. Ikatan ini menjadikan molekul nitrogen sangat kuat, dan dalam keadaan normal hampir tidak ada penceraian molekul. Akibatnya, nitrogen adalah gas yang sangat lengai: ia boleh dikatakan tidak memasuki tindak balas kimia dengan bahan lain dan dalam keadaan normal berada dalam keadaan bebas. Daya interaksi antara molekul sangat lemah, itulah sebabnya dalam keadaan normal nitrogen adalah gas dan bukan cecair atau pepejal.
Fakta menarik tentang nitrogen
Nama nitrogen, yang bermaksud "dilucutkan nyawa," muncul dengan tangan ringan Antoine Lavoisier pada penghujung abad ke-18, apabila secara eksperimen ditubuhkan bahawa nitrogen tidak dapat menyokong pernafasan dan pembakaran. Sekarang kita tahu bahawa, walaupun "tidak bernyawa" namanya, nitrogen sangat penting untuk mengekalkan kehidupan semua makhluk. Nama Latin untuk nitrogen "nitrogenium" diterjemahkan sebagai "pemberi garam" dan mengimbas kembali kepentingan kritikal unsur ini untuk industri.
Semua organisma hidup tidak boleh menyerap nitrogen dalam bentuk tulennya. Kami menyerap jumlah yang diperlukan melalui makanan protein. Apabila seseorang bernafas, dia menyedut nitrogen yang terkandung dalam udara. Ia tidak diserap oleh paru-paru dalam apa-apa cara (tidak seperti oksigen), jadi pernafasan kita terutamanya mengandungi nitrogen. Yang menghairankan, justru kelimpahan nitrogen di atmosfera yang membantu kita tidak menggunakan oksigen dalam kuantiti yang boleh membawa maut kepada tubuh manusia.
Cerita biasa dalam fiksyen sains adalah tentang membekukan hidupan dengan nitrogen untuk memeliharanya untuk generasi akan datang. Pada hakikatnya, saintis moden tidak boleh melakukan ini, kerana pembekuan dengan nitrogen cecair berlaku perlahan-lahan, dan badan mati sebelum ia mempunyai masa untuk membekukan "dengan betul."
Penggunaan nitrogen
Penggunaan nitrogen dalam pengeluaran perindustrian ditentukan oleh sifat lengainya yang tinggi. Nitrogen cecair digunakan sebagai penyejuk industri. Nitrogen dalam keadaan gas digunakan sebagai antioksidan. Oleh kerana nitrogen gas tulen boleh menggantikan udara (yang mengandungi oksigen sebagai agen pengoksida), rongga dibersihkan dengan nitrogen dalam industri elektrik dan dalam kejuruteraan mekanikal seperti itu. Ia digunakan untuk membersihkan tangki dan saluran paip dan mengawal operasinya pada tekanan tinggi di dalam tangki.
Nitrogen ialah bahan mentah untuk sintesis sebatian penting yang mengandungi nitrogen. Ini termasuk baja nitrogen, yang, bersama-sama dengan baja fosforus dan kalium, sangat diperlukan dalam pengeluaran tanaman. Nitrogen adalah komponen ammonia, yang digunakan dalam peralatan penyejukan, sebagai pelarut industri, dalam perubatan, dan secara amnya merupakan bahan mentah kimia yang penting. Pengeluaran kebanyakan bahan letupan di planet ini adalah berdasarkan sifat kimia oksigen dan nitrogen.
Nitrogen juga boleh didapati dalam industri makanan sebagai bahan tambahan makanan E941. Gas nitrogen diperlukan untuk mengisi tiub tayar untuk gear pendaratan pesawat. Ia kini menjadi bergaya untuk mengisi tayar dengan nitrogen di kalangan peminat kereta, walaupun bukti saintifik tentang keberkesanan penggunaan sedemikian masih belum disediakan. Nitrogen dan gas lain telah menemui aplikasi yang meluas dalam bidang perubatan: dalam penciptaan ubat dan teknik baru, dan dalam pembuatan peralatan perubatan berketepatan tinggi.
Pembekal gas terkemuka di Ukraine hari ini ialah syarikat DP Air Gas.
Nitrogen ialah unsur kimia, nombor atom 7, jisim atom 14.0067. Di udara, nitrogen bebas (dalam bentuk molekul N 2) ialah 78.09%. Nitrogen lebih ringan sedikit daripada udara, ketumpatan 1.2506 kg/m 3 pada suhu sifar dan tekanan normal. Takat didih -195.8°C. Suhu kritikal ialah -147°C dan tekanan kritikal ialah 3.39 MPa. Nitrogen ialah gas tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, tidak toksik, tidak mudah terbakar, tidak meletup dan tidak mudah terbakar dalam keadaan gas pada suhu biasa dan sangat lengai. Formula kimia - N. Dalam keadaan biasa, molekul nitrogen adalah diatomik - N 2.
Pengeluaran nitrogen pada skala perindustrian adalah berdasarkan mendapatkannya dari udara (lihat).
Masih terdapat perdebatan tentang siapa penemu nitrogen. Pada tahun 1772, seorang doktor Scotland Daniel Rutherford(Daniel Rutherford) melalui udara melalui arang panas, dan kemudian melalui larutan alkali berair, menghasilkan gas yang dipanggilnya "gas beracun." Ternyata serpihan terbakar yang dibawa ke dalam kapal yang diisi dengan nitrogen keluar, dan makhluk hidup dengan cepat mati dalam atmosfera gas ini.
Pada masa yang sama, semasa menjalankan eksperimen yang sama, seorang ahli fizik British memperoleh nitrogen Henry Cavendshin(Henry Cavendish) memanggilnya "udara tercekik", naturalis British Joseph Priestley(Joseph Priestley) memberikannya nama "udara dephlogisticated", seorang ahli kimia Sweden Karl Wilhelm Scheele(Carl Wilhelm Scheele) - "udara rosak."
Nama akhir "nitrogen" diberikan kepada gas ini oleh seorang saintis Perancis Antoine Laurent Lavoisier(Antoine Laurent de Lavoisier). Perkataan "nitrogen" berasal dari bahasa Yunani dan bermaksud "tidak bernyawa".
Soalan logik timbul: "Jika nitrogen terbentuk, apakah gunanya menggunakannya untuk mengimpal keluli tahan karat yang mengandungi unsur pembentuk karbida?"
Masalahnya ialah walaupun kandungan nitrogen yang agak kecil meningkatkan kuasa haba arka. Kerana ciri ini, nitrogen paling kerap digunakan bukan untuk kimpalan, tetapi untuk pemotongan plasma.
Nitrogen ialah gas bukan toksik, tetapi boleh bertindak sebagai asphyxiant mudah (gas asphyxiant). Asphyxiation berlaku apabila paras nitrogen di udara mengurangkan paras oksigen kepada 75% atau di bawah kepekatan normal.
Mereka membebaskan nitrogen dalam bentuk gas dan cecair. Untuk kimpalan dan pemotongan plasma menggunakan gas nitrogen Gred pertama (99.6% nitrogen) dan ke-2 (99.0% nitrogen).
Ia disimpan dan diangkut dalam keadaan termampat dalam silinder keluli. Silinder dicat hitam dengan tulisan "NITROGEN" dalam huruf kuning di bahagian atas silinder.
Semua orang tahu: nitrogen adalah lengai. Kami sering mengadu tentang unsur No. 7 untuk ini, yang semula jadi: kami perlu membayar harga yang terlalu tinggi untuk inersia relatifnya; terlalu banyak tenaga, usaha dan wang perlu dibelanjakan untuk menukarnya menjadi sebatian penting.
Tetapi, sebaliknya, jika nitrogen tidak begitu lengai, tindak balas nitrogen dengan oksigen akan berlaku di atmosfera, dan kehidupan di planet kita dalam bentuk di mana ia wujud akan menjadi mustahil. Tumbuhan, haiwan, anda dan saya benar-benar akan tercekik dalam aliran oksida dan asid yang tidak boleh diterima oleh kehidupan. Dan "untuk semua itu," kami berusaha untuk menukar sebanyak mungkin nitrogen atmosfera kepada oksida dan asid nitrik. Ini adalah salah satu paradoks unsur No. 7. (Di sini penulis berisiko dituduh remeh, kerana sifat paradoks nitrogen, atau lebih tepat sifatnya, telah menjadi bualan ramai. Namun...)
Nitrogen adalah unsur yang luar biasa. Kadang-kadang nampaknya semakin kita belajar tentang dia, semakin tidak dapat difahami. Sifat bercanggah unsur No. 7 dicerminkan walaupun dalam namanya, kerana ia mengelirukan ahli kimia yang begitu cemerlang seperti Antoine Laurent Lavoisier. Lavoisierlah yang mencadangkan untuk memanggil nitrogen nitrogen selepas dia bukan yang pertama mahupun yang terakhir mendapatkan dan mengkaji bahagian udara yang tidak menyokong pernafasan dan pembakaran. Menurut Lavoisier, "nitrogen" bermaksud "tidak bernyawa", dan perkataan ini berasal dari bahasa Yunani "a" - negasi dan "zoe" - kehidupan.
Istilah "nitrogen" masih digunakan dalam perbendaharaan kata ahli alkimia, dari mana saintis Perancis meminjamnya. Ia bermaksud "prinsip falsafah" tertentu, sejenis mantra kabalistik. Pakar mengatakan bahawa kunci untuk mentafsir perkataan "nitrogen" adalah frasa terakhir dari Apocalypse: "Saya adalah alfa dan omega, permulaan dan akhir, yang pertama dan yang terakhir..." Pada Zaman Pertengahan, tiga bahasa sangat dihormati: Latin, Yunani dan Ibrani. Dan ahli alkimia membuat perkataan "nitrogen" dari huruf pertama "a" (a, alpha, aleph) dan huruf terakhir: "zet", "omega" dan "tov" dari tiga abjad ini. Oleh itu, perkataan sintetik misteri ini bermaksud "permulaan dan penghujung semua permulaan."
Lavoisier kontemporari dan rakan senegara J. Chaptal, tanpa berlengah lagi, mencadangkan elemen panggilan No. 7 dengan nama Latin-Greek hibrid "nitrogenium", yang bermaksud "mengandung garam." Nitrat adalah garam nitrat, bahan yang diketahui sejak zaman purba. (Kami akan membincangkannya kemudian.) Harus dikatakan bahawa istilah "nitrogen" telah berakar hanya dalam bahasa Rusia dan Perancis. Dalam bahasa Inggeris, unsur No. 7 ialah "Nitrogen", dalam bahasa Jerman - "Stockton" (asphyxiant). Simbol kimia N adalah penghormatan kepada nitrogenium Shaptal.
Siapa yang menemui nitrogen?
Penemuan nitrogen dikaitkan dengan pelajar saintis Scotland yang luar biasa Joseph Black, Daniel Rutherford, yang pada tahun 1772 menerbitkan disertasi "On the so-called fixed and mephitic air." Hitam menjadi terkenal kerana eksperimennya dengan "udara tetap" - karbon dioksida. Dia mendapati bahawa selepas menetapkan karbon dioksida (mengikatnya dengan alkali), beberapa jenis "udara tidak tetap" masih kekal, yang dipanggil "mephitic" - rosak - kerana ia tidak menyokong pembakaran dan pernafasan. Black mencadangkan kajian "udara" ini kepada Rutherford sebagai disertasi.
Sekitar masa yang sama, nitrogen diperolehi oleh K. Scheele, J. Priestley, G. Cavendish, dan yang terakhir, seperti berikut dari rekod makmalnya, mengkaji gas ini sebelum Rutherford, tetapi, seperti biasa, tidak tergesa-gesa untuk menerbitkan hasil kerjanya. Walau bagaimanapun, semua saintis cemerlang ini mempunyai idea yang sangat samar tentang sifat bahan yang mereka temui. Mereka adalah penyokong tegar teori phlogiston dan mengaitkan sifat "udara mephic" dengan bahan khayalan ini. Hanya Lavoisier, yang mengetuai serangan ke atas phlogiston, meyakinkan dirinya sendiri dan meyakinkan orang lain bahawa gas, yang dipanggilnya "tidak bernyawa," adalah bahan mudah, seperti oksigen...
Pemangkin universal?
Seseorang hanya boleh meneka apa maksud "permulaan dan akhir semua permulaan" dalam "nitrogen" alkimia. Tetapi kita boleh bercakap dengan serius tentang salah satu "permulaan" yang dikaitkan dengan unsur No. 7. Nitrogen dan hidupan adalah konsep yang tidak dapat dipisahkan. Sekurang-kurangnya, apabila ahli biologi, ahli kimia, dan ahli astrofizik cuba memahami "permulaan permulaan" kehidupan, mereka pasti menghadapi nitrogen.
Atom unsur kimia duniawi dilahirkan di kedalaman bintang. Dari situlah, dari penerang-penerang malam dan cahaya siang, asal-usul kehidupan duniawi kita bermula. Keadaan ini adalah apa yang difikirkan oleh ahli astrofizik Inggeris W. Fowler apabila dia berkata bahawa "kita semua... adalah zarah debu bintang"...
"Abu" bintang nitrogen timbul dalam rantaian proses termonuklear yang sangat kompleks, peringkat awalnya ialah penukaran hidrogen kepada helium. Ini adalah tindak balas pelbagai langkah, dipercayai berlaku dalam dua cara. Salah satu daripadanya, dipanggil kitaran karbon-nitrogen, berkaitan secara langsung dengan unsur No. 7. Kitaran ini bermula apabila jirim bintang, sebagai tambahan kepada nukleus hidrogen - proton, sudah mengandungi karbon. Nukleus karbon-12, menambah proton lain, bertukar menjadi nukleus nitrogen-13 yang tidak stabil:
12 6 C + 1 1 H → 13 7 N + γ.
Tetapi, setelah mengeluarkan positron, nitrogen sekali lagi menjadi karbon - isotop yang lebih berat 13 C terbentuk:
13 7 N → 13 6 C + e + + γ.
Nukleus sedemikian, setelah menerima proton tambahan, bertukar menjadi nukleus isotop paling biasa di atmosfera bumi - 14 N.
13 6 C + 1 1 H → 14 7 N + γ.
Malangnya, hanya sebahagian daripada nitrogen ini mengelilingi Alam Semesta. Di bawah pengaruh proton, nitrogen-14 bertukar menjadi oksigen-15, yang, seterusnya, memancarkan positron dan kuantum gamma, bertukar menjadi isotop terestrial nitrogen lain - 15 N:
14 7 N + 1 1 H → 15 8 O + γ;
15 8 O → 15 7 N + e + + γ.
Nitrogen terestrial-15 adalah stabil, tetapi ia juga tertakluk kepada pereputan nuklear di bahagian dalam bintang; selepas nukleus 15 N menerima proton lain, bukan sahaja pembentukan oksigen 16 O akan berlaku, tetapi juga tindak balas nuklear lain:
15 7 N + 1 1 H → 12 6 C + 4 2 He.
Dalam rantaian transformasi ini, nitrogen adalah salah satu produk perantaraan. Ahli astrofizik Inggeris terkenal R.J. Theiler menulis: “14 N ialah isotop yang tidak mudah untuk dibina. Nitrogen terbentuk dalam kitaran karbon-nitrogen, dan walaupun ia kemudiannya bertukar kembali menjadi karbon, jika proses itu berterusan, maka terdapat lebih banyak nitrogen dalam bahan daripada karbon. Ini nampaknya merupakan sumber utama 14 N"...
Kitaran karbon-nitrogen yang sederhana kompleks mempamerkan corak yang menarik. Karbon 12C memainkan peranan sejenis pemangkin di dalamnya. Nilailah sendiri, akhirnya tiada perubahan dalam bilangan nukleus 12 C. Nitrogen, yang muncul pada permulaan proses, hilang pada akhirnya... Dan jika karbon dalam kitaran ini adalah pemangkin, maka nitrogen jelas merupakan automangkin. , iaitu hasil tindak balas yang memangkinkan langkah perantaraan selanjutnya.
Ia bukan secara kebetulan bahawa kita mula bercakap di sini tentang sifat pemangkin unsur No. 7. Tetapi adakah nitrogen bintang mengekalkan ciri ini dalam bahan hidup? Pemangkin proses hidup adalah enzim, dan kesemuanya, serta kebanyakan hormon dan vitamin, mengandungi nitrogen.
Nitrogen dalam atmosfera Bumi
Kehidupan berhutang banyak kepada nitrogen, tetapi nitrogen, sekurang-kurangnya nitrogen atmosfera, berhutang asalnya bukan kepada Matahari kerana proses kehidupan. Percanggahan antara kandungan unsur No. 7 dalam litosfera (0.01%) dan di atmosfera (75.6% mengikut jisim atau 78.09% mengikut isipadu) amat ketara. Secara amnya, kita hidup dalam suasana nitrogen yang sederhana diperkaya dengan oksigen.
Sementara itu, nitrogen bebas tidak ditemui sama ada pada planet lain dalam sistem suria, atau dalam komet atau mana-mana objek angkasa sejuk yang lain. Terdapat sebatian dan radikalnya - CN *, NH *, NH * 2, NH * 3, tetapi tidak ada nitrogen. Benar, kira-kira 2% nitrogen direkodkan di atmosfera Venus, tetapi angka ini masih memerlukan pengesahan. Adalah dipercayai bahawa unsur No. 7 tidak terdapat dalam atmosfera utama Bumi. Di manakah ia datang dari udara?
Rupa-rupanya, atmosfera planet kita pada mulanya terdiri daripada bahan meruap yang terbentuk di dalam perut bumi: H 2, H 2 O, CO 2, CH 4, NH 3. Nitrogen bebas, jika ia keluar sebagai hasil daripada aktiviti gunung berapi, bertukar menjadi ammonia. Keadaan untuk ini adalah yang paling sesuai: hidrogen berlebihan, suhu tinggi - permukaan bumi belum lagi sejuk. Jadi apakah yang dimaksudkan bahawa nitrogen pertama kali hadir di atmosfera dalam bentuk ammonia? Rupa-rupanya begitu. Mari kita ingat keadaan ini.
Tetapi kemudian kehidupan timbul... Vladimir Ivanovich Vernadsky berhujah bahawa "cangkang gas bumi, udara kita, adalah penciptaan kehidupan." Ia adalah kehidupan yang melancarkan mekanisme fotosintesis yang paling menakjubkan. Salah satu produk akhir proses ini, oksigen bebas, mula bergabung secara aktif dengan ammonia, melepaskan nitrogen molekul:
CO 2 + 2H 2 O → fotosintesis→ HSON + H 2 O + O 2;
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O.
Oksigen dan nitrogen, seperti yang diketahui, tidak bertindak balas antara satu sama lain dalam keadaan normal, yang membolehkan udara bumi mengekalkan komposisi "status quo". Perhatikan bahawa sebahagian besar ammonia mungkin terlarut dalam air semasa pembentukan hidrosfera.
Pada masa kini, sumber utama N2 memasuki atmosfera adalah gas gunung berapi.
Jika anda memutuskan ikatan rangkap tiga...
Setelah memusnahkan rizab nitrogen aktif terikat yang tidak habis-habis, alam semula jadi yang hidup telah berhadapan dengan masalah bagaimana untuk mengikat nitrogen. Dalam keadaan bebas molekul, seperti yang kita ketahui, ia ternyata sangat lengai. Sebabnya ialah ikatan kimia tiga kali ganda molekulnya: N≡N.
Biasanya, ikatan kepelbagaian ini tidak stabil. Mari kita ingat contoh klasik asetilena: HC = CH. Ikatan rangkap tiga molekulnya sangat rapuh, yang menerangkan aktiviti kimia luar biasa gas ini. Tetapi nitrogen mempunyai anomali yang jelas di sini: ikatan rangkap tiganya membentuk yang paling stabil daripada semua molekul diatomik yang diketahui. Ia memerlukan usaha yang besar untuk memusnahkan hubungan ini. Sebagai contoh, sintesis industri ammonia memerlukan tekanan lebih daripada 200 atm. dan suhu melebihi 500°C, dan juga kehadiran wajib pemangkin... Menyelesaikan masalah penetapan nitrogen, alam semula jadi terpaksa mewujudkan pengeluaran berterusan sebatian nitrogen menggunakan kaedah ribut petir.
Statistik mengatakan bahawa lebih daripada tiga bilion kilat menyambar di atmosfera planet kita setiap tahun. Kuasa pelepasan individu mencapai 200 juta kilowatt, dan udara dipanaskan (secara tempatan, tentu saja) hingga 20 ribu darjah. Pada suhu yang begitu dahsyat, molekul oksigen dan nitrogen hancur menjadi atom, yang, dengan mudah bertindak balas antara satu sama lain, membentuk oksida nitrik yang rapuh:
N 2 + O 2 → 2NO.
Terima kasih kepada penyejukan pantas (sambaran kilat berlangsung selama sepuluh ribu saat), nitrogen oksida tidak hancur dan bebas teroksida oleh oksigen atmosfera kepada dioksida yang lebih stabil:
2NO + O 2 → 2NO 2.
Dengan kehadiran kelembapan atmosfera dan titisan hujan, nitrogen dioksida ditukar kepada asid nitrik:
3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO.
Jadi, terperangkap dalam ribut petir yang segar, kita mendapat peluang untuk berenang dalam larutan asid nitrik yang lemah. Menembusi ke dalam tanah, asid nitrik atmosfera membentuk pelbagai baja semulajadi dengan bahannya. Nitrogen juga difiksasi dalam atmosfera melalui cara fotokimia: setelah menyerap kuantum cahaya, molekul N2 masuk ke dalam keadaan teruja, diaktifkan dan mampu bergabung dengan oksigen...
Bakteria dan nitrogen
Dari tanah, sebatian nitrogen memasuki tumbuhan. Selanjutnya: "kuda makan oat," dan pemangsa makan herbivor. Kitaran jirim, termasuk unsur No. 7, berlaku di sepanjang rantai makanan. Pada masa yang sama, bentuk kewujudan nitrogen berubah; ia menjadi sebahagian daripada sebatian yang semakin kompleks dan selalunya sangat aktif. Tetapi bukan sahaja nitrogen "yang dihasilkan ribut petir" bergerak melalui rantai makanan.
Malah pada zaman dahulu, terdapat beberapa tumbuhan, khususnya kekacang, mampu meningkatkan kesuburan tanah.
“...Atau, apabila tahun berganti, taburlah biji-bijian emas
Di mana saya mengumpulkan hasil dari ladang, buahnya berdesir,
Atau tempat vetch berbuah kecil tumbuh dengan lupin pahit..."
Baca ini: ini adalah sistem pertanian rumput! Baris-baris ini diambil daripada puisi oleh Virgil, yang ditulis kira-kira dua ribu tahun yang lalu.
Mungkin orang pertama yang berfikir tentang mengapa kekacang meningkatkan hasil bijirin ialah ahli agrokimia Perancis J. Boussingault. Pada tahun 1838, beliau menegaskan bahawa kekacang memperkayakan tanah dengan nitrogen. Bijirin (dan banyak tumbuhan lain) memusnahkan bumi, mengambil, khususnya, nitrogen yang sama. Boussingault mencadangkan bahawa daun kekacang menyerap nitrogen dari udara, tetapi ini mengelirukan. Pada masa itu, tidak dapat difikirkan untuk menganggap bahawa masalahnya bukan pada tumbuhan itu sendiri, tetapi pada mikroorganisma khas yang menyebabkan pembentukan nodul pada akarnya. Dalam simbiosis dengan kekacang, organisma ini membetulkan nitrogen atmosfera. Sekarang ini adalah kebenaran biasa ...
Pada masa kini, beberapa bahan penetap nitrogen yang berbeza diketahui: bakteria, actinomycetes, yis dan acuan, alga biru-hijau. Dan mereka semua membekalkan nitrogen kepada tumbuhan. Tetapi inilah persoalannya: bagaimana mikroorganisma memecahkan molekul N2 lengai tanpa banyak perbelanjaan tenaga? Dan mengapa sesetengah daripada mereka mempunyai keupayaan yang paling berguna ini untuk semua makhluk hidup, sementara yang lain tidak? Untuk masa yang lama ini kekal misteri. Mekanisme senyap penetapan biologi unsur No. 7, tanpa guruh dan kilat, ditemui baru-baru ini. Telah terbukti bahawa laluan nitrogen unsur ke dalam bahan hidup menjadi mungkin berkat proses pengurangan semasa nitrogen ditukar menjadi ammonia. Enzim nitrogenase memainkan peranan penting dalam proses ini. Pusatnya yang mengandungi sebatian besi dan molibdenum mengaktifkan nitrogen untuk "berlabuh" dengan hidrogen, yang sebelum ini diaktifkan oleh enzim lain. Oleh itu, ammonia yang sangat aktif diperoleh daripada nitrogen lengai - produk stabil pertama penetapan nitrogen biologi.
Itulah cara ia berfungsi! Pertama, proses kehidupan menukarkan ammonia atmosfera primordial kepada nitrogen, dan kemudian kehidupan menukar nitrogen kembali kepada ammonia. Adakah wajar untuk "mematahkan tombaknya" mengenai perkara ini? Sudah tentu, kerana ini adalah bagaimana kitaran unsur No. 7 timbul.
Mendapan garam dan pertumbuhan penduduk
Penetapan nitrogen semulajadi oleh kilat dan bakteria tanah setiap tahun menghasilkan kira-kira 150 juta tan sebatian unsur ini. Walau bagaimanapun, tidak semua nitrogen tetap mengambil bahagian dalam kitaran. Sebahagian daripadanya dikeluarkan daripada proses dan disimpan dalam bentuk deposit garam. Gudang terkaya seperti itu ternyata adalah Gurun Atacama Chile di kaki bukit Cordillera. Sudah bertahun-tahun tidak hujan di sini. Tetapi kadangkala hujan lebat turun di lereng gunung, membasuh sebatian tanah. Sepanjang beribu-ribu tahun, aliran air membawa garam terlarut, di antaranya kebanyakannya adalah nitrat. Air tersejat, garam kekal... Ini adalah bagaimana deposit terbesar sebatian nitrogen di dunia timbul.
Ahli kimia Jerman terkenal Johann Rudolf Glauber, yang hidup pada abad ke-17, menyatakan kepentingan luar biasa garam nitrogen untuk pembangunan tumbuhan. Dalam tulisannya, merenungkan kitaran bahan nitrogen dalam alam semula jadi, dia menggunakan ungkapan seperti "jus nitrous tanah" dan "garam garam adalah garam kesuburan."
Tetapi garam semulajadi mula digunakan sebagai baja hanya pada awal abad yang lalu, apabila deposit Chile mula dibangunkan. Pada masa itu ia adalah satu-satunya sumber nitrogen tetap yang penting di mana kesejahteraan manusia nampaknya bergantung. Industri nitrogen tidak menjadi persoalan ketika itu.
Pada tahun 1824, paderi Inggeris Thomas Malthus mengisytiharkan doktrinnya yang terkenal bahawa populasi berkembang lebih cepat daripada pengeluaran makanan. Pada masa ini, eksport garam Chile hanya kira-kira 1000 tan setahun. Pada tahun 1887, rakan senegara Malthus, saintis terkenal Thomas Huxley, meramalkan tamadun yang akan berlaku akibat "kebuluran nitrogen" yang sepatutnya berlaku selepas pembangunan deposit garam Chile (pengeluarannya pada masa ini sudah lebih daripada 500 ribu tan setahun. ).
Sebelas tahun kemudian, seorang lagi saintis terkenal, Sir William Crookes, mengisytiharkan di British Society for the Advancement of Science bahawa dalam tempoh setengah abad akan berlaku krisis makanan jika populasi tidak berkurangan. Dia juga berhujah ramalan sedihnya dengan fakta bahawa "deposit garam Chile tidak lama lagi akan habis sepenuhnya" dengan semua akibat yang berikutnya.
Nubuatan ini tidak menjadi kenyataan - manusia tidak mati, tetapi menguasai penetapan tiruan unsur No. 7. Lebih-lebih lagi, hari ini bahagian nitrat semulajadi hanya 1.5% daripada pengeluaran bahan yang mengandungi nitrogen dunia.
Bagaimana nitrogen telah ditetapkan
Orang ramai telah dapat memperoleh sebatian nitrogen untuk masa yang lama. Saltpeter yang sama telah disediakan di bangsal khas - saltpeter, tetapi kaedah ini sangat primitif. “Mereka membuat garam dari timbunan baja, abu, najis, kikisan kulit, darah, dan bahagian atas kentang. Dalam tempoh dua tahun ini, timbunan disiram dengan air kencing dan dibalikkan, selepas itu salutan garam terbentuk di atasnya, "ini adalah perihalan pengeluaran garam dalam satu buku lama.
Arang batu, yang mengandungi sehingga 3% nitrogen, juga boleh berfungsi sebagai sumber sebatian nitrogen. Nitrogen terikat! Nitrogen ini mula dibebaskan semasa mengok arang, memerangkap pecahan ammonia dan menyalurkannya melalui asid sulfurik.
Hasil akhir ialah ammonium sulfat. Tetapi ini, secara umum, adalah serbuk. Sukar untuk membayangkan bagaimanakah cara tamadun kita akan berkembang jika ia tidak menyelesaikan tepat pada masanya masalah penetapan nitrogen atmosfera yang boleh diterima oleh industri.
Scheele adalah orang pertama yang mengikat nitrogen atmosfera. Pada tahun 1775, beliau memperoleh natrium sianida dengan memanaskan soda dan arang batu dalam suasana nitrogen:
Na 2 CO 3 + 4C + N 2 → 2NaCN + 3CO.
Pada tahun 1780, Priestley mendapati bahawa isipadu udara yang terkandung dalam kapal yang diterbalikkan di atas air berkurangan jika percikan elektrik melaluinya, dan air memperoleh sifat asid lemah. Eksperimen ini, seperti yang kita ketahui (Priestley tidak mengetahuinya), model mekanisme semula jadi penetapan nitrogen. Empat tahun kemudian, Cavendish, melalui pelepasan elektrik melalui udara yang tertutup dalam tiub kaca dengan alkali, menemui saltpeter di sana.
Dan walaupun semua eksperimen ini tidak dapat melampaui makmal pada masa itu, mereka menunjukkan prototaip kaedah perindustrian penetapan nitrogen - sianamida dan arka, yang muncul pada pergantian abad ke-19...20.
Kaedah sianamida telah dipatenkan pada tahun 1895 oleh penyelidik Jerman A. Frank dan N. Caro. Menggunakan kaedah ini, nitrogen, apabila dipanaskan dengan kalsium karbida, diikat ke dalam kalsium sianamida:
CaC 2 + N 2 → Ca(CN) 2.
Pada tahun 1901, anak lelaki Frank, dengan idea bahawa kalsium sianamida boleh berfungsi sebagai baja yang baik, pada dasarnya memulakan pengeluaran bahan ini. Pertumbuhan industri nitrogen tetap telah didorong oleh ketersediaan tenaga elektrik yang murah. Kaedah yang paling menjanjikan untuk menetapkan nitrogen atmosfera pada akhir abad ke-19. dianggap sebagai arka, menggunakan nyahcas elektrik. Tidak lama selepas pembinaan Loji Kuasa Niagara, Amerika melancarkan loji arka pertama berdekatan (pada tahun 1902). Tiga tahun kemudian, pemasangan arka yang dibangunkan oleh ahli teori dan pakar dalam kajian cahaya utara H. Birkeland dan jurutera praktikal S. Eide mula beroperasi di Norway. Tumbuhan jenis ini telah tersebar luas; Saltpeter yang mereka hasilkan dipanggil Norway. Walau bagaimanapun, penggunaan tenaga semasa proses ini adalah sangat tinggi dan berjumlah sehingga 70 ribu kilowatt/jam bagi setiap tan nitrogen terikat, dan hanya 3% daripada tenaga ini digunakan secara langsung untuk penetapan.
Melalui ammonia
Kaedah penetapan nitrogen yang disenaraikan di atas hanyalah pendekatan kepada kaedah yang muncul sejurus sebelum Perang Dunia Pertama. Mengenai beliau, pempopular sains Amerika E. Slosson dengan sangat jenaka berkata: “Selalu dikatakan bahawa British menguasai laut, dan Perancis menguasai daratan, manakala Jerman hanya mempunyai udara yang tinggal. Orang Jerman nampaknya mengambil serius jenaka ini dan mula menggunakan kerajaan udara untuk menyerang British dan Perancis... Kaiser... mempunyai seluruh armada Zeppelin dan kaedah penetapan nitrogen yang tidak diketahui oleh mana-mana negara lain. . Zeppelin pecah seperti beg udara, tetapi loji pengikat nitrogen terus beroperasi dan menjadikan Jerman bebas daripada Chile bukan sahaja semasa perang, tetapi juga dalam masa aman. "... Kita bercakap tentang sintesis ammonia - proses utama industri moden nitrogen tetap.
Slosson tidak betul sepenuhnya apabila dia mengatakan bahawa kaedah untuk mengikat nitrogen ke dalam ammonia tidak diketahui di mana-mana kecuali Jerman. Asas teori proses ini diletakkan oleh saintis Perancis dan Inggeris. Kembali pada tahun 1784, C. Berthollet yang terkenal menubuhkan komposisi ammonia dan menyatakan idea keseimbangan kimia tindak balas sintesis dan penguraian bahan ini. Lima tahun kemudian, orang Inggeris W. Austin membuat percubaan pertama untuk mensintesis NH 3 daripada nitrogen dan hidrogen. Dan akhirnya, ahli kimia Perancis A. Le Chatelier, setelah merumuskan dengan jelas prinsip keseimbangan mudah alih, adalah yang pertama mensintesis ammonia. Pada masa yang sama, dia menggunakan tekanan tinggi dan pemangkin - platinum span dan besi. Pada tahun 1901, Le Chatelier telah mematenkan kaedah ini.
Penyelidikan tentang sintesis ammonia pada awal abad ini juga dijalankan oleh E. Perman dan G. Atkins di England. Dalam eksperimen mereka, penyelidik ini menggunakan pelbagai logam sebagai pemangkin, khususnya tembaga, nikel dan kobalt...
Tetapi sememangnya mungkin buat kali pertama untuk mewujudkan sintesis ammonia daripada hidrogen dan nitrogen pada skala perindustrian di Jerman. Ini disebabkan oleh ahli kimia terkenal Fritz Haber. Pada tahun 1918 beliau dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Kimia.
Teknologi pengeluaran NH 3 yang dibangunkan oleh saintis Jerman itu sangat berbeza dengan industri lain pada masa itu. Di sini, buat pertama kalinya, prinsip kitaran tertutup dengan peralatan yang beroperasi secara berterusan dan pemulihan tenaga telah digunakan. Pembangunan akhir teknologi sintesis ammonia telah disiapkan oleh rakan sekerja dan rakan Haber K. Bosch, yang pada tahun 1931 juga dianugerahkan Hadiah Nobel untuk pembangunan kaedah sintesis kimia pada tekanan tinggi.
Sepanjang jalan alam
Sintesis ammonia telah menjadi model lain untuk penetapan semula jadi unsur No. 7. Mari kita ingat bahawa mikroorganisma mengikat nitrogen dengan tepat dalam NH 3 . Dengan semua kelebihan proses Haber-Bosch, ia kelihatan tidak sempurna dan menyusahkan berbanding dengan yang semula jadi!
"Penetapan biologi nitrogen atmosfera... adalah sejenis paradoks, cabaran berterusan untuk ahli kimia, sejenis demonstrasi ketidakcukupan pengetahuan kita." Kata-kata ini milik ahli kimia Soviet M.E. Volpin dan A.E. Shilov, yang cuba membetulkan nitrogen molekul dalam keadaan ringan.
Pada mulanya ada kegagalan. Tetapi pada tahun 1964, di Institut Sebatian Organoelemen Akademi Sains USSR, di makmal Volpin, penemuan dibuat: dengan kehadiran sebatian logam peralihan - titanium, vanadium, kromium, molibdenum dan besi - unsur No. 7 diaktifkan dan dalam keadaan normal membentuk sebatian kompleks yang diuraikan oleh air kepada ammonia. Logam-logam inilah yang berfungsi sebagai pusat penetapan nitrogen dalam enzim penetapan nitrogen dan sebagai pemangkin yang sangat baik dalam penghasilan ammonia.
Tidak lama selepas ini, saintis Kanada A. Allen dan K. Zenof, mengkaji tindak balas hidrazin N 2 H 2 dengan ruthenium triklorida, memperoleh kompleks kimia di mana, sekali lagi dalam keadaan sederhana, nitrogen terikat. Keputusan ini sangat bertentangan dengan idea biasa sehingga editor jurnal, tempat penyelidik menghantar artikel mereka dengan mesej sensasi, enggan menerbitkannya. Selepas itu, saintis Soviet berjaya mendapatkan bahan organik yang mengandungi nitrogen dalam keadaan sederhana. Masih terlalu awal untuk bercakap tentang kaedah perindustrian untuk penetapan kimia ringan nitrogen atmosfera, namun, kejayaan yang dicapai memungkinkan untuk meramalkan revolusi yang akan berlaku dalam teknologi untuk mengikat unsur No. 7.
Sains moden tidak melupakan kaedah lama menghasilkan sebatian nitrogen melalui oksida. Di sini, usaha utama ditujukan untuk membangunkan proses teknologi yang mempercepatkan pemisahan molekul N 2 menjadi atom. Kawasan pengoksidaan nitrogen yang paling menjanjikan adalah pembakaran udara dalam relau khas, penggunaan obor plasma, dan penggunaan pancaran elektron dipercepatkan untuk tujuan ini.
Apa yang perlu ditakutkan?
Hari ini tidak ada sebab untuk takut bahawa manusia akan kekurangan sebatian nitrogen. Penetapan industri unsur No. 7 sedang berkembang pada kadar yang luar biasa. Jika pada akhir tahun 60-an pengeluaran nitrogen tetap dunia adalah 30 juta tan, maka pada awal abad yang akan datang ia akan, kemungkinan besar, mencapai satu bilion tan!
Kejayaan sedemikian bukan sahaja memberangsangkan, tetapi juga menimbulkan kebimbangan. Hakikatnya ialah penetapan tiruan N2 dan pengenalan sejumlah besar bahan yang mengandungi nitrogen ke dalam tanah adalah campur tangan manusia yang paling kasar dan ketara dalam kitaran semula jadi bahan. Pada masa kini, baja nitrogen bukan sahaja bahan kesuburan, tetapi juga pencemar alam sekitar. Mereka dihanyutkan keluar dari tanah ke sungai dan tasik, menyebabkan bunga yang berbahaya di dalam badan air, dan dibawa ke jarak jauh oleh arus udara...
Sehingga 13% daripada nitrogen yang terkandung dalam baja mineral masuk ke dalam air bawah tanah. Sebatian nitrogen, terutamanya nitrat, berbahaya kepada manusia dan boleh menyebabkan keracunan. Inilah nitrogen sebagai pencari nafkah anda!
Pertubuhan Kesihatan Sedunia (WHO) telah mengguna pakai kepekatan maksimum nitrat yang dibenarkan dalam air minuman: 22 mg/l untuk latitud sederhana dan 10 mg/l untuk kawasan tropika. Di USSR, piawaian kebersihan mengawal kandungan nitrat dalam air takungan mengikut piawaian "tropika" - tidak lebih daripada 10 mg/l. Ternyata nitrat adalah "pedang bermata dua"...
Pada 4 Oktober 1957, manusia sekali lagi campur tangan dalam kitaran unsur No. 7, melancarkan "bola" yang diisi dengan nitrogen ke angkasa - satelit buatan pertama...
Mendeleev tentang nitrogen
“Walaupun yang paling aktif, i.e. bahagian udara yang paling mudah dan sering aktif secara kimia di sekeliling kita ialah oksigen, tetapi jisim terbesarnya, berdasarkan kedua-dua isipadu dan berat, dibentuk oleh nitrogen; iaitu, gas nitrogen membentuk lebih daripada 3/4, walaupun kurang daripada 4/5, daripada isipadu udara. Dan kerana nitrogen hanya lebih ringan sedikit daripada oksigen, kandungan berat nitrogen di udara adalah kira-kira 3/4 daripada jumlah jisimnya. Sebagai sebahagian daripada udara dalam jumlah yang begitu besar, nitrogen nampaknya tidak memainkan peranan yang sangat penting di atmosfera, tindakan kimianya ditentukan terutamanya oleh kandungan oksigen di dalamnya. Tetapi pemahaman yang betul tentang nitrogen hanya diperolehi apabila kita mengetahui bahawa dalam oksigen tulen haiwan tidak boleh hidup lama, dan juga mati, dan bahawa nitrogen udara, walaupun perlahan-lahan dan sedikit demi sedikit, membentuk pelbagai sebatian, sebahagian daripadanya memainkan peranan yang sangat penting dalam alam semula jadi, terutamanya dalam kehidupan organisma."
Di manakah nitrogen digunakan?
Nitrogen adalah yang paling murah daripada semua gas, lengai secara kimia dalam keadaan normal. Ia digunakan secara meluas dalam teknologi kimia untuk mencipta persekitaran tidak mengoksida. Di makmal, sebatian yang mudah teroksida disimpan dalam suasana nitrogen. Kerja mengecat yang cemerlang kadangkala (dalam simpanan atau semasa pengangkutan) diletakkan dalam bekas tertutup yang diisi dengan nitrogen untuk melindungi cat daripada kelembapan dan komponen udara yang aktif secara kimia.
Peranan nitrogen dalam metalurgi dan kerja logam adalah penting. Logam yang berbeza dalam keadaan cair bertindak balas terhadap kehadiran nitrogen dengan cara yang berbeza. Tembaga, sebagai contoh, benar-benar lengai terhadap nitrogen, jadi produk tembaga sering dikimpal dalam aliran gas ini. Magnesium, sebaliknya, apabila dibakar di udara menghasilkan sebatian bukan sahaja dengan oksigen, tetapi juga dengan nitrogen. Jadi, persekitaran nitrogen tidak boleh digunakan untuk bekerja dengan produk magnesium pada suhu tinggi. Ketepuan permukaan titanium dengan nitrogen memberikan logam kekuatan dan rintangan haus yang lebih besar - titanium nitrida yang sangat kuat dan lengai secara kimia terbentuk di atasnya. Tindak balas ini berlaku hanya pada suhu tinggi.
Pada suhu biasa, nitrogen bertindak balas secara aktif dengan hanya satu logam - litium.
Jumlah nitrogen terbesar digunakan untuk menghasilkan ammonia.
Narkosis nitrogen
Pendapat yang meluas tentang kelalaian fisiologi nitrogen tidak sepenuhnya betul. Nitrogen secara fisiologi tidak aktif dalam keadaan normal.
Dengan peningkatan tekanan, contohnya apabila penyelam menyelam, kepekatan nitrogen terlarut dalam protein dan terutamanya tisu lemak badan meningkat. Ini membawa kepada apa yang dipanggil narkosis nitrogen. Penyelam nampaknya mabuk: koordinasi pergerakan terganggu, kesedaran menjadi kabur. Para saintis akhirnya yakin bahawa sebabnya adalah nitrogen selepas menjalankan eksperimen di mana, bukannya udara biasa, campuran helio-oksigen dibekalkan kepada pakaian angkasa penyelam. Pada masa yang sama, gejala anestesia hilang.
ammonia angkasa
Planet besar sistem suria, Zuhal dan Musytari, dipercayai oleh ahli astronomi sebahagiannya diperbuat daripada ammonia pepejal. Ammonia membeku pada –78°C, dan di permukaan Musytari, contohnya, suhu purata ialah 138°C.
Ammonia dan ammonium
Dalam keluarga besar nitrogen terdapat sebatian aneh - ammonium NH 4. Ia tidak ditemui di mana-mana dalam bentuk bebasnya, tetapi dalam garam ia memainkan peranan sebagai logam alkali. Nama "ammonium" telah dicadangkan pada tahun 1808 oleh ahli kimia Inggeris terkenal Humphry Davy. Perkataan Latin ammonium pernah bermaksud: garam daripada Ammonium. Ammonia ialah sebuah wilayah di Libya. Terdapat sebuah kuil tuhan Mesir Amon, yang menurutnya seluruh wilayah itu dipanggil. Dalam Ammonia, garam ammonium (terutamanya ammonia) telah lama diperolehi dengan membakar tahi unta. Apabila garam terurai, gas terhasil, yang kini dipanggil ammonia.
Sejak 1787 (tahun yang sama istilah "nitrogen" diterima pakai), suruhanjaya mengenai tatanama kimia memberi nama gas ini ammoniaque (ammonia). Ahli kimia Rusia Ya.D. Zakharov menganggap nama ini terlalu panjang, dan pada tahun 1801 dia mengecualikan dua huruf daripadanya. Inilah cara ammonia dicipta.
Gas ketawa
Daripada lima oksida nitrogen, dua - oksida (NO) dan dioksida (NO 2) - telah menemui kegunaan industri yang meluas. Dua lagi - anhidrida nitrus (N 2 O 3) dan anhidrida nitrik (N 2 O 5) - tidak selalunya ditemui di makmal. Yang kelima ialah nitrus oksida (N 2 O). Ia mempunyai kesan fisiologi yang sangat unik, yang mana ia sering dipanggil gas ketawa.
Ahli kimia Inggeris yang cemerlang Humphry Davy menggunakan gas ini untuk menganjurkan sesi khas. Beginilah cara salah seorang rakan seangkatan Davy menggambarkan kesan nitrous oksida: "Sesetengah lelaki melompat ke atas meja dan kerusi, yang lain kendur lidah, dan yang lain menunjukkan kecenderungan yang melampau untuk bergaduh."
Swift ketawa sia-sia
Ahli sindiran yang terkenal Jonathan Swift dengan rela mengejek kemandulan sains kontemporari. Dalam Gulliver's Travels, dalam huraian Akademi Lagado, terdapat petikan berikut: “Dia mempunyai dua bilik besar, yang penuh dengan rasa ingin tahu yang paling menakjubkan; lima puluh orang pembantu bekerja di bawah arahannya. Ada yang memekatkan udara menjadi bahan kering dan padat, mengeluarkan garam darinya...”
Sekarang, garam dari udara adalah perkara yang benar-benar nyata. Ammonium nitrat NH 4 NO 3 sebenarnya diperbuat daripada udara dan air.
Bakteria membetulkan nitrogen
Idea bahawa sesetengah mikroorganisma boleh mengikat nitrogen dari udara pertama kali dinyatakan oleh ahli fizik Rusia P. Kossovich. Ahli biokimia Rusia S.N. Winogradsky adalah orang pertama yang berjaya mengasingkan daripada tanah satu jenis bakteria yang membetulkan nitrogen.
Tumbuhan adalah pemilih
Dmitry Nikolaevich Pryanishnikov mendapati bahawa tumbuhan, jika diberi peluang untuk memilih, lebih suka nitrogen ammonia daripada nitrogen nitrat. (Nitrat ialah garam asid nitrik).
Agen pengoksidaan yang penting
Asid nitrik HNO 3 adalah salah satu agen pengoksidaan terpenting yang digunakan dalam industri kimia. Salah seorang ahli kimia terhebat pada abad ke-17 adalah yang pertama menyediakannya dengan bertindak asid sulfurik pada saltpeter. Johann Rudolf Glauber.
Antara sebatian yang kini dihasilkan dengan bantuan asid nitrik, banyak bahan yang sangat diperlukan: baja, pewarna, bahan polimer, bahan letupan.
Dwi Peranan
Beberapa sebatian yang mengandungi nitrogen yang digunakan dalam agrokimia melaksanakan dwi fungsi. Sebagai contoh, kalsium cyanamide digunakan oleh penanam kapas sebagai defoliant - bahan yang menyebabkan daun gugur sebelum dituai. Tetapi sebatian ini juga berfungsi sebagai baja.
Nitrogen dalam racun perosak
Tidak semua bahan yang mengandungi nitrogen menyumbang kepada pembangunan mana-mana tumbuhan. Garam amina asid phenoxyacetic dan trichlorophenoxyacetic adalah racun herba. Yang pertama menindas pertumbuhan rumpai di ladang tanaman bijirin, yang kedua digunakan untuk membersihkan tanah untuk tanah pertanian - ia memusnahkan pokok-pokok kecil dan pokok renek.
Polimer: daripada biologi kepada bukan organik
Atom nitrogen adalah sebahagian daripada banyak polimer semula jadi dan sintetik - daripada protein kepada nilon. Selain itu, nitrogen ialah unsur terpenting bagi polimer tak organik bebas karbon. Molekul getah tak organik - polyphosphonitrile chloride - adalah kitaran tertutup yang terdiri daripada atom nitrogen dan fosforus berselang-seli, dikelilingi oleh ion klorin. Polimer tak organik juga termasuk nitrida beberapa logam, termasuk yang paling keras daripada semua bahan, borazon.
NITROGEN, N (lat. Nitrogenium * a. nitrogen; n. Stickstoff; f. azote, nitrogene; i. nitrogeno), ialah unsur kimia kumpulan V sistem berkala Mendeleev, nombor atom 7, jisim atom 14.0067. Ditemui pada tahun 1772 oleh penjelajah Inggeris D. Rutherford.
Sifat nitrogen
Dalam keadaan biasa, nitrogen adalah gas tidak berwarna dan tidak berbau. Nitrogen semulajadi terdiri daripada dua isotop stabil: 14 N (99.635%) dan 15 N (0.365%). Molekul nitrogen adalah diatomik; atom-atom disambungkan oleh ikatan rangkap tiga kovalen NN. Diameter molekul nitrogen, ditentukan oleh pelbagai kaedah, ialah 3.15-3.53 A. Molekul nitrogen sangat stabil - tenaga penceraian ialah 942.9 kJ/mol.
Nitrogen molekul
Pemalar nitrogen molekul: f lebur - 209.86°C, f mendidih - 195.8°C; Ketumpatan nitrogen gas ialah 1.25 kg/m3, nitrogen cecair - 808 kg/m3.
Ciri-ciri nitrogen
Dalam keadaan pepejal, nitrogen wujud dalam dua pengubahsuaian: bentuk padu a dengan ketumpatan 1026.5 kg/m3 dan bentuk b heksagon dengan ketumpatan 879.2 kg/m3. Haba pelakuran 25.5 kJ/kg, haba penyejatan 200 kJ/kg. Ketegangan permukaan nitrogen cecair bersentuhan dengan udara 8.5.10 -3 N/m; pemalar dielektrik 1.000538. Keterlarutan nitrogen dalam air (cm 3 setiap 100 ml H 2 O): 2.33 (0°C), 1.42 (25°C) dan 1.32 (60°C). Kulit elektron terluar atom nitrogen terdiri daripada 5 elektron. Keadaan pengoksidaan nitrogen berbeza dari 5 (dalam N 2 O 5) hingga -3 (dalam NH 3).
Sebatian nitrogen
Di bawah keadaan biasa, nitrogen boleh bertindak balas dengan sebatian logam peralihan (Ti, V, Mo, dll.), membentuk kompleks atau dikurangkan untuk membentuk ammonia dan hidrazin. Nitrogen berinteraksi dengan logam aktif seperti apabila dipanaskan pada suhu yang agak rendah. Nitrogen bertindak balas dengan kebanyakan unsur lain pada suhu tinggi dan dengan kehadiran pemangkin. Sebatian nitrogen dengan: N 2 O, NO, N 2 O 5 telah dikaji dengan baik. Nitrogen bergabung dengan C hanya pada suhu tinggi dan dengan kehadiran pemangkin; ini menghasilkan ammonia NH 3 . Nitrogen tidak berinteraksi secara langsung dengan halogen; oleh itu, semua nitrogen halida diperoleh hanya secara tidak langsung, contohnya, nitrogen fluorida NF 3 - melalui interaksi dengan ammonia. Nitrogen juga tidak bergabung secara langsung dengan sulfur. Apabila air panas bertindak balas dengan nitrogen, sianogen (CN) 2 terbentuk. Apabila nitrogen biasa terdedah kepada nyahcas elektrik, serta semasa nyahcas elektrik di udara, nitrogen aktif boleh terbentuk, yang merupakan campuran molekul nitrogen dan atom dengan rizab tenaga yang meningkat. Nitrogen aktif berinteraksi dengan sangat bertenaga dengan oksigen, hidrogen, wap, dan beberapa logam.
Nitrogen adalah salah satu unsur yang paling biasa di Bumi, dan sebahagian besar daripadanya (kira-kira 4.10 15 tan) tertumpu dalam keadaan bebas dalam. Setiap tahun, aktiviti gunung berapi membebaskan 2.10 6 tan nitrogen ke atmosfera. Sebahagian kecil nitrogen tertumpu dalam (kandungan purata dalam litosfera 1.9.10 -3%). Sebatian nitrogen semulajadi ialah ammonium klorida dan pelbagai nitrat (peter garam). Nitrogen nitrida hanya boleh terbentuk pada suhu dan tekanan tinggi, yang nampaknya telah berlaku pada peringkat terawal pembangunan Bumi. Pengumpulan besar garam hanya terdapat dalam iklim padang pasir kering (, dsb.). Sebilangan kecil nitrogen tetap terdapat dalam (1-2.5%) dan (0.02-1.5%), serta di perairan sungai, laut dan lautan. Nitrogen terkumpul dalam tanah (0.1%) dan organisma hidup (0.3%). Nitrogen adalah sebahagian daripada molekul protein dan banyak sebatian organik semula jadi.
Kitaran nitrogen dalam alam semula jadi
Secara semula jadi, terdapat kitaran nitrogen, yang merangkumi kitaran nitrogen atmosfera molekul dalam biosfera, kitaran dalam atmosfera nitrogen terikat secara kimia, kitaran nitrogen permukaan yang tertimbus dengan bahan organik dalam litosfera dengan kembalinya ke atmosfera. . Nitrogen untuk industri sebelum ini diekstrak sepenuhnya daripada deposit garam semulajadi, yang bilangannya sangat terhad di dunia. Deposit nitrogen yang sangat besar dalam bentuk natrium nitrat ditemui di Chile; pengeluaran garam dalam beberapa tahun berjumlah lebih daripada 3 juta tan.
Nitrogen
Nitrogen- unsur subkumpulan utama kumpulan kelima tempoh kedua sistem berkala unsur kimia D.I. Mendeleev, dengan nombor atom 7. Ditandakan dengan simbol N (lat. Nitrogenium). Bahan mudah nitrogen - gas diatomik, agak lengai dalam keadaan normal, tanpa warna, rasa dan bau (formula N2), yang terdiri daripada tiga perempat daripada atmosfera bumi.
Ia "ditemui" beberapa kali oleh orang yang berbeza. Ia dipanggil secara berbeza, mengaitkan sifat mistik - "udara phlogisticated", dan "udara mephitik", dan "mofett atmosfera", dan hanya "bahan asphyxiating". Sehingga kini, ia mempunyai beberapa nama: Nitrogen Inggeris, Azote Perancis, Stickstoff Jerman, "nitrogen" Rusia...
Sejarah "udara rosak"
Nitrogen(dari perkataan Yunani azoos - tidak bermaya, dalam bahasa Latin Nitrogenium) - unsur keempat paling biasa dalam sistem suria (selepas hidrogen , helium Dan oksigen ). Sebatian nitrogen - saltpeter, asid nitrik, ammonia - telah diketahui lama sebelum nitrogen diperolehi dalam keadaan bebas.
Pada tahun 1777, Henry Cavendish berulang kali menyalurkan udara ke atas arang panas dan kemudian merawatnya dengan alkali. Hasilnya ialah sisa yang Cavendish panggil udara yang menyesakkan (atau mephitik). Dari sudut pandangan kimia moden, jelas bahawa dalam tindak balas dengan arang panas, oksigen atmosfera terikat kepada karbon dioksida, yang kemudiannya bertindak balas dengan alkali. Baki gas kebanyakannya adalah nitrogen. Oleh itu, Cavendish mengasingkan nitrogen, tetapi gagal memahami bahawa ia adalah bahan ringkas baharu (unsur kimia).
Pada tahun yang sama, Cavendish melaporkan pengalaman ini kepada Joseph Priestley. Priestley pada masa ini menjalankan beberapa siri eksperimen di mana dia juga mengikat oksigen atmosfera dan mengeluarkan karbon dioksida yang terhasil, iaitu, dia juga menerima nitrogen, bagaimanapun, sebagai penyokong teori phlogiston yang dominan pada masa itu, dia benar-benar salah tafsir. hasil yang diperoleh (menurut pendapatnya, prosesnya adalah sebaliknya - bukan oksigen yang dikeluarkan dari campuran gas, tetapi sebaliknya, akibat penembakan, udara tepu dengan phlogiston; dia memanggil udara yang tinggal ( nitrogen) phlogiston tepu, iaitu, phlogisticated).
Jelas sekali bahawa Priestley, walaupun dia dapat mengasingkan nitrogen, gagal memahami intipati penemuannya, dan oleh itu tidak dianggap sebagai penemu nitrogen. Pada masa yang sama, eksperimen serupa dengan hasil yang sama telah dijalankan oleh Karl Scheele.
Malah sebelum masa itu, pada tahun 1772, Daniel Rutherford, membakar fosforus dan bahan lain dalam loceng kaca, melihat bahawa gas yang tinggal selepas pembakaran, yang dipanggilnya "udara yang menyesakkan," tidak menyokong pernafasan dan pembakaran. Hanya pada tahun 1787 Antoine Lavoisier menetapkan bahawa gas "vital" dan "asphyxiating" yang membentuk udara adalah bahan mudah, dan mencadangkan nama "nitrogen".
Terdahulu, pada tahun 1784, G. Cavendish menunjukkan bahawa nitrogen adalah sebahagian daripada nitrat; Di sinilah nama Latin untuk nitrogen berasal (daripada nitrum Latin Akhir - saltpeter dan genna Yunani - saya melahirkan, saya menghasilkan). Menjelang awal abad ke-19. Kelalaian kimia nitrogen dalam keadaan bebas dan peranan eksklusifnya dalam sebatian dengan unsur lain sebagai nitrogen terikat telah dijelaskan.
"Tidak mengekalkan hayat" adalah penting
Walaupun tajuk " nitrogen " bermaksud "tidak mengekalkan kehidupan", sebenarnya ia adalah elemen yang diperlukan untuk kehidupan. Protein haiwan dan manusia mengandungi 16-17% nitrogen. Dalam organisma haiwan karnivor, protein terbentuk disebabkan oleh bahan protein yang digunakan yang terdapat dalam organisma haiwan herbivor dan dalam tumbuhan. Tumbuhan mensintesis protein dengan mengasimilasikan bahan nitrogen yang terkandung dalam tanah, terutamanya bukan organik. Jumlah nitrogen yang ketara memasuki tanah berkat mikroorganisma pengikat nitrogen yang mampu menukar nitrogen bebas dari udara kepada sebatian nitrogen. Hasil daripada pengekstrakan sejumlah besar nitrogen tetap dari tanah oleh tumbuhan (terutama semasa pertanian intensif), tanah menjadi habis.
Kekurangan nitrogen adalah tipikal untuk pertanian di hampir semua negara. Kekurangan nitrogen juga diperhatikan dalam penternakan ("kebuluran protein"). Pada tanah yang kekurangan nitrogen yang tersedia, tumbuhan berkembang dengan buruk. Pada abad yang lalu, sumber nitrogen tetap yang cukup kaya ditemui di alam semula jadi. Ini adalah nitrat Chile, garam natrium asid nitrik. Untuk masa yang lama, nitrat adalah pembekal utama nitrogen untuk industri. Depositnya di Amerika Selatan adalah unik, boleh dikatakan satu-satunya di dunia. Dan tidak menghairankan bahawa pada tahun 1879, perang meletus antara Peru, Bolivia dan Chile atas pemilikan wilayah sempadan Tarapaca yang kaya. Pemenangnya ialah Chile. Walau bagaimanapun, deposit Chile, sudah tentu, tidak dapat memenuhi permintaan dunia untuk baja nitrogen.
"Kebuluran nitrogen" planet ini
Atmosfera bumi mengandungi hampir 80% nitrogen, manakala kerak bumi hanya mengandungi 0.04%. Masalah "bagaimana untuk membaiki nitrogen" sudah lama, ia adalah umur yang sama dengan agrokimia. Kemungkinan mengikat nitrogen di udara dengan oksigen dalam pelepasan elektrik pertama kali dilihat oleh orang Inggeris Henry Cavendish. Ini berlaku pada abad ke-18. Tetapi proses sintesis nitrogen oksida terkawal dijalankan hanya pada tahun 1904. Pada tahun 1913, orang Jerman Fritz Haber dan Carl Bosch mencadangkan kaedah ammonia untuk penetapan nitrogen. Kini, menggunakan prinsip ini, ratusan kilang di semua benua menghasilkan lebih daripada 20 juta tan nitrogen tetap setahun dari udara. Tiga perempat daripadanya pergi ke pengeluaran baja nitrogen. Walau bagaimanapun, kekurangan nitrogen di kawasan penanaman di dunia adalah lebih daripada 80 juta tan setahun. Bumi jelas tidak mempunyai nitrogen yang mencukupi. Sebahagian besar nitrogen bebas yang dihasilkan digunakan untuk pengeluaran industri ammonia, yang kemudiannya diproses dalam kuantiti yang banyak menjadi asid nitrik, baja, bahan letupan, dsb.
Penggunaan nitrogen
Percuma nitrogen digunakan dalam banyak industri: sebagai medium lengai dalam pelbagai proses kimia dan metalurgi, untuk mengisi ruang kosong dalam termometer merkuri, apabila mengepam cecair mudah terbakar, dsb.
Nitrogen cecair digunakan sebagai penyejuk dan untuk krioterapi. Aplikasi industri gas nitrogen adalah disebabkan oleh sifat lengainya. Nitrogen gas adalah kalis api dan letupan, menghalang pengoksidaan dan reput.
DALAM petrokimia nitrogen digunakan untuk membersihkan tangki dan saluran paip, memeriksa operasi saluran paip di bawah tekanan, meningkatkan pengeluaran ladang. Dalam perlombongan nitrogen boleh digunakan untuk mencipta persekitaran kalis letupan di lombong dan untuk mengembangkan lapisan batuan.
DALAM pengeluaran elektronik nitrogen digunakan untuk membersihkan kawasan yang tidak membenarkan kehadiran oksigen pengoksida. Jika dalam proses yang dijalankan secara tradisional menggunakan udara, pengoksidaan atau pembusukan adalah faktor negatif - nitrogen boleh berjaya menggantikan udara.
Bidang permohonan yang penting nitrogen Adakah dia digunakan untuk sintesis selanjutnya pelbagai jenis sebatian yang mengandungi nitrogen , seperti ammonia, baja nitrogen, bahan letupan, pewarna, dll. Kuantiti yang banyak nitrogen digunakan dalam pengeluaran kok ("pelindapkejutan kering kok") semasa memunggah kok dari bateri kok, serta untuk "menekan" bahan api dalam roket dari tangki ke pam atau enjin.
Salah tanggapan: nitrogen bukan Santa Claus
DALAM Industri Makanan nitrogen didaftarkan sebagai bahan tambahan makanan E941, sebagai medium gas untuk pembungkusan dan penyimpanan, penyejuk. Cecair nitrogen Ia sering ditunjukkan dalam filem sebagai bahan yang boleh membekukan objek yang agak besar dengan serta-merta. Ini adalah kesilapan biasa. Malah membekukan bunga memerlukan masa yang agak lama, yang sebahagiannya disebabkan oleh kapasiti haba yang sangat rendah nitrogen .
Atas sebab yang sama, sangat sukar untuk menyejukkan, katakan, mengunci kepada -180 °C dan membelahnya dengan satu pukulan. Liter cecair nitrogen , menyejat dan memanaskan sehingga 20 °C, membentuk kira-kira 700 liter gas. Atas sebab ini, anda tidak sepatutnya menyimpan nitrogen dalam vesel tertutup tidak sesuai untuk tekanan tinggi. Prinsip memadamkan api dengan cecair adalah berdasarkan fakta yang sama. nitrogen . Menguap nitrogen menyesarkan udara yang diperlukan untuk pembakaran dan api berhenti.
Kerana nitrogen , tidak seperti air, buih atau serbuk, hanya sejat dan hilang, pemadam api nitrogen adalah mekanisme pemadam api yang paling berkesan dari sudut pandangan memelihara barang berharga. Cecair beku nitrogen makhluk hidup dengan kemungkinan penyahbekuan seterusnya adalah bermasalah. Masalahnya ialah ketidakupayaan untuk membekukan (dan membekukan) makhluk dengan cukup cepat sehingga ketidakhomogenan pembekuan tidak menjejaskan fungsi pentingnya. Stanislav Lem, berkhayal tentang topik ini dalam buku "Fiasco," menghasilkan sistem pembekuan kecemasan nitrogen , di mana hos dengan nitrogen, mengetuk gigi, ditusuk ke dalam mulut angkasawan dan aliran yang banyak dibekalkan ke dalam dirinya nitrogen .
Seperti yang dinyatakan di atas, nitrogen cecair dan gas diperoleh daripada udara atmosfera dengan penyejukan yang mendalam.
Penunjuk kualiti nitrogen gas GOST 9293-74
| Nama penunjuk | Istimewa | Bertambah | Bertambah |
|---|---|---|---|
| darjah 2 | darjah 1 |
darjah 2 |
|
| Pecahan isipadu nitrogen, tidak kurang | 99,996 |
99,99 |
99,95 |
| Oksigen, tiada lagi | 0,001 |
0,001 |
0,05 |
| Wap air dalam gas nitrogen, tiada lagi | 0,0007 |
0,0015 |
0,004 |
| Hidrogen, tiada lagi | 0,001 | Tidak diseragamkan |
Tidak diseragamkan |
| Jumlah sebatian yang mengandungi karbon dari segi CH 4, tidak lebih | 0,001 | Tidak diseragamkan |
|