Сегодня мы поговорим о химическом элементе с атомным номером 7. Это азот.
Несмотря на то, что это очень распространённый элемент (во Вселенной он седьмой по частоте и составляет почти 80% атмосферы Земли), о существовании азота человечество узнало лишь около трёхсот лет назад.
Конечно же, на протяжении веков алхимики знали, что в воздухе что-то есть. И оно ведёт себя особым образом. Например, при закрытии ёмкости и зажигании внутри неё свечи через некоторое время она переставала гореть. И с этого момента её невозможно было зажечь снова. Более того, в этом контейнере не могли дышать живые существа. Но почему? Какая существует связь между горением свечи и дыханием живых существ? Учёные этого не знали. Однако о существовании какой-то невидимой очень важной фракции воздуха любому уважаемому химику 18 века было известно.
Как добыть азот?
На самом деле многие из них просто обессилили в попытках выяснить, элемент это или соединение. Каковы его свойства и т. д. Этот загадочный газ получил множество названий: британский химик и естествоиспытатель Джозеф Пристли называл его сгоревшим или флогистонизированным воздухом (флогистонная теория считала еще не обнаруженный тогда азот «пятым элементом», содержащимся в горючих телах и выделяющимся при горении), то есть воздухом, утратившим флогистон. Потерявшим способность гореть.
Антуан Лавуазье назвал невидимый компонент воздуха «азот» (фр. azote). От греческого «безжизненный». Поскольку живые существа умирали в нем, потому что не могли дышать.
Первооткрывателем азота принято считать Даниэля Резерфорда (к Эрнесту Резерфорду, кстати, никакого отношения он не имеет). Он первым сумел выделить газ, устранив остальные компоненты атмосферы. И первым описал отсутствие в нём горения, отсутствие реакции со щелочами и невозможность дыхания азотом.
Но почему же потребовалось так много времени, чтобы обнаружить этот элемент, когда его так много вокруг нас? Ведь азот содержится в воздухе, которым мы дышим, в наших собственных телах, в растениях, в нашей пище.
Есть электроны? Дай!
Причину, как всегда, нужно искать в атомном строении этого элемента. У атомарного азота семь электронов, и первая электронная оболочка заполнена двумя, а остальные пять находятся во второй оболочке.
Чтобы быть стабильным, самый простой вариант для азота – получить три «лишних» электрона, чтобы вторая оболочка была заполнена. Самый известный пример – это аммиак, NH3. В этом соединении атом азота связан с тремя атомами водорода, «забирая» по одному электрону у каждого из них.
Но чаще всего азот реагирует… с азотом. Когда два атома азота находятся близко друг к другу, они могут связываться и делиться не одним, а тремя электронами. Таким образом получается молекула N2, или молекулярный азот, который находится в атмосфере. И которым Вы прямо сейчас дышите. Ну в том смысле что просто вдыхаете и выдыхаете, конечно же. Этот газ бесцветен и не имеет запаха. И именно поэтому его очень трудно обнаружить.
Обратите внимание, что между двумя атомами азота не одна связь, а три! Это делает их очень и очень тесно связанными. Настолько сильно связанными, что разделить их крайне сложно. Молекулярный азот очень инертен. Фактически, он ведёт себя почти так же, как благородный газ, такой как гелий или аргон. Но и это ещё не всё.
Реактивная химия
Алхимики знали о многих соединениях азота. Самыми известными из них были азотная кислота, HNO3, и каменная соль или нитросоль, которую мы теперь называем азотнокислым калием, KNO3. Однако все эти соединения участвовали во многих химических реакциях, и большинство из них были сильно реактивными, так что кто бы мог подумать, что они имеют какое-то отношение к ядовитому газу, который является абсолютно инертным?
На самом деле молекулярный азот настолько инертный газ, что одно из его основных применений состоит именно в этом: предотвращение каких-то реакций. Например, при перевозке жидких взрывчатых веществ (таких как нитроглицерин) вместо воздуха их упаковывают, покрывая чистым молекулярным азотом. В этом случае горение (и, следовательно, взрыв) становится невозможно.
Многие продукты упаковывают в инертной атмосфере азота по той же причине: бактериям, осуществляющим аэробную ферментацию пищи, для её порчи нужен кислород, а без него пища будет храниться гораздо дольше.
Кроме того, в лампах накаливания тоже используется молекулярный азот: нить накала лампы нагревается настолько, что при наличии кислорода она быстро сгорает и рвётся. А если бы внутри колбы был вакуум, её было бы очень легко разбить из-за разницы давлений. Решение? Давайте заполним лампу азотом, чтобы нить не перегорала.
Жидкий азот - гроза терминаторов
Возможно, Вы также видели или слышали о жидком азоте, который широко используется в качестве охлаждающей жидкости. Да, это не самый лучший из существующих материалов для этого (например, жидкий водород способен охлаждать намного лучше). Но у азота есть два фундаментальных качества. Во-первых, он почти не опасен для человека. Вторая причина заключается в его дешевизне. Азот есть везде. Нужно просто взять воздух и удалить из него остальные газы. Это можно сделать путём охлаждения воздуха до температуры, при которой азот становится жидким – около 190 градусов ниже нуля. Гелий, например, является лучшим теплоносителем, чем азот. Однако получение гелия обходится гораздо дороже. Так как в атмосфере его существенно меньше, чем азота.
Как мы уже говорили, азот является основным компонентом многих органических соединений. И крайне необходим для жизни. Однако по иронии судьбы, он нужен нам для жизни, и мы погружены в море азота, и мы все время вдыхаем его, но… не можем его усваивать! Как мы уже говорили, разбить молекулы азота очень трудно. И у нас нет биологического механизма, который мог бы это сделать.
Бактерии, которые могут
Но кто же тогда способен потреблять молекулы N2 из воздуха, чтобы использовать их для жизни? Бактерии. Существуют специализированные бактерии, у которых есть фермент под названием нитрогеназа. Он способен разделять атомы азота и образовывать соединения, такие как ион аммония (NH4+), которые другие живые существа могут использовать и превращать в другие.
Некоторые из этих бактерий являются свободными, но многие из них симбиотически связаны с растениями, такими как клевер, горох и бобы. Бактерия живёт в корнях растения и расщепляет молекулярный азот, который затем может быть использован растением для создания азотсодержащих органических молекул. В свою очередь, растение обеспечивает бактерии органическими соединениями (например, сахарами). Весь азот, который мы используем, как и другие животные, в конечном итоге мы получаем от растений и, следовательно, от этих бактерий.
Опасен ли азот? Как ни странно, в определённом смысле да. Но это точно не яд, иначе мы все были бы давно мертвы. Проблема заключается в том, что наше тело очень плохо сразу осознает, что вокруг нет кислорода (скорее, оно быстрее осознает, что вокруг слишком много углекислого газа).
Предельная внимательность!
И если Вы по какой-то причине находитесь в месте, где нет ни кислорода, ни углекислого газа (например, в азотной атмосфере), то сначала Вы ничего не заметите. Потому что Вы дышите чем-то, что ваш организм не в состоянии обнаружить. И когда Вы заметите нехватку кислорода, будет, скорее всего, уже слишком поздно что-то предпринимать. Вот почему важно знать такие опасные места, где, например, в лабораториях, имеется инертная азотная атмосфера.
И это не просто «теоретическая опасность». В 1981 году два техника НАСА погибли, когда во время первой миссии космического корабля «Шаттл» вошли в модуль, заполненный чистым азотом, чтобы избежать опасности возгорания. Они не осознавали, что «дышат» азотом, пока у них не началось головокружение и они не потеряли сознание.
Их нашли, к сожалению, слишком поздно.
Будьте здоровы!
______________________________________________________________________
Дорогой друг! Если Вы хотите поблагодарить авторов, проявляйте активность! Подписка, репост, лайк, комментарий – всё это очень просто на самом деле! И абсолютно бесплатно, кстати. Огромное спасибо!
