АЗОТ. Содержание:
| I. | 733 |
| II. | 736 |
| III. | 743 |
| IV. | 744 |
Азот—химический знак N (Nitrogenium), один из важнейших химических элементов, широко распространенный в природе.
Распространение А. В свободном состоянии А. составляет около ⅘ атмосферного воздуха (точно 75,51% по весу и 78,03% по объему), встречается в виде примеси в нефтяных и вообще природных газах; в растворенном состоянии находится во всех природных водах—дождевой, речной и т. д., к-рые растворяют его вместе с кислородом из воздуха. А. содержится также в растворе в минеральных водах, нередко в сопровождении благородных газов, гл. обр. аргона и гелия. А. находится также в пахотной почве. В виде химических соединений А. встречается в природе как в неорганическом мире, так и в растительных и в животных организмах. Главные минеральные соединения А.: соли азотной кислоты (селитра калиевая и натриевая) и соли аммония,—преимущественно, в пахотных почвах, удобренных органическими отбросами; в дождевой воде азот содержится в виде азотно-аммонийной соли. А. входит в довольно значительных количествах в состав ископаемых растительного или животного происхождения. В каменных углях он встречается в количестве от 1% до 2,5%, в антрацитах—около 1%, в нефтях—от 0,02% до 1,5%. В растительном мире он встречается и в виде неорганических соединений (азотнокислых солей) и в соединениях органических; так, в составе некоторых белковых веществ растительного происхождения имеется до 16% азота.
В организме животных А. встречается почти исключительно в виде белковых соединений, к-рые входят в состав различных животных тканей—мускулов, крови, лимфы, молока, яиц и т. п., и в их продуктах распада—в мочевине, мочевой кислоте и т. д.
Открытие А. связано с открытием кислорода и установлением точного состава воздуха. Впервые Ре́зерфорд (1772) описал способы получения его из воздуха, а Лавуазье (1775) точно установил его свойства и дал ему его теперешнее название «azote» (от греч. а—отрицательной частицы и zoe—жизнь: не могущий поддерживать жизнь). До конца 19 в. считали, что А., полученный из атмосферного воздуха, химически чист, хотя Кавендиш (1781) и подозревал присутствие в нем постороннего газа. Однако, только в 1894 английские исследователи Рэлей и Рамзай открыли присутствие в воздухе нового газа—аргона (1,29% по весу или 0,94% по объему), а за этим последовало открытие в воздухе еще четырех элементов: неона, гелия, криптона и ксенона. Все эти газы и находятся в виде постоянной примеси в А., получаемом из атмосферного воздуха (см. Воздух).
Получение А. для технических целей производится из атмосферного воздуха двумя способами: 1) сгущением воздуха в жидкое состояние и разделением полученной жидкости на свободный кислород и азот, путем испарения ее в особых аппаратах, 2) поглощением кислорода воздуха посредством пропускания его через особые аппараты с раскаленной медью. А. химически чистый и совершенно свободный от посторонних примесей получается химическими процессами разложения нек-рых азотных соединений, наприм., нагреванием соли аммония азотистой кислоты по уравнению:
В виду затруднений в получении этого исходного продукта, для этой цели чаще применяют смесь азотистокислого калия и хлористого аммония, к-рая в крепком растворе в воде при нагревании разлагается по уравнению:
В природе образование свободного А. наблюдается в ряде биологических процессов: при восстановлении азотнокислых и азотистокислых солей под влиянием нек-рых микроорганизмов и при гниении азотистых органических соединений.
Физические свойства А. При обыкновенных физических условиях А. есть газ без цвета, запаха и вкуса с удельным весом 0,967 (1 литр при нормальных условиях весит 1,2507 г). А. мало растворим в воде: при 0° и давлении одной атмосферы 1 л воды растворяет 0,02334 л А. Критическая температура А.—146°. Спектр А. состоит из нескольких полос, особенно ярких в фиолетовой части. Подвергая А. достаточному охлаждению под давлением в несколько сот атмосфер и давая ему быстро расширяться, удалось обратить его в жидкое состояние (Врублевский, Ольшевский). Уд. вес жидкого А. при 146°, по отношению к воде при 4°, равен 0,455; темп, кипения его, при давлении одной атмосферы, равна −193°—194°. А. получен в твердом состоянии в виде снегообразной массы с температурой плавления −210,5° (Ольшевский).
Химические свойства А. При обыкновенной температуре А. является элементом совершенно пассивным, т.-е. не обнаруживающим заметного сродства к другим элементам. Тем не менее, при высокой температуре А. образует бесчисленное множество химических соединений как неорганических (без углерода), так и органических (с углеродом). К числу элементов, наиболее легко соединяющихся с А., относятся: литий, магний, бор, кремний, алюминий, щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий), а также их карбиды, т. е. их химические соединения с углеродом. При достаточном нагревании этих элементов в атмосфере А., они жадно поглощают его и образуют соответ. нитриды: напр., магний образует нитрид его по реакции:
А. соединяется с водородом при пропускании электрических искр через смесь этих газов, образуя аммиак по реакции:
Но хотя реакция эта экзотермична (т. е. сопровождается освобождением теплоты), выход аммиака при обыкновенном давлении не превышает 2% и в лаборатории он получается другими способами (см. Аммиак и ниже, гл. II). А. соединяется с кислородом только под влиянием сильного электрического разряда в смеси этих газов и при достаточно высоком (5—10 тыс. вольт) напряжении между двумя электродами, находящимися в воздухе, по реакции: N₂ + O₂ ⇄ 2NO.—А. является одним из первых элементов, распад к-рых мог быть установлен Э. Рёзерфордом и Чадвиком {1923) под влиянием бомбардировки альфачастицами (см. Альфа-лучи). При этом выделяются водородные ядра, а это доказывает, что ядро водорода должно быть одной из структурных единиц атома А. (см. Атом в химии и физике).
Атомный вес А. равен 14,01 (при кислороде, равном 16).
Химические соединения. Азот с водородом образуют три соединения: аммиак NH₃, гидразин N₂H₄ и азотисто-водородную кислоту N₃H. Аммиак представляет бесцветный газ с резким запахом, чрезвычайно хорошо растворимый в воде, с к-рой он образует 2 химических соединения: 2NH₃.H₂O и NH₃.H₂O, при чем второе из них можно рассматривать, как гидроокись аммония: NH₄OH. С кислотами аммиак образует соли аммония, напр.:
В смеси с кислородом или воздухом и в присутствии платины (в качестве катализатора) аммиак сгорает при 700°, по уравнению:
С кислородом А. образует следующий ряд соединений:
| Закись А. |
Окись А. |
Азоти- стый анги- дрид |
Двуокись А. |
Азот- ный анги- дрид | |
|---|---|---|---|---|---|
Формула |
N₂O | NO | N₂O₃ | N₂O₄ = 2NO₂ | N₂O₃ |
Физич. сост. |
газ | газ | газ | жидк. | тверд. |
Цвет |
бесцв. | бесцв. | — | бурый | бесцв. |
Т. плавления |
−102,7° | −167° | −111° | −9° | +30° |
Т. кипения |
−89,5° | −150° | −20° | +26° | +47° |
Соотв. кисл. |
H₂N₂O₂ | — | HNO₂ | — | HNO₃ |
Названия этих кислот |
Азот- нова- тистая |
Азоти- стая |
Азот- ная |
Закись А. получается при нагревании азотнокислого аммония:
Она была открыта Гемфри Дэви и названа веселящим газом из-за опьяняющего действия, к-рое наблюдается при ее вдыхании. Окись А. наиболее важный из окислов А. Об условиях ее получения в технике см. ниже (II. Добывание и использование А.). В лаборатории ее удобнее всего получить действием азотной кислоты на металлы; выделяющийся при этом водород восстановляет в момент образования азотную кислоту до окиси А.:
С кислородом воздуха она соединяется с образованием бурой двуокиси А. (азотноватого ангидрида): 2NO + O₂ = 2NO₂. Двуокись А. получается также при нагревании азотнокислых солей тяжелых металлов. Двуокись А. состоит из смеси молекул NO₂ и N₂O₄; при нагревании двойные молекулы распадаются с образованием простых (диссоциация); при охлаждении реакция идет в обратную сторону. Молекулы N₂O₄ бесцветны, так что бурая окраска двуокиси А. при достаточно низкой температуре исчезает. При поглощении двуокиси А. водой получается смесь азотистой и азотной кислоты. Об азотистой и азотной кислоте см. ниже (II. Добывание и использование А.) и статьи Азотистая и Азотная кислота.
Текст этого раздела (автор: Александр Наумович Фрумкин) является несвободным и в настоящее время не может быть помещен в Викитеку. В соответствии со статьёй 1281 ГК РФ, текст перейдёт в общественное достояние 1 января 2051 года. |
В биологическом отношении А. и его соединения играют чрезвычайно важную роль, и «после воды А. является наиболее могущественным двигателем в существовании, росте и творчестве природы» (Шульце-Лупиц). Весь связанный А., необходимый для жизни растительных организмов, извлекается ими из почвы в виде различных, преимущественно, азотнокислых солей щелочных металлов. Ежегодный урожай одной Франции уносит из почвы ок. 600.000 т А., а на всем земном шаре, по приблизительным подсчетам Аррениуса, растения поглощают ежегодно 400 миллионов т связанного азота. Весь связанный азот, необходимый животным организмам, получается ими из растений, употребляемых в пищу. Когда животные и растения умирают, связанный в них А. выделяется опять в форме азотнокислых солей, солей аммония, свободного аммиака и, отчасти, в виде свободного А. Весь круговорот А. в природе можно представить в виде следующей схемы:
Круговорот азота в природе.
Такой бесконечный круговорот азота может происходить исключительно в силу необыкновенной подвижности его соединений и способности их путем окисления проходить все ступени от свободного А. и аммиака до азотной кислоты, и обратно путем восстановления—от азотной кислоты и сложных органических соединений до аммиака и свободного азота.
Большинство растительных организмов, включая все высшие растения, способно удовлетворять свою потребность в А. только за счет некоторых азотистых соединений, и весь А., находящийся в свободном состоянии в атмосфере, непосредственно им недоступен. Из этого источника могут заимствовать А. лишь нек-рые микроорганизмы. Будучи широко распространены в природе, они играют важную роль в круговороте А. как промежуточное звено, чрез к-рое свободный А. атмосферы становится доступным и другим организмам, неспособным к непосредственному усвоению его. Это соотношение между организмами последней категории и усвояющими азот микроорганизмами принимает иногда форму тесного сожительства. Такое сожительство имеется у растений из группы бобовых (горох, бобы, чечевица, соя, вика, чина, клевер, люцерна, сераделла, лупин и другие), относительно которых уже давно, на основании данных с.-х. практики и опытной агрономии, было известно, что они не только не нуждаются в азотистом удобрении, но даже обогащают почву А-ом. Гельригелем и Вильфартом в 1888 было выяснено, что независимость бобовых от содержания в почве А. обусловлена их способностью использовать А. воздуха, и что этой способностью они обязаны развивающимися на их корнях клубенькам, к-рые образуются при участии находящихся в почве микроорганизмов. В стерилизованной почве бобовые растения развиваются без клубеньков и тогда зависят от содержания А. в почве, как и др. растения, например, злаки. Заражение стерилизованной почвы небольшим количеством не стерильной возвращает бобовым растениям вновь их обычные свойства. Поглощение бобовыми А. из воздуха непосредственно установлено Шлезингом и Лораном (1890), показавшими, что прирост А. в растениях соответствует его убыли в воздухе. Образование на корнях вздутий, называемых клубеньками или желвачками, является результатом разрастания паренхимной ткани (см.) корня под влиянием внедряющихся в нее через корневые волоски бактерий. В паренхиме клубенька бактерии, имеющие первоначально вид мелких подвижных палочек, теряют подвижность, увеличиваются в размере и часто образуют разветвления, превращаясь в богатые белками образования, к-рые задолго до выяснения их истинной природы и их отношения к усвоению свободного А. были известны под названием бактероидов. В чистой культуре бактерии из корневых клубеньков бобовых впервые выделены Бейеринком (1888). После отмирания закончившего свое развитие растения, оставшиеся в клубеньках бактерии снова переходят в почву. — Клубеньковые бактерии бобовых относятся, повидимому, к одному и тому же виду, к-рому Бейеринк дал название Bacillus radicicola, и бактерии отдельных видов бобовых представляют лишь специфически приспособленные к ним расы. При переносе бактерий с одного вида растений на другой не всегда наблюдается сразу нормальное развитие клубеньков с значительной ассимиляцией свободного А.; чаще клубеньки развиваются с сравнительно слабой ассимиляцией азота, или совсем без нее, или даже не развиваются вовсе. Но путем повторной культуры на новом хозяине, при первоначально слабом развитии на нем, достигается постепенное приспособление бактерий, с повышением способности к развитию клубеньков и к ассимиляции свободного А. Чем продолжительнее культура на новом хозяине, тем труднее возврат к нормальному развитию на первоначальном хозяине и наоборот. Отсюда ясно, что способность бактерий данного вида растения прививаться к другому зависит не только от видов растений, но и от степени специализации бактерий, к-рая у одного и того же вида может быть в различных случаях неодинаковой. В почве, в зависимости от произрастающих на ней растений, также происходит соответствующая специализация бобовых бактерий. Поэтому при введении в культуру новых видов бобовых иногда требуется некоторый период для приспособления к ним бактерий данной почвы. Если в почве не имеется бактерий, в достаточной мере способных приспособиться к новому растению, ассимиляция свободного А. культурой такого растения становится возможной только при искусственном введении в почву соответствующих ему бактерий. Попытки приспособить бактерии бобовых к растениям других семейств пока не привели к положительному результату. Взаимоотношения между бобовыми растениями и сообщающими им способность усвоения свободного А. бактериями еще не вполне выяснены. По Гильтнеру, это не простой симбиоз (см.)—в виде непрерывного сотрудничества, а до некоторой степени борьба. Сначала бактерии являются паразитами, и только с развитием клубеньков и с образованием в них бактероидов устанавливается известное равновесие, при к-ром растение получает возможность длительно использовать усвояемый бактериями А. Осуществление такого состояния равновесия зависит от соотношения между растением и бактериями. При сильном развитии растения, напр., на почве богатой нитратами, и при малой вирулентности (см.) бактерий, последние или совсем не проникают в корни или, проникнув в них, резорбируются в их клетках на той или иной ступени своего развития; при этом они не превращаются в бактероиды, что происходит иногда уже в стадии образования клубеньков, к-рые оказываются тогда лишенными бактерий. С другой стороны, при слабости развития растения бактерии с высокой вирулентностью могут сохраняться в клетках корня, не переходя в бактероидную форму, и оказывать в таком случае на развитие растения даже вредное влияние. Это может иметь место при сравнительно позднем заражении растений бактериями. Соответственно приспособленности бактерий к растению и в случаях развития нормальных клубеньков с бактероидами, ассимиляция свободного А. может быть неодинаково интенсивной.
Для успешной ассимиляции свободного А. требуется, конечно, наличность и всех других необходимых для развития растения условий. Присутствие в почве доступных для растений источников А., в виде нитратов или аммиачных солей, обычно подавляет способность к образованию клубеньков и к ассимиляции свободного А. бобовыми; иногда эта способность подавляется совершенно, иногда же лишь в известной степени. Это разнообразие в эффекте связано, вероятно, с указанными выше различиями в соотношении между растениями и бактериями.
В период развития растений содержание А. в клубеньках (больше 5%) значительно выше, чем в остальных частях корневой системы, но ко времени созревания оно понижается, и разница сглаживается. Исходя из этого, нельзя, однако, принимать процесс ассимиляции А. в клубеньках и процесс его использования растением за последовательно сменяюшие друг друга ступени; оба процесса протекают при развитии растения параллельно. Это следует уже из того, что вес усвоенного растением свободного А. в некоторых случаях значительно превышает общий вес клубеньков.
Многочисленные попытки воспроизвести ассимиляцию свободного А. с бактериями бобовых в чистых искусственных культурах не дали достаточно определенного результата, и если ассимиляция А. в таких культурах и наблюдалась, то лишь в сравнительно слабой степени. Для более успешного проявления ее требуются, повидимому, нек-рые специфические условия, о чем свидетельствует уже приспособленность бактерий только к определенным растениям. Образование на корнях клубеньков наблюдается и у многих других растений помимо бобовых, но оно далеко не всегда связано с способностью к ассимиляции свободного азота. Для некоторых из этих растений такая способность может считаться, однако, вполне установленной или, по крайней мере, весьма вероятной. Сюда, относятся ольха (Alnus), лох (Elacagnus), облепиха (Hippophaë), восковик (Myrica) и хвойное Podocarpus. Организмы, находящиеся в клубеньках ольхи и восковика, относятся, повидимому, к группе актиномицетов (см.). В клубеньках Podocarpus находится грибной мицелий. По некоторым данным, к ассимиляции свободного А. способен также вереск (Calluna).
Усвоение свободного А. почвой. Способность к ассимиляции свободного азота не исчерпывается описанными выше случаями симбиоза микроорганизмов с высшими растениями. Этой способностью обладают и многие свободно живущие микроорганизмы, которые широко распространены в природе и почти всегда находятся в почве. Связывание свободного А. почвою было впервые установлено в 80-х гг. 19 в. Бертело. На основании сравнительных опытов с почвами в естественном состоянии и подвергнутыми стерилизации нагреванием, он пришел к заключению, что связывание А. почвою совершается при участии находящихся в ней микроорганизмов. Это заключение подтверждается позднейшими исследованиями, и в наст. время известен целый ряд микроорганизмов, способных к ассимиляции свободного А. Среди них имеются как аэробы (см.), так и анаэробы (см.). Представителем последних является открытый Виноградским в 1893 в почве Clostridium pasteurianum. Это палочкообразная, принимающая при спорообразовании форму веретена, бактерия, относящаяся к категории бактерий масленокислого брожения. По позднейшим данным, к ассимиляции свободного А. способны и некоторые другие бактерии этой категории. Главными представителями усвояющих А. аэробов должны быть признаны различные виды Azotobacter, из которых первый, Az. chroococcum, был выделен из почвы в 1901 Бейеринком. Эти крупные микроорганизмы имеют очень широкое распространение и встречаются как на суше, так и в воде. Все усвояющие свободный А. организмы гетеротрофны, т. е. требуют для своего питания готовых органических веществ, но они значительно различаются по кругу доступных им веществ и по продуктивности их использования. Для Clostridium этот круг ограничивается почти исключительно углеводами, тогда как Azotobacter, помимо последних, способен использовать и многие другие вещества, напр., многие органические кислоты и, между прочим, являющуюся продуктом деятельности Clostridium масленую кислоту. Количество усвоенного организмом А. находится в определенном отношении к количеству потребленного им органического вещества, и это отношение, меняющееся, в известных пределах, в зависимости от условий развития у одного и того же организма, может быть весьма неодинаковым для различных организмов. Аэробы, сжигающие органическое вещество до углекислоты и воды, представляют усвояющий механизм, работающий более экономно, чем анаэробы. На 1 г усвоенного азота Azotobacter расходует в среднем 100 г сахара, тогда как Clotridium около 500 г. На фиксацию 1 кг азота почвою при благоприятных условиях затрачивается около 100 кг органических веществ, что составит, если принять последние за углеводы, 4.000 калорий или 464 киловатт часов. Эта величина приблизительно в 10 раз превосходит количество энергии, затрачиваемой на связывание 1 кг атмосферного азота в технике при производстве азотной кислоты, аммиака или цианамида. Процесс связывания А. почвенными бактериями все же заслуживает внимания в сельском хозяйстве, так как при этом процессе используется имеющийся в почве, в виде ее органических веществ, источник энергии, к-рый не может быть утилизирован иначе. По Денису, этим способом может быть связано от 10 до 40 кг А. на гектар. Величина эта, при искусственном внесении в почву доступного бактериям органического вещества, напр., сахара, может быть значительно повышена, и для данной почвы она тем выше, чем благоприятнее условия для деятельности аэробных бактерий, т. к. ими, как указано, органическое вещество используется и полнее и продуктивнее, чем анаэробными. Бактериями бобовых ассимиляция свободного А. проводится, повидимому, гораздо экономнее в смысле затраты органического вещества, чем свободно живущими. Если бы у первых она была такой же, как у последних, то количество затраченного на усвоение свободного А. вещества превосходило бы в 2—3 раза общий вес сухого вещества развивающегося растения. Такой траты вещества, в действительности, конечно, не происходит, и некоторые данные позволяют заключить, что клубеньки бобовых представляют очень совершенный усвояющий механизм, не уступающий по затрате энергии на связывание А. механизмам, применяемым в технике. Культура бобовых, не только не требующих дорого стоящих азотистых удобрений, но даже обогащающих почву А., заслуживает особого внимания в сельском хозяйстве, особенно у нас в СССР, где эта культура далеко еще не использована в той мере, в какой требуют этого как экономические, так и технические соображения. На бедных А. почвах культурой бобовых фиксируется в среднем на гектар (0,9 дес.) ок. 200 кг свободного А., при чем ⅓—½ этой величины приходится на пожнивные остатки; А., приходящегося на последние, более чем достаточно для обеспечения хорошего урожая злаковых хлебов. При помощи бобовых фиксация свободного А. осуществляется в значительно большем масштабе, чем при участии свободно живущих микроорганизмов почвы. При ассимиляции свободного А. организмами первоначально образуется, вероятно, аммиак или соединение близкое к нему, но этот первоначальный продукт обычно не накопляется в сколько-нибудь значительном количестве, и главная масса фиксированного организмами А. находится в виде заключающихся в них белков. Этот А. может стать доступным для других растений только после отмирания фиксирующих организмов и разложения входящих в них азотистых веществ. При фиксации свободного А. бобовыми, как уже указано, иногда полезно или даже необходимо внесение соответствующих бактерий в почву. В прививке свободно живущих фиксаторов А. обычно не встречается надобности, так как в громадном большинстве случаев они уже находятся в почве. Здесь приходится озаботиться лишь о благоприятствующих проявлению их деятельности условиях, при чем важное значение имеет свободный доступ к почве воздуха.