Азотна біологія

азоту (Лат Нітроген ) - хімічний елемент з атомним номером 7 та символом елемента N. Походить від латинської назви нітроген ab (від давньогрецького νιτρον нітрону «Лужна сіль» і γενος генос "Походження"). Німецька назва азоту нагадує, що молекулярний азот гасить («задихає») полум’я або що живі істоти задихаються в чистому азоті. У періодичній системі він знаходиться у п’ятій основній групі або азотній групі та в другій періоді.

може бути

Елементарний азот зустрічається лише у формі двоатомних молекул (молекулярний азот, також динітроген, емпірична формула N2); з 78% це основна складова повітря. Неорганічно зв’язаний азот рідко зустрічається в земній корі; це має значення лише в родовищах селітри.

В процесі еволюції в екосистемі склався кругообіг азоту: як компонент білків та багатьох інших природних речовин, азот важливий для живих істот, які органічно пов’язують його та роблять біодоступним в енергоємному процесі (фіксація азоту). Це відбувається, наприклад, ферментативно на залізо-сірчаному кластері, який є кофактором ферменту нітрогенази.

історія

Хімічні сполуки азоту, такі як нітрати та солі амонію, вже використовувались алхіміками. У 1771 році Карл Вільгельм Шіле продемонстрував, що азот є складовою частиною повітря. Вперше аміак був зображений Джозефом Прістлі в 1774 році. До початку 20 століття селітра була єдиним основним джерелом сполук азоту. З впровадженням процесу Франка Каро (виробництво ціанаміду кальцію за Адольфом Франком та Нікодемом Каро) атмосферний азот вперше став придатним для використання. Процес Біркеленда-Ейда, як стверджують Крістіан Біркеланд та Сем Ейд, використовувався для отримання азотної кислоти. Ці процеси незабаром були замінені процесом Габера-Боша, розробленим Фріцем Габером та Карлом Бошем для синтезу аміаку з атмосферного азоту та водню, та каталітичним процесом Оствальда, розробленим Вільгельмом Оствальдом для перетворення аміаку в азотну кислоту.

Природне виникнення та кругообіг азоту

Ще в 19 столітті було визнано, що велика частина рослинної речовини містить азот і є важливою складовою всього живого. Це важливий елемент білків і протеїдів (білкових речовин) і ДНК. Отже, азот також є компонентом усіх ферментів, які контролюють обмін речовин рослин, тварин і людини. Азот необхідний для життя на землі.

Азот у повітрі

Земна атмосфера складається з 78,09 об.% (75,53% по масі) молекулярного азоту. Лише невелика кількість мікроорганізмів може використовувати його, включати в речовину свого організму або навіть передавати рослинам. Наскільки відомо, рослини не можуть безпосередньо використовувати газоподібний азот у повітрі. Перетворення у форму, яку можуть використовувати рослини, відбувається через

Азот у ґрунті

У орній верхівці (горизонт А) понад 95% загального азоту зазвичай присутній як органічно зв’язаний азот у живій кореневій речовині, мертвій рослинній речовині, речовині гумусу та ґрунтових організмах. Решта менше 5% - це неорганічний азот у формі амонію або нітрату і дуже мала кількість у формі нітриту. Цей вміст мінерального азоту визначають навесні перед заплідненням методом Nmin. Загальний вміст азоту в ґрунтах сильно залежить від вмісту вуглецю. На це впливають клімат і рослинність, тип ґрунту, форма рельєфу та заходи фермера, такі як обробка грунту.

Азот у рослинах

Завдання на заводі

Азот вбудовується в продукти фотосинтезу, щоб, крім усього іншого, виробляти білки і, таким чином, сприяє зростанню. Азот має велике значення як важливий компонент дезоксирибонуклеїнової кислоти та хлорофілу. Залежно від виду частка сухої речовини становить 2–6%, або в середньому 1,5%. [8] Азот зазвичай поглинається у вигляді амонійних або нітратних солей.

Симптоми дефіциту

  • поганий зріст
  • блідо-зелений колір листя. Люди похилого віку стають хлоротичними і передчасно відпадають.
  • цвітіння занадто рано (надзвичайне цвітіння)
  • Пожовтіння

Надлишкові симптоми

  • Зростання мастигу
  • Листя темно-зелені
  • Затримка цвітіння
  • Рослина, сприйнятлива до морозів та хвороб
  • Тканина листя здається губчастою і м’якою

Вилучення та презентація

Сьогодні азот отримують переважно шляхом фракційної перегонки скрапленого повітря на установках сепарації повітря за допомогою процесу Лінде з чистотою до 99,99999%. Азот із домішками менше 1 ppb вимагає додаткових етапів очищення. Існує біологічний метод з використанням розсади рису для видалення залишку кисню.

Азот зі ступенем чистоти близько 99% отримують набагато дешевше завдяки багатоступеневій адсорбції/десорбції на цеолітах. Іншим методом децентралізованого виробництва азоту є мембранний процес. Стиснене повітря пресується через пластикову мембрану під тиском від 5 до 13 бар. Швидкість дифузії азоту та аргону через цю мембрану значно повільніша, ніж у кисню, води та вуглекислого газу, а це означає, що потік газу на внутрішній стороні мембрани збагачується азотом. Чистоту азоту можна контролювати регулюванням витрати (до 99,995% для невеликих кількостей, 99% для промислових стандартів).

Дещо старомодним методом є зв’язування кисню в повітрі з вугіллям, нагріваючи його, а потім вимиваючи утворився вуглекислий газ. Атмосферний кисень також можна видалити, пропускаючи повітря над світяться міддю або лужним розчином пірогалолу або дітіоніту натрію.

У лабораторії чистий азот можна отримати шляхом нагрівання водного розчину нітриту амонію або розчину суміші хлориду амонію/нітриту натрію приблизно до 70 ° C

В якості альтернативи можливий термоліз азиду натрію, який використовується для отримання спектроскопічно чистого азоту. [9]

характеристики

Фізичні властивості

Молекулярний азот - це газ без кольору, запаху і смаку, який конденсується до безбарвної рідини при низьких температурах (−196 ° C). Азот важко розчинний у воді (23,2 мл азоту в 1 л води при 0 ° C) і не є займистим. Азот - єдиний елемент групи азоту, який утворює (p-p) π-зв’язки з собою. [10] Атомна відстань цього потрійного зв’язку становить 109,8 вечора.

У спектральній трубці з газовим розрядом молекулярні орбіталі азоту збуджуються, щоб світитися при негативному тиску приблизно 5-10 мБар при роботі з високовольтною напругою 1,8 кВ, струмом 18 мА та частотою 35 кГц. При повторному поєднанні молекул іонізованого газу випромінюється характерний кольоровий спектр. [11]

Критичними даними є [12]: температура −146,95 ° C (126,20 К), тиск 33,9 бар, щільність 0,314 г/см 3 .

Азот переважно утворює ковалентні зв’язки в його сполуках. У електронній конфігурації 2s 2 p 3 утворення трьох ковалентностей призводить до завершення октету. З'єднання, в яких виникає такий тип зв'язку, є, наприклад:

  • аміак
  • Аміни
  • Гідразин
  • Гідроксиламін

Всі ці сполуки мають тригональну пірамідальну структуру і одиночну пару електронів. Ці сполуки можуть діяти як нуклеофіли та основи за допомогою цієї самотньої пари електронів.

Природний молекулярний азот N2 є дуже інертним завдяки стабільному потрійному зв’язку, присутньому в молекулі азоту, та пов’язаній із цим енергії дисоціації високого зв’язку 942 кДж/моль [13]. Ось чому для розщеплення цієї сполуки та зв’язування азоту з іншими елементами зазвичай потрібно багато енергії. Необхідна енергія активації також висока, і при необхідності може бути зменшена за допомогою відповідних каталізаторів.

Полімерний азот

У публікації в серпні 2004 року дослідники з Інституту хімії Макса Планка в Майнці оголосили, що під тиском понад 110 ГПа при температурі понад 2000 К вони утворили нову кристалічну форму, так званий полімерний азот з одинарними облігаціями. Ця модифікація має унікальну кубічну структуру, яка називається “кубічна сітка”. Через високу нестабільність можливе використання обмежене, але можна уявити, наприклад, полімерний азот як вибуховий пристрій або пристрій для зберігання енергії. Тоді поліазот був би на сьогоднішній день найпотужнішою неядерною вибуховою речовиною. [14]

Ізотопи

На додаток до двох природних ізотопів 14 N і 15 N існують штучні ізотопи з масовими числами від 12 до 19. Їх період напіввиведення становить від 9,97 хвилин до 11 мілісекунд.

Ізотоп 15 N був відкритий Науде (1929) і використаний через кілька років Норманом та Веркманом (1943) у перших польових випробуваннях. Навіть сьогодні ізотоп подібним чином використовується для біохімічних досліджень змін азоту в орних ґрунтах або в рослинах, але також як індикатор для перетворення білків. Природна концентрація 15 Н в атмосфері становить 0,3663%.

15 N можна збагатити, як і інші ізотопи газоподібних речовин, наприклад, шляхом теплової дифузійної сепарації.

використання

Азотні сполуки

Азот використовується для синтезу аміаку (процес Габера-Боша) та ціанаміду кальцію та в хімічних реакціях. Крім того, сполуки азоту знаходять різноманітне застосування в галузі органічної хімії і служать добривами.

Багато вибухових речовин є сполуками азоту. Більшість із них - нітросполуки. Якщо в молекулі достатньо нітрогруп, атоми кисню нітросполуки можуть екзотермічно реагувати з атомами вуглецю або водню в тій же молекулі, якщо вони достатньо збуджені, а тверда речовина або рідина (наприклад, нітрогліцерин) раптово перетворюється на високотемпературний газ, що розширюється з великою силою. Отже вибухові речовини перебувають у метастабільному стані. У випадку кількох нітрогруп відбувається лише швидке і неповне згоряння (наприклад, целулоїд (м'яч для настільного тенісу)).

Газовий азот

Азот використовується для заповнення літальних шин на великих літаках. Чистий азот запобігає загорянню шин літака зсередини через велике тепло, яке утворюється при дотику під час посадки або під час зльоту. Див .: літакові шини.

Азот використовується як захисний газ під час зварювання та як газ для наповнення лампи. Тут важливі інертні властивості азоту. Як паливний газ, пакувальний газ, газ для збивання вершків тощо, він затверджений як харчова добавка E 941 [15].

Азот використовується в системах видачі напоїв, коли через структурні умови (довгий трубопровід, велика різниця висот) необхідний високий тиск видачі. Азот використовується тут разом з вуглекислим газом як змішаний газ. Оскільки азот не розчиняється в напої, ви також можете натискати при більш високих тисках без надмірного утворення піни або карбонізації.

Суперечливе наповнення автомобільних шин азотом розглядається в статті Шиномонтажний газ тематизований.

Рідкий азот

Завдяки низькій температурі кипіння рідкий азот (LN) використовується як охолоджуюче середовище в кріотехнологіях. Азот відводить тепло випаровування від товарів, що охолоджуються, і зберігає їх холодними, поки вони не випаруються.

Порівняно з рідким киснем, який кипить при −183 ° C (90 K), температура кипіння LN ще на 13 K нижча, він закипає при −196 ° C (77 K) і викликає на них конденсацію атмосферного кисню та інших газів Шлях можна відокремити.

Рідкий азот (щільність 0,8085 кг/л при -195,8 ° C [12]) використовується, серед іншого, для створення надпровідного стану високотемпературних надпровідників. Він також використовується для зберігання біологічних та медичних зразків, яйцеклітин та сперми, а також для шокового заморожування біологічного матеріалу. Одним з прикладів є охолодження інфрачервоних фотоприймачів з метою зменшення їх теплового шуму або передусім їх до напівпровідникового стану.

У цивільному будівництві використовується для промерзання землі.

У галузі технології матеріалів рідкий азот використовується для видалення залишків аустеніту з певних загартованих сталей або для штучного старіння матеріалів за допомогою "заморожування". LN також використовується, наприклад, B. Зменшити вали трансмісії так, щоб прикріплені шестерні трималися за вал прес-фітингом.

При переробці кабелів ізолюючий матеріал стає крихким при охолодженні рідким азотом і може бути відбитий металом (алюміній або мідь).

У Німеччині «поховання азоту» (поглинання) досі заборонено. Як альтернативу похованню при кремації труп заморожують у ванні з рідким азотом при -196 ° C. Потім затверділий труп подрібнюють у порошок. Це сушать у вакуумній камері, а залишки, оброблені таким способом, закопують у біорозкладану урну. Традиційне поховання дерев’яної труни відбувається на глибині близько 2 м; тут процес розкладання - на відміну від поховань азотом - займає кілька років.
Шведський біолог Сюзанна Вій-Месак працює над пілотним проектом для цього нового типу поховання.

Споживачі азоту часто отримують азот як рідкий азот у контейнерах-термосах, подібних термос-колбам, замість газових пляшок під тиском. Ці контейнери відомі як dewars. Для цього рідкий азот заповнюється з двостінних автоцистерн.

Хімічна реакція

Коли Азотація Це хімічна реакція, при якій реагент поглинає азот.

Типовим прикладом азотування є поява ціанаміду кальцію:

доказ

Азот, який присутній в органічно зв’язаній формі, може бути визначений якісно за допомогою зразка Лассаньє та кількісно за допомогою визначення азоту Вілла-Варрентраппа, визначення азоту Кельдаля, азотометра або елементарного аналізу. Для неорганічно зв’язаного азоту в якості реакцій виявлення проводять поперечний збіг іонів амонію або кільцевий тест на іони нітратів. Для проведення кільцевого випробування розчин зразка (сірчана кислота, без важких металів) змішується із свіжим розчином сульфату заліза (II) і покривається концентрованою сірчаною кислотою. На межі розділу між двома рідинами нітрат-іони відновлюються до оксиду азоту (NO). У водному розчині цей радикал утворює коричневий комплекс з іншими іонами заліза, який стає видимим як «кільце» на межі фаз у пробірці:

$ \ mathrm + NO_3 ^ - + 4 \ H ^ + \ longrightarrow 3 \ Fe ^ + NO + 2 \ H_2O> $ окисно-відновна реакція

$ \ mathrm + NO + 5 \ H_2O \ longrightarrow [Fe (H_2O) _5NO] ^> $ реакція утворення комплексу

посилання

З'єднання, що містять азот: