Азот (I)

АзотАЗОТ, N (франц. Az), химический элемент (Nitrogenium - от nitrum, селитра, «образующий селитру»; по-немецки - Stickstoff «удушающий газ», по-франц. - Azote, от греч. α - отрицание, ξωη - жизнь, безжизненный); атомный вес 14,009, порядковый номер 7.

Физические свойства. D чистого азота (при D воздуха = 1) 0,9674; но обычно мы имеем дело с азотом из воздуха, с содержанием 1,12% аргона, D такого азота 0,9721; вес 1 л чистого азота при 0°С и 760 мм - 1,2507 г, вес 1 л «атмосферного» азота - 1,2567 г. Растворимость азота в воде меньше растворимости кислорода. 1 л воды при 760 мм и 0°С растворяет 23,5 см3 азота (растворимость О2 — 48,9 см3), при 20°С - 15,4 см3 азота (растворимость О2 - 31,0 см3). Древесный уголь свежепрокаленный поглощает, по Дьюару, в 1 см3 при 0°С всего 15 см3 азота, при —185°С он поглощает 155 см3 азота (объемы перечислены на 0°С и 760 мм). Температура критическая —147°С при критическом давлении в 33 atm., или 25 м ртутного столба, температура кипения при 760 мм равна —195°,67±0°,05, а температура плавления при 88 мм±4 мм равна — 210°,52±0°,2. Коэффициент расширения азота при 1 atm равен 0,003667; удельная теплота при 20°С равна 0,249, а для температурного интервала (0—1400)°С, в среднем, 0,262; отношение срη = 1,40, как и для О2. Жидкий азот бесцветен, подвижен как вода, хотя легче последней. Удельный вес при температуре кипения и 760 мм — 0,7914, при —184°С - 0,7576, при —195,5°С - 0,8103 и при —205°С - 0,8537; близ точки застывания - 0,8792 (цифры колеблются в зависимости от содержания Аr). Удельная теплота жидкого азота между —196°С и —208°С - 0,430; теплота испарения 1кг жидкого азота при температуре кипения —195°,55 равна 47,65 Cal. Из 1 л жидкого азота при испарении, при атмосферном давлении и 0°С, 14°С и 27°С, образуется соответственно: 640, 670 и 700 л газообразного азота. Жидкий азот немагнитен и не проводит электричества.

Химические свойства азота в значительной степени определяются его крайней инертностью при обыкновенных условиях температуры и давления, объясняющеюся устойчивостью молекул N2. Только металл литий соединяется с азотом при невысокой температуре, выделяя при этом 69000 cal и образуя нитрид лития NLi3. Нитрид Ва образуется при 560°С и имеет формулу Ba3N2; о других нитридах. Как с кислородом, так и с водородом азот соединяется лишь при высокой температуре, причем реакция с кислородом эндотермична, а с водородом экзотермична. Валентность азота определяется строением его атома по Бору. При удалении с наружного кольца всех пяти электронов азот становится пятизарядным положительным ионом; при пополнении верхнего кольца тремя электронами до предельного числа - восьми - атом азота проявляется как трехзарядный электроотрицательный ион. Состояние азота в аммонийных соединениях может быть легко выяснено теорией комплексных соединений. Азот дает целый ряд соединений с кислородом и с галоидами (последние соединения являются вследствие сильной эндотермичности своего образования чрезвычайно взрывчатыми). С водородом азот дает соединения: аммиак и азотистоводородную кислоту. Кроме того, известны: соединение азота с водородом - гидразин и с водородом и кислородом - гидроксиламин.

Применение азота. Газообразный азот имеет в качестве инертного газа применение в медицине для иммобилизации пораженных туберкулезом участков легких (операция Pneumotorax), для защиты металлов от химического действия на них активных газов и вообще в тех случаях, когда необходимо предотвратить какую-нибудь нежелательную химическую реакцию (например, для наполнения лампочек накаливания, для надувания автомобильных резиновых шин, на которые при высоком давлении разрушающим образом действует воздух, для сохранения красок ценных картин, помещаемых в наполненных азотом герметических сосудах, для предотвращения пожарной опасности при переливке бензина и других горючих жидкостей, и т. п.). Но самое важное техническое применение азота имеет в процессе получения синтетического аммиака из элементов.

При оценке свойств азота и его исключительного значения в общей экономике органической природы и общественной жизни человека следует резко различать азот свободный от азота связанного, т. е. уже вступившего в химическое соединение с каким-нибудь другим элементом, гл. обр. с кислородом, водородом и углеродом. Азот свободный при условиях температуры и давления, господствующих на поверхности земного шара, представляет собою крайне инертный элемент. Мышь в классическом опыте Лавуазье погибала в воздухе, лишенном кислорода, т. е. в почти чистом азоте. Между тем связанный азот является как бы носителем жизни, ибо все без исключения живые существа, будь это растения или животные, выстраивают свой организм обязательно при участии т. н. белковых веществ, неизбежно заключающих в своем химическом составе азот (белки содержат до 16% азота). Процесс перехода от свободного азота к связанному и обратно представляет собою величайшей важности процесс природы и грандиознейшую проблему сельского хозяйства, а в последнее время и индустрии. Свободный азот содержится в смеси с другими газами в атмосфере в необъятном количестве, составляя около 4/5 по объему (75,51 весовых %) от всей атмосферы и окутывая земной шар воздушным покровом, постепенно все более и более разрежающимся, достигающим в высоту десятков км. Над одним гектаром земной поверхности содержится азота столько, что, если бы он был в связанном состоянии, его хватило бы для обеспечения всей живой природы и потребностей человечества на 20 лет (А. Э. Мозер). Но свободный азот лишь с громадным усилием м. б. понужден к соединению с другими элементами, и притом не только в тех случаях, когда это соединение происходит эндотермически (как, например, при образовании кислородных соединений азота), но и в тех случаях, когда соединение азота с другим элементом сопровождается выделением энергии и является реакцией экзотермической (соединение азота с водородом).

Лишь в исключительных случаях, например, с литием, соединение азота протекает в обыкновенных условиях температуры и давления легко. Поэтому в общем балансе связанного азота в природе приходится констатировать круговорот. Растения поглощают связанный азот в виде растворимых солей из почвы и изготовляют белки; животные пользуются при обмене веществ готовыми азотистыми соединениями за счет поглощенной растительной пищи, выделяя соединения связанного азота, неусвоенные, а также образовавшиеся в результате распада в их организме белковых веществ - в экскрементах и в моче, и, наконец, внося при своей гибели весь свой организм в общий баланс связанного азота в природе для дальнейших процессов минерализации белковых и других азотистых веществ, происходящих в почве. В этих последних процессах громадная роль остается за микроорганизмами почвы, в результате жизнедеятельности которых сложные азотистые органические соединения превращаются в простейшие соли азотной кислоты, которая, в свою очередь, образуется в результате окисления в почве аммиачных соединений как более ранней стадии разрушения белковых веществ и продуктов ид распада. Принимая во внимание чрезвычайную инертность свободного азота, неспособного самостоятельно вступать в соединения, и, с другой стороны, потери или случаи глубокого разрушения азотистого соединения до свободного азота (например, в результате жизнедеятельности денитрифицирующих почвенных бактерий, при сжигании каменного угля, дров и торфа, при вымывании из почвы азотистых соединений дождем в реки и моря, при спуске в реки отбросов больших городов и т. д.), - можно было бы считать неизбежным последствием всего этого постепенное обеднение природы связанным азотом и в результате гибель органической жизни на земле, если бы в общее русло круговорота связанного азота не вливались бы некоторые процессы, пополняющие указанную убыль связанного азота в природе. Таким естественным источником связанного азота в природе являются атмосферные осадки, приносящие в почву окислы азота, образовавшиеся в атмосфере при электрических разрядах, которые понуждают некоторое количество атмосферного азота соединиться с кислородом (дождевая вода содержит около 0,00001% связанного азота). Можно подсчитать, что этим путем в почву земного шара ежегодно вносится до 400 млн. т связанного азота. Кроме того, Бертело удалось установить, что в почве, без внесения в нее новых запасов азотистых соединений, содержание азота с течением времени повышается благодаря жизнедеятельности некоторых видов бактерий. Впоследствии эти бактерии были выделены в чистых культурах, а именно: анаэробная бактерия маслянокислого брожения (Clostridium pasteuri- anum) и аэробная бактерия (Azotobakter Виноградского, которая может обогатить почву на 48 кг в год на 1 га). Кроме этих свободно живущих в почве бактерий, было обнаружено в клубеньковых наростах некоторых растений семейства бобовых (Leguminosae) присутствие симбиотически связанных с ними бактерий (Bacillus radicicola), также способных усваивать свободный атмосферный азот и передавать этот связанный ими азот своему «растению-хозяину». Как известно, это свойство бобовых растений (лупина, вики, сераделлы и др.) широко применяется для обогащения почвы азотистыми веществами, являясь своеобразным методом удобрения почвы для последующих посевов хлебных злаков на участке с запаханными и разложившимися в почве, предварительно взращенными на ней, удобрительными растениями. Однако указанные естественные источники пополнения связанного азота в природе никоим образом не могут восполнить его убыли, в особенности в виду громадного расточения связанного азота во всех процессах разрушения азотистых соединений в топливе, а также при использовании азотистых взрывчатых веществ. Принимая во внимание потребности в азотистой пище населения земли, исчисляемого в 1,6 млрд. чел., и ежегодный прирост населения земли в одних только странах, располагающих статистическими сведениями, в 4 млн. чел. или в 400 млн. в столетие, эту убыль связанного азота в природе приходится считать весьма существенной. Вильям Крукс еще в 1898 г. забил тревогу, предсказывая гибель человечества от голода в ближайшем будущем, когда, по его расчетам, должны будут иссякнуть единственные на земном шаре богатые месторождения чилийской селитры - того ресурса связанного азота, который гл. обр. должен был восполнить насущную нужду сельского хозяйства в азотных удобрениях, а вместо того хищнически расточался для военных целей, т. к. большинство взрывчатых веществ изготовлялось при действии азотной кислоты, полученной из чилийской селитры. Действительно, хотя Крукс преуменьшил несколько запасы селитры в Чили, однако и по последним геологическим подсчетам, если даже принять только довоенную норму выработки чилийской селитры (2750000 т селитры с содержанием 400000 т связанного азота), ее запасов (600 млн. т селитры с содержанием 30 млн. т связанного азота) не может хватить более, чем на 150—200 лет (см. Селитра). Однако запасы чилийской селитры отнюдь не являются единственным источником, из которого человечество черпает свои пополнения необходимого для его питания и промышленности связанного азота. По данным Интернационального агрикультурного института в Риме, вычисленным на основании сведений об урожаях всех стран света, мировое потребление связанного азота на 1924 г. определяется количеством около 7000000 т связанного азота; из них человек сумел выработать и вернуть природе лишь около 1/6 части, т. е. около 1200000 т связанного азота. На долю чилийской селитры в этом количестве пришлось в 1924 г. всего 420000 т. Остальное количество связанного азота поступило в общую экономику природы в значительной степени за счет таких же естественных ресурсов связанного азота в природе, как и селитра, требующих, однако, со стороны человека некоторой обработки. К числу таких естественных ресурсов связанного азота относятся мировые запасы каменного угля и торфа. Каменный уголь содержит даже в плохих сортах от 0,5 до 2% связанного азота. Те же сорта, которые идут для производства кокса и светильного газа, содержат обыкновенно от 1,2 до 1,9%, в среднем 1,3% связанного азота. По современным геологическим данным, мировые запасы каменного угля следует оценить приблизительной цифрой около 8000 млрд. т. Считая содержание связанного азота в угле в 1%, мы получим содержание связанного азота в мировом запасе каменного угля в 80 млрд. т, т. е. в 2000 раз больше, чем содержание связанного азота в запасах чилийской селитры. Это количество могло бы обеспечить потребность человечества в связанном азоте на 6000 лет, если бы при использовании угля можно было утилизировать весь заключающийся в нем связанный азот. Довоенная ежегодная выработка каменного угля была равна 1350 млн. т с содержанием связанного азота (1,3%) в 17 млн. т (соответственно 85 млн. т азотнокислого аммония, на сумму более 25 млрд. фр.). Однако почти все это количество связанного азота выпускалось в воздух в качестве свободного азота при сжигании каменного угля в печах заводов, паровозов, в домашних печах и т. д. Только примерно 1/50 ч. всего этого количества улавливалась азотной промышленностью и служила для получения сернокислого аммония, который является и поныне самым значительным, наравне с селитрой, ресурсом для искусственных азотных удобрений (Matignon). В среднем из каменного угля, подвергающегося коксованию или газации, добывается 12 кг сернокислого аммония на т. Утилизация связанного азота из торфа пока еще не представляет собою крупного фактора в экономике связанного азота. Т. о. использование каменноугольного азота только отчасти сглаживает остроту недостачи связанного азота для целей сельского хозяйства и промышленности, но отнюдь не является разрешением азотной проблемы в целом. Окончательное разрешение этой проблемы принесли с собой наука и техника, гл. обр. в продолжение текущего столетия, осуществив фиксацию атмосферного азота техническим путем. Эта фиксация осуществляется главным образом тремя основными методами: 1) путем сжигания азота воздуха при действии вольтовой дуги, с получением окислов азота и азотной кислоты; этот метод, вследствие эндотермичности реакции соединения N2 + О2, требует затраты значительных количеств тепла, высокого напряжения, и является рентабельным только при наличии дешевой гидроэлектрической энергии; 2) путем присоединения азота при высокой температуре электрической печи к карбиду кальция, с образованием цианамида кальция; последний либо непосредственно идет для целей удобрения, либо при действии воды образует аммиак, нейтрализуемый до сернокислого или азотнокислого аммония; 3) путем непосредственного соединения атмосферного азота с водородом, с образованием синтетического аммиака; этот способ (Габер-Боша) является, несомненно, величайшим достижением химической технологии за истекшую часть 20 в. и одним из грандиознейших завоеваний науки и техники в истории человечества.

Несмотря на то, что для повышения урожая необходимо внесение в почву также и других удобрений - фосфорных и калийных, все же именно азотные удобрения играют преобладающее значение в экономике сельского хозяйства. Если, например, в мясе фосфорного ангидрида и окиси калия содержится по 0,4%, то количество связанного азота в том же продукте достигает около 3%, т. е. на 30 ч. связанного азота в мясе приходится лишь по 4 ч. Р2О6 и К2О. При этом цены указанных трех видов искусственных удобрений в 1913 г., при нормальных, сравнительно, условиях довоенного времени, выражались следующими цифрами: за 1 кг связанного азота - 1,5 фр., а за 1 кг К2О или Р2О5 - по 0,4 фр. за каждый. Т. о. мы можем считать, что азотные удобрения дают экономический эффект в 32 раза более значительный по сравнению с эффектом остальных двух классов удобрительных туков. Насколько значительна роль азотных удобрений, видно из того факта, что внесение в почву искусственных азотных удобрений вызывает, при прочих равных условиях, прирост урожая на 1 т внесенного связанного азота: для зерновых хлебов - в 20 т, для картофеля - в 200 т и для свеклы - в 300 т. Для количественной оценки роли вносимых в экономику сельского хозяйства азотистых удобрительных туков интересно хотя бы приблизительно подсчитать общий мировой капитал связанного азота, участвующий в органической жизни нашей планеты. При поверхности суши земного шара в 135000000 км2 и толщине слоя пахотной земли в 0,4 м, мы можем оценить (приняв плотность почвы за единицу) весь капитал всей плодородной почвы земли в 54 млрд. т. Среднее содержание связанного азота в почве не превышает 0,1%. Уменьшив весь расчет до 3/4 вследствие учета пустынь, ледников, скал и других неплодородных почв, не содержащих азота, мы можем оценить общий тоннаж связанного азота в почве всего земного шара приблизительно в 40 млрд. т, т. е. в половину всех запасов связанного азота, имеющихся в каменном угле, утилизация которых возможна лишь в самой ограниченной степени.

Потребность мирового сельского хозяйства в азотных удобрительных туках характеризуется следующими цифрами (Partington, The Nitrogen Industry):

Мировое потребление чилийской селитры

Мировое потребление чилийской селитры в военные годы мало показательно, ибо на нем отразились факторы блокады, затрудненного транспорта и пр.

Мировое производство связанного азота достигло 1200000 т в год, из которых: около 30% - 360000 т было выделено при коксовании и газификации из каменного угля, около 35% - 420000 т было выработано в виде чилийской селитры, около 35% - 420000 т было произведено путем фиксации атмосферного азота. В самые последние годы это соотношение несколько изменилось в смысле увеличения выработки селитры (до 36,5%) за счет уменьшения утилизации каменноугольного азота (около 30%).

Мировое потребление сернокислого аммония

Из всей продукции связанного азота путем фиксации атмосферного азота в свою очередь 60% д. б. отнесено к синтетическому аммиаку, 30% - к цианамиду и только 10% - к норвежской синтетической селитре. Особенно быстрое развитие азотной промышленности наблюдается в Германии, что характеризуется следующими цифрами: всего в Германии азотных продуктов было произведено: в 1915 г. - 64000 т связанного азота, в 1919 г. - 132000 т, в 1920 г. - 190000 т, в 1922 г. - 238000 т (в эти количества не входит ввезенная чилийская селитра). Следующая диаграмма наглядно рисует степень удовлетворения на 1925 г. мировой потребности в связанном азоте со стороны добывающей и обрабатывающей азотной промышленности.

Мировая потребность и выработка связанного азота

Из всего количества добытого связанного азота 83% (около 1000000 т) было израсходовано для удобрения, вследствие чего был получен прирост сельскохозяйственных продуктов, эквивалентный 20000000 т (1,2 млрд. пудов) пшеницы, т. е. почти в два раза большего количества, чем весь хлебный годовой экспорт России в довоенные годы. Развитие синтетической азотной промышленности иллюстрируют следующие цифры:

Производство связанного азота

Эти цифры опубликованы американским Bureau of Foreign a. Domestic Commerce, «Trade Information Bulletins», 1924, №№ 170, 226, 240 и 270.

По отдельным странам мировая производительная способность заводов, вырабатывающих соединения связанного азота, в 1925 г. подразделяется следующим образом (в т):

По отдельным странам мировая производительная способность заводов, вырабатывающих соединения связанного азота, в 1925 г.

Т. о. в технической фиксации атмосферного азота по тому или иному методу участвуют: Германия на 60%, Франция - 14%, Англия - 2,5%, Италия - 4,3%, Япония - 1,9% и США - 18%. Но синтетическая азотная промышленность развивается чрезвычайно быстро. Уже в настоящее время частью заканчивается постройкой, а частью находится в действии целый ряд новых установок. Когда все они начнут функционировать, то общая продукция синтетического связанного азота будет еще больше.

Преобладающее значение и наибольшие перспективы из всех синтетических методов фиксации атмосферного азота следует признать за способами получения синтетического аммиака. Главным преимуществом этого пути фиксации атмосферного азота является весьма незначительная затрата энергии на его производство, ибо энергия, в виду экзотермичности процесса, д. б. затрачена, при рациональном использовании теплоты самой реакции, исключительно на компрессию газов до давления в 200 и более atm. Parsons (JournalofInd. a. Eng. Chem., v. 9, p. 839, 1917) приводит интересный подсчет расходуемой энергии на тонну связанного азота при разных методах:

Расходуемая энергия на тонну связанного азота при разных методах

Современное состояние синтетической аммиачной промышленности (на 1925 г.) характеризуется следующими цифрами:

Современное состояние синтетической аммиачной промышленности (на 1925 г.)

Т. о. 93% всего синтетического аммиака производится в Германии. Когда все установки по фиксации атмосферного азота будут закончены, то количество производимого синтетического аммиака будет приблизительно равно, в переводе на тонну связанного азота:

azot 8

В общем все виды технической фиксации атмосферного азота (аммиак, дуговой процесс и цианамидный метод) смогут дать ежегодную продукцию, вероятно несколько меньшую указанной выше, а именно:

azot 9

В СССР выработано в 1924 г. около 7400 т концентрированной аммиачной воды с содержанием около 400 т связанного азота, кроме того было импортировано значительное количество чилийской селитры с содержанием 1700 т связанного азота. О потребностях СССР можно получить представление из следующих цифр. Во время войны Россией было израсходовано на производство взрывчатых веществ около 330000 т селитры с 48000 т связанного азота. Потребность в азотистых удобрениях для культур сахарной свекловицы, хлопка и других технических растений исчисляется десятками тысяч тонн, а потребность в удобрениях для крестьянского хозяйства - многими сотнями тыс. т связанного азота. Недостаток удобрений вызывает слабый урожай в СССР, в среднем с 1 га 6,5 ц хлеба и 98 ц свекловицы, против 24,5 ц хлеба и 327,5 ц свекловицы в странах Западной Европы, применяющих азотные и другие искусственные удобрения (Мозер). В настоящее время в СССР принимаются решительные меры для обеспечения развития азотной промышленности. См. Азот (II).

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 - 1927 г.