Dusíkatá hnojiva pro krmení rostlin. Dusíkatá hnojiva - co to je? Které dusíkaté hnojivo je nejbohatší na dusík než ostatní? Obsahuje dusík pro rostliny

Alespoň ten atmosférický nevděčí za svůj vznik ani tak Slunci, jako životním procesům. Nápadný je nesoulad mezi obsahem prvku č. 7 v litosféře (0,01 %) a v atmosféře (75,6 % hm. nebo 78,09 % obj.). Obecně žijeme v dusíkové atmosféře mírně obohacené kyslíkem.

Mezitím ani na jiných planetách Sluneční soustavy, ani ve složení komet či jiných studených vesmírných objektů nebyl nalezen volný. Existují jeho sloučeniny a radikály - CN*, NH*, NH*2, NH*3, ale chybí dusík. Je pravda, že v atmosféře Venuše bylo zaznamenáno asi 2% dusíku, ale toto číslo stále vyžaduje potvrzení.

Předpokládá se, že prvek 7 nebyl přítomen v primární atmosféře Země. Odkud se to potom ve vzduchu bere? Atmosféra naší planety se zřejmě zpočátku skládala z těkavých látek vytvořených v útrobách Země: H2, H2O, CO2, CH4, NH3. Darmo, pokud vyšel jako produkt vulkanické činnosti, změnil se na čpavek. Podmínky k tomu byly nejvhodnější: přebytek vodíku, zvýšené teploty – povrch Země se ještě neochladil. Co to tedy znamená, že dusík byl poprvé přítomen v atmosféře ve formě čpavku? Zřejmě ano. Připomeňme si tuto okolnost.

Ale pak povstal život... Vladimir Ivanovič Vernadskij tvrdil, že „zemský plynový obal, náš vzduch, je výtvor života“. Byl to život, který spustil nejúžasnější mechanismus fotosyntézy. Jeden z konečných produktů tohoto procesu – volný – se začal aktivně spojovat s amoniakem a uvolňovat molekulární dusík:

Fotosyntéza

СО2 + 2H2O → НСО + НаО + О2;

4NH3 + 302 -> 2N2 + 6H20

A dusík, jak je známo, spolu za normálních podmínek nereaguje, což umožnilo zemskému vzduchu zachovat složení „status quo“. Všimněte si, že značná část amoniaku se mohla rozpustit ve vodě během tvorby hydrosféry.

V dnešní době jsou hlavním zdrojem N2 vstupujícího do atmosféry sopečné plyny.

Pokud přerušíte trojnou vazbu...

Živá příroda se po zničení nevyčerpatelných zásob vázaného aktivního dusíku ocitla před problémem, jak dusík vázat, ve volném, molekulárním stavu se ukázal jako velmi inertní. Důvodem je jeho trojitá molekula: N≡ N.

Vazby této násobnosti jsou obvykle nestabilní. Vzpomeňme na klasický příklad acetylenu: NS≡ SN. Trojná vazba jeho molekuly je velmi křehká, což vysvětluje neuvěřitelnou chemickou aktivitu tohoto plynu. Dusík zde má ale jasnou anomálii: jeho trojná vazba tvoří nejstabilnější ze všech známých dvouatomových molekul. Ke zničení tohoto spojení je třeba vyvinout obrovské úsilí. Například průmyslová syntéza amoniaku vyžaduje tlak vyšší než 200 atm a teplotu přes 500 °C a dokonce i povinnou přítomnost katalyzátorů... Při řešení problému fixace dusíku musela příroda zavést kontinuální výrobu sloučenin dusíku metodou bouřky.

Statistiky říkají, že do atmosféry naší planety udeří ročně více než tři miliardy blesků. Výkon jednotlivých výbojů dosahuje 200 milionů kilowattů a vzduch je ohříván (samozřejmě lokálně) na 20 tisíc stupňů. Při takové monstrózní teplotě se molekuly kyslíku a dusíku rozpadají na atomy, které spolu snadno reagují a vytvářejí křehký oxid dusnatý:

N2 + O2 → 2NO

Díky rychlému ochlazení (úder blesku trvá desetitisícinu sekundy) se oxid dusíku nerozpadá a je volně oxidován vzdušným kyslíkem na stabilnější oxid

2NO + O2 → 2NO2.

V přítomnosti atmosférické vlhkosti a dešťových kapek se oxid dusičitý přeměňuje na kyselinu dusičnou:

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

Takže, chyceni v čerstvé bouřce, máme příležitost zaplavat si ve slabém roztoku kyseliny dusičné. Atmosférická voda, která proniká do půdy, tvoří svými látkami různá přírodní hnojiva.

Dusík je také fixován v atmosféře fotochemickými prostředky: po absorbování kvanta světla přechází molekula N2 do excitovaného, aktivovaného stavu a stává se schopnou se slučovat s kyslíkem.

Francouzský název prvku (azote), který se také ujal v ruském jazyce, byl navržen v 18. století. Lavoisier, tvořící jej z řecké záporné předpony „a“ a slova „zoe“ - život (stejný kořen ve slovech zoologie a množství jejích odvozenin - zoo, zoogeografie atd.), tzn. „Dusík“ znamená „bez života“, „nepodporující život“. Německý název tohoto prvku Stickstoff je dusivá látka stejného původu. Kořen „azo“ je také přítomen v chemických výrazech „azid“, „azosloučenina“, „azin“ atd. A latinské dusíkium a anglický dusík pochází z hebrejského „neter“ (řecky „nitron“, latinsky nitrum) ; Tak se v dávných dobách nazývalo přírodní alkálie - soda, později - ledek. Název „dusík“ není zcela výstižný: ačkoli plynný dusík není vhodný k dýchání, tento prvek je pro život naprosto nezbytný. Všechny živé bytosti obsahují relativně malý počet prvků a jedním z nejdůležitějších je dusík, bílkoviny obsahují asi 17 % dusíku. Dusík je také součástí molekul DNA a RNA, které zajišťují dědičnost.

Na Zemi je hodně dusíku, ale jeho hlavní zásoby jsou soustředěny v atmosféře. Vzhledem k vysoké síle trojné vazby NєN (942 kJ/mol, což je téměř 4násobek energie vazby Cl–Cl) je však molekula dusíku velmi silná a její reaktivita je nízká. Výsledkem je, že žádné zvíře ani rostlina nejsou schopny absorbovat plynný dusík ze vzduchu. Kde berou tento prvek, který potřebují pro syntézu bílkovin a dalších nezbytných složek těla? Zvířata získávají dusík pojídáním rostlin a jiných živočichů. Rostliny extrahují dusík spolu s dalšími živinami z půdy a jen málo rostlin luštěnin dokáže absorbovat dusík ze vzduchu – a ne samy, ale díky uzlovitým bakteriím žijícím na jejich kořenech.

Hlavním zdrojem dusíku v půdě je biologická fixace dusíku, tedy vázání vzdušného dusíku a jeho přeměna mikroorganismy na formy asimilované rostlinami. Mikroorganismy mohou žít v půdě samy o sobě, nebo mohou být v symbióze („společenství“) s některými rostlinami, především luštěninami – jetel, hrách, fazole, vojtěška atd. Na kořenech těchto rostlin se „usazují“ bakterie – v speciální uzliny; Často se jim říká nodulové bakterie. Tyto mikroorganismy obsahují komplexní enzym zvaný dusíkatá látka, který dokáže redukovat dusík na amoniak. Poté se pomocí dalších enzymových systémů amoniak přeměňuje na další sloučeniny dusíku, které jsou absorbovány rostlinami. Volně žijící bakterie váží až 50 kg dusíku za rok na 1 hektar a nodulové bakterie váží dalších 150 kg a za zvláště příznivých podmínek až 500 kg!

Druhým zdrojem přirozeného dusíku v půdě je blesk. Každou sekundu blikne na celém světě průměrně 100 blesků. A přestože každý z nich trvá jen zlomek vteřiny, jejich celkový elektrický výkon dosahuje 4 miliard kilowattů. Prudký nárůst teploty v kanále blesku – až 20 000 °C – vede k destrukci molekul dusíku a kyslíku za vzniku oxidu dusíku NO. Dále se oxiduje vzdušným kyslíkem na oxid: 2NO + O 2  2NO 2. Dioxid, který reaguje s přebytkem kyslíku se vzdušnou vlhkostí, se mění na kyselinu dusičnou: 4NO 2 + 2H 2 O + O 2  4HNO 3. V důsledku těchto přeměn vzniká v atmosféře přibližně 2 miliony tun kyseliny dusičné denně, tedy více než 700 milionů tun ročně. Slabý roztok kyseliny dusičné padá na zem s deštěm. Je zajímavé porovnat toto množství „nebeské kyseliny“ s její průmyslovou výrobou; Výroba kyseliny dusičné je jednou z nejrozsáhlejších výrob. Ukazuje se, že zde člověk daleko zaostává za přírodou: světová produkce kyseliny dusičné je asi 30 milionů t. Vlivem štěpení molekul dusíku bleskem spadne ročně na každý hektar zemského povrchu asi 15 kg kyseliny dusičné, vč. hory a pouště, moře a oceány. V půdě se tato kyselina mění na své soli - dusičnany, které jsou rostlinami dokonale absorbovány.

Zdálo by se, že „bouřkový dusík“ není pro plodiny tak důležitý, ale jetel a další luštěniny pokrývají jen malou část zemského povrchu. Blesky začaly v atmosféře blikat před miliardami let, dlouho předtím, než se objevily bakterie fixující dusík. Hráli tedy významnou roli při fixaci atmosférického dusíku. Například jen za poslední dvě tisíciletí blesk přeměnil 2 biliony tun dusíku na hnojivo – přibližně 0,1 % z celkového množství ve vzduchu!

Liebig vs. Malthus. V roce 1798 vydal anglický ekonom Thomas Malthus (1766–1834) svou slavnou knihu Zkušenosti s populací. V něm poukázal na to, že populace má tendenci růst exponenciálně, tzn. jako 1, 2, 4, 8, 16... Přitom živobytí ve stejných časových úsecích, i v nejpříznivějších podmínkách, může růst pouze v aritmetickém postupu, tzn. jako 1, 2, 3, 4... Například podle této teorie může produkce potravin vzrůst pouze rozšiřováním zemědělské půdy, lepším obděláváním orné půdy atp. Z Malthusovy teorie vyplynulo, že v budoucnu bude lidstvo čelit hladomoru. V roce 1887 tento závěr potvrdil anglický vědec Thomas Huxley (1825–1897), přítel Charlese Darwina a popularizátor jeho učení.

Aby se zabránilo „hladovění“ lidstva, bylo nutné prudce zvýšit produktivitu zemědělství, a proto bylo nutné vyřešit nejdůležitější otázku výživy rostlin. Pravděpodobně první experiment v tomto směru provedl na počátku 30. let 17. století jeden z největších vědců své doby, nizozemský lékař a alchymista Jan Baptiste van Helmont (1579–1644). Rozhodl se zkontrolovat, odkud rostliny získávají živiny z vody nebo půdy. Van Helmont vzal 200 liber (cca 80 kg) suché zeminy, nasypal ji do velkého květináče, zasadil do země větvičku vrby a začal ji pilně zalévat dešťovou vodou. Větev zakořenila a začala růst a postupně se proměnila ve strom. Tato zkušenost trvala přesně pět let. Ukázalo se, že během této doby rostlina přibrala o 164 liber 3 unce (asi 66 kg), zatímco země „zhubla“ jen o 3 unce, tzn. méně než 100 g. V důsledku toho, Van Helmont dospěl k závěru, rostliny berou živiny pouze z vody.

Následné studie tento závěr zřejmě vyvrátily: vždyť ve vodě, která tvoří většinu rostlin, není žádný uhlík! Z toho vyplynulo, že rostliny se doslova „živí vzduchem“ a absorbují z něj oxid uhličitý – tentýž, který právě objevil Van Helmont a dokonce jej nazval „lesní vzduch“. Tento název plyn dostal vůbec ne proto, že by ho bylo v lesích hodně, ale jen proto, že vzniká spalováním dřevěného uhlí...

Problematika „výživy vzduchu“ rostlin se rozvinula na konci 18. století. Švýcarský botanik a fyziolog Jean Senebier (1742–1809). Experimentálně dokázal, že oxid uhličitý se v listech rostlin rozkládá, přičemž se uvolňuje kyslík a uhlík zůstává v rostlině. Někteří vědci však proti tomuto názoru ostře protestovali a hájili „teorii humusu“, podle níž se rostliny živí hlavně organickou hmotou extrahovanou z půdy. Zdálo se, že to potvrzuje staletí stará zemědělská praxe: půda bohatá na humus, dobře hnojená hnojem, dávala zvýšené výnosy...

Humusová teorie však nepočítala s rolí minerálů, které jsou pro rostliny naprosto nezbytné. Rostliny tyto látky ve velkém vytahují z půdy a při sklizni jsou odváženy pryč z polí. Poprvé na tuto okolnost, stejně jako na nutnost vracení minerálů do půdy, upozornil německý chemik Justus Liebig. V roce 1840 vydal knihu Organická chemie aplikovaná v zemědělství a fyziologii, ve kterém zejména napsal: „Přijde čas, kdy bude každé pole v souladu s rostlinou, která na něm bude pěstována, pohnojeno vlastním hnojivem připraveným v chemických továrnách.“

Zpočátku se Liebigovy nápady setkaly s nepřátelstvím. „Toto je ta nejstydlivější kniha, která se mi kdy dostala do rukou,“ napsal o ní Hugo Mol (1805–1872), profesor botaniky na univerzitě v Tübingenu. „Zcela nesmyslná kniha,“ opakoval slavný německý spisovatel Fritz Reuter (1810–1874), který se nějakou dobu zabýval zemědělstvím. Německé noviny začaly publikovat urážlivé dopisy a karikatury proti Liebigovi a jeho teorii minerální výživy rostlin. Částečně si za to mohl sám Liebig, který se nejprve mylně domníval, že minerální hnojiva by měla obsahovat pouze draslík a fosfor, zatímco třetí nezbytnou složku – dusík – mohou rostliny samy přijímat ze vzduchu.

Liebigův omyl byl pravděpodobně způsoben nesprávnou interpretací pokusů slavného francouzského zemědělského chemika Jeana Baptista Boussingaulta (1802–1887). V roce 1838 zasadil suspendovaná semena některých rostlin do půdy, která neobsahovala dusíkatá hnojiva, a po 3 měsících klíčky zvážil. U pšenice a ovsa se hmota prakticky nezměnila, zatímco u jetele a hrachu se výrazně zvýšila (u hrachu např. ze 47 na 100 mg). To vedlo k nesprávnému závěru, že některé rostliny mohou absorbovat dusík přímo ze vzduchu. V té době nebylo nic známo o bakteriích uzlíků, které žijí na kořenech luštěnin a zachycují vzdušný dusík. Výsledkem bylo, že první pokusy používat pouze draselná a fosforečná hnojiva měly všude negativní výsledky. Liebig měl odvahu otevřeně přiznat svou chybu. Jeho teorie nakonec zvítězila. Výsledkem bylo zavedení zemědělství od druhé poloviny 19. století. chemická hnojiva a výstavba továren na jejich výrobu.

Dusíková krize.

S fosforem a draselnými hnojivy nebyly žádné zvláštní problémy: draslík a sloučeniny fosforu se nacházejí v hojnosti v útrobách země. Zcela jiná byla situace u dusíku: s intenzifikací zemědělství, které mělo uživit rychle rostoucí populaci Země, už přírodní zdroje nezvládaly doplňování zásob dusíku v půdě. Existovala naléhavá potřeba najít zdroje „fixního“ dusíku. Chemici byli schopni syntetizovat některé sloučeniny, například nitrid lithný Li 3 N, vycházející z atmosférického dusíku. Ale takto bylo možné získat gramy, v lepším případě kilogramy látky, přičemž byly potřeba miliony tun!

Po mnoho staletí byl prakticky jediným zdrojem fixovaného dusíku ledek. Toto slovo pochází z latinského sal - sůl a nitrum, doslova - "alkalická sůl": v té době bylo složení látek neznámé. V současnosti se ledek nazývají některé soli kyseliny dusičné – dusičnany. S ledkem je spojeno několik dramatických milníků v historii lidstva. Od starověku byl znám pouze tzv. indický ledek - dusičnan draselný KNO 3. Tento vzácný minerál byl přivezen z Indie, zatímco v Evropě nebyly žádné přírodní zdroje dusičnanů. Indický ledek se používal výhradně k výrobě střelného prachu. Střelný prach byl s každým stoletím potřeba víc a víc, ale dovážený ledek nestačil a byl velmi drahý.

Postupem času se naučili vyrábět ledek ve speciálních „dusičnanových“ nádobách z různých organických zbytků, které obsahují dusík. Poměrně hodně dusíku například v bílkovinách. Pokud se suché zbytky jednoduše spálí, dusík v nich obsažený se oxiduje hlavně na plynný N2. Pokud ale hnijí, tak se dusík vlivem nitrifikačních bakterií mění na dusičnany, které se za starých časů vyluhovaly ve speciálních haldách – hromadách a ledek se nazýval hromada. Udělali to takhle. Byly smíchány různé organické odpady – hnůj, zvířecí vnitřnosti, bahno, močůvka z bažin atd. Byly tam přidány také odpadky, vápno a popel. Tato hrozná směs se nalévala do děr nebo dělala hromady a hojně se zalévala močí nebo kejdou. Dokážete si představit vůni, která z této produkce vycházela! Díky rozkladným procesům v průběhu jednoho až dvou let byl ze 6 kg „dusičnanové zeminy“, která byla očištěna od nečistot, získán 1 kg ledku. Ledek dostal nejvíce ve Francii: vláda štědře odměňovala ty, kdo se této nepříjemné výrobě věnovali.

Díky Liebigovu úsilí se ukázalo, že zemědělství bude potřebovat ledek, a to v mnohem větším množství než pro výrobu střelného prachu. Starý způsob jeho získávání byl k tomu zcela nevhodný.

chilský ledek.

Od roku 1830 začal rozvoj ložisek ledku chilského, nejbohatšího přírodního zdroje dusíku. V Chile jsou rozlehlé oblasti, kde nikdy neprší, např. poušť Atacama, která se nachází v podhůří Kordiller ve výšce kolem 1000 m n. m. V důsledku tisíciletého rozkladu rostlinných a živočišných organických zbytků (především ptačího trusu - guana) vznikla v Atacamě unikátní ložiska dusičnanů. Nacházejí se 40–50 km od pobřeží oceánu. Když se tato ložiska začala vyvíjet, táhla se v pruhu dlouhém asi 200 km a širokém 3 km s mocností vrstvy 30 cm až 3 m. V pánvích vrstvy výrazně ztloustly a připomínaly vyschlá jezera. Jak ukázaly analýzy, chilský ledek je dusičnan sodný s příměsí síranu sodného a chloridu sodného, jílu a písku; někdy se v ledku nacházejí nerozložené zbytky guana. Zajímavou vlastností chilského dusičnanu je přítomnost jodičnanu sodného NaIO 3 v něm.

Hornina byla obvykle měkká a dala se snadno odstranit ze země, ale někdy byla usazenina ledku tak hustá, že k jejich extrakci bylo nutné provést odstřel. Po rozpuštění horniny v horké vodě byl roztok filtrován a ochlazen. Zároveň se vysrážel čistý dusičnan sodný, který se prodával jako hnojivo. Ze zbývajícího roztoku byl extrahován jód. V 19. stol Hlavním dodavatelem ledku se stalo Chile. Těžba zaujala první místo v těžebním průmyslu Chile v 19. století.

Pro získání dusičnanu draselného z chilského dusičnanu byla použita reakce NaNO 3 + KCl ® NaCl + KNO 3. Tato reakce je možná díky prudkému rozdílu v rozpustnosti jejích produktů při různých teplotách. Rozpustnost NaCl (v gramech na 100 g vody) se mění pouze z 39,8 g při 100 °C na 35,7 g při 0 °C, zatímco rozpustnost KNO 3 se při stejných teplotách velmi liší a je 246 a 13,3 G! Pokud tedy smícháte horké koncentrované roztoky NaNO 3 a KCl a poté směs ochladíte, značná část KNO 3 se vysráží a téměř všechen NaCl zůstane v roztoku.

Po desetiletí uspokojuje lidské potřeby ledek chilský, přírodní dusičnan sodný. Jakmile se ale odhalil jedinečný význam tohoto minerálu pro světové zemědělství, začali počítat, jak dlouho tento jedinečný dar přírody lidstvu vydrží. První propočty byly poměrně optimistické - v roce 1885 byla rezerva dusičnanů stanovena na 90 milionů t. Ukázalo se, že „dusíkového hladovění“ rostlin se není třeba obávat na mnoho dalších let. Tyto výpočty však nepočítaly s rychlým růstem populace a zemědělské produkce po celém světě.

V době Malthusu byl vývoz chilského ledku pouze 1000 tun ročně; v roce 1887 dosahovala 500 tisíc tun ročně a na počátku 20. stol. již činily miliony tun! Zásoby chilského ledku byly rychle vyčerpány, zatímco potřeba dusičnanů extrémně rychle rostla. Situaci zhoršovala skutečnost, že ledek ve velkém spotřebovával i vojenský průmysl; střelný prach koncem 19. století obsahoval 74–75 % dusičnanu draselného. Bylo nutné vyvinout nové metody výroby dusíkatých hnojiv a jejich zdrojem mohl být pouze atmosférický vzduch.

Překonání „hladu po dusíku“.

Na počátku 20. stol. Pro průmyslovou fixaci dusíku byla navržena kyanamidová metoda. Nejprve byl karbid vápníku získán zahříváním směsi vápna a uhlí: CaO + 3C ® CaC 2 + CO. Při vysokých teplotách karbid reaguje se vzdušným dusíkem za vzniku kyanamidu vápenatého: CaC 2 + N 2 ® CaCN 2 + C. Tato sloučenina se ukázala jako vhodná jako hnojivo ne pro všechny plodiny, proto se z ní nejdříve získal čpavek působením přehřáté vodní páry: CaCN2 + 3H20® CaC03 + 2NH3 a síran amonný byl získán z amoniaku a kyseliny sírové.

Norští chemici zvolili zcela jiný přístup, využívají levnou místní elektřinu (Norsko má mnoho vodních elektráren). Ve skutečnosti reprodukovaly přirozený proces fixace dusíku průchodem vlhkého vzduchu elektrickým obloukem. V tomto případě bylo ze vzduchu získáno asi 1 % kyseliny dusičné, která se interakcí s vápnem přeměnila na dusičnan vápenatý Ca(NO 3) 2. Není divu, že se této látce říkalo norský ledek.

Obě metody však byly příliš drahé. Nejekonomičtější způsob fixace dusíku vyvinul v letech 1907–1909 německý chemik Fritz Haber (1868–1934); tato metoda převádí dusík přímo na amoniak; přeměna amoniaku na dusičnany a další sloučeniny dusíku již nebyla obtížná.

V současnosti se produkce dusíkatých hnojiv pohybuje v desítkách milionů tun ročně. V závislosti na chemickém složení se vyskytují v různých typech. Amoniak a amonná hnojiva obsahují dusík v oxidačním stupni –3. Jedná se o kapalný amoniak, jeho vodný roztok (čpavková voda), síran amonný. Vlivem nitrifikačních bakterií dochází v půdě k oxidaci iontů NH 4 + na dusičnanové ionty, které jsou rostlinami dobře absorbovány. Dusičnanová hnojiva zahrnují KNO 3 a Ca(NO 3) 2. Mezi hnojiva s dusičnanem amonným patří především dusičnan amonný NH 4 NO 3, který obsahuje jak amoniak, tak dusičnanový dusík. Nejkoncentrovanějším tuhým dusíkatým hnojivem je močovina (močovina), obsahující 46 % dusíku. Podíl přírodních dusičnanů na světové produkci sloučenin obsahujících dusík nepřesahuje 1 %.

Aplikace.

Vývoj nových odrůd rostlin, včetně geneticky modifikovaných, a zdokonalené zemědělské techniky neeliminují potřebu používat umělá hnojiva. S každou sklizní totiž pole ztrácejí významný podíl živin včetně dusíku. Podle dlouhodobých pozorování každá tuna dusíku v dusíkatých hnojivech zvyšuje výnos pšenice o 12–25 %, řepy o 120–160 %, brambor o 120 %. V naší zemi se za poslední půlstoletí produkce dusíkatých hnojiv v závodech na výrobu dusíkatých hnojiv desetinásobně zvýšila.

Ilya Leensonne

Každý ví: dusík je inertní. Často si kvůli tomu stěžujeme na prvek č. 7, což je přirozené: musíme zaplatit příliš vysokou cenu za jeho relativní setrvačnost, na jeho přeměnu na životně důležité sloučeniny je třeba vynaložit příliš mnoho energie, úsilí a peněz.

Ale na druhou stranu, kdyby dusík nebyl tak inertní, docházelo by v atmosféře k reakcím dusíku s kyslíkem a život na naší planetě ve formách, ve kterých existuje, by se stal nemožným. Rostliny, zvířata, vy i já bychom se doslova dusili proudy oxidů a kyselin, které jsou pro život nepřijatelné. A „na to všechno“ se snažíme přeměnit co nejvíce atmosférického dusíku na oxidy a kyselinu dusičnou. To je jeden z paradoxů prvku č. 7. (Zde autor riskuje nařčení z triviality, protože o paradoxnosti dusíku, respektive jeho vlastnostech, se začalo mluvit ve městě. A přece...)

Dusík je mimořádný prvek. Někdy se zdá, že čím více se o něm dozvídáme, tím je nepochopitelnější. Rozporuplné vlastnosti prvku č. 7 se promítly i do jeho názvu, protože svedl z omylu i tak geniálního chemika, jakým je Antoine Laurent Lavoisier. Byl to Lavoisier, kdo navrhl nazývat dusík dusíkem poté, co nebyl ani první, ani poslední, kdo získal a studoval tu část vzduchu, která nepodporuje dýchání a spalování. Podle Lavoisiera „dusík“ znamená „bez života“ a toto slovo je odvozeno z řeckého „a“ – negace a „zoe“ – život.

Termín „dusík“ se stále používal ve slovníku alchymistů, odkud si jej francouzský vědec vypůjčil. Znamenalo to určitý „filosofický princip“, jakési kabalistické kouzlo. Odborníci tvrdí, že klíčem k rozluštění slova „dusík“ je poslední věta z Apokalypsy: „Jsem alfa a omega, začátek a konec, první a poslední...“ Ve středověku tři jazyky byly zvláště uctívány: latina, řečtina a hebrejština. A alchymisté vytvořili slovo „dusík“ z prvního písmene „a“ (a, alfa, aleph) a posledních písmen: „zet“, „omega“ a „tov“ těchto tří abeced. Toto tajemné syntetické slovo tedy znamenalo „začátek a konec všech začátků“.

Lavoisierův současník a krajan J. Chaptal bez dalších okolků navrhl nazvat prvek č. 7 hybridním latinsko-řeckým názvem „nitrogenium“, což znamená „ledník“. Dusičnan je dusičnanová sůl, látka známá již od starověku. (Budeme o nich hovořit později.) Je třeba říci, že výraz „dusík“ se vžil pouze v ruském a francouzském jazyce. V angličtině je prvek č. 7 „Nitrogen“, v němčině – „Stockton“ (dusivý). Chemická značka N je poctou Shaptalovu dusíku.

Kdo objevil dusík?

Objev dusíku je připisován studentovi pozoruhodného skotského vědce Josepha Blacka, Danielu Rutherfordovi, který v roce 1772 publikoval disertační práci „O takzvaném pevném a mefitickém vzduchu“. Black se proslavil svými experimenty s „pevným vzduchem“ - oxidem uhličitým. Zjistil, že po fixaci oxidu uhličitého (spojení s alkálií) stále zůstává jakýsi „nefixovaný vzduch“, kterému se říkalo „mefitický“ – zkažený – protože nepodporoval hoření a dýchání. Black navrhl studium tohoto „vzduchu“ Rutherfordovi jako disertační práci.

Přibližně ve stejné době získali dusík K. Scheele, J. Priestley, G. Cavendish, a ten, jak vyplývá z jeho laboratorních záznamů, studoval tento plyn před Rutherfordem, ale jako vždy nespěchal s publikováním výsledky jeho práce. Všichni tito vynikající vědci však měli velmi mlhavou představu o povaze látky, kterou objevili. Byli oddanými zastánci flogistonové teorie a spojovali vlastnosti „mefického vzduchu“ s touto imaginární substancí. Pouze Lavoisier, který vedl útok na flogiston, přesvědčil sám sebe a přesvědčil ostatní, že plyn, který nazval „bez života“, je jednoduchá látka, jako kyslík...

Univerzální katalyzátor?

Lze jen hádat, co znamená „začátek a konec všech počátků“ v alchymistickém „dusíku“. O jednom z „začátků“ spojených s prvkem č. 7 ale můžeme mluvit vážně. Dusík a život jsou neoddělitelné pojmy. Přinejmenším, kdykoli se biologové, chemici a astrofyzici snaží pochopit „začátek počátků“ života, určitě se setkají s dusíkem.

Atomy pozemských chemických prvků se rodí v hlubinách hvězd. Právě odtud, z nočních světel a denního světla, začíná počátek našeho pozemského života. Tuto okolnost měl na mysli anglický astrofyzik W. Fowler, když řekl, že „my všichni... jsme částice hvězdného prachu“...

Hvězdný „popel“ dusíku vzniká ve velmi složitém řetězci termonukleárních procesů, jejichž počáteční fází je přeměna vodíku na helium. Jedná se o vícestupňovou reakci, o které se předpokládá, že probíhá dvěma způsoby. Jeden z nich, zvaný cyklus uhlík-dusík, přímo souvisí s prvkem č. 7. Tento cyklus začíná, když hvězdná hmota kromě jader vodíku – protonů již obsahuje uhlík. Jádro uhlíku-12 se přidáním dalšího protonu změní na nestabilní jádro dusíku-13:

126C + 11H -> 137N + y.

Ale po emitování pozitronu se dusík opět stává uhlíkem - tvoří se těžší izotop 13 C:

13 7 N → 13 6 C + e + + γ.

Takové jádro, které přijme další proton, se změní na jádro nejběžnějšího izotopu v zemské atmosféře - 14 N.

136C + 11H -> 147N + y.

Bohužel jen část tohoto dusíku putuje vesmírem. Pod vlivem protonů se dusík-14 mění na kyslík-15, který se zase emitováním pozitronu a gama kvanta změní na další pozemský izotop dusíku - 15 N:

147N + 11H -> 1580 + y;

15 8 O → 15 7 N + e + + γ.

Pozemský dusík-15 je stabilní, ale také podléhá jadernému rozpadu v nitru hvězdy; poté, co jádro 15N přijme další proton, dojde nejen ke vzniku kyslíku 16O, ale také k další jaderné reakci:

15 7 N + 1 1 H → 12 6 C + 4 2 He.

V tomto řetězci přeměn je dusík jedním z meziproduktů. Slavný anglický astrofyzik R.J. Theiler píše: „14N je izotop, který není snadné sestrojit. Dusík se tvoří v cyklu uhlík-dusík, a přestože se následně mění zpět na uhlík, pokud proces probíhá stacionárně, pak je v látce více dusíku než uhlíku. Zdá se, že toto je hlavní zdroj 14 N"...

Středně složitý cyklus uhlík-dusík vykazuje zajímavé vzorce. Carbon 12C v něm hraje roli jakéhosi katalyzátoru. Posuďte sami, v konečném důsledku nedochází ke změně počtu jader 12 C. Dusík, objevující se na začátku procesu, na konci mizí... A pokud je uhlík v tomto cyklu katalyzátorem, pak je dusík jednoznačně autokatalyzátor , tj. produkt reakce, který katalyzuje její další mezikroky.

Ne náhodou jsme zde začali mluvit o katalytických vlastnostech prvku č. 7. Ale zachoval si hvězdný dusík tuto vlastnost v živé hmotě? Katalyzátory životních procesů jsou enzymy a všechny, stejně jako většina hormonů a vitamínů, obsahují dusík.

Dusík v zemské atmosféře

Život vděčí za mnohé dusíku, ale dusík, alespoň atmosférický dusík, vděčí za svůj vznik ani ne tak Slunci, jako životním procesům. Nápadný je nesoulad mezi obsahem prvku č. 7 v litosféře (0,01 %) a v atmosféře (75,6 % hm. nebo 78,09 % obj.). Obecně žijeme v dusíkové atmosféře mírně obohacené kyslíkem.

Mezitím volný dusík nebyl nalezen ani na jiných planetách Sluneční soustavy, ani v kometách či jiných objektech chladného vesmíru. Existují jeho sloučeniny a radikály - CN *, NH *, NH * 2, NH * 3, ale není tam žádný dusík. Je pravda, že v atmosféře Venuše bylo zaznamenáno asi 2% dusíku, ale toto číslo stále vyžaduje potvrzení. Předpokládá se, že prvek č. 7 nebyl přítomen v primární atmosféře Země. Odkud se to potom ve vzduchu bere?

Atmosféra naší planety se zřejmě zpočátku skládala z těkavých látek vytvořených v útrobách Země: H 2, H 2 O, CO 2, CH 4, NH 3. Volný dusík, pokud vyšel jako produkt vulkanické činnosti, se změnil na amoniak. Podmínky k tomu byly nejvhodnější: přebytek vodíku, zvýšené teploty - povrch Země se ještě neochladil. Co to tedy znamená, že dusík byl poprvé přítomen v atmosféře ve formě čpavku? Zřejmě ano. Připomeňme si tuto okolnost.

Ale pak povstal život... Vladimir Ivanovič Vernadskij tvrdil, že „zemský plynový obal, náš vzduch, je výtvor života“. Byl to život, který spustil nejúžasnější mechanismus fotosyntézy. Jeden z konečných produktů tohoto procesu, volný kyslík, se začal aktivně spojovat s amoniakem a uvolňovat molekulární dusík:

C02 + 2H20 -> fotosyntéza→ HSON + H20 + O2;

4NH3 + 302 -> 2N2 + 6H20.

Kyslík a dusík, jak je známo, spolu za normálních podmínek nereagují, což umožnilo zemskému vzduchu zachovat složení „status quo“. Všimněte si, že značná část amoniaku se mohla rozpustit ve vodě během tvorby hydrosféry.

V dnešní době jsou hlavním zdrojem N2 vstupujícího do atmosféry sopečné plyny.

Pokud přerušíte trojnou vazbu...

Živá příroda se po zničení nevyčerpatelných zásob vázaného aktivního dusíku postavila před problém, jak dusík vázat. Ve volném, molekulárním stavu, jak víme, se ukázalo, že je velmi inertní. Důvodem je trojná chemická vazba jeho molekuly: N≡N.

Vazby této násobnosti jsou obvykle nestabilní. Vzpomeňme na klasický příklad acetylenu: HC = CH. Trojná vazba jeho molekuly je velmi křehká, což vysvětluje neuvěřitelnou chemickou aktivitu tohoto plynu. Dusík zde má ale jasnou anomálii: jeho trojná vazba tvoří nejstabilnější ze všech známých dvouatomových molekul. Ke zničení tohoto spojení je třeba vyvinout obrovské úsilí. Například průmyslová syntéza amoniaku vyžaduje tlak vyšší než 200 atm. a teploty nad 500°C a dokonce i obligátní přítomnost katalyzátorů... Při řešení problému fixace dusíku musela příroda zavést kontinuální výrobu sloučenin dusíku metodou bouřky.

N2 + O2 → 2NO.

Díky rychlému ochlazení (úder blesku trvá deset tisícin sekundy) se oxid dusíku nerozpadá a volně se oxiduje vzdušným kyslíkem na stabilnější oxid:

2NO + O 2 → 2NO 2.

V přítomnosti atmosférické vlhkosti a dešťových kapek se oxid dusičitý přeměňuje na kyselinu dusičnou:

3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO.

Takže, chyceni v čerstvé bouřce, máme příležitost zaplavat si ve slabém roztoku kyseliny dusičné. Atmosférická kyselina dusičná, která proniká do půdy, tvoří svými látkami různá přírodní hnojiva. Dusík je také fixován v atmosféře fotochemickými prostředky: po absorbování kvanta světla přechází molekula N2 do excitovaného, aktivovaného stavu a stává se schopnou se slučovat s kyslíkem...

Bakterie a dusík

Z půdy se sloučeniny dusíku dostávají do rostlin. Dále: „koně jedí oves“ a predátoři jedí býložravce. Koloběh hmoty včetně prvku č. 7 probíhá podél potravního řetězce. Zároveň se mění forma existence dusíku, stává se součástí stále složitějších a často velmi aktivních sloučenin. Ale nejen dusík „vygenerovaný bouřkami“ putuje potravními řetězci.

Již ve starověku bylo zjištěno, že některé rostliny, zejména luštěniny, jsou schopny zvýšit úrodnost půdy.

„...Nebo, jak se rok mění, zasej zlatá zrna
Kde jsem sbíral úrodu z pole, lusky šuměly,
Nebo tam, kde rostla drobnoplodá vikev s hořkou lupinou...“

Přečtěte si toto: toto je zemědělský systém založený na trávě! Tyto řádky jsou převzaty z básně Vergilia, napsané asi před dvěma tisíci lety.

Snad prvním, kdo se zamyslel nad tím, proč luštěniny zvyšují výnosy obilí, byl francouzský agrochemik J. Boussingault. V roce 1838 zjistil, že luštěniny obohacují půdu dusíkem. Obiloviny (a mnoho dalších rostlin) vyčerpávají Zemi a berou zejména stejný dusík. Boussingault navrhl, že listy luštěnin absorbovaly dusík ze vzduchu, ale to bylo zavádějící. Tehdy bylo nemyslitelné předpokládat, že problém není v rostlinách samotných, ale ve speciálních mikroorganismech, které na jejich kořenech způsobovaly tvorbu uzlů. V symbióze s luštěninami tyto organismy fixují vzdušný dusík. Teď je to pravda...

V současné době je známo mnoho různých fixátorů dusíku: bakterie, aktinomycety, kvasinky a plísně, modrozelené řasy. A všechny dodávají dusík rostlinám. Ale tady je otázka: jak mikroorganismy rozkládají inertní molekulu N2 bez velkého výdeje energie? A proč někteří z nich mají tuto nejužitečnější schopnost pro všechno živé, zatímco jiní ne? Dlouho to zůstávalo záhadou. Tichý mechanismus biologické fixace prvku č. 7, bez hromů a blesků, byl objeven teprve nedávno. Bylo prokázáno, že cesta elementárního dusíku do živé hmoty byla umožněna díky redukčním procesům, při kterých se dusík přeměňuje na amoniak. Rozhodující roli v tomto procesu hraje enzym dusíkatá látka. Jeho centra obsahující sloučeniny železa a molybdenu aktivují dusík k „dokování“ vodíku, který je předtím aktivován jiným enzymem. Z inertního dusíku se tak získává velmi aktivní amoniak – první stabilní produkt biologické fixace dusíku.

Tak to funguje! Nejprve životní procesy přeměnily čpavek prvotní atmosféry na dusík a poté život přeměnil dusík zpět na čpavek. Stálo to přírodě za to, aby na tom „lámala kopí“? Samozřejmě, protože přesně tak vznikl cyklus prvku č. 7.

Ložiska ledku a růst populace

Přirozenou fixací dusíku bleskem a půdními bakteriemi se ročně vyprodukuje asi 150 milionů tun sloučenin tohoto prvku. Ne všechen fixovaný dusík se však účastní cyklu. Část je z procesu odstraněna a uložena ve formě ledkových usazenin. Nejbohatším takovým skladištěm se ukázala být chilská poušť Atacama na úpatí Kordiller. Tady už léta nepršelo. Občas ale na horské svahy padnou silné deště, které odplaví půdní sloučeniny. Vodní toky v průběhu tisíců let snášely rozpuštěné soli, mezi nimiž byly především dusičnany. Voda se vypařila, soli zůstaly... Tak vzniklo největší světové ložisko sloučenin dusíku.

Slavný německý chemik Johann Rudolf Glauber, který žil v 17. století, zaznamenal mimořádný význam dusíkatých solí pro vývoj rostlin. Ve svých spisech, reflektujících koloběh dusíkatých látek v přírodě, používal výrazy jako „dusitá šťáva z půdy“ a „ledek je solí plodnosti“.

Přírodní ledek se ale jako hnojivo začal používat až na začátku minulého století, kdy se začala rozvíjet chilská ložiska. V té době to byl jediný významný zdroj fixovaného dusíku, na kterém se zdálo, že závisí blaho lidstva. O dusíkatém průmyslu tehdy nemohla být řeč.

V roce 1824 vyhlásil anglický duchovní Thomas Malthus svou nechvalně známou doktrínu, že populace roste mnohem rychleji než produkce potravin. V této době činil vývoz chilského ledku jen asi 1000 tun ročně. V roce 1887 Malthusův krajan, slavný vědec Thomas Huxley, předpověděl brzký konec civilizace v důsledku „dusíkového hladomoru“, který by měl nastat po rozvoji ložisek chilského ledku (jeho produkce v té době již činila více než 500 tisíc tun ročně ).

O jedenáct let později jiný slavný vědec, Sir William Crookes, prohlásil v Britské společnosti pro rozvoj vědy, že do půl století nastane potravinová krize, pokud populace neklesne. Svou smutnou předpověď zdůvodnil také tím, že „naleziště chilského ledku budou brzy zcela vyčerpána“ se všemi z toho vyplývajícími důsledky.

Tato proroctví se nenaplnila – lidstvo nezemřelo, ale zvládlo umělou fixaci prvku č. 7. Navíc dnes je podíl přírodních dusičnanů pouze 1,5 % světové produkce látek obsahujících dusík.

Jak byl fixován dusík

Lidé byli schopni získávat sloučeniny dusíku odedávna. Stejný ledek se připravoval ve speciálních kůlnách - ledek, ale tato metoda byla velmi primitivní. „Dělají ledek z hromad hnoje, popela, trusu, škrábanců z kůže, krve a brambor. Během těchto dvou let se haldy zalévají močí a převracejí, načež se na nich vytvoří povlak ledku,“ tak se popisuje výroba ledku v jedné staré knize.

Jako zdroj sloučenin dusíku může sloužit i uhlí, které obsahuje až 3 % dusíku. Vázaný dusík! Tento dusík se začal uvolňovat při koksování uhlí, zachycoval čpavkovou frakci a procházel kyselinou sírovou.

Konečným produktem je síran amonný. Ale i tohle jsou obecně drobky. Je těžké si vůbec představit, jakými cestami by se naše civilizace vyvíjela, kdyby včas nevyřešila problém průmyslově přijatelné fixace atmosférického dusíku.

Scheele byl první, kdo vázal atmosférický dusík. V roce 1775 získal kyanid sodný zahřátím sody a uhlí v dusíkové atmosféře:

Na2C03 + 4C + N2 -> 2NaCN + 3CO.

V roce 1780 Priestley zjistil, že objem vzduchu obsažený v nádobě převrácené nad vodou se zmenšuje, pokud jí prochází elektrická jiskra, a voda získává vlastnosti slabé kyseliny. Tento experiment byl, jak víme (Priestley to nevěděl), modelem přirozeného mechanismu fixace dusíku. O čtyři roky později tam Cavendish, procházejícím elektrickým výbojem vzduchem uzavřeným ve skleněné trubici s alkálií, objevil ledek.

A přestože všechny tyto experimenty nemohly v té době přesáhnout rámec laboratoře, ukazují prototyp průmyslových metod fixace dusíku - kyanamid a oblouk, který se objevil na přelomu 19....20. století.

Kyanamidovou metodu patentovali v roce 1895 němečtí badatelé A. Frank a N. Caro. Pomocí této metody byl dusík při zahřívání s karbidem vápníku vázán na kyanamid vápenatý:

CaC2 + N2 -> Ca(CN)2.

V roce 1901 Frankův syn s myšlenkou, že kyanamid vápenatý by mohl sloužit jako dobré hnojivo, v podstatě zahájil výrobu této látky. Růst odvětví fixního dusíku byl poháněn dostupností levné elektřiny. Nejslibnější metoda fixace atmosférického dusíku na konci 19. století. byl považován za oblouk, pomocí elektrického výboje. Brzy po vybudování elektrárny Niagara spustili Američané poblíž první obloukovou elektrárnu (v roce 1902). O tři roky později byla v Norsku uvedena do provozu oblouková instalace vyvinutá teoretikem a specialistou na studium polární záře H. Birkelandem a praktickým inženýrem S. Eidem. Rostliny tohoto typu se rozšířily; Ledek, který vyrobili, se jmenoval norský. Spotřeba energie při tomto procesu však byla extrémně vysoká a činila až 70 tisíc kilowatt/hod na tunu vázaného dusíku a pouze 3 % této energie byla použita přímo na fixaci.

Přes čpavek

Výše uvedené metody fixace dusíku byly pouze přístupy k metodě, která se objevila krátce před první světovou válkou. Právě o něm americký popularizátor vědy E. Slosson velmi vtipně poznamenal: „Vždycky se říkalo, že Britové ovládají moře a Francouzi pevninu, zatímco Němcům zbývá jen vzduch. Zdálo se, že Němci vzali tento vtip vážně a začali používat království vzduchu k útokům na Brity a Francouze... Kaiser... měl celou flotilu Zeppelinů a metodu fixace dusíku, kterou žádný jiný národ neznal. . Zeppeliny se roztrhly jako pytle se vzduchem, ale továrny na fixaci dusíku pokračovaly v provozu a učinily Německo nezávislým na Chile nejen během války, ale i v době míru.“... Mluvíme o syntéze čpavku – hlavním procesu moderního průmyslu fixovaného dusíku.

Slosson neměl úplně pravdu, když řekl, že způsob fixace dusíku do čpavku není znám nikde kromě Německa. Teoretické základy tohoto procesu položili francouzští a angličtí vědci. Již v roce 1784 slavný C. Berthollet stanovil složení amoniaku a vyjádřil myšlenku chemické rovnováhy reakcí syntézy a rozkladu této látky. O pět let později udělal Angličan W. Austin první pokus syntetizovat NH 3 z dusíku a vodíku. A konečně francouzský chemik A. Le Chatelier, který jasně formuloval princip mobilní rovnováhy, byl první, kdo syntetizoval amoniak. Přitom používal vysoký tlak a katalyzátory – houbovou platinu a železo. V roce 1901 si Le Chatelier tuto metodu patentoval.

Výzkum syntézy čpavku na počátku století prováděli také E. Perman a G. Atkins v Anglii. Ve svých experimentech tito výzkumníci používali různé kovy jako katalyzátory, zejména měď, nikl a kobalt...

Ale skutečně bylo poprvé možné zavést syntézu amoniaku z vodíku a dusíku v průmyslovém měřítku v Německu. Může za to slavný chemik Fritz Haber. V roce 1918 mu byla udělena Nobelova cena za chemii.

Technologie výroby NH 3 vyvinutá německým vědcem se velmi lišila od jiných průmyslových odvětví té doby. Zde byl poprvé uplatněn princip uzavřeného cyklu s nepřetržitě pracujícím zařízením a rekuperací energie. Konečný vývoj technologie syntézy amoniaku završil Haberův kolega a přítel K. Bosch, kterému byla v roce 1931 udělena i Nobelova cena za vývoj metod chemické syntézy za vysokých tlaků.

Po stezce přírody

Dalším modelem přirozené fixace prvku č. 7 se stala syntéza amoniaku. Připomeňme, že mikroorganismy váží dusík přesně v NH 3 . Se všemi výhodami Haber-Bosch procesu vypadá ve srovnání s přírodním nedokonale a těžkopádně!

"Biologická fixace atmosférického dusíku... byla jakýmsi paradoxem, neustálou výzvou pro chemiky, druhem demonstrace nedostatečnosti našich znalostí." Tato slova patří sovětským chemikům M.E. Volpin a A.E. Shilov, který se pokusil fixovat molekulární dusík za mírných podmínek.

Zpočátku docházelo k neúspěchům. Ale v roce 1964 byl v Ústavu organických sloučenin Akademie věd SSSR ve Volpinově laboratoři učiněn objev: v přítomnosti sloučenin přechodných kovů - titanu, vanadu, chrómu, molybdenu a železa - se aktivuje prvek č. 7 a za normálních podmínek tvoří komplexní sloučeniny, které se rozkládají vodou na amoniak. Právě tyto kovy slouží jako centra pro fixaci dusíku v enzymech fixujících dusík a jako vynikající katalyzátory při výrobě amoniaku.

Brzy nato kanadští vědci A. Allen a K. Zenof, kteří zkoumali reakci hydrazinu N 2 H 2 s chloridem ruthenitým, získali chemický komplex, ve kterém byl opět za mírných podmínek vázán dusík. Tento výsledek byl natolik v rozporu s obvyklými představami, že redakce časopisu, kam výzkumníci poslali svůj článek se senzačním sdělením, jej odmítla publikovat. Následně se sovětským vědcům podařilo za mírných podmínek získat organické látky obsahující dusík. O průmyslových metodách mírné chemické fixace atmosférického dusíku je zatím příliš brzy, nicméně dosažené úspěchy umožňují předvídat blížící se revoluci v technologii vázání prvku č. 7.

Moderní věda nezapomněla na staré metody výroby sloučenin dusíku prostřednictvím oxidů. Zde je hlavní úsilí zaměřeno na vývoj technologických postupů, které urychlují štěpení molekuly N 2 na atomy. Za nejperspektivnější oblasti oxidace dusíku se považuje spalování vzduchu ve speciálních pecích, použití plazmových hořáků a využití svazku urychlených elektronů pro tyto účely.

Čeho se bát?

Dnes není důvod se obávat, že by lidstvu někdy chyběly sloučeniny dusíku. Průmyslová fixace prvku č. 7 postupuje neuvěřitelným tempem. Jestliže na konci 60. let byla světová produkce fixovaného dusíku 30 milionů tun, pak na začátku příštího století s největší pravděpodobností dosáhne miliardy tun!

Takové úspěchy jsou nejen povzbuzující, ale také vyvolávají obavy. Faktem je, že umělá fixace N2 a zavádění obrovského množství látek obsahujících dusík do půdy je nejhrubším a nejvýznamnějším lidským zásahem do přirozeného koloběhu látek. Dusíkatá hnojiva jsou v dnešní době nejen úrodnými látkami, ale také látkami znečišťujícími životní prostředí. Jsou vyplavovány z půdy do řek a jezer, způsobují škodlivé květy ve vodních tocích a jsou přenášeny na velké vzdálenosti vzdušnými proudy...

Až 13 % dusíku obsaženého v minerálních hnojivech jde do podzemních vod. Sloučeniny dusíku, zejména dusičnany, jsou pro člověka škodlivé a mohou způsobit otravu. Tady je dusík jako váš živitel!

Světová zdravotnická organizace (WHO) přijala maximální přípustnou koncentraci dusičnanů v pitné vodě: 22 mg/l pro mírné zeměpisné šířky a 10 mg/l pro tropy. V SSSR hygienické normy regulují obsah dusičnanů ve vodě nádrží podle „tropických“ norem - ne více než 10 mg / l. Ukazuje se, že dusičnany jsou „dvojsečný meč“...

4. října 1957 lidstvo opět zasáhlo do koloběhu prvku č. 7 a vypustilo do vesmíru „kouli“ naplněnou dusíkem – první umělou družici...

Mendělejev o dusíku

„Přestože nejaktivnější, tzn. nejsnáze a často chemicky aktivní částí vzduchu kolem nás je kyslík, ale největší jeho hmotnost, soudě podle objemu i hmotnosti, tvoří dusík; konkrétně plynný dusík tvoří více než 3/4, i když méně než 4/5 objemu vzduchu. A protože dusík je jen o málo lehčí než kyslík, hmotnostní obsah dusíku ve vzduchu je asi 3/4 jeho celkové hmotnosti. Vzhledem k tomu, že je dusík v tak významném množství součástí vzduchu, zřejmě nehraje v atmosféře nijak zvlášť významnou roli, jejíž chemické působení je dáno především obsahem kyslíku v něm. Správné pochopení dusíku však získáme pouze tehdy, když zjistíme, že v čistém kyslíku nemohou zvířata žít dlouho, a dokonce ani umřít, a že dusík ze vzduchu, i když jen pomalu a po troškách, tvoří různé sloučeniny, z nichž některé hrají roli. velmi důležitou roli v přírodě, zejména v životě organismů.

Kde se dusík používá?

Dusík je nejlevnější ze všech plynů, za normálních podmínek chemicky inertní. Je široce používán v chemické technologii k vytvoření neoxidačního prostředí. V laboratořích se sloučeniny, které snadno oxidují, skladují v dusíkové atmosféře. Výjimečná malířská díla jsou někdy (při skladování nebo přepravě) umístěna v uzavřených pouzdrech naplněných dusíkem, aby byly barvy chráněny před vlhkostí a chemicky aktivními složkami vzduchu.

Role dusíku v metalurgii a kovoobrábění je významná. Různé kovy v roztaveném stavu reagují na přítomnost dusíku různými způsoby. Například měď je vůči dusíku absolutně inertní, takže produkty z mědi se často svařují v proudu tohoto plynu. Hořčík naopak při spalování na vzduchu vytváří sloučeniny nejen s kyslíkem, ale také s dusíkem. Prostředí dusíku tedy není použitelné pro práci s hořčíkovými produkty při vysokých teplotách. Nasycení povrchu titanu dusíkem dodává kovu větší pevnost a odolnost proti opotřebení – vzniká na něm velmi pevný a chemicky inertní nitrid titanu. Tato reakce probíhá pouze při vysokých teplotách.

Za běžných teplot dusík aktivně reaguje pouze s jedním kovem – lithiem.

Největší množství dusíku se spotřebuje na výrobu amoniaku.

Dusíková narkóza

Rozšířený názor o fyziologické inertnosti dusíku není zcela správný. Dusík je za normálních podmínek fyziologicky inertní.

Se zvýšeným tlakem, například při potápění potápěčů, se zvyšuje koncentrace rozpuštěného dusíku v bílkovinách a zejména tukových tkáních těla. To vede k tzv. dusíkové narkóze. Zdá se, že potápěč se opíjí: koordinace pohybů je narušena, vědomí je zakalené. Vědci byli nakonec přesvědčeni, že důvodem byl dusík po provedení experimentů, při kterých byla do potápěčova skafandru přiváděna namísto obyčejného vzduchu směs helio-kyslíku. Zároveň zmizely příznaky anestezie.

Vesmírný čpavek

Astronomové věří, že velké planety sluneční soustavy, Saturn a Jupiter, jsou částečně vyrobeny z pevného čpavku. Amoniak zamrzá při –78 °C a například na povrchu Jupiteru je průměrná teplota 138 °C.

Amoniak a amonium

Ve velké rodině dusíku existuje zvláštní sloučenina - amonium NH 4. Ve volné formě se nikde nenachází, ale v solích hraje roli alkalického kovu. Název „amonium“ navrhl v roce 1808 slavný anglický chemik Humphry Davy. Latinské slovo amonium kdysi znamenalo: sůl z amonia. Amoniak je oblast v Libyi. Byl zde chrám egyptského boha Ammóna, po kterém se celý kraj nazýval. V čpavku se amonné soli (především čpavek) odedávna získávaly spalováním velbloudího trusu. Když se soli rozložily, vznikl plyn, kterému se dnes říká čpavek.

Od roku 1787 (ve stejném roce, kdy byl přijat termín „dusík“), komise pro chemické názvosloví dala tomuto plynu název ammoniaque (amoniak). Ruský chemik Ya.D. Zacharovovi se toto jméno zdálo příliš dlouhé a v roce 1801 z něj vyloučil dvě písmena. Tak vznikl amoniak.

Rajský plyn

Z pěti oxidů dusíku dva - oxid (NO) a oxid (NO 2) - našly široké průmyslové využití. Další dva - anhydrid dusný (N 2 O 3) a anhydrid dusnatý (N 2 O 5) - se v laboratořích často nevyskytují. Pátý je oxid dusný (N 2 O). Má velmi unikátní fyziologický účinek, pro který se mu často říká rajský plyn.

Vynikající anglický chemik Humphry Davy používal tento plyn k pořádání speciálních setkání. Takto popsal účinky oxidu dusného jeden z Davyho současníků: „Někteří pánové skákali na stoly a židle, jiným se rozvázal jazyk a další projevili extrémní sklony k rvačkám.“

Swift se marně smál

Vynikající satirik Jonathan Swift se ochotně vysmíval sterilitě současné vědy. V Gulliver's Travels je v popisu Akademie Lagado následující pasáž: „Měl k dispozici dvě velké místnosti, přeplněné těmi nejúžasnějšími kuriozitami; pod jeho vedením pracovalo padesát asistentů. Někteří kondenzovali vzduch do suché, husté hmoty a extrahovali z něj ledek…“

Nyní je ledek ze vzduchu naprosto reálná věc. Dusičnan amonný NH 4 NO 3 se ve skutečnosti vyrábí ze vzduchu a vody.

Bakterie fixují dusík

Myšlenku, že některé mikroorganismy mohou vázat dusík ze vzduchu, poprvé vyslovil ruský fyzik P. Kossovich. Ruský biochemik S.N. Winogradskému se jako prvnímu podařilo izolovat z půdy jeden typ bakterií, které fixují dusík.

Rostliny jsou vybíravé

Dmitrij Nikolajevič Pryanishnikov zjistil, že pokud rostlina dostane příležitost vybrat si, preferuje amoniakální dusík před dusičnanovým dusíkem. (Nitráty jsou soli kyseliny dusičné).

Důležité oxidační činidlo

Kyselina dusičná HNO 3 je jedním z nejdůležitějších oxidačních činidel používaných v chemickém průmyslu. Jeden z největších chemiků 17. století jej jako první připravil působením kyseliny sírové na ledek. Johann Rudolf Glauber.

Mezi sloučeninami, které se nyní vyrábějí pomocí kyseliny dusičné, jsou mnohé naprosto nezbytné látky: hnojiva, barviva, polymerní materiály, výbušniny.

Dvojrole

Některé sloučeniny obsahující dusík používané v agrochemii plní dvojí funkci. Například kyanamid vápenatý používají pěstitelé bavlny jako defoliant – látku, která způsobuje opadávání listů před sklizní. Ale tato sloučenina slouží také jako hnojivo.

Dusík v pesticidech

Ne všechny látky, které obsahují dusík, přispívají k rozvoji jakékoli rostliny. Aminové soli kyseliny fenoxyoctové a trichlorfenoxyoctové jsou herbicidy. První potlačuje růst plevele na polích obilnin, druhá slouží k vyklízení půdy pro ornou půdu – ničí drobné stromky a keře.

Polymery: od biologických po anorganické

Atomy dusíku jsou součástí mnoha přírodních i syntetických polymerů – od proteinu po nylon. Kromě toho je dusík nejdůležitějším prvkem bezuhlíkových anorganických polymerů. Molekuly anorganického kaučuku - polyfosfonitrilchlorid - jsou uzavřené cykly složené ze střídajících se atomů dusíku a fosforu, obklopené ionty chlóru. Mezi anorganické polymery patří také nitridy některých kovů, včetně nejtvrdší ze všech látek, borazonu.

Dusičnany a dusitany

- se účastní syntézy aminokyselin až po obnovení v rostlinných tkáních. K redukci dusičnanů na amoniak dochází v kořenech. Tento proces se provádí pomocí flavinových metaloenzymů, doprovázený změnou valence atomů dusíku. Když se dusičnanový dusík dostane do rostlin v přebytku, jeho část se v nezměněné podobě dostane na listy, kde se dusičnany sníží.

Rostliny mohou akumulovat dusičnanový dusík ve významných množstvích, aniž by to výrazně poškodilo jejich vlastní životní funkce.

Biosyntéza aminokyselin (aminace)

Aminace

(biosyntéza aminokyselin) se provádí v důsledku interakce amoniaku s ketokyselinami (pyrohroznová, oxaloctová, ketogluarová atd.). Tyto kyseliny vznikají při procesu dýchání při oxidaci uhlovodíků. Aminace probíhá pomocí enzymů.

V aminokyselinách je dusík přítomen ve formě aminoskupiny - NH2. K tvorbě aminokyselin může docházet jak v podzemních (kořeny), tak v nadzemních částech rostlin.

Bylo zjištěno, že během několika minut po ošetření rostlin amoniakovými hnojivy se v jejich pletivech nacházejí aminokyseliny syntetizované pomocí přidaného amoniaku. První aminokyselinou vytvořenou v rostlině je alanin, poté jsou syntetizovány kyseliny asparagové a glutamové.

Transaminace aminokyselin

Transaminační reakce aminokyselin zahrnuje přenos aminoskupiny z aminokyseliny na ketokyselinu. V tomto případě se tvoří další aminokyseliny a ketokyseliny. Tuto reakci katalyzují enzymy aminoferázy a transaminázy.

Značný počet aminokyselin je syntetizován transaminací. Nejsnáze se do tohoto procesu zapojují kyseliny glutamové a asparagové.

Různé bílkovinné a nebílkovinné dusíkaté sloučeniny

Jak bylo uvedeno dříve, aminokyseliny jsou základní strukturní jednotky proteinů a polypeptidů, protože proteiny jsou tvořeny z aminokyselin syntetizovaných do polypeptidových řetězců. Různá sada a prostorové uspořádání aminokyselin v polypeptidových řetězcích přispívá k syntéze velkého množství různých proteinů. Je známo přes 90 aminokyselin. Značná část (asi 70) je přítomna v rostlinných pletivech ve volném stavu a nejsou součástí molekul bílkovin.

Mezi rostlinné bílkoviny patří bílkoviny nezbytné pro život člověka a zvířat: lysin, fenylalanin, tryptofan, valin, threonin, methionin a další. Tyto proteiny nemohou být syntetizovány v těle savců a jiných vyšších živočichů.

Deaminace aminokyselin

Proteiny a nebílkovinné dusíkaté sloučeniny jsou v rostlinných pletivech v mobilní rovnováze. Spolu se syntézou aminokyselin a proteinových sloučenin neustále probíhají procesy jejich rozkladu.

Deaminační reakce

spočívá v odštěpení aminoskupiny z aminokyseliny za vzniku ketokyseliny a amoniaku. Uvolněná ketokyselina jde do biosyntézy sacharidů, tuků a dalších látek. Amoniak reaguje tak, že aminuje jiné ketokyseliny a tvoří odpovídající aminokyseliny. Při přebytku amoniaku se tvoří asparagin a glutamin.

Celý složitý cyklus přeměny a přeměny dusíkatých sloučenin v rostlině začíná u amoniaku a končí u amoniaku.

Metabolismus dusíkatých látek v různých obdobích vývoje rostlin

Během růstu rostliny syntetizují velké množství různých bílkovin a v různých obdobích růstu probíhá proces metabolismu dusíkatých látek odlišně.

Během klíčení semenného materiálu je pozorován rozklad dříve uložených bílkovin. Produkty rozkladu se používají k syntéze aminokyselin, amidů a proteinů v pletivech sazenic předtím, než se dostanou na povrch půdy.

Jak se tvoří listový aparát a kořenový systém, dochází k syntéze bílkovin díky minerálnímu dusíku absorbovanému z půdy.

V orgánech mladých rostlin převažuje syntéza bílkovin. Během procesu stárnutí začíná převládat rozklad bílkovinných látek nad syntézou. Ze stárnoucích orgánů se produkty rozpadu přesouvají do mladých, intenzivně rostoucích, kde se využívají k syntéze bílkovin v růstových bodech.

Při zrání a tvorbě rozmnožovacích orgánů rostliny se látky ve vegetativních částech rostliny rozpadají a přesouvají do rozmnožovacích orgánů, kde se využívají v procesech syntézy zásobních bílkovin. V této době je spotřeba dusíku z půdy výrazně omezena nebo zcela zastavena.

Nedostatek (nedostatek) dusíku v rostlinách

Dusík je špatně absorbován rostlinami v chladném počasí, na kyselých, nevápněných půdách a na půdách obsahujících velké množství neluskovin a pilin.

Prvním příznakem hladovění dusíkem je změna barvy listové čepele ze zelené na světle zelenou a následně nažloutlou a hnědou v důsledku nedostatečné tvorby chlorofylu.

Jak se nedostatek dusíku dále zvyšuje, velikost listů se zmenšuje. Stávají se úzkými, malými, umístěnými v ostrém úhlu ke stonku nebo větvi. U rostlin je oslabené větvení, ubývá plodů, zrn nebo semen.