Французское название элемента (azote), которое прижилось и в русском языке, предложил в 18 в. Лавуазье , образовав его от греческой отрицательной приставки «а» и слова «зоэ» – жизнь (тот же корень в словах зоология и массе его производных – зоопарк, зоогеография и т.д.), т.е. «азот» означает «безжизненный», «не поддерживающий жизни». Того же происхождения и немецкое название этого элемента Stickstoff – удушливое вещество. Корень «азо» присутствует и в химических терминах «азид», «азосоединение», «азин» и др. А латинское nitrogenium и английское nitrogen происходят от древнееврейского «нетер» (греч. «нитрон», лат. nitrum); так в древности называли природную щелочь – соду, а позднее – селитру. Название «азот» не вполне удачное: хотя газообразный азот и не пригоден для дыхания, для жизни этот элемент совершенно необходим. В состав всех живых существ входит относительное небольшое число элементов и один из важнейших из них – азот, в белках – около 17% азота. Входит азот и в состав молекул ДНК и РНК, обеспечивающих наследственность.

Азота на Земле много, но основные его запасы сосредоточены в атмосфере. Однако из-за высокой прочности тройной связи NєN (942 кДж/моль, что почти в 4 раза больше энергии связи Cl–Cl) молекула азота очень прочная, а ее реакционная способность низка. В результате ни одно животное или растение не способны усвоить газообразный азот из воздуха. Откуда же они получают этот элемент, необходимый им для синтеза белков и других важнейших компонентов организма? Животные получают азот в результате поедания растений и других животных. Растения извлекают азот вместе с другими питательными веществами из почвы, и лишь немногие бобовые растения могут усваивать азот из воздуха – и то не сами, а благодаря клубеньковым бактериям, живущим на их корнях.

Основной источник азота в почве – биологическая азотофиксация, т.е связывание атмосферного азота и перевод его микроорганизмами в усвояемые растениями формы. Микроорганизмы могут жить в почве сами по себе, а могут находиться в симбиозе («содружестве») с некоторыми растениями, в основном, с бобовыми – клевером, горохом, фасолью, люцерной и др. Бактерии «поселяются» на корнях этих растений – в особых клубеньках; часто их так и называют – клубеньковые бактерии. В этих микроорганизмах содержится сложный фермент нитрогеназа, способный восстановить азот до аммиака. Затем с помощью других ферментных систем аммиак превращается в другие соединения азота, которые усваиваются растениями. Свободно живущие бактерии связывают до 50 кг азота в год в расчете на 1 га, а клубеньковые – еще 150 кг, а в особо благоприятных условиях – до 500 кг!

Второй источник природного азота в почве – это молнии . Ежесекундно на Земном шаре вспыхивает в среднем 100 молний. И хотя каждая из них длится всего доли секунды, их общая электрическая мощность достигает 4 млрд. киловатт. Резкое повышение температуры в канале молнии –до 20 000° С приводит к разрушению молекул азота и кислорода с образованием оксида азота NO. Далее он окисляется атмосферным кислородом в диоксид: 2NO + O 2  2NO 2 . Диоксид, реагируя при избытке кислорода с атмосферной влагой, превращается в азотную кислоту: 4NO 2 + 2H 2 O + O 2  4HNO 3 . В результате этих превращений в атмосфере ежедневно образуется примерно 2 млн. т азотной кислоты или более 700 млн т в год. Слабый раствор азотной кислота выпадает на землю с дождями. Это количество «небесной кислоты» интересно сравнить с ее промышленным производством; получение азотной кислоты – одно из самых крупнотоннажных производств. Оказывается, здесь человек далеко отстает от природы: мировое производство азотной кислоты составляет около 30 млн. т. За счет расщепления молекул азота молниями на каждый гектар земной поверхности, включая горы и пустыни, моря и океаны, ежегодно выпадает около 15 кг азотной кислоты. В почве эта кислота переходит в ее соли – нитраты, которые прекрасно усваиваются растениями.

Казалось бы, «грозовой азот» не так уж важен для посевов, однако клевер и другие бобовые покрывают лишь малую часть земной поверхности. Молнии же начали сверкать в атмосфере миллиарды лет назад, задолго до появления азотфиксирующих бактерий. Так что они сыграли заметную роль в связывании атмосферного азота. Например, только за последние два тысячелетия молнии перевели в удобрения 2 триллиона тонн азота – примерно 0,1% всего его количества в воздухе!

Либих против Мальтуса . В 1798 году английский экономист Томас Мальтус (1766–1834) издал свою знаменитую книгу Опыт о народонаселении . В ней он указал, что численность населения имеет тенденцию возрастать в геометрической прогрессии, т.е. как 1, 2, 4, 8, 16... В то же время средства к существованию за те же промежутки времени даже в самых благоприятных условиях могут расти только в арифметической прогрессии, т.е. как 1, 2, 3, 4... Например, по этой теории производство продуктов питания может расти лишь путем расширения сельскохозяйственных угодий, лучшей обработке пахотной земли и т.д. Из теории Мальтуса следовало, что в будущем человечеству грозит голод. В 1887 этот вывод подтвердил английский ученый Томас Гексли (1825–1897), друг Чарлза Дарвина и популяризатор его учения.

Чтобы избежать «голодной смерти» человечества, необходимо было резко увеличить производительность сельского хозяйства, а для этого надо было решить важнейший вопрос о питании растений. Вероятно, первый опыт в этом направлении провел в начале 1630-х один из крупнейших ученых своего времени, голландский врач и алхимик Ян Батист ван Гельмонт (1579–1644). Он решил проверить, откуда растения получают питательные вещества – из воды или из почвы. Ван Гельмонт взял 200 фунтов (ок. 80 кг) сухой земли, насыпал ее в большой горшок, посадил в землю ветку ивы и принялся усердно поливать ее дождевой водой. Ветка пустила корни и начала расти, превращаясь постепенно в деревце. Этот опыт продолжался ровно пять лет. Оказалось, что за это время растение прибавило в массе 164 фунта 3 унции (около 66 кг), тогда как земля «похудела» всего на 3 унции, т.е. меньше, чем на 100 г. Следовательно, сделал вывод Ван Гельмонт, растения берут питательные вещества только из воды.

Последующие исследования этот вывод как будто опровергли: ведь в воде нет углерода, который составляет основную массу растений! Отсюда следовало, что растения буквально «питаются воздухом», поглощая из него углекислый газ – тот самый, который как раз открыл Ван Гельмонт и даже назвал его «лесным воздухом». Такое название было дано газу вовсе не потому, что его много в лесах, а лишь благодаря тому, что он образуется при горении древесного угля...

Вопрос «воздушного питания» растений развил в конце 18 в. швейцарский ботаник и физиолог Жан Сенебье (1742–1809). Он экспериментально доказал, что в листьях растений происходит разложение углекислого газа, при этом кислород выделяется, а углерод остается в растении. Но некоторые ученые резко возражали против этой точки зрения, отстаивая «гумусовую теорию», согласно которой растения питаются в основном извлекаемыми из почвы органическими веществами. Это как будто подтверждала вековая практика ведения сельского хозяйства: почва, богатая перегноем, хорошо удобренная навозом, давала повышенные урожаи...

Однако теория гумуса не учитывала роль минеральных веществ, которые растениям совершенно необходимы. Эти вещества растения извлекают из почвы в большом количестве, и при уборке урожая они уносятся с полей. Впервые на это обстоятельство, а также на необходимость возвращать в почву минеральные вещества указал немецкий химик Юстус Либих . В 1840 он выпустил книгу Органическая химия в применении к земледелию и физиологии , в которой, в частности, писал: «Придет время, когда каждое поле, сообразно с растением, которое на нем будут разводить, будет удобряться свойственным удобрением, приготовленном на химических заводах».

Поначалу идеи Либиха были приняты в штыки. «Это самая бесстыдная книга из всех, которые когда-либо попадали мне в руки», – писал о ней профессор ботаники Тюбингенского университета Гуго Моль (1805–1872). «Совершенно бессмысленная книга», – вторил ему известный немецкий писатель Фриц Рейтер (1810–1874), занимавшийся некоторое время сельским хозяйством. Немецкие газеты начали помещать оскорбительные письма и карикатуры на Либиха и его теорию минерального питания растений. Частично виноват в этом был и сам Либих, который сначала ошибочно полагал, что минеральные удобрения должны содержать только калий и фосфор, тогда как третий необходимый компонент – азот – растения сами могут усваивать из воздуха.

Ошибка Либиха, вероятно, объяснялась неправильной интерпретацией опытов известного французского агрохимика Жана Батиста Буссенго (1802–1887). В 1838 он посадил взвешенные семена некоторых растений в почву, не содержащую азотных удобрений, а через 3 месяца взвесил ростки. У пшеницы и овса масса практически не изменилась, тогда как у клевера и гороха она значительно увеличилась (у гороха, например, с 47 до 100 мг). Отсюда был сделан неверный вывод о том, что некоторые растения могут усваивать азот прямо из воздуха. О клубеньковых бактериях, живущих на корнях бобовых и улавливающих атмосферный азот, в то время ничего не знали. В результате первые попытки применить лишь калийно-фосфорные удобрения повсеместно дали отрицательный результат. У Либиха хватило мужества открыто признать свою ошибку. Его теория в конце концов победила. Результатом было введение в сельское хозяйство со второй половины 19 в. химических удобрений и строительство заводов по их производству.

Азотный кризис.

С фосфорными и калийными удобрениями особых проблем не было: в недрах земли соединения калия и фосфора содержатся в изобилии. Совершенно иначе дело обстояло с азотом: с интенсификацией сельского хозяйства, которое должно было прокормить быстро растущее население Земли, естественные источники перестали справляться с пополнением запасов азота в почве. Возникла настоятельная потребность изыскать источники «связанного» азота. Химики умели синтезировать некоторые соединения, например, нитрид лития Li 3 N, исходя из атмосферного азота. Но так можно было получить граммы, в лучшем случае – килограммы вещества, тогда как требовались миллионы тонн!

В течение многих веков практически единственным источником связанного азота была селитра. Это слово происходит от латинских sal – соль и nitrum, дословно – «щелочная соль»: в те времена состав веществ был неизвестен. В настоящее время селитрой называют некоторые соли азотной кислоты – нитраты. С селитрой связаны несколько драматических вех в истории человечества. С древних времен была известна только так называемая индийская селитра – нитрат калия KNO 3 . Этот редкий минерал привозили из Индии, тогда как в Европе природных источников селитры не было. Индийскую селитру использовали исключительно для производства пороха. Пороха с каждым столетием требовалось все больше, а привозной селитры не хватало, и была она очень дорога.

Со временем селитру научились получать в специальных «селитряницах» из различных органических остатков, которые содержат азот. Довольно много азота, например, в белках. Если сухие остатки просто сжечь, содержащийся в них азот в основном окислится до газообразного N 2 . Но если они подвергаются гниению, то под действием нитрифицирующих бактерий азот переходит в нитраты, которые и выщелачивали в старину в специальных кучах – буртах, а селитру называли буртовой. Делали это так. Смешивали различные органические отходы – навоз, внутренности животных, ил, болотную жижу и т.п. Туда же добавляли мусор, известь, золу. Эту жуткую смесь засыпали в ямы или делали из нее кучи и обильно поливали мочой или навозной жижей. Можно представить себе, какой запах шел от этого производства! За счет процессов разложения в течение одного – двух лет из 6 кг «селитряной земли» получали 1 кг селитры, которую очищали от примесей. Больше всего селитры получали во Франции: правительство щедро награждало тех, кто занимался этим неприятным производством.

Благодаря стараниям Либиха стало очевидным, что селитра потребуется сельскому хозяйству, причем в значительно больших количествах, чем для производства пороха. Старый способ ее получения для этого совершенно не годился.

Чилийская селитра.

С 1830 началась разработка залежей чилийской селитры – богатейшего природного источника азота. В Чили есть огромные пространства, в которых никогда не бывает дождей, например, пустыня Атакама, расположенная в предгорьях Кордильер на высоте около 1000 м над уровнем моря. В результате тысячелетних процессов разложения растительных и животных органических остатков (в основном птичьего помета – гуано) в Атакаме образовались уникальные залежи селитры. Они расположены в 40–50 км от берега океана. Когда эти залежи начали разрабатывать, они тянулись полосой длиной около 200 км и шириной 3 км при толщине пласта от 30 см до 3 м. В котловинах пласты значительно утолщались и напоминали высохшие озера. Как показали анализы, чилийская селитра – это нитрат натрия с примесями сульфата и хлорида натрия, глины и песка; иногда в селитре находят неразложившиеся остатки гуано. Интересной особенностью чилийской селитры является присутствие в ней иодата натрия NaIO 3 .

Обычно порода была мягкая и легко извлекалась из земли, но иногда залежи селитры были такими плотными, что для их извлечения требовались взрывные работы. После растворения породы в горячей воде раствор фильтровали и охлаждали. При этом в осадок выпадал чистый нитрат натрия, который шел на продажу в виде удобрения. Из оставшегося раствора добывали иод. В 19 в. Чили стало главным поставщиком селитры. Разработка месторождений занимала первое место в горнодобывающей промышленности Чили 19 в.

Чтобы получить из чилийской селитры нитрат калия, использовали реакцию NaNO 3 + KCl ® NaCl + KNO 3 . Такая реакция возможна благодаря резкому различию в растворимости ее продуктов при разных температурах. Растворимость NaCl (в граммах на 100 г воды) изменяется лишь с 39,8 г при 100° С до 35,7 г при 0° С, тогда как растворимость KNO 3 при тех же температурах отличается очень сильно и составляет 246 и 13,3 г! Поэтому если смешать горячие концентрированные растворы NaNO 3 и KCl, а затем охладить смесь, то значительная часть KNO 3 выпадет в осадок, а почти весь NaCl останется в растворе.

В течение десятков лет чилийская селитра – природный нитрат натрия удовлетворял потребности человека. Но как только выявилось уникальное значение этого минерала для мирового сельского хозяйства, стали подсчитывать, на сколько же хватит человечеству этого уникального дара природы. Первые подсчеты были довольно оптимистическими – в 1885 запас селитры определялся в 90 млн. т. Получалось, что можно не беспокоиться об «азотном голодании» растений еще много лет. Но эти расчеты не учитывали быстрый рост населения и темпов сельскохозяйственного производства во всем мире.

Во времена Мальтуса экспорт чилийской селитры составлял всего 1000 т в год; в 1887 он достиг 500 тыс. т в год, а в начале 20 в. исчислялся уже миллионами тонн! Запасы чилийской селитры быстро истощались, тогда как потребность в нитратах росла исключительно быстро. Положение усугублялось тем, что селитру в больших количествах потребляла и военная промышленность; порох конца 19 в. содержал 74–75% калиевой селитры. Требовалось разработать новые методы получения азотных удобрений, причем их источником мог быть только атмосферный воздух.

Преодоление «азотного голода».

В начале 20 в. для промышленного связывания азота был предложен цианамидный метод. Сначала накаливанием смеси извести и угля получали карбид кальция: СаО + 3С ® СаС 2 + СО. При высокой температуре карбид реагирует с азотом воздуха с образованием цианамида кальция: CaC 2 + N 2 ® CaCN 2 + C. Это соединение оказалось годным в качестве удобрения не для всех культур, поэтому из него действием перегретого водяного пара стали получать сначала аммиак: CaCN 2 + 3H 2 O ® CaCO 3 + 2NH 3 , а из аммиака и серной кислоты получали уже сульфат аммония.

Совершенно другим способом пошли норвежские химики, которые использовали дешевую местную электроэнергию (в Норвегии много гидроэлектростанций). Они фактически воспроизвели природный процесс связывания азота, пропуская влажный воздух через электрическую дугу. При этом из воздуха получалось около 1% азотной кислоты, которую взаимодействием с известью переводили в нитрат кальция Ca(NO 3) 2 . Не удивительно, что это вещество назвали норвежской селитрой.

Однако оба метода были слишком дороги. Наиболее экономичный метод связывания азота разработал в 1907–1909 немецкий химик Фриц Габер (1868–1934); по этому методу азот превращается непосредственно в аммиак; превратить аммиак в нитраты и другие соединения азота было уже несложно.

В настоящее время производство азотных удобрений исчисляется десятками миллионов тонн в год. В зависимости от химического состава они бывают разных типов. Аммиачные и аммонийные удобрения содержат азот в степени окисления –3. Это жидкий аммиак, его водный раствор (аммиачная вода), сульфат аммония. Ионы NH 4 + под действием нитрифицирующих бактерий окисляются в почве в нитрат-ионы, которые хорошо усваиваются растениями. К нитратным удобрениям относятся KNO 3 и Ca(NO 3) 2 . К аммонийно-нитратным удобрениям относится прежде всего аммиачная селитра NH 4 NO 3 , содержащая одновременно аммиачный и нитратный азот. Самое концентрированное твердое азотное удобрение – карбамид (мочевина), содержащее 46% азота. Доля же природной селитры в мировом производстве азотсодержащих соединений не превышает 1%.

Применение.

Выведение новых сортов растений, в том числе и генетически модифицированных, усовершенствованные приемы агротехники не отменяют необходимости применения искусственных удобрений. Ведь с каждым урожаем поля теряют значительную долю питательных веществ, в том числе и азота. По данным многолетних наблюдений каждая тонна азота в азотных удобрениях дает прибавку урожая пшеницы на 12–25%, свеклы – на 120–160%, картофеля – на 120%. В нашей стране за последние полвека производство азотных удобрений наneазотно-туковых заводах увеличилось в десятки раз.

Илья Леенсонne

Всем известно: азот инертен. Часто мы сетуем за это на элемент №7, что естественно: слишком дорогой ценой приходится расплачиваться за его относительную инертность, слишком много энергии, сил и средств приходится тратить на его превращение в жизненно необходимые соединения.

Но, с другой стороны, не будь азот так инертен, в атмосфере произошли бы реакции азота с кислородом, и жизнь на пашей планете в тех формах, в которых она существует, стала бы невозможной. Растения, животные, мы с вами буквально захлебывались бы в потоках неприемлемых жизнью окислов и кислот. И «при всем при том» именно в окислы и азотную кислоту мы стремимся превратить возможно большую часть атмосферного азота. Это один из парадоксов элемента №7. (Здесь автор рискует быть обвиненным в тривиальности, ибо парадоксальность азота, вернее его свойств, стала притчей во языцех. И все же...)

Азот – элемент необыкновенный. Порою кажется, что чем больше мы о нем узнаем, тем непонятнее он становится. Противоречивость свойств элемента №7 отразилась даже в его названии, ибо ввела в заблуждение даже такого блистательного химика, как Антуан Лоран Лавуазье. Это Лавуазье предложил назвать азот азотом после того, как не первым и не последним получил и исследовал не поддерживающую дыхания и горения часть воздуха. Согласно Лавуазье, «азот» означает «безжизненный», и слово это произведено от греческого «а» – отрицание и «зоэ» – жизнь.

Термин «азот» бытовал еще в лексиконе алхимиков, откуда и заимствовал его французский ученый. Означал он некое «философское начало», своего рода кабалистическое заклинание. Знатоки утверждают, что ключом к расшифровке слова «азот» служит заключительная фраза из Апокалипсиса: «Я есть альфа и омега, начало и конец, первый и последний...» В средние века особо почитались три языка: латинский, греческий и древнееврейский. И слово «азот» алхимики составили из первой буквы «а» (а, альфа, алеф) и последних букв: «зет», «омега» и «тов» этих трех алфавитов. Таким образом, это таинственное синтетическое слово означало «начало и конец всех начал».

Современник и соотечественник Лавуазье Ж. Шапталь, не мудрствуя лукаво, предложил назвать элемент №7 гибридным латино-греческим именем «нитрогениум», что значит «селитру рождающий». Селитры – азотнокислые соли, вещества, известные с древнейших времен. (О них речь впереди.) Надо сказать, что термин «азот» укоренился только в русском и французском языках. По-английски элемент №7 – «Nitrogen», по-немецки – «Stockton» (удушающее вещество). Химический же символ N – дань шапталевскому нитрогениуму.

Кем открыт азот

Открытие азота приписывают ученику замечательного шотландского ученого Джозефа Блэка Даниелю Резерфорду, который в 1772 г. опубликовал диссертацию «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе». Блэк прославился своими опытами с «фиксируемым воздухом» – углекислым газом. Он обнаружил, что после фиксирования углекислоты (связывания ее щелочью) остается еще какой-то «не фиксируемый воздух», который был назван «мефитическим» – испорченным – за то, что не поддерживал горения и дыхания. Исследование этого «воздуха» Блэк и предложил Резерфорду в качестве диссертационной работы.

Примерно в то же время азот был получен К. Шееле, Дж. Пристли, Г. Кавендишем, причем последний, как следовало из его лабораторных записей, изучал этот газ раньше Резерфорда, но, как всегда, не спешил с публикацией результатов своих трудов. Однако все эти выдающиеся ученые имели весьма смутное представление о природе открытого ими вещества. Они были убежденными сторонниками теории флогистона и связывали свойства «мефитического воздуха» с этой мнимой субстанцией. Только Лавуазье, ведя наступление на флогистон, убедился сам и убедил других, что газ, который он назвал «безжизненным», – простое вещество, как и кислород...

Вселенский катализатор?

Можно лишь догадываться, что означает «начало и конец всех начал» в алхимическом «азоте». Но об одном из «начал», связанных с элементом №7, можно говорить всерьез. Азот и жизнь – понятия неотделимые. По крайней мере, всякий раз, когда биологи, химики, астрофизики пытаются постичь «начало начал» жизни, то непременно сталкиваются с азотом.

Атомы земных химических элементов рождены в недрах звезд. Именно оттуда, от ночных светил и дневного светила, начинаются истоки нашей земной жизни. Это обстоятельство и имел в виду английский астрофизик У. Фаулер , говоря, что «все мы... являемся частичкой звездного праха»...

Звездный «прах» азота возникает в сложнейшей цепи термоядерных процессов, начальная стадия которых – превращение водорода в гелий. Это многостадийная реакция, идущая, как предполагают, двумя путями. Один из них, получивший название углеродно-азотного цикла, имеет самое непосредственное отношение к элементу №7. Этот цикл начинается, когда в звездном веществе, помимо ядер водорода – протонов, уже есть и углерод. Ядро углерода-12, присоединив еще один протон, превращается в ядро нестабильного азота-13:

12 6 C + 1 1 H → 13 7 N + γ.

Но, испустив позитрон, азот снова становится углеродом – образуется более тяжелый изотоп 13 С:

13 7 N → 13 6 C + е + + γ.

Такое ядро, приняв лишний протон, превращается в ядро самого распространенного в земной атмосфере изотопа - 14 N.

13 6 C + 1 1 H → 14 7 N + γ.

Увы, лишь часть этого азота отправляется в путешествие по Вселенной. Под действием протонов азот-14 превращается в кислород-15, а тот, в свою очередь, испустив позитрон и гамма-квант, превращается в другой земной изотоп азота – 15 N:

14 7 N + 1 1 H → 15 8 O + γ;

15 8 O → 15 7 N + е + + γ.

Земной азот-15 стабилен, но и он в недрах звезды подвержен ядерному распаду; после того, как ядро 15 N примет еще один протон, произойдет не только образование кислорода 16 О, но и другая ядерная реакция:

15 7 N + 1 1 H → 12 6 С + 4 2 He.

В этой цепи превращений азот – один из промежуточных продуктов. Известный английский астрофизик Р.Дж. Тейлер пишет: « 14 N – изотоп, который нелегко построить. В углеродно-азотном цикле образуется азот, и, хотя впоследствии он снова превращается в углерод, все же если процесс протекает стационарно, то азота в веществе оказывается больше, чем углерода. Это, по-видимому, основной источник 14 N»...

В умеренно сложном углеродно-азотном цикле прослеживаются любопытные закономерности. Углерод 12 С играет в нем роль своеобразного катализатора. Судите сами, в конечном счете не происходит изменения количества ядер 12 С. Азот же, появляясь в начале процесса, исчезает в конце... И если углерод в этом цикле – катализатор, то азот явно – аутокатализатор, т.е. продукт реакции, катализирующий ее дальнейшие промежуточные стадии.

Мы не случайно завели здесь речь о каталитических свойствах элемента №7. Но сохранил ли эту особенность звездный азот и в живом веществе? Катализаторы жизненных процессов – ферменты, и все они, равно как и большинство гормонов и витаминов, содержат азот.

Азот в атмосфере Земли

Жизнь многим обязана азоту, но и азот, по крайней мере атмосферный, своим происхождением обязан не столько Солнцу, сколько жизненным процессам. Поразительно несоответствие между содержанием элемента №7 в литосфере (0,01%) и в атмосфере (75,6% по массе или 78,09% по объему). В общем-то, мы обитаем в азотной атмосфере, умеренно обогащенной кислородом.

Между тем ни на других планетах солнечной системы, ни в составе комет или каких-либо других холодных космических объектов свободный азот не обнаружен. Есть его соединения и радикалы – CN * , NH * , NH * 2 , NH * 3 , а вот азота нет. Правда, в атмосфере Венеры зафиксировано около 2% азота, но эта цифра еще требует подтверждения. Полагают, что и в первичной атмосфере Земли элемента №7 не было. Откуда же тогда он в воздухе?

По-видимому, атмосфера нашей планеты состояла вначале из летучих веществ, образовавшихся в земных недрах: Н 2 , Н 2 О, СО 2 , СН 4, NH 3 . Свободный азот если и выходил наружу как продукт вулканической деятельности, то превращался в аммиак. Условия для этого были самые подходящие: избыток водорода, повышенные температуры – поверхность Земли еще не остыла. Так что же, значит, сначала азот присутствовал в атмосфере в виде аммиака? Видимо, так. Запомним это обстоятельство.

Но вот возникла жизнь... Владимир Иванович Вернадский утверждал, что «земная газовая оболочка, наш воздух, есть создание жизни». Именно жизнь запустила удивительнейший механизм фотосинтеза. Один из конечных продуктов этого процесса – свободный кислород стал активно соединяться с аммиаком, высвобождая молекулярный азот:

CO 2 + 2Н 2 О → фотосинтез → НСОН + Н 2 О + О 2 ;

4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6Н 2 О.

Кислород и азот, как известно, в обычных условиях между собой не реагируют, что и позволило земному воздуху сохранить «статус кво» состава. Заметим, что значительная часть аммиака могла раствориться в воде при образовании гидросферы.

В наше время основной источник поступления N 2 в атмосферу – вулканические газы.

Если разорвать тройную связь...

Разрушив неисчерпаемые запасы связанного активного азота, живая природа поставила себя перед проблемой: как связать азот. В свободном, молекулярном состоянии он, как мы знаем, оказался весьма инертным. Виной тому – тройная химическая связь его молекулы: N≡N.

Обычно связи такой кратности малоустойчивы. Вспомним классический пример ацетилена: НС = СН. Тройная связь его молекулы очень непрочна, чем и объясняется невероятная химическая активность этого газа. А вот у азота здесь явная аномалия: его тройная связь образует самую стабильную из всех известных двухатомных молекул. Нужно приложить колоссальные усилия, чтобы разрушить эту связь. К примеру, промышленный синтез аммиака требует давления более 200 атм. и температуры свыше 500°C, да еще обязательного присутствия катализаторов... Решая проблему связывания азота, природе пришлось наладить непрерывное производство соединений азота методом гроз.

Статистика утверждает, что в атмосфере нашей планеты ежегодно вспыхивают три с лишним миллиарда молний. Мощность отдельных разрядов достигает 200 млн киловатт, а воздух при этом разогревается (локально, разумеется) до 20 тыс. градусов. При такой чудовищной температуре молекулы кислорода и азота распадаются на атомы, которые, легко реагируя друг с другом, образуют непрочную окись азота:

N 2 + O 2 → 2NО.

Благодаря быстрому охлаждению (разряд молнии длится десятитысячную долю секунды) окись азота не распадается и беспрепятственно окисляется кислородом воздуха до более стабильной двуокиси:

2NO + О 2 → 2NO 2 .

В присутствии атмосферной влаги и капель дождя двуокись азота превращается в азотную кислоту:

3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO.

Так, попав под свежий грозовой дождик, мы получаем возможность искупаться в слабом растворе азотной кислоты. Проникая в почву, атмосферная азотная кислота образует с ее веществами разнообразные естественные удобрения. Азот фиксируется в атмосфере и фотохимическим путем: поглотив квант света, молекула N 2 переходит в возбужденное, активированное состояние и становится способной соединяться с кислородом...

Бактерии и азот

Из почвы соединения азота попадают в растения. Далее: «лошади кушают овес», а хищники – травоядных животных. По пищевой цепи идет круговорот вещества, в том числе и элемента №7. При этом форма существования азота меняется, он входит в состав все более сложных и нередко весьма активных соединений. Но не только «грозорожденный» азот путешествует по пищевым цепям..

Еще в древности было замечено, что некоторые растения, в частности бобовые, способны повышать плодородие почвы.

«...Или, как сменится год, золотые засеивай злаки
Там, где с поля собрал урожай, стручками шумящий,
Или где вика росла мелкоплодная с горьким лупином...»

Вчитайтесь: это же травопольная система земледелия! Строки эти взяты из поэмы Вергилия, написанной около двух тысяч лет назад.

Пожалуй, первым, кто задумался над тем, почему бобовые дают прибавки урожая зерновых, был французский агрохимик Ж. Буссенго. В 1838 г. он установил, что бобовые обогащают почву азотом. Зерновые же (и еще многие другие растения) истощают землю, забирая, в частности, все тот же азот. Буссенго предположил, что листья бобовых усваивают азот из воздуха, но это было заблуждением. В то время немыслимо было предположить, что дело не в самих растениях, а в особых микроорганизмах, вызывающих образование клубеньков на их корнях. В симбиозе с бобовыми эти организмы и фиксируют азот атмосферы. Сейчас это прописная истина...

В наше время известно довольно много различных азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты, дрожжевые и плесневые грибки, сине-зеленые водоросли. И все они поставляют азот растениям. Но вот вопрос: каким образом без особых энергетических затрат расщепляют инертную молекулу N 2 микроорганизмы? И почему одни из них обладают этой полезнейшей для всего живого способностью, а другие нет? Долгое время это оставалось загадкой. Тихий, без громов и молний механизм биологической фиксации элемента №7 был раскрыт лишь недавно. Доказано, что путь элементарного азота в живое вещество стал возможен благодаря восстановительным процессам, в ходе которых азот превращается в аммиак. Решающую роль при этом играет фермент нитрогеназа. Его центры, содержащие соединения железа и молибдена, активируют азот для «стыковки» с водородом, который предварительно активируется другим ферментом. Так из инертного азота получается весьма активный аммиак – первый стабильный продукт биологической азотфиксации.

Вот ведь как получается! Сначала процессы жизнедеятельности перевели аммиак первичной атмосферы в азот, а затем жизнь снова превратила азот в аммиак. Стоило ли природе на этом «ломать копья»? Безусловно, потому что именно так и возник круговорот элемента №7.

Залежи селитры и рост народонаселения

Природная фиксация азота молниями и почвенными бактериями ежегодно дает около 150 млн т. соединений этого элемента. Однако не весь связанный азот участвует в круговороте. Часть его выводится из процесса и отлагается в виде залежей селитры. Богатейшей такой кладовой оказалась чилийская пустыня Атакама в предгорьях Кордильер. Здесь годами не бывает дождей. Но изредка на склоны гор обрушиваются сильные ливни, вымывающие почвенные соединения. Потоки воды в течение тысячелетий выносили вниз растворенные соли, среди которых больше всего было селитры. Вода испарялась, соли оставались... Так возникло крупнейшее в мире месторождение азотных соединений.

Еще знаменитый немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер, живший в XVII в., отметил исключительную важность азотных солей для развития растений. В своих сочинениях, размышляя о круговороте азотистых веществ в природе, он употреблял такие выражения, как «нитрозные соки почвы» и «селитра – соль плодородия».

Но природную селитру в качестве удобрения стали применять лишь в начале прошлого века, когда стали разрабатывать чилийские залежи. В то время это был единственный значительный источник связанного азота, от которого, казалось, зависит благополучие человечества. Об азотной же промышленности тогда не могло быть и речи.

В 1824 г. английский священник Томас Мальтус провозгласил свою печально известную доктрину о том, что народонаселение растет гораздо быстрее, чем производство продуктов питания. В это время вывоз чилийской селитры составлял всего около 1000 т в год. В 1887 г. соотечественник Мальтуса, известный ученый Томас Гексли предсказал скорый конец цивилизации из-за «азотного голода», который должен наступить после выработки месторождений чилийской селитры (ее добыча к этому времени составляла уже более 500 тыс. т в год).

Через 11 лет еще один знаменитый ученый сэр Уильям Крукс заявил в Британском обществе содействия наукам, что не пройдет и полувека, как наступит продовольственный крах, если численность народонаселения не сократится. Он также аргументировал свой печальный прогноз тем, что «в скором времени предстоит полное истощение залежей чилийской селитры» со всеми отсюда вытекающими последствиями.

Пророчества эти не оправдались – человечество не погибло, а освоило искусственную фиксацию элемента №7. Более того, сегодня доля природной селитры – лишь 1,5% от мирового производства азотсодержащих веществ.

Как связывали азот

Соединения азота люди умели получать давно. Ту же селитру приготовляли в особых сараях – селитряницах, но очень уж примитивным был этот способ. «Выделывают селитру из куч навоза, золы, помета, оскребков кож, крови, картофельной ботвы. Кучи эти два года поливают мочою и переворачивают, после чего на них образуется налет селитры», – такое описание селитряного производства есть в одной старинной книге.

Источником соединений азота может служить и каменный уголь, в котором до 3% азота. Связанного азота! Этот азот стали выделять при коксовании углей, улавливая аммиачную фракцию и пропуская ее через серную кислоту.

Конечный продукт – сульфат аммония. Но и это, в общем-то, крохи. Трудно даже представить, какими путями развивалась бы наша цивилизация, не реши она вовремя проблему промышленно приемлемой фиксации атмосферного азота.

Впервые атмосферный азот связал еще Шееле. В 1775 г. он получил цианистый натрий, нагревая в атмосфере азота соду с углем:

Na 2 CO 3 + 4С + N 2 → 2NaCN + 3СО.

В 1780 г. Пристли установил, что объем воздуха, заключенный в сосуде, перевернутом над водой, уменьшается, если через него пропускать электрическую искру, а вода приобретает свойства слабой кислоты. Этот эксперимент был, как мы знаем (Пристли этого не знал), моделью природного механизма фиксации азота. Четыре года спустя Кавендиш, пропуская электрический разряд через воздух, заключенный в стеклянной трубке со щелочью, обнаружил там селитру.

И хотя все эти эксперименты не могли в то время выйти за пределы лабораторий, в них виден прообраз промышленных способов фиксации азота – цианамидного и дугового, появившихся на рубеже XIX...XX вв.

Цианамидный способ был запатентован в 1895 г. немецкими исследователями А. Франком и Н. Каро. По этому способу азот при нагревании с карбидом кальция связывался в цианамид кальция:

CaC 2 + N 2 → Ca(CN) 2 .

В 1901 г. сын Франка, подав идею о том, что цианамид кальция может служить хорошим удобрением, по существу, положил начало производству этого вещества. Росту индустрии связанного азота способствовало появление дешевой электроэнергии. Наиболее перспективным способом фиксации атмосферного азота в конце XIX в. считался дуговой, при помощи электрического разряда. Вскоре после строительства Ниагарской электростанции американцы неподалеку пустили (в 1902 г.) первый дуговой завод. Через три года в Норвегии вступила в строй дуговая установка, разработанная теоретиком и специалистом по изучению северного сияния X. Биркеландом и инженером-практиком С. Эйде. Заводы подобного типа получили широкое распространение; селитру, которую они выпускали, называли норвежской. Однако расход электроэнергии при этом процессе был чрезвычайно велик и составлял до 70 тыс. киловатт/час на тонну связанного азота, причем только 3% этой энергии использовалось непосредственно на фиксацию.

Через аммиак

Перечисленные выше способы фиксации азота были лишь подходами к методу, появившемуся незадолго до первой мировой войны. Это о нем американский популяризатор науки Э. Слоссон весьма остроумно заметил: «Всегда говорилось, что англичане господствуют на море, а французы – на суше, немцам же остается только воздух. К этой шутке немцы отнеслись как будто бы серьезно и принялись использовать воздушное царство для нападения на англичан и французов... Кайзер... обладал целым флотом цеппелинов и таким способом фиксации азота, который не был известен никакой другой нации. Цеппелины разрывались, как мешки с воздухом, но заводы, фиксирующие азот, продолжали работать и сделали Германию независимой от Чили не только в годы войны, но и в мирное время»... Речь идет о синтезе аммиака – основном процессе современной индустрии связанного азота.

Слоссон был не совсем прав, говоря о том, что способ фиксации азота в аммиак не был известен нигде, кроме Германии. Теоретические основы этого процесса были заложены французскими и английскими учеными. Еще в 1784 г. знаменитый К. Бертолле установил состав аммиака и высказал мысль о химическом равновесии реакций синтеза и разложения этого вещества. Через пять лет англичанином У. Остином была предпринята первая попытка синтеза NH 3 из азота и водорода. И, наконец, французский химик А. Ле Шателье, отчетливо сформулировав принцип подвижного равновесия, первым синтезировал аммиак. При этом он применил высокое давление и катализаторы – губчатую платину и железо. В 1901 г. Ле Шателье запатентовал этот способ.

Исследования по синтезу аммиака в начале века проводили также Э. Перман и Г. Аткинс в Англии. В своих экспериментах эти исследователи в качестве катализаторов применяли различные металлы, в частности медь, никель и кобальт...

Но наладить синтез аммиака из водорода и азота в промышленных масштабах впервые удалось, действительно, в Германии. В этом заслуга известного химика Фрица Габера . В 1918 г. он был удостоен Нобелевской премии по химии.

Технология производства NH 3 , разработанная немецким ученым, очень сильно отличалась от других производств того времени. Здесь впервые был применен принцип замкнутого цикла с непрерывно действующей аппаратурой и утилизацией энергии. Окончательную разработку технологии синтеза аммиака завершил коллега и друг Габера К. Бош , который в 1931 г. также был удостоен Нобелевской премии – за развитие методов химического синтеза при высоких давлениях.

По пути природы

Синтез аммиака стал еще одной моделью природной фиксации элемента №7. Напомним, что микроорганизмы связывают азот именно в NH 3 . При всех достоинствах процесса Габера – Боша он выглядит несовершенным и громоздким по сравнению с природным!

«Биологическая фиксация атмосферного азота... была неким парадоксом, постоянным вызовом для химиков, своего рода демонстрацией недостаточности наших знаний». Эти слова принадлежат советским химикам М.Е. Вольпину и А.Е. Шилову, которые предприняли попытку фиксации молекулярного азота в мягких условиях.

Сначала были неудачи. Но в 1964 г. в Институте элементоорганических соединении АН СССР, в лаборатории Вольпина, было сделано открытие: в присутствии соединений переходных металлов – титана, ванадия, хрома, молибдена и железа – элемент №7 активируется и при обычных условиях образует комплексные соединения, разлагаемые водой до аммиака. Именно эти металлы служат и центрами фиксации азота в ферментах азотфиксаторов, и прекрасными катализаторами в производстве аммиака.

Вскоре после этого канадские ученые А. Аллен и К. Зеноф, исследуя реакцию гидразина N 2 H 2 с треххлористым рутением, получили химический комплекс, в котором, опять же в мягких условиях, азот оказался связанным. Этот результат настолько противоречил обычным представлениям, что редакция журнала, куда исследователи послали свою статью с сенсационным сообщением, отказалась ее печатать. В дальнейшем советским ученым удалось в мягких условиях получить и азотсодержащие органические вещества. Пока еще рано говорить о промышленных способах мягкой химической фиксации атмосферного азота, однако, достигнутые успехи позволяют предвидеть надвигающуюся революцию в технологии связывания элемента №7.

Современной наукой не забыты и старые способы получения азотных соединений через окислы. Здесь главные усилия направлены на разработку технологических процессов, ускоряющих расщепление молекулы N 2 на атомы. Наиболее перспективными направлениями окисления азота считают сжигание воздуха в специальных печах, применение плазмотронов, использование для этих целей пучка ускоренных электронов.

Чего бояться?

Сегодня нет оснований опасаться, что человечество когда-либо будет испытывать недостаток в соединениях азота. Промышленная фиксация элемента №7 прогрессирует невероятными темпами. Если в конце 60-х годов мировое производство связанного азота составляло 30 млн т., то к началу будущего века оно, по всей вероятности, достигнет миллиарда тонн!

Такие успехи не только радуют, но и вызывают опасения. Дело в том, что искусственная фиксация N 2 и внесение в почву огромного количества азотсодержащих веществ – самое грубое и значительное вмешательство человека в естественный круговорот веществ. В наше время азотные удобрения не только вещества плодородия, но и загрязнители окружающей среды. Они вымываются из почвы в реки и озера, вызывают вредное цветение водоемов, разносятся воздушными потоками на дальние расстояния...

В подземные воды уходит до 13% азота, содержащегося в минеральных удобрениях. Азотные соединения, особенно нитраты, вредны для людей и могут быть причиной отравлений. Вот вам и кормилец-азот!

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) приняла предельно допустимую концентрацию нитратов в питьевой воде: 22 мг/л для умеренных широт и 10 мг/л для тропиков. В СССР санитарные нормы регламентируют содержание нитратов в воде водоемов по «тропическим» меркам – не более 10 мг/л. Выходит, что нитраты средство «обоюдоострое»...

4 октября 1957 г. человечество еще раз вмешалось в круговорот элемента №7, запустив в космос «шарик», заполненный азотом, – первый искусственный спутник...

Менделеев об азоте

«Хотя деятельнейшую, т.е. наиболее легко и часто химически действующую часть окружающего нас воздуха, составляет кислород, но наибольшую массу его, судя как по объему, так и по весу, образует азот; а именно газообразный азот составляет более 3 / 4 , хотя и менее 4 / 5 объема воздуха. А так как азот лишь немногим легче кислорода, то весовое содержание азота в воздухе составляет около 3 / 4 всей его массы. Входя в таком значительном количестве в состав воздуха, азот, по-видимому, не играет особо видной роли в атмосфере, химическое действие которой определяется преимущественно содержанием в ней кислорода. Но правильное представление об азоте получается только тогда, когда узнаем, что в чистом кислороде животные не могут долго жить, даже умирают, и что азот воздуха, хотя лишь медленно и мало-помалу, образует разнообразные соединения, часть которых играет важнейшую роль в природе, особенно в жизни организмов».

Где применяют азот

Азот – самый дешевый из всех газов, химически инертных в обычных условиях. Его широко применяют в химической технологии для создания неокислительных сред. В лабораториях в атмосфере азота хранят легко окисляющиеся соединения. Выдающиеся произведения живописи иногда (в хранилищах или при транспортировке) помещают в герметические футляры, заполненные азотом, – чтобы предохранить краски от влаги и химически активных компонентов воздуха.

Значительной бывает роль азота в металлургии и при металлообработке. Различные металлы в расплавленном состоянии реагируют на присутствие азота по-разному. Медь, например, абсолютно инертна по отношению к азоту, поэтому изделия из меди часто сваривают в струе этого газа. Магний, напротив, при горении на воздухе дает соединения не только с кислородом, но и с азотом. Так что для работы с изделиями из магния при высоких температурах азотная среда неприменима. Насыщение азотом поверхности титана придает металлу большую прочность и износостойкость – на ней образуется очень прочный и химически инертный нитрид титана. Эта реакция идет лишь при высоких температурах.

При обыкновенной температуре азот активно реагирует только с одним металлом – литием.

Наибольшее количество азота идет на производство аммиака.

Азотный наркоз

Распространенное мнение о физиологической инертности азота не совсем правильно. Азот физиологически инертен при обычных условиях.

При повышенном давлении, например при погружении водолазов, растет концентрация растворенного азота в белковых и особенно жировых тканях организма. Это приводит к так называемому азотному наркозу. Водолаз словно пьянеет: нарушается координация движений, мутится сознание. В том, что причина этого – азот, ученые окончательно убедились после проведения экспериментов, в которых вместо обычного воздуха в скафандр водолаза подавалась гелио-кислородная смесь. При этом симптомы наркоза исчезли.

Космический аммиак

Большие планеты солнечной системы Сатурн и Юпитер состоят, как полагают астрономы, частично из твердого аммиака. Аммиак замерзает при –78°C, а на поверхности Юпитера, например, средняя температура – 138°C.

Аммиак и аммоний

В большой семье азота есть странное соединение – аммоний NH 4 . В свободном виде он нигде не встречается, а в солях играет роль щелочного металла. Название «аммоний» предложил в 1808 г. знаменитый английский химик Хэмфри Дэви. Латинское слово ammonium когда-то означало: соль из Аммонии. Аммония – область в Ливии. Там находился храм египетского бога Аммона, по имени которого и называли всю область. В Аммонии издавна получали аммонийные соли (в первую очередь нашатырь), сжигая верблюжий навоз. При распаде солей получался газ, который сейчас называют аммиаком.

С 1787 г. (в том самом году, когда был принят термин «азот») комиссия по химической номенклатуре дала этому газу имя ammoniaque (аммониак). Русскому химику Я.Д. Захарову это название показалось слишком длинным, и в 1801 г. он исключил из него две буквы. Так получился аммиак.

Веселящий газ

Из пяти окислов азота два – окись (NO) и двуокись (NO 2) – нашли широкое промышленное применение. Два других – азотистый ангидрид (N 2 O 3) и азотный ангидрид (N 2 O 5) – не часто встретишь и в лабораториях. Пятый – закись азота (N 2 O). Она обладает весьма своеобразным физиологическим действием, за которое ее часто называют веселящим газом.

Выдающийся английский химик Хэмфри Дэви с помощью этого газа устраивал специальные сеансы. Вот как описывал действие закиси азота один из современников Дэви: «Одни джентльмены прыгали по столам и стульям, у других развязались языки, третьи обнаружили чрезвычайную склонность к потасовке».

Свифт смеялся напрасно

Выдающийся писатель-сатирик Джонатан Свифт охотно издевался над бесплодием современной ему науки. В «Путешествиях Гулливера», в описании академии Лагадо, есть такое место: «В его распоряжении были две большие комнаты, загроможденные самыми удивительными диковинами; пятьдесят помощников работали под его руководством. Одни сгущали воздух в сухое плотное вещество, извлекая из него селитру...»

Сейчас селитра из воздуха – вещь абсолютно реальная. Аммиачную селитру NH 4 NO 3 действительно делают из воздуха и воды.

Бактерии связывают азот

Идею о том, что некоторые микроорганизмы могут связывать азот воздуха, первым высказал русский физик П. Коссович. Русскому биохимику С.Н. Виноградскому первому удалось выделить из почвы один вид бактерий, связывающих азот.

Растения разборчивы

Дмитрий Николаевич Прянишников установил, что растение, если ему предоставлена возможность выбора, предпочитает аммиачный азот нитратному. (Нитраты – соли азотной кислоты).

Важный окислитель

Азотная кислота HNO 3 – один из самых важных окислителей, применяемых в химической промышленности. Первым ее приготовил, действуя серной кислотой на селитру, один из крупнейших химиков XVII в. Иоганн Рудольф Глаубер.

Среди соединений, получаемых сейчас с помощью азотной кислоты, многие совершенно необходимые вещества: удобрения, красители, полимерные материалы, взрывчатые вещества.

Двойная роль

Некоторые азотсодержащие соединения, применяемые в агрохимии, выполняют двоякие функции. Например, цианамид кальция хлопкоробы применяют как дефолиант – вещество, вызывающее опадение листьев перед уборкой урожая. Но это соединение одновременно служит и удобрением.

Азот в ядохимикатах

Далеко не все вещества, в состав которых входит азот, способствуют развитию любых растений. Аминные соли феноксиуксусной и трихлорфеноксиуксусной кислот – гербициды. Первая подавляет рост сорняков на полях злаковых культур, вторая применяется для очистки земель под пашни – уничтожает мелкие деревья и кустарники.

Полимеры: от биологических до неорганических

Атомы азота входят в состав многих природных и синтетических полимеров – от белка до капрона. Кроме того, азот – важнейший элемент безуглеродных, неорганических полимеров. Молекулы неорганического каучука – полифосфонитрилхлорида – это замкнутые циклы, составленные из чередующихся атомов азота и фосфора, в окружении ионов хлора. К неорганическим полимерам относятся и нитриды некоторых металлов, в том числе и самое твердое из всех веществ – боразон.

Обмен веществ

Азот – один из элементов-органогенов (т.е. из которых в основном состоят все органы и ткани), массовая доля которого в организме человека составляет до 2,5%. Азот является составной частью таких веществ, как (а, следовательно, пептидов и белков), нуклеотиды, гемоглобин, некоторых гормонов и медиаторов.

Биологическая роль азота

Чистый (элементарный) азот сам по себе не обладает какой-либо биологической ролью. Биологическая роль азота обусловлена его соединениями. Так в составе аминокислот он образует пептиды и (наиболее важный компонент всех живых организмов); в составе нуклеотидов образует ДНК и РНК (посредством которых передается вся информация внутри клетки и по наследству); в составе гемоглобина участвует в транспорте кислорода от легких по органам и тканей.

Некоторые гормоны также представляют собой производные аминокислот, а, следовательно, также содержат азот (инсулин, глюкагон, тироксин, адреналин и пр.). Некоторые медиаторы, при помощи которых «общаются» нервные клетки также имеют в своем составе атом азота (ацетилхолин).

Такое соединения как оксид азота (II) и его источники (например, нитроглицерин – лекарственное средство для снижения давления) воздействуют на гладкую мускулатуру кровеносных сосудов, обеспечивая ее расслабление и расширение сосудов в целом (приводит к снижению давления).

Пищевые источники азота

Не смотря на доступность азота для живых организмов (составляет почти 80% атмосферы нашей планеты), человеческий организм не способен усваивать азот в такой (элементарной) форме. В организм человека азот в основном поступает в составе белков, пептидов и аминокислот (растительных и животных), а также в составе таких азотсодержащих соединений, как: нуклеотиды, пурины, и др.

Дефицит азота

Как явление никогда не наблюдают дефицит азота. Поскольку организму в элементарной форме он не нужен, дефицита, соответственно, никогда и не возникает. В отличие от самого азота, дефицит веществ его содержащих (прежде всего белков) явление достаточно частое.

Причины дефицита азота

• Нерациональная диета, содержащая недостаточное количество белка или неполноценного по аминокислотному составу белка (белковое голодание);
• Нарушение переваривания белков в желудочно-кишечном тракте;
• Нарушение всасывания аминокислот в кишечнике;
• Дистрофия и цирроз печени;
• Наследственные нарушения обмена веществ;
• Усиленное расщепление белков тканей;
• Нарушение регуляции азотистого обмена.

Последствия дефицита азота

• Многочисленные расстройства, отражающие нарушения обмена белков, аминокислот, азотсодержащих соединений и связанных с азотом биоэлементов (дистрофия, отеки, различные иммунодефициты, апатия, гиподинамия, задержка умственного и физического развития и пр.).

Избыток азота

Как и дефицит, избыток азота как явление не наблюдается никогда – можно говорить только об избытке веществ, его содержащих. Наиболее опасно, когда азот поступает в значительных количествах в организм человека в составе токсичных веществ, например, нитратов и нитритов.

Причины избытка азота

• Несбалансированная диета по белку и аминокислотам (в сторону увеличения последнего);
• Поступление азота с токсичными компонентами пищевых продуктов (в основном нитраты и нитриты);
• Поступление азота с токсичными веществами различного происхождения (оксидами, аммиаком, азотной кислотой, цианидами и пр.).

Последствия избытка азота

• Повышение нагрузки на почки и печень;
• Отвращение к белковой пище;
• Клинические признаки отравления токсичными азотсодержащими веществами.

Материал подготовил: Алексей Степанов, эколог

Прежде чем перейти непосредственно к азотным удобрениям, нужно понимать, что важнейшим источником азота в питании растений, прежде всего, является сама почва . Обеспеченность растений почвенным азотом в конкретных условиях различных почвенно-климатических зон неодинакова. В этом отношении наблюдается тенденция к возрастанию ресурсов почвенного азота в направлении от более бедных почв подзолистой зоны к относительно обеспеченным азотом мощным и обыкновенным черноземам. Крайне бедны азотом легкие песчаные и супесчаные почвы.

Главные запасы азота в почве сосредоточены в её гумусе, содержащем около 5% азота. Поэтому, чем выше содержание в почве гумуса и чем мощнее пропитанный им слой почвы, тем лучше и обеспечение урожая азотом. Гумус – весьма стойкое вещество; и его распад микроорганизмами с выделением минеральных солей протекает крайне медленно. Поэтому лишь около 1% азота в почве от общего его содержания представляется воднорастворимыми минеральными соединениями, доступными растениям.

Органический азот почвы доступен растениям только после его минерализации – процесса, осуществляемого почвенными микроорганизмами, использующими органическое вещество почвы в качестве источника энергии. Интенсивность минерализации органического азота также зависит от физико-химических свойств почв, условий влажности, температуры, аэрации и т.п.

Также азот может поступать из атмосферы с осадками и непосредственно из воздуха, с помощью так называемых азотофиксаторов: некоторые бактерии, грибки и водоросли. Но этого азота сравнительно мало, и он может играть роль в азотном питании в результате накопления за долгие годы на непахотных и целинных землях.

Азот в жизни растений

Не все органические вещества растений содержат в своем составе азот. Его нет, например, в самом распространенном соединении – клетчатке, отсутствует он в сахарах, крахмале, маслах, которые синтезирует растение. Но в составе аминокислот и образующихся из них белков обязательно имеется азот. Входит он и в нуклеиновые кислоты, вторые по важности вещества любой живой клетки, представляющие особое значение для построения белков и несущие наследственные признаки организма. Живые катализаторы – ферменты — тоже белковые тела. Азот содержится в хлорофилле, без которого растения не могут усваивать солнечную энергию. Азот входит в липоиды, алкалоиды и многие другие органические соединения, возникающие в растениях.

Из вегетативных органов больше всего азота имеют молодые листья, но по мере старения азот передвигается во вновь появляющиеся молодые листья и побеги. В дальнейшем, после опыления цветков и завязывания плодов, происходит все более и более выраженное передвижение соединений азота в репродуктивные органы, где они и накапливаются в форме белков. Вегетативные органы к моменту созревания семян оказываются значительно обедненными азотом.

Но если растения получают избыточное азотное питание, то его накапливается много во всех органах; при этом наблюдается бурное развитие вегетативной массы, что затягивает созревание и может снижать долю желаемых продуктов в общем урожае возделываемой культуры.

Нормальное азотное питание не только повышает урожай, но и улучшает его качество. Это выражается в увеличении процента белка и содержания более ценных белков.

Нормально обеспеченные азотом культуры быстро растут, их листья отличаются интенсивным темно-зеленым цветом и большими размерами. Напротив, недостаток азота задерживает рост всех органов растения, листья имеют светло-зеленую окраску (мало хлорофилла, который не образуется из-за слабой обеспеченности растения азотом) и нередко бывают мелкими. Урожай падает, в семенах снижается содержание белков. Поэтому, при недостатке органического азота в почве, необходимость обеспечения нормально азотного питания растений с помощью удобрений является очень важной задачей для земледелия.

Применение азотных удобрений и нормы внесения

При внесении азотных удобрений повышается урожай практически всех культур. Азотные удобрения в сельском хозяйстве и огородничестве применяются повсеместно: для овощных культур, для , для плодово-ягодных культур, плодовых деревьев, кустарников, винограда, земляники, декоративных растений, цветов ( , пионы, тюльпаны и др.), также используют для рассады и газонов.

Нормы внесения

• Для садов и огородов средней дозой для основного внесения под картофель, овощные, плодово-ягодные и цветочные культуры следует считать 0,6-0,9 кг азота на 100 м².
• При подкормках для картофеля, овощных и цветочных культур – 0,15-0,2 кг азота на 100 м²., для плодово-ягодных культур – 0,2 – 0,3 кг азота на 100 м².
• Для приготовления раствора берут 15-30 г азота на 10 л воды при распределении раствора на 10².
• Для внекорневой подкормки применяют 0,25-5% растворы (25-50 г на 10 л воды) при распределении на 100-200 м².

Все значения приведены без учета процентного содержания азота в каждом виде удобрения, для пересчета на удобрения, необходимо разделить на процентное содержания азота в удобрении и умножить на 100.

К азотным удобрениям относятся минеральные удобрения и органические, сначала рассмотрим минеральные азотные удобрения.

Виды минеральных азотных удобрений

Весь ассортимент производства азотных удобрений можно объединить в 3 группы:

1. Аммиачные удобрения (например, сульфат аммония, хлористый аммоний);
2. Нитратные удобрения (например, кальциевая или натриевая селитра);
3. Амидные удобрения (например, мочевина).

Кроме этого, выпускаются удобрения, содержащие азот одновременно в аммиачной и нитратной форме (например, аммиачная селитра).

Основной ассортимент производства азотных удобрений:

Вид азотного удобрения	Содержание азота
Аммиачные
Аммиак безводный	82,3%
Аммиачная вода	20,5%
Сульфат аммония	20,5-21,0%
Хлористый аммоний	24-25%
Нитратные
Натриевая селитра	16,4%
Кальциевая селитра	13,5-15,5%
Аммиачно-нитратные
Аммиачная селитра	34-35%
Известково-аммиачная селитра	20,5%
Аммиакаты на основе аммиачной селитры	34,4-41,0%
Аммиакаты на основе кальциевой селитры	30,5-31,6%
Сульфонитрат аммония	25,5-26,5%
Амидные
Цианамид кальция	18-21%
Мочевина	42,0-46,2%
Мочевина-формальдегид и метилен-мочевина (медленно действующие)	38-42%
Аммиакаты на основе мочевины	37-40%

Азотно-фосфорно-калийные удобрения

Использование азотных удобрений часто необходимо в комплексе с фосфорными и удобрениями. Например, существует смесь аммиачной селитры, суперфосфата и костной или доломитовой муки. Однако в разные фазы развития растения, ему необходимы различные соотношения удобрений. Например, в период цветения, избыток азота может только ухудшить конечный урожай. Естественно растению необходимы эти три самых важных элемента питания, однако существуют и другие макро и микроэлементы, необходимые для оптимального развития растения. Так что азотно-фосфорно-калийные удобрения — это не панацея.

Ниже приведена классификация минеральных азотных удобрений:

Аммиачные и аммиачно-нитратные удобрения

Аммиачная селитра

(NH4NO3) высокоэффективное удобрение, содержит около 34-35% азота. Может быть применена как для основного внесения, так и для подкормок. Аммиачная селитра — безбалластное удобрение, особенно эффективна на слабоувлажненных территориях, когда наблюдается большая концентрация почвенного раствора. На переувлажненных территориях, аммиачная селитра менее эффективна, возможно вымывание её в грунтовые воды с осадками. На легких песчаных почвах не следует вносить удобрение с осени.

Мелкокристаллическая аммиачная селитра быстро слеживается, следовательно её необходимо хранить в помещении, недоступном для влаги и в водонепроницаемой ёмкости. Необходимо измельчать перед внесением в почву, чтобы не создавать очагов повышенной концентрации удобрения.

При смешивании с необходимо добавить к смеси около 15% нейтрализующего вещества, таким веществом может служить мел, мелкая известь, доломит. При заготовке смеси необходимо к суперфосфату сначала добавить нейтрализующее веество.

Сама по себе аммиачная селитра за счет своего действия повышает кислотность почвы. Влияние в начале использования может быть незаметно, но в перспективе кислотность будет увеличиваться. Поэтому рекомендуем добавлять нейтрализующее вещество к аммиачной селитре на 1 кг около 0,7 кг нейтрализующего вещества, типа мела, извести, доломита, последний особенно хорош на легких песчаных почвах, так как содержит магний.

В данный момент чистая аммиачная селитра не встречается в розничной продаже, а существуют уже готовые смеси. Исходя из вышесказанного, хорошим вариантом является смесь 60% аммиачной селитры и 40% нейтрализующего вещества, в такой смеси получается около 20% азота.

Сульфат аммония

Сульфат аммония (NH4)2SO4 в нём содержится около 20,5% азота.

Азот сульфата аммония является доступным растениям и хорошо закрепляется в почве, так как содержит азот в виде катиона, который менее подвижен в почвенном растворе. Поэтому это удобрение можно применять и осенью, не боясь больших потерь азота за счет вымывания в нижние горизонты или грунтовые воды. Очень хорошо подходит для основного внесения, но также подойдет и для подкормок.

Оказывает подкисляющее действие, поэтому как и в случае с аммиачной селитрой, необходимо добавлять на 1 кг 1,15 кг нейтрализующего вещества: мела, мелкой извести, на легких песчаных почвах доломита.

По сравнению с аммиачной селитрой, мало увлажняется, менее требователен к условиям хранения. Однако не следует смешивать с щелочными удобрениями, такими как зола, томасшлак, гашеная известь, потому что возможны потери азота.

По результатам научных исследований сульфат аммония даёт отличные результаты при использовании его под картофель.

Сульфонитрат аммония

Сульфонитрат аммония – аммиачно-нитратное удобрение, соержит около 26% азота, 18% в аммиачной и 8% в нитратной форме. Сплав аммиачной селитры и сульфата аммония. Потенциальная кислотность высокая. На подзолистых почвах, требуются такие же меры предосторожности, как и в случае аммиачной селитры.

Хлористый аммоний

Хлористый аммоний (NH4Cl) – белый или желтый порошок, мелкокристаллический, содержит около 25% азота. Хлористый аммоний обладает хорошими физическими свойствами: практически не слеживается, хорошо рассеивается, закрепляется в почве. Азот хлористого аммония легко доступен растениям.

Однако это удобрение имеет один существенный недостаток: на 100 кг азота в почву поступает около 250 кг хлора , который наносит вред растениям. Следовательно, применять данное удобрение можно только основным способом и осенью, чтобы вредный хлор спустился в нижележащие горизонты, однако при таком способе в любом случае неизбежны потери азота. Хлористый аммоний целесообразно применять на почвах, богатых основаниями.

Нитратные удобрения

Натриевая селитра

Натриевая селитра (NaNO3) — высокоэффективное удобрение, представляет собой прозрачные кристаллы, содержание азота около 16%. Натриевая селитра очень хорошо усваивается растениями, щелочное удобрение, что даёт преимущество перед аммиачными видами удробрений, при использовании на кислых почвах. Нельзя вносить натриевую селитру осенью , потому что произойдет существенное вымывание азота из удобрения в грунтовые воды. Натриевая селитра очень хорошо подходит для подкормок и использования при посеве. Научные исследования показывают, что натриевая селитра дает отличные результаты при её применении на свёкле.

Кальциевая селитра

Кальциевая селитра (Ca(NO3)2) – содержит сравнительно немного азота, около 15%. Отлично подходит для почв нечерноземной зоны, так как является щелочным. При систематическом применении кальциевой селитры, свойства кислых подзолистых почв улучшаются. Удобрение требовательно к хранению, быстро увлажняется и слеживается, перед применением необходимо измельчать.

Амидные удобрения

Мочевина

(CO(NH2)2) – высокоэффективное безбалластное удобрение, содержит 46% азота. Вы можете встретить такое название как карбамид – это второе название мочевины. Мочевина разлагается в почве постепенно, однако достаточно подвижна, и заделывать осенью не рекомендуется. Потенциальная кислотность близка к аммиачной селитре, так что при применении на кислых почвах, необходимо применять нейтрализующие вещества. Мочевина разлагается в почве под действие фермента уреазы, который находит в достаточном количестве практически во всех почвах. Однако если вы используете минеральные удобрения в комплексе с органическими, то данной проблемы возникать не будет.

Мочевина является отличным удобрением для внекорневой подкормки. По сравнению с аммиачной селитрой, она не обжигает листья и даёт отличные результаты. Для основного внесения весной и подкормок мочевина также подойдёт отлично, однако цена 1 кг азота мочевины будет больше 1 кг азота аммиачной селитры.

При производстве гранулированного карбамида, появляется вредное для растений вещество – биурет. Его содержание не должно превышать 3%.

Жидкие азотные удобрения

Преимуществами жидких удобрений являются:

• Меньшая стоимость единицы азота;
• Лучшая усвояемость растениями;
• Более длительный срок действия;
• Возможность равномерного распределения.

Недостатки жидких удобрений:

• Сложность хранения (не следует держать в домашних условиях) и транспортировки;
• При попадании на листья вызывают их ожоги;
• Необходимость специальных инструментов для внесения.

Жидкий аммиак (NH3) – газ с резким запахом, имеет около 82% азота. Быстро испаряется, при соприкосновении с другими телами, охлаждает их. Имеет сильное давление пара. Для успешного применения необходимо заделывать в почву на глубину не менее 8 см , чтобы удобрение не улетучивалось. Также существует аммиачная вода — результат растворения жидкого аммиака в воде. Содержит около 20% азота.

Органические азотные удобрения

Азот в небольшом количестве (0,5-1%) содержат все виды навоза, (1-2,5%) больше всего в процентном соотношении в утином, курином и голубином помете, но он также и самый токсичный.

Природные органические азотные удобрения можно сделать и своими руками: компостные кучи (особенно на ) содержат некоторое количество азота (до 1,5%), компост из бытового мусора также содержит до 1,5 % азота. Зеленая масса (люпин, донник, вика, клевер) содержат около 0,4-0,7% азота, зеленая листва содержит 1-1,2%, озерный ил (1,7-2,5%).

Однако использование органических удобрений как единственного источника азота нерационально , так как это может ухудшить качество почвы, например подкислить её, и не создаст необходимого азотного питания растениям. Рациональным все же является использование комплекса минеральных азотных удобрений и органических.

Азот в органических удобрениях содержится в небольшом количестве. 0,5-1% азота содержат все виды навоза. Птичий помет 1-2,5% азота. Больше всего в процентном соотношении азота в утином, курином и голубином помете, но он также и самые токсичные. Максимальное количество азота содержит биогумус до 3%.

Природные органические азотные удобрения можно сделать и своими руками: компостные кучи (особенно на торфяной основе) содержат некоторое количество азота (до 1,5%), компост из бытового мусора также содержит до 1,5 % азота. Зеленая масса (люпин, донник, вика, клевер) содержат около 0,4-0,7% азота, зеленая листва содержит 1-1,2%, озерный ил (1,7-2,5%).

Для «оздоровления» компоста рекомендуют использовать ряд растений, в которых содержатся вещества, подавляющие развитие гнилостных процессов. К ним относят листовую горчицу, разнообразные мяты, крапиву, окопник лекарственный (он богат растворимым калием), хрен.

Органическое удобрение с большим содержанием азота можно приготовить из коровяка. Для этого в бочку положить коровяк, заполнив бочку на одну треть, залить водой и дать забродить в течении 1-2 недель. Затем разводить водой в 3-4 раза и поливать растения. Предварительно полив водой. Можно сделать такой . Внесение любых удобрений закисляет почву, поэтому надо вносить золу, доломитовую муку, известь.

Но одновременно выносить азотные удобрения с золой не рекомендуется. Потому что при таком сочетании азот превращается в аммиак и быстро улетучивается.

Так в чем же содержится органический азот для подкормки растений?

Натуральные азотные удобрения и содержание в них азота.

• навоз - до 1 % (конский - 0,3-0,8 %, свиной - 0,3-1,0 %, коровяк - 0,1-0,7 %);
• биогумус он же вермикомпост — до 3%
• перегной - до 1 %;
• помет (птичий, голубиный, утиный) - до 2,5 %;
• компост с торфом - до 1,5 %;
• бытовые отходы - до 1,5 %;
• зеленая листва - до 1,2 %;
• зеленая масса - до 0,7 %;
• озерный ил - до 2,5 %.

Органические азотные удобрения сдерживают накопление нитратов в грунте, но применяют их с осторожностью. Внесение в почву навоза (компоста) сопровождается выделением азота до 2 гр/кг в течение 3-4 месяцев. Растения легко его усваивают.

Еще немного статистики, одна тонна полупревшего удобрения содержит по 15 кг аммиачной селитры, 12,5 кг хлористого калия и столько же суперфосфата.

Ежегодно в почву вместе с атмосферными осадками на одну сотку земли попадает до 40 гр. связного азота. Помимо этого почвенная микрофлора перерабатывающая атмосферный азот, способна обогатить почву азотом в количестве от 50 до 100 гр на сотку. Больше связного азота для почвы могут дать только специальные азотфиксирующие растения.

Естественным источником органического азота могут стать азотфиксирующие растения, используемые как запашные культуры. Определенные растения, такие, как бобы и клевер, люпин, люцерна и множество других, накапливают азот в клубеньках своих корней. Эти клубеньки выпускают азот в почву постепенно, в течение всей жизни растения, и когда растение умирает, оставшийся азот увеличивает общее плодородие почвы. Такие растения называют сидератами и вообще .

Сотка гороха или фасоли посаженная на вашем участке за год способна накопить в почве 700 грамм азота. Сотка клевера — 130 грамм. Люпина — 170 грамм, а люцерны — 280 грамм.

Высевая эти растения после уборки урожая и удаления растительных остатков с участка вы обогатите почву азотом.

Молочная сыворотка как органический источник азота, фосфора и калия.

Самым доступным азотистым удобрением для растений является молочная сыворотка. За счет содержания в ней белка, который в процессе полива растений с добавление молочной сыворотки попадает в почву. И там под воздействием почвенной микрофлоры высвобождается азот который становиться доступным для растений. То есть таким образом осуществляется азотная подкормка растений.

Для проведения подобной подкормки необходимо 1 литр молочной сыворотки разбавить в 10 литрах воды. И полить растения из расчета 1 литр разбавленной в 10 раз сыворотки на растение.

Если предварительно к 1 литру сыворотки добавить 40 мл аптечного аммиака. То аммиак провзаимодействует с молочной кислотой в результате которого получится лактат аммония.

Используя подобный раствор на регулярной основе мы не сможет повлиять на кислотность почвы что очень хорошо. Так как если бы мы не добавляли бы аммиак к молочной сыворотке. То при частом использований молочной сыворотки для корневой подкормки растений кислотность почвы неминуемо бы повысилась.

Кроме того молочная сыворотка сама содержит в себе большое количество минеральных веществ. В каждых 100 грамм молочной сыворотки содержится:

• 78 миллиграмм фосфора;
• 143 миллиграмма калия;
• 103 миллиграмм кальция.

А также содержит в незначительные количествах магний и натрий.

окопник лекарственный

Натуральные азотные удобрения полученные путем промышленной переработки.

Кровяная мука — органический продукт, сделанный из высушенной крови, и она содержит 13 процентов суммарного азота. Это очень высокий процент содержания азота в удобрении. Вы можете использовать кровяную муку как азотное удобрение, посыпая ею поверхность почвы и поливая сверху водой, чтобы способствовать впитыванию кровяной муки. Можно также, смешав кровяную муку непосредственно с водой, применить ее как жидкое удобрение.

Кровяная мука — особенно хороший источник азота для таких любителей плодородной почвы, как салат-латук и кукуруза, поскольку действует она быстро.
Кровяную муку можно использовать как компонент компоста или ускоритель разложения других органических материалов, поскольку она является катализатором процессов распада.

Соевая мука является источником азотного питания микроорганизмов почвы. Когда соевая мука будет разложена почвенной микрофлорой, тогда минерализованный азот станет доступен растениям. Её также можно использовать как компонент компоста наряду с рыбной мукой. Которая после минерализации станет не только источником азота, но и ряда микроэлементов.

Азотные удобрения Видео: