Главный закон естествознания
Говорят, что Архимед открыл свою Архимедову силу, купаясь в ванне. А закон тяготения? На его существование будто бы натолкнул Ньютона сущий пустяк: яблоко, упавшее с дерева. Кое-кто убежден, что атомный век не родился бы, будь получше погода весной 1896 года. Это она, мол, помогла Беккерелю обнаружить радиоактивность! Невероятно повезло и американскому физику Гансу Бете, немцу по происхождению. Представляете, ехал человек в поезде, беседовал о том о сём с соседом по купе, потом умолк, взял лист чистой бумаги и — бац! Через пару часов вывел почти все возможные химические реакции на Солнце… Существует версия, что и Дмитрию Ивановичу Менделееву его Периодический закон приснился во сне. Не верьте этим легендам! Открытию всегда предшествует скрупулезная, рутинная работа.
Домысел об открытии Периодической системы во сне не имеет никаких оснований. В архивах была найдена пачка документов — варианты и наброски таблицы, переплетенные руками Дмитрия Ивановича. Когда специалисты ознакомились с ними, то стало ясно: первую догадку и заседание Русского физико-химического общества, на котором 6 марта 1869 года Мишуткиным Н. А. от имени Менделеева сообщено об открытии закона периодичности, разделяют несколько лет упорнейшего труда.
Надо сказать, что и до Менделеева делались попытки систематизировать факты, накопленные наукой. Так, первую таблицу, а точнее, список элементов составил в 1789 году Антуан Лавуазье. В нее было включено 34 вещества, из которых, как предполагал ученый, состоят все тела на Земле. Но с оговорками, которые наука впоследствии частично подтвердила. Из перечисленных им элементов только 23 признала впоследствии наука, а остальные оказались смесями нескольких веществ.
Пытались классифицировать элементы и другие ученые: Деберейнер (Германия), Ньюлендс (Англия), де Шанкуртуа (Франция), Лотар Мейер (Германия). Но все неудачно. В чем же дело? Они не нашли общей для всех веществ закономерности. Один брал за основу теплопроводность, другой — удельный вес, третий — твердость. Понадобился гений Дмитрия Ивановича, чтобы понять все это многообразие, а затем и увидеть великий закон природы за еще очень неясной закономерностью — возрастанием атомных весов. Не нужно забывать, что относительный вес многих атомов (во сколько раз они тяжелее водорода) был еще измерен неточно, чуть ли не треть элементов вообще находилась за порогом незнания. Но это нисколько не смущало Менделеева. Классифицируя элементы, он исправил, как считал нужным, атомные веса (потом, более точные измерения подтвердили его правоту, по-новому обосновав и уточнив, но, не отвергнув принцип построения таблицы), предоставив золоту, платине, индию, бериллию «местожительство» в иных, вроде бы неподходящих периодах и группах. В соответствии со своей руководящей идеей он предусмотрел им место в таблице, надеясь на будущие открытия.
Таблица Юлиуса Лотара Мейера
Непрерывно совершенствуя свою систему, Дмитрий Иванович придал ей через два года форму, похожую на современную. А затем он сделал еще один шаг: подробно описал еще три не открытых элемента. Он назвал их экасилицием (то есть «подобным кремнию»), экабором и экаалюминием.
Ученые холодно и недоверчиво встретили логические построения Менделеева, его Периодический закон. Но уже через четыре года французский физик Лекок де Буабодран обнаружил элемент, свойства которого в точности совпали с экаалюминием, он был назван галлием. Шведский ученый Л. Нильсон обнаружил скандий — аналог бора в 1879 году, и через 7 лет немец Клеменс Винклер получил экасилиций — германий. Гениальные предвидения Дмитрия Ивановича Менделеева сбылись.
Но открытый им закон еще не раз подвергался суровой проверке. Одна из них из-за места в таблице инертных газов. Но выход из этого тупика был. Двое русских ученых — Морозов и Лукашевич, — томившиеся в ту пору в казематах Шлиссельбургской крепости за революционную деятельность, задолго до открытия инертных газов внесли в таблицу особую, нулевую группу. Это не прихоть, не каприз какой-нибудь. Рассматривая периодичность в строении и свойства органических соединений, они заметили, что каждый ряд углеводородных радикалов заканчивается нейтральной молекулой типа метана, этана, пропана. И каждый период в таблице Менделеева, по их мнению, должен завершаться недеятельным элементом.
Если бы книга Николая Александровича Морозова, которую тот безуспешно пытался переслать из тюрьмы Менделееву, попала по назначению, то все бы сразу стало на свое место. Больше того, задолго до открытия инертных газов Рамзаем замечательный русский ученый теоретически вывел атомные веса недостающих элементов — 4, 20, 40, 82, — тех, что впоследствии получили названия: гелий, неон, аргон и криптон.
Николай Александрович Морозов
К сожалению, об этой поразительной догадке мир узнал через много лет, когда сам Рамзай определил место инертным газам при помощи и на основании периодического закона. Менделеев сразу согласился с ним, и в таблицу были внесены соответствующие поправки, отчего она приобрела еще большую стройность.
А потом обнаружился еще один «подводный камень» — редкоземельные элементы. Они не вмещались в отведенные им клетки. Опять появилось сомнение в истинности Периодического закона. Но цепь блестящих открытий, сделанных физиками в начале XX века, подтвердила его правильность и вскрыла истинную причину периодичности элементов, и повторяемости их свойств.
В 1910 году сподвижник Резерфорда английский ученый Фредерик Содди установил, что некоторые элементы имеют разновидности — изотопы, отличающиеся друг от друга атомным весом. Тогда стало понятным, почему никель и теллур находятся после кобальта и йода, хотя и легче их.
Что же в таком случае брать за основу?
— Порядковый номер, — сказал Резерфорд, рассчитавший величину отклонения альфа-частиц по заряду ядра атома. Он высказал предположение, что возможно и решение обратной задачи: по степени отклонения вычислять и заряд ядра. Ганс Гейгер и английский физик Мардсен опытным путем доказали, что формула Резерфорда верна. Они исследовали заряд ядер атома меди, серебра и платины, которые оказались равными 29, 47 и 78. Взглянув на таблицу Менделеева, вы можете убедиться, что именно эти места занимают металлы в своих периодах. Следует упомянуть еще об одном открытии, которое было сделано талантливым учеником Резерфорда Генри Мозли, измерившим рентгеновские спектры большинства элементов. Найденная им закономерность между длиной волны и их порядковым номером оказалась очень простой и надежной. Этот метод позволяет безошибочно определять место элемента в таблице Менделеева. Пользуясь своим методом, Мозли подсказал, где следует искать еще не открытые элементы с порядковыми номерами 61 и 72.
В конце концов, ученые нашли место и для редкоземельных и для заурановых элементов. Они заняли отдельные строчки в нижней части таблицы.
Сколько же всего существует химических элементов? Чтобы ответить на этот вопрос, надо договориться, что следует называть «получением» нового элемента. Все зависит здесь от быстроты, с какой мы обнаружим, что он найден. Так вот, возможности химических методов давно закончились. Что же касается физических способов, то они позволяют заметить появление изотопов на ничтожное время. Ученые считают, что эти методы дадут возможность обнаружить еще четыре — пять элементов, прежде чем возможности этих методов также будут исчерпаны.
Источник: http://www.alto-lab.ru/shkola/glavnyj-zakon-estestvoznaniya/
Азот: факты и фактики.
Почему азот обозначают буквой N? Потому что имен у него несколько — в разное время ученые обращали внимание на разные качества этого элемента. Открыт он был в 1772 году, когда сначала англичанин Даниэль Резерфорд, а затем его соотечественники Джозеф Пристли и Генри Кавендиш обнаружили, что воздух содержит как пригодную для жизни часть, так и непригодную. Из последней удалось выделить компонент, который поглощался при прохождении через раствор щелочи, — это был углекислый газ, а остаток назвали удушливым, или флогистонированным, воздухом. Примерно тогда же шведский аптекарь Карл Шееле заметил, что компоненты воздуха можно разделить по другому признаку — способности поддерживать горение — на «огненный газ» и «дурной воздух». Вот такой дурной воздух и получил вскоре с легкой руки Лавуазье греческое название «азот», от «зое» — жизнь и отрицательной частицы «а». Это был не первый азот в истории химии — алхимики называли «философским азотом» (Azot Philosophоrum) вещество, превращающее медь в золото, а старость — в молодость. Название составлено из первой буквы всех алфавитов «а» и последних букв трех алфавитов — латыни (z), греческого (омега) и древнееврейского (тов). Однако в 1790 году Жан Шапталь дал ему другое название — nitrogenium, «производящий селитру». Оно и вошло в английский язык, а затем дало символ N таблицы Менделеева. Имя «азот» утвердилось лишь во французском и русском языках, причем одно время и у нас его хотели называть селитротвором, но это неблагозвучное слово не прижилось. Немцы же до сих знают его как «удушающее вещество» — Stickstoff.
Откуда взялся азот? Он образуется в звезде, в так называемом углерод-азотном цикле. Углерод-12 получает протон и становится нестабильным азотом-123. Тот испускает позитрон и переходит в углерод-13. Получив новый протон, он становится стабильным азотом-14 — это основной изотоп азота на Земле. Однако на этом процесс не останавливается. Получив очередной протон, азот-14 переходит в кислород-15. Он нестабилен и, испустив позитрон, переходит в тяжелый азот-15 — второй распространенный изотоп этого элемента. Столкнувшись с новым протоном, азот-15 испускает альфа-частицу, и все возвращается к началу — ядру углерода-12. Видимо, этот цикл все-таки не замкнут, и часть азота избегает печальной участи породить гелий и обратиться в исходный углерод. В противном случае этот элемент не был бы столь распространенным — на Земле он составляет более 75% атмосферы по массе.
Откуда азот на Земле? Однозначного ответа нет. Главная проблема состоит в том, что такого количества молекулярного азота нет ни у одной планеты. Так, в углекислотной атмосфере Венеры его лишь 3,5%, у Марса — 2,7%. У планет-гигантов азот в чистом виде не наблюдают, там имеется только аммиак. Лишь у Титана атмосфера на 98% состоит из азота. Значит, происхождение азота надо связывать с отличием Земли от других объектов Солнечной системы. Таких различий можно выделить два: жизнь и тектоника плит, они-то и порождают две гипотезы. Согласно первой, на Земле исходная атмосфера содержала азот в виде аммиака (см. «Химию и жизнь», 1976, 9), однако с появлением кислорода он стал окисляться, превращаясь в воду и молекулярный азот. А такой азот дальше окисляться в условиях земной атмосферы не может — требуется сильный нагрев, например такой, как при ударе молнии. Мощный электрический разряд порождает NO, который, в свою очередь, порождает диоксид азота, а тот, растворяясь в воде, дает азотную кислоту и после выпадения осадков — соответствующие соли. Они-то и стали важным источником нового азота для живых организмов после того, как аммиак исчез из атмосферы. Согласно альтернативе, азот изначально в связанном виде присутствовал на Земле. Затем, по мере движения тектонических плит и вулканической деятельности получился круговорот молекулярного азота, который вылетает из недр Земли, формирует атмосферу, захоранивается с органическим веществом и вновь попадает в недра планеты. Обе гипотезы хорошо объясняют отсутствие азота в атмосферах Марса и Венеры, но не годятся для объяснения феномена Титана.
Зачем азот живым существам? Азот в той же степени основа белковой жизни, как и углерод, это ясно из самого названия строительных элементов белка— аминокислоты. Кроме того, азотистые основания в составе нуклеотидов соединяют друг с другом цепочки нуклеиновых кислот, иными словами, именно их строение обеспечивает копирование ДНК и синтез РНК — то есть главные свойства жизни, самовоспроизведение и производство белков по «чертежам» генов. Азот входит и в состав такого важнейшего для многих живых существ полисахарида, как хитин, и во многие другие биомолекулы. Поэтому без азота жизни нет, а количество усвояемого азота входит в число факторов, ограничивающих продуктивность биосферы.
Откуда живые существа берут азот? Основная часть азота на Земле теперь находится в молекулярном виде, а поскольку сила связи в молекуле N2 очень велика, этот азот практически недоступен для живых существ. Молекулярный азот из атмосферы могут усваивать немногочисленные виды почвенных бактерий. Основная же масса бактерий и растения используют уже кем-то усвоенный азот, разлагая органику, либо тот, что производят молнии. В первом случае азот преобразуется в усваиваемые соединения аммония или нитраты, во втором он и так попадает на землю в виде нитратов. А вот животные получают азот только с пищей.
Могут ли высшие животные усваивать атмосферный азот? Пока никаких механизмов фиксации азота у высших животных не обнаружено. Единственный способ делать это — помощь симбиотических микроорганизмов в кишечнике; например, симбионты термита не только помогают хозяину переваривать древесину, но и фиксируют азот («Science», 2008, 322, 1108—1109, http://elementy.ru/novosti_nauki/430938/). Время от времени появляются сообщения о подобной способности птиц и млекопитающих. В частности, громкий скандал разгорелся, когда в 1951 году начали выходить публикации коллектива под руководством доктора технических наук М.И. Вольского. Из них следовало, что человек в день усваивает 26,5 г азота: этого хватает на синтез 186,6 г белка, то есть покрывается потребность в белке более чем на сутки. Получается, что никакой потребности в поедании белка у человека нет, можно обойтись внутренними ресурсами. К 1971 году с вопросом разобралась Академия наук СССР, член-корреспондент Е.Н.Мишустин полностью опроверг работы Волского, указав как на фактические ошибки расчетов, так и на противоречия в данных экспериментов (см. «Химию и жизнь», 1971, 10). Вот один пример: чтобы живущие в кишечнике бактерии усвоили такое количество азота, человек должен в тот же день съесть 2,2 кг сахара, что практически невозможно.
Каковы важнейшие соединения азота? Полезные — это аммиак NH3, аммоний NH4+, азотная кислота HNO3 и ее соли — различные селитры, мочевина (NH2)2CO и сам молекулярный азот. Вредные — оксиды азота NO и NO2: образуясь при горении топлива (прежде всего в автомобилях), они могут запускать каскад реакций, приводящих к образованию приземного озона, который совсем нехорошо действует на живые существа, и других опасных соединений. Да и сам диоксид азота вызывает заболевания легких.
Правда ли, что аммоний назван в честь египетского бога Амона-Ра? Да. Дело в том, что в Ливии, в области Аммония, а ее так называли по расположенному в ней храму Амона, издавна делали аммонийные соли (в первую очередь нашатырь — хлорид аммония) пережиганием верблюжьего помета. При распаде солей получался некий пахучий газ, его в 1787 году предложили назвать аммониак. Русский химик Я.Д.Захаров счел это название неблагозвучным, и теперь мы знаем этот газ как аммиак. А в 1808 году Гемфри Дэви предложил назвать аммонием основание солей, порождающих этот газ. Впрочем, в английском (вниманию переводчиков!) «аммиак» так и будет ammonia, «аммоний» же зовется ammonium.
Как человек начал использовать азот? Азотные соединения в составе навоза и мочи с незапамятных времен используют для удобрения почвы, однако древние земледельцы, конечно, не знали, что главное в этих веществах — азот. И когда человек стал смешивать селитру с углем и серой, получая дымный порох, он также не догадывался, что и здесь все дело в азоте. А когда узнал, что он делает селитру и взрывоопасной, и полезной для растений, тогда и задумался: как бы научиться извлекать азот из атмосферы? Ведь запасы гуано в Чили — а в XIX веке это был основной источник селитры — не бесконечны.
Первый подход к переводу атмосферного азота в менее прочное химическое соединение совершили все те же Пристли и Кавендиш — Пристли заметил, что объем воздуха над водой при пропускании электрической искры уменьшается и в воде появляется кислота, а Кавендиш прямо обнаружил, что при добавлении в такую воду щелочи получается селитра. Из этого сложился электродуговой способ фиксации азота, и в начале XX века с появлением гидроэлектростанций возникли производства селитры — первое возле Ниагарской электростанции в 1902 году, а второе — три года спустя в Норвегии; авторами процесса были специалист по изучению северного сияния Христиан Биркеланд и инженер Самюэль Эйде. Такую селитру называли норвежской.
Что такое процесс Габера — Боша? В 1901 году Анри Ле Шателье запатентовал способ получения аммиака из водорода и азота под давлением и с помощью катализатора. Однако не он стал автором производственного процесса. Необходимые расчеты провел Фриц Габер с двумя другими великими химиками — Вильгельмом Оствальдом и Вальтером Нёрнстом. Созданный Карлом Бошем для реализации придуманного ими процесса завод запустила в 1913 году компания БАСФ (кстати, эта аббревиатура расшифровывается как «Баденская фабрика анилина и соды»); в 1925 году она вошла в состав основанного Бошем концерна «И.Г. Фабериндустри». Азот для производства аммиака берут прямо из воздуха, а водород — преобразуя природный газ. Процесс Габера — Боша требовал гораздо меньших затрат энергии, чем процесс Биркеланда — Эйде, отчего вскоре норвежская селитра исчезла с рынка, а Габер (в 1918 году) и Бош (в 1931-м) получили заслуженные Нобелевские премии.
Аммиак служит сырьем для получения аммония и его соединений, азотной кислоты, а из нее — различных нитратов и многих других продуктов химического производства. Вот почему фиксация атмосферного азота в виде синтетического аммиака позволила совершить в XX веке вторую «зеленую» революцию — создание синтетических азотных удобрений резко подняло урожайность и позволяет накормить вот уже более 7,5 млрд людей. Рукотворный поток азота в биосферу и промышленность сейчас примерно равен природному — от молний и азотфиксирующих бактерий. Это вызывает серьезные опасения защитников природы, поскольку приводит к серьезному дисбалансу в использовании биосферой других ресурсов. Например, из-за стока азота с полей обитатели водоемов бурно размножаются и быстро исчерпывают запасы кислорода, в результате возникают заморы. Да и сам по себе рост численности людей на планете многих пугает, а связь его с количеством еды очевидна. Есть мнение, что по объему производства азотных удобрений человечество уже далеко зашло за красную линию, определяющую устойчивость глобальной экосистемы (см. «Химию и жизнь», 2009, 12).
Как используют азот в промышленности? Азот входит в число массовых промышленных газов и находится на втором месте после кислорода. В РФ в 2014 году он составил 32% от всего годового объема продаж газов в 20,7 млрд м3. Получают азот двумя основными методами — сжижением воздуха и отделением его от воздуха с помощью мембран. Первый метод требует больших затрат энергии, но дает огромные объемы продукции, при этом азот оказывается побочным продуктом многотоннажного производства жидкого кислорода. Второй требует меньше энергии, однако не способен обеспечить промышленные масштабы — как правило, мембранные установки обслуживают потребителей с небольшими запросами.
Главное качество, которое нужно потребителям азота, — его неспособность вступать в реакции при нормальных условиях: разве что с литием, калием и магнием азот реагирует при относительно небольшом нагреве. Поэтому его используют для создания инертной атмосферы, и в первую очередь — для вытеснения кислорода из различных сосудов. Так делают металлурги, чтобы защитить металл от окисления, нефтяники при продувании скважин — чтобы из-за случайной электрической искры углеводороды не вспыхнули, а экспериментаторы в лабораториях продувают азотом приборы или защищают образцы от кислорода. Азотом тушат кокс, азотом, закачанным в вакуумную упаковку, предохраняют продукты от гниения.
Как используют азот в материаловедении? Соединения азота — нитриды — обладают очень высокой прочностью и твердостью. Поэтому нитридными частицами наряду с карбидными издавна упрочняют сплавы. Для образования нитридов внутри изделия никаких особых мер принимать не надо — достаточно добавить в ту же сталь нитрид-образующий элемент, и растворенного в металле азота окажется достаточно для выделения мелких твердых частиц по всему объему. Если же нужно сделать поверхность тверже, то ее насыщают азотом в течение нескольких часов при высокой температуре, например в атмосфере аммиака, а затем, после снижения температуры и термической обработки, получают насыщенный твердыми частицами верхний слой, под которым находится мягкая сердцевина.
Можно нанести и покрытие из нитрида, например из нитрида титана; его напыление существенно повышает износостойкость деталей и инструмента. Тем же нитридом можно «золотить» церковные купола — по цвету он неотличим от золота, а устойчивость к окружающей среде ничуть не хуже. Другой твердый материал, нитрид кремния, не только служит для изготовления самых разных изделий, от тиглей до подшипников и защитных пластин бронежилетов, но и работает в микроэлектронике; из нитрида кремния часто делают изолирующие слои на кремниевых подложках. Еще один нитрид — BN — по твердости мало уступает алмазу, однако, не растворяясь в железе, нитрид бора служит абразивом при обработке стальных изделий. Еще из нитрида бора можно выращивать нанотрубки и плести из них прочнейшие волокна. А можно добавить его как наполнитель в композит и добиться, чтобы прочность, скажем, алюминиевого материала оказалась сравнимой со стальной при сохранении малого веса. Важные свойства бор-нитридных нанотрубок — они прозрачны в видимом диапазоне, хорошо проводят тепло и при этом, что необычно, не проводят электричества. Когда эти трубки станут дешевым материалом (а пока они дороже золота), ими займутся материаловеды.
Что такое азотная вакансия? Это возможный элемент квантового компьютера. Сверхчистый алмаз облучают высокоэнергетическими частицами, которые нарушают его кристаллическое строение — создают вакансии, а затем имплантируют ионы азота. Заняв место в решетке алмаза, азот притягивает ближайшую вакансию, и получается так называемый вакансионный центр. В нем у азота три валентных электрона связаны с атомами углерода, а два принадлежат вакансии. Они притягивают еще один электрон, и вот он оказывается главным при получении кубита (элемента для хранения одного бита квантовой информации): спином этого электрона можно манипулировать с помощью лазера и так менять квантовое состояние. В азотной вакансии квантовое состояние электрона сохраняется очень долго, но трудно создавать так называемые спутанные состояния из нескольких кубитов, а именно они обеспечивают невероятные возможности квантовым вычислениям.
Что такое азотный эндофуллерен? Если нагревать фуллерены С60 в плазме азота, то внутри углеродных сфер окажется по одному атому азота. Атом этот, в отличие от молекулы, чрезвычайно агрессивен, однако он никак не реагирует с внутренностью фуллерена, то есть его агрессивность остается потенциальной. Если бы азот вышел наружу и встретился с другим атомом азота, то при их соединении выделилась бы гигантская энергия — 33,75 МДж/кг. А рекордсменом по тепловому эффекту на вес компонентов сейчас считается реакция горения бериллия в озоне — 25,45 МДж/кг. Есть мнение, что, если придумать способ освобождения эндоазота из углеродной клетки, в руках человека окажется вещество, обладающее чрезвычайно большой энергонасыщенностью.
Зачем азот в шинах? Азот закачивают в шины самолетов и гоночных автомобилей, чтобы предохранить их от взрывов. Взрыв может случиться из-за того, что при нагреве шины из нее начинают выделяться некие летучие вещества, которые воспламеняются при взаимодействии с кислородом воздуха. Это кажется странным — что за горючие вещества выделяет резина, да еще столько, чтобы загореться? Но именно так объясняет сей факт компания «Боинг» (http://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/aero_05/m/m03/index.html). Там же указано, что взрывы были и на земле, из-за нагрева шины при торможении, и в воздухе, причем один привел к катастрофе. Во избежание инцидентов Федеральная авиационная администрация США издала директиву 87-08-09, согласно которой шины самолетов надо накачивать азотом, а если его нет, то воздухом с содержанием кислорода менее 5%. Видимо, из этих же соображений азот закачивают в шины гоночных машин. Удивительным образом закачивать в шины сейчас хотят и владельцы обычного автотранспорта, которые приводят множество аргументов в пользу этого решения, кроме правильного. Вряд ли при соблюдении правил дорожного движения можно ожидать такого нагрева шин, чтобы они взорвались.
Что такое азотный наркоз? Это опасность, которая преследует водолазов наряду с кессонной болезнью. При погружении давление повышается и азот лучше растворяется в крови. Если быстро подняться, давление резко упадет, азот выделится в виде пузырьков и закупорит сосуды — это кессонная болезнь. Но когда в крови оказалось много азота, растет и его концентрация в липидных оболочках клеток. Когда это происходит в клетках мозга, связи между нейронами нарушаются и человек теряет сознание без всяких видимых причин.
Парадоксы об азоте.
Азот — один из самых парадоксальных химических элементов таблицы Д. И. Менделеева. С одной стороны, он входит в состав молекул многих биологически активных соединений — витаминов, белков, нуклеиновых кислот и аминокислот. С другой стороны, азот, как простое вещество, не поддерживает горение, а помещённое в его атмосферу животное быстро погибает. Атмосферный азот N2 — молекула, состоящая из двух атомов азота, — чрезвычайно инертен. В то же время некоторые азотсодержащие соединения — например, органические нитропроизводные или неорганические нитраты — компоненты сильных взрывчатых веществ. Можно сказать, что для человека азот — источник и жизни, и смерти. Например, всем известный нитроглицерин входит в состав взрывчатки и одновременно служит лекарством. Впрочем, кажутся удивительными не только свойства азота и его соединений. Открытие элемента и происхождение его названия — одна из интригующих страниц истории химической науки.
Парадокс первый. Азот возглавляет 15-ю группу химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева — группу пниктогенов. Парадокс в том, что азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут были открыты значительно раньше элементов соседних 16-й и 17-й групп, но долго не имели общего названия. Ещё в 1811 году немецкий химик Иоганн Кристиан Швейгер предложил называть хлор (другие элементы 17-й группы тогда ещё не были известны) галогеном, что в переводе с греческого означает «солерод». После открытия фтора, брома и иода это название стало групповым. А в 1932 году его соотечественник Вернер Фишер объединил элементы 16-й группы единым термином халькогены («рождающие руду»). Вероятно, термин «пниктогены» предложил в начале шестидесятых годов прошлого века голландский химик Антон Эдвард ван Аркель. Как-то во время одной из дискуссий он обратил внимание коллег на то, что семейство азота до сих пор остаётся без группового названия. Результатом дискуссии стало рождение нового слова «пниктогены» (в переводе с древнегреческого «удушающий»). Интересно, что сам ван Аркель никогда не использовал его в своих статьях или книгах. Международный союз чистой и прикладной химии IUPAC лишь в 2005 году утвердил термины «пниктоген» и «пниктиды» для обозначения элементов 15-й группы и их соединений с менее электроотрицательными элементами.
Парадокс второй. Во второй половине XVIII века открытие азота в прямом и переносном смысле витало в воздухе. Возможно, именно поэтому однозначно назвать имя его первооткрывателя очень не просто: несколько исследователей одновременно претендуют на это звание. В 1772 году англичанин Генри Кавендиш (1731—1810) выделил азот из воздуха, пропуская последний сначала над раскалённым древесным углём (при этом кислород превращался в углекислый газ), а затем (для поглощения CO2) — через раствор щёлочи. Учёный обратил внимание на происходившее во время экспериментов небольшое уменьшение объёма воздуха. Кратко описав оставшийся газ как некий мефитический (от английского mephitic — вредный) воздух, Кавендиш, к сожалению, не увидел в нём нового химического элемента. Он даже не счёл важным опубликовать результаты своих экспериментов, а просто сообщил о них в письме своему соотечественнику Джозефу Пристли (1733—1804). Последний также выделял азот, связывая кислород воздуха и удаляя образующийся углекислый газ. Но, будучи ярым сторонником теории флогистона*, он неверно интерпретировал полученные результаты, полагая, что выделил флогистированный воздух. Первым, кто уверенно предположил открытие нового элемента, был двадцатидвухлетний шотландский студент Даниэль Резерфорд (1749—1819). Ученик знаменитого Джозефа Блэка описал свойства нового газа как вредного, ядовитого воздуха в диссертации под названием «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе», защищённой им в сентябре 1772 года. Впрочем, соавтором открытия можно по праву считать и шведского химика-фармацевта Карла Вильгельма Шееле (1742—1786). За несколько месяцев до представления Резерфордом диссертации он получил азот по методу Кавендиша, но, как и его английский коллега, не спешил сообщить об этом миру: его статья о проведённых экспериментах появилась лишь пять лет спустя. В отличие от Резерфорда, Карл Шееле рассматривал азот не как продукт некоего «разрушения» нормального воздуха. Он справедливо считал, что воздух представляет собой смесь двух газов: «огненного воздуха» (кислорода) и «грязного воздуха» (азота). Если бы шведский химик сразу опубликовал свои результаты, он наверняка считался бы единственным первооткрывателем азота.
Парадокс третий. Если споры о первооткрывателе азота не утихают до сих пор, то имя учёного, впервые назвавшего азот азотом, хорошо известно. Это выдающийся французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794). Добавив к древнегреческому слову «zoe» (жизнь) отрицательную приставку «а», он составил слово, которое, по его мнению, наиболее точно отражало основное свойство атмосферного азота — его непригодность для жизни. Парадоксально, что элемент, играющий ключевую роль в живых системах, получил название «безжизненный»! Впрочем, многие современники Лавуазье считали название элемента неудачным. И в 1790 году его молодой соотечественник Жан-Антуан Шапталь (1756—1832) предложил переименовать азот в nitrogène (в переводе с французского «нитрожен» — «рождающий селитру»). Сегодня для названия азотсодержащих соединений химики используют оба варианта. Например, если соли фосфорной кислоты называются фосфатами, то соли азотной кислоты именуют нитратами. Любопытно, что в некоторых странах сохранился первоначальный вариант названия элемента. Например, по-немецки слово азот до сих пор пишется как Stickstoff, то есть «удушающее вещество». Схожие по значению названия встречаются и в славянских языках: например, хорваты и словенцы называют его Dušik («душик»).
Парадокс четвёртый. Символы химических элементов Периодической системы, как известно, состоят либо из одной (первой), либо из двух (первой и одной из последующих) букв латинского названия элемента. Азот — один из немногих элементов, который имел несколько символов. Так, в начале XIX века до утверждения международной системы символов химических элементов в некоторых странах, в том числе во Франции и в России, для обозначения азота использовался символ Az. Пример такого обозначения можно видеть в формулах изомерных пропиламина, метил(этил)амина и триметиламина в статье, написанной Александром Михайловичем Бутлеровым и опубликованной в Бюллетене французского Химического общества в 1864 году.
А. М. Бутлерову, позже переводившему эту статью на русский, пришлось заменять символ Az на уже принятый к тому времени в России символ N.
Парадокс пятый. Около 4/5 земной атмосферы составляет азот. Парадоксально: мы буквально «купаемся» в газообразном азоте, но он по большому счёту оказывается бесполезным — ни люди, ни животные не могут превращать его в какие-либо производные. Лишь немногие микроорганизмы способны извлекать из воздуха столь необходимый азот, превращая его в аммиак. К ним относятся, прежде всего, клубеньковые бактерии, находящиеся в симбиозе с бобовыми культурами, такими как соя, фасоль, горох, бобы или клевер. Биологическая фиксация азота была одновременно и парадоксом удивительно лёгкого превращения инертного азота в аммиак и его производные, и вызовом для химиков. Этот вызов принял известный немецкий химик Фриц Габер (1868—1934). В начале ХХ века он начал исследования, которые в итоге привели его к Нобелевской премии по химии 1918 года. Так Нобелевский комитет оценил работу учёного по «синтезу аммиака из составляющих его элементов». Бесспорно, получение аммиака по методу Габера выглядит несовершенным по сравнению с методом, предложенным природой: если процесс биологической фиксации азота протекает в обычных условиях, то промышленный синтез аммиака требует высоких температуры (300—600оС) и давления (свыше 200 атм). Однако для сотен миллионов людей это открытие предотвратило голод: началось производство азотных удобрений, столь необходимых для получения высоких урожаев зерновых культур. Образно говоря, Габер научил весь мир делать хлеб из воздуха. Поразительный факт: около 40% атомов азота, содержащегося в теле каждого жителя Европы и США, родом из заводских цехов, производящих аммиак по методу Габера — Боша. Нужно ли ещё какое-либо доказательство важности сделанного немецким химиком открытия для жизни на Земле?
Парадокс шестой. Мы привыкли рассматривать азот исключительно как двухатомную молекулу, в которой атомы азота соединены тремя ковалентными связями. Удивительно, но в определённых условиях этот привычный азот переходит в необычный. В августе 2004 года учёные Химического института Общества Макса Планка совместно с российскими коллегами сообщили о впервые синтезированной ими аллотропной модификации азота, в которой все атомы связаны одинарными связями аналогично тому, как это происходит в структуре алмаза. Синтез был осуществлён из обычного молекулярного азота при температурах свыше 2000 К и давлении 110 ГПа (более миллиона атмосфер). Полученный полимерный азот обладает уникальными свойствами. Энергия образования одинарной связи N-N равна 160 кДж/моль, тогда как для тройной связи N≡N эта величина достигает 954 кДж/моль. Следовательно, обратное превращение полимерного азота в молекулярный будет сопровождаться высвобождением огромного количества энергии. Это делает новый материал очень ценным при создании ракетного топлива или взрывчатых веществ. Так, он в пять раз превышает по мощности все самые сильные неядерные взрывчатые материалы. Причём это вещество — экологически чистый источник энергии, поскольку единственный продукт реакции — молекулярный азот
Парадокс седьмой. Вместе с кислородом, углеродом и водородом азот образует квартет важнейших элементов любого живого организма на Земле. Земная жизнь, как известно, основана на многообразии соединений углерода. И хотя фантасты любят придумывать экзотические формы живых существ, до недавнего времени азот всерьёз не рассматривался как основа инопланетной жизни. Ситуация изменилась, когда было обнаружено, что при определённых условиях (очень высоком давлении — до 800 ГПа) химия азотоводородов может оказаться намного богаче химии хорошо знакомых «земных» углеводородов. Причём соединения азота могут существовать в виде как устойчивых небольших молекул (NH, NH2, N, N3H, N3H7, N8H, N9H4 и т. д.), так и длинных полимерных цепей. Эти необычные молекулы имеют оригинальные кристаллические структуры и обладают удивительными, экзотическими свойствами. На первый взгляд они не вписываются ни в какие правила, сформулированные современной классической химией. Учитывая, что планеты-гиганты (Уран и Нептун) состоят преимущественно из водорода, углерода, кислорода и азота, можно осторожно предположить, что сложные химические процессы с участием азотоводородов лежат в основе разнообразия пока неизвестной нам формы жизни. Как знать, быть может, в отличие от землян, жители этих далёких планет называют седьмой элемент таблицы химических элементов «зоегеном» — «рождающим жизнь».
Жидкий азот. Подборка экспериментов с жидким азотом.
