Proč je dusík N?

Proč je dusík reprezentován písmenem N? Protože má několik jmen – v různých dobách vědci věnovali pozornost různým kvalitám tohoto prvku. Bylo objeveno v roce 1772, kdy nejprve Angličan Daniel Rutherford a poté jeho krajané Joseph Priestley a Henry Cavendish zjistili, že vzduch obsahuje jak část vhodnou k životu, tak i tu nevhodnou. Z posledně jmenovaného bylo možné izolovat složku, která se absorbovala při průchodu alkalickým roztokem – byl to oxid uhličitý a zbytek se nazýval dusivý neboli flogistonizovaný vzduch. Přibližně ve stejné době si švédský lékárník Karl Scheele všiml, že složky vzduchu lze rozdělit podle dalšího kritéria – schopnosti podporovat hoření – na „spalný plyn“ a „špatný vzduch“. Byl to právě tento špatný vzduch, který lehkou rukou Lavoisiera brzy přijal řecké jméno „dusík“, od „zoe“ – život a negativní částice „a“. Nebyl to první dusík v historii chemie – alchymisté nazývali „filosofický dusík“ (Azot Philosophоrum), látku, která mění měď ve zlato a stáří v mládí. Název je tvořen prvním písmenem všech abeced „a“ a posledními písmeny tří abeced – latinské (z), řecké (omega) a hebrejské (tov). V roce 1790 mu však Jean Chaptal dal jiný název: dusitanium, „produkující ledek“. Vstoupilo do anglického jazyka a poté přiřadilo symbol N periodické tabulce. Název „dusík“ se ustálil pouze ve francouzštině a ruštině a svého času mu chtěli u nás říkat ledek, ale toto disonantní slovo se neprosadilo. Němci ji dodnes znají jako „dusící látku“ – Stickstoff.

Odkud pochází dusík? Vzniká ve hvězdě, v takzvaném cyklu uhlík-dusík. Uhlík-12 získává proton a stává se nestabilním dusíkem-13. Vyzařuje pozitron a mění se na uhlík-13. Jakmile přijme nový proton, stane se stabilním dusíkem-14, což je hlavní izotop dusíku na Zemi. Tím však proces nekončí. Po přijetí dalšího protonu se dusík-14 změní na kyslík-15. Je nestabilní a po uvolnění pozitronu se změní na těžký dusík-15, druhý společný izotop tohoto prvku. Když se setkáme s novým protonem, dusík-15 emituje alfa částici a vše se vrátí na začátek – jádro uhlíku-12. Jak se zdá, tento cyklus přeci jen není uzavřený a část dusíku se vyhýbá smutnému osudu generování hélia a přeměny v původní uhlík. Jinak by tento prvek nebyl tak rozšířený – na Zemi tvoří více než 75 % hmotnosti atmosféry.

Odkud se na Zemi bere dusík? Jednoznačná odpověď neexistuje. Hlavním problémem je, že žádná jiná planeta nemá takové množství molekulárního dusíku. V atmosféře oxidu uhličitého Venuše je to tedy pouze 3,5%, na Marsu – 2,7%. Dusík ve své čisté formě není na obřích planetách pozorován, je tam přítomen pouze amoniak. Pouze atmosféra Titanu je z 98 % tvořena dusíkem. To znamená, že původ dusíku musí souviset s rozdílem mezi Zemí a ostatními objekty ve sluneční soustavě. Lze rozlišit dva takové rozdíly: život a deskovou tektoniku, a ty dávají vzniknout dvěma hypotézám. Podle prvního na Zemi původní atmosféra obsahovala dusík ve formě čpavku (viz „Chemie a život“ 1976 č. 9), ale s příchodem kyslíku začal oxidovat a přeměňovat se ve vodu a molekulární dusík. Takový dusík však nemůže v podmínkách zemské atmosféry dále oxidovat – je třeba silné zahřátí, například při úderu blesku. Silný elektrický výboj generuje NO, který zase generuje oxid dusičitý, který rozpuštěním ve vodě produkuje kyselinu dusičnou a po vysrážení odpovídající soli. Staly se důležitým zdrojem nového dusíku pro živé organismy poté, co z atmosféry zmizel amoniak. Podle alternativy byl dusík na Zemi původně přítomen ve vázané formě. Poté se pohybem tektonických desek a vulkanickou činností vytvořil cyklus molekulárního dusíku, který vyletí z útrob Země, vytvoří atmosféru, je pohřben organickou hmotou a znovu se dostane do útrob planety. Obě hypotézy dobře vysvětlují nepřítomnost dusíku v atmosférách Marsu a Venuše, ale nejsou vhodné pro vysvětlení jevu Titanu.

Proč živé bytosti potřebují dusík? Dusík je základem života bílkovin stejně jako uhlík, to je jasné již ze samotného názvu stavebních kamenů bílkovin — aminokyselin. Dusíkaté báze v nukleotidech navíc vzájemně spojují řetězce nukleových kyselin, jinými slovy je to právě jejich struktura, která zajišťuje kopírování DNA a syntézu RNA – tedy hlavní vlastnosti života, sebereprodukce a produkci bílkovin podle k „návrhům“ genů. Dusík je také součástí tak důležitého polysacharidu pro mnoho živých bytostí, jako je chitin a mnoho dalších biomolekul. Bez dusíku proto není život a množství asimilovatelného dusíku je jedním z faktorů omezujících produktivitu biosféry.

Odkud živí tvorové berou dusík? Většina dusíku na Zemi je nyní v molekulární formě a vzhledem k síle vazby v molekule N₂ je velmi velký, tento dusík je pro živé bytosti prakticky nedostupný. Molekulární dusík z atmosféry může být absorbován několika druhy půdních bakterií. Převážná část bakterií a rostlin využívá dusík, který již někdo asimiloval, rozkládající organickou hmotu, nebo dusík produkovaný bleskem. V prvním případě se dusík přemění na stravitelné amonné sloučeniny neboli dusičnany, ve druhém končí na zemi ve formě dusičnanů. Ale zvířata přijímají dusík pouze z potravy.

Mohou vyšší živočichové asimilovat atmosférický dusík? U vyšších živočichů zatím nebyly objeveny žádné mechanismy fixace dusíku. Jediný způsob, jak toho dosáhnout, je pomocí symbiotických mikroorganismů ve střevech; například symbionti termitů nejen pomáhají hostiteli trávit dřevo, ale také fixují dusík (Science a elementy.ru). Čas od času se objevují zprávy o podobné schopnosti u ptáků a savců. Zejména vypukl hlasitý skandál, když v roce 1951 začaly vycházet publikace týmu pod vedením doktora technických věd M. I. Volského. Z nich vyplynulo, že člověk denně vstřebá 26,5 g dusíku: to stačí k syntéze 186,6 g bílkovin, to znamená, že pokryje potřebu bílkovin na více než den. Ukazuje se, že člověk nemá potřebu jíst bílkoviny, vystačí si s vnitřními zdroji. V roce 1971 Akademie věd SSSR problém vyřešila; korespondent E.N. Mishustin zcela vyvrátil Volského práci a poukázal na skutečné chyby ve výpočtech a rozpory v experimentálních datech (viz „Chemistry and Life“ 1971 č. 10). Zde je jeden příklad: aby bakterie žijící ve střevech absorbovaly toto množství dusíku, musí člověk ve stejný den sníst 2,2 kg cukru, což je téměř nemožné.

Jaké jsou nejdůležitější sloučeniny dusíku? Užitečné – čpavek NH₃, amonný NH₄ + , kyselina dusičná HNO₃ a její soli – různé dusičnany, močovina (NH₂)₂CO a samotný molekulární dusík. Zdraví škodlivý – oxidy dusíku NO a NO₂: vznikají při spalování paliva (především v automobilech), mohou spustit kaskádu reakcí vedoucí ke vzniku přízemního ozónu, který má velmi špatný vliv na živé bytosti, a dalších nebezpečných sloučenin. A samotný oxid dusičitý způsobuje plicní onemocnění.

Je pravda, že amonium je pojmenováno po egyptském bohu Amun-Ra? Ano. Faktem je, že v Libyi, v oblasti Ammonium, a nazývala se tak podle Amonova chrámu, který se v ní nachází, se amonné soli (především amoniak – chlorid amonný) dlouho vyráběly spalováním velbloudího trusu. Při rozkladu solí se získal určitý zapáchající plyn, v roce 1787 bylo navrženo nazývat jej čpavkem. Ruský chemik Ya.D. Zacharov shledal toto jméno disonantní a nyní tento plyn známe jako čpavek. A v roce 1808 Humphry Davy navrhl nazvat bázi solí, které generují tento plyn, amonium. Nicméně v angličtině (pozor překladatelům!) bude „ammonia“ znamenat amoniak, zatímco „ammonium“ se nazývá ammonium.

Jak člověk začal používat dusík? Sloučeniny dusíku v hnoji a moči se k hnojení půdy používaly odnepaměti, ale starověcí zemědělci samozřejmě nevěděli, že hlavní věcí v těchto látkách je dusík. A když člověk začal míchat ledek s uhlím a sírou, získával černý střelný prach, také si neuvědomil, že tady jde jen o dusík. A když jsem zjistil, že díky němu je ledek jak výbušný, tak prospěšný pro rostliny, pomyslel jsem si: jak se mohu naučit extrahovat dusík z atmosféry? Ostatně zásoby guana v Chile – a v XNUMX. století bylo hlavním zdrojem ledku – nejsou nekonečné.

První přístup k přeměně atmosférického dusíku na méně odolnou chemickou sloučeninu provedli stejní Priestley a Cavendish – Priestley si všiml, že objem vzduchu nad vodou se při průchodu elektrickou jiskrou zmenšuje a ve vodě se objevuje kyselina, a Cavendish přímo objevil že když se do takové vody přidá alkálie, vznikne ledek. Z toho se vyvinula metoda fixace dusíku elektrickým obloukem a počátkem 1902. století s nástupem vodních elektráren vznikla výroba ledku – první u elektrárny Niagara v roce XNUMX a druhá o tři roky později v r. Norsko; Autory procesu byli specialista na studium polární záře Christian Birkeland a inženýr Samuel Eide. Tento druh ledku se nazýval norský.

Co je Haber-Boschův proces? V roce 1901 si Henri Le Chatelier patentoval způsob výroby amoniaku z vodíku a dusíku pod tlakem a za použití katalyzátoru. Nebyl však autorem výrobního postupu. Potřebné výpočty provedl Fritz Haber s dalšími dvěma velkými chemiky – Wilhelmem Ostwaldem a Walterem Nernstem. Závod, který vytvořil Carl Bosch za účelem implementace procesu, který vynalezli, byl spuštěn v roce 1913 společností BASF (mimochodem, tato zkratka znamená „Baden Aniline and Soda Factory“); v roce 1925 se stala součástí koncernu I.G. založeného společností Bosch. Faberindustry”. Dusík pro výrobu čpavku se odebírá přímo ze vzduchu a vodík se získává přeměnou zemního plynu. Proces Haber-Bosch vyžadoval mnohem méně energie než proces Birkeland-Eide, a proto norský ledek brzy zmizel z trhu a Haber (v roce 1918) a Bosch (v roce 1931) obdrželi zasloužené Nobelovy ceny.

Amoniak slouží jako surovina pro výrobu amonia a jeho sloučenin, kyseliny dusičné az ní – různých dusičnanů a mnoha dalších chemických produktů. Proto fixace atmosférického dusíku ve formě syntetického čpavku umožnila ve 7,5. století uskutečnit druhou „zelenou“ revoluci – vytvoření syntetických dusíkatých hnojiv prudce zvýšilo výnosy plodin a nyní umožňuje zkrmovat více než 2009 miliardy lidí. Umělý tok dusíku do biosféry a průmyslu se nyní přibližně rovná přirozenému toku – od blesků a bakterií fixujících dusík. To vyvolává vážné obavy ochránců přírody, protože to vede k vážné nerovnováze ve využívání jiných zdrojů biosférou. Například díky odtoku dusíku z polí se obyvatelé nádrží rychle množí a rychle vyčerpávají zásoby kyslíku, což má za následek smrt. A samotný růst počtu lidí na planetě mnohé děsí a jeho souvislost s množstvím jídla je zřejmá. Panuje názor, že co do objemu produkce dusíkatých hnojiv lidstvo již daleko překročilo červenou čáru, která určuje stabilitu globálního ekosystému (viz „Chemie a život“ 12 č. XNUMX).

Jak se dusík používá v průmyslu? Dusík je jedním z nejběžnějších průmyslových plynů a je na druhém místě po kyslíku. V Ruské federaci v roce 2014 činil 32 % z celkového ročního prodeje plynu ve výši 20,7 mld. m3. Dusík se získává dvěma hlavními způsoby – zkapalněním vzduchu a jeho oddělením od vzduchu pomocí membrán. První metoda vyžaduje hodně energie, ale produkuje obrovské objemy výroby, zatímco dusík se ukazuje jako vedlejší produkt velkovýroby kapalného kyslíku. Druhý vyžaduje méně energie, ale není schopen poskytovat v průmyslovém měřítku – membránové instalace zpravidla slouží spotřebitelům s malými nároky.

Hlavní vlastnost, kterou spotřebitelé dusíku potřebují, je jeho neschopnost reagovat za normálních podmínek: kromě toho, že dusík reaguje s lithiem, draslíkem a hořčíkem při relativně nízké teplotě. Proto se používá k vytvoření inertní atmosféry a především k vytěsnění kyslíku z různých nádob. To dělají metalurgové, aby chránili kov před oxidací, naftaři to dělají při foukání vrtů, aby se uhlovodíky nezapálily náhodnou elektrickou jiskrou, a experimentátoři v laboratořích čistí přístroje dusíkem nebo chrání vzorky před kyslíkem. Dusík se používá k hašení koksu a dusík čerpaný do vakuových obalů chrání potraviny před hnilobou.

Charakteristickým znakem závodů na výrobu čpavku jsou vysoké kolony, ve kterých probíhá syntéza této látky. Fotografie ukazuje závod Dorogobuzh, postavený v roce 1979, součást skupiny Acron.

Jak se dusík používá ve vědě o materiálech? Sloučeniny dusíku – nitridy – mají velmi vysokou pevnost a tvrdost. Proto se nitridové částice spolu s karbidovými částicemi již dlouho používají ke zpevňování slitin. Pro tvorbu nitridů uvnitř produktu není třeba provádět žádná zvláštní opatření – stačí přidat do stejné oceli nitridotvorný prvek a dusík rozpuštěný v kovu bude stačit k uvolnění malých pevných částic v celém objemu. Pokud je potřeba povrch ztvrdnout, pak se na několik hodin při vysoké teplotě nasytí dusíkem, například v atmosféře amoniaku, a poté se po snížení teploty a tepelném zpracování vytvoří vrchní vrstva nasycená pevnými částicemi. získané, pod kterým je měkké jádro.

Může být také aplikován nitridový povlak, jako je nitrid titanu; jeho nástřik výrazně zvyšuje odolnost dílů a nástrojů proti opotřebení. Stejný nitrid lze použít k „pozlacení“ kostelních kopulí – jeho barva je k nerozeznání od zlata a jeho odolnost vůči prostředí není horší. Další tvrdý materiál, nitrid křemíku, slouží nejen k výrobě všeho možného od kelímků po ložiska a ochranné pláty neprůstřelných vesty, ale funguje i v mikroelektronice; Nitrid křemíku se často používá k výrobě izolačních vrstev na křemíkových substrátech. Další nitrid – BN – není v tvrdosti o moc horší než diamant, avšak bez rozpouštění v železe slouží nitrid boru jako brusivo při zpracování ocelových výrobků. Můžete také vypěstovat nanotrubice z nitridu boru a vetkat je do nejpevnějších vláken. Nebo jej můžete přidat jako výplň do kompozitu a zajistit, aby pevnost řekněme hliníkového materiálu byla srovnatelná s ocelí při zachování nízké hmotnosti. Důležitými vlastnostmi nanotrubic z nitridu boru je, že jsou průhledné ve viditelné oblasti, dobře vedou teplo a neobvykle nevedou elektřinu. Až se tyto trubky stanou levným materiálem (a prozatím jsou dražší než zlato), vědci z oblasti materiálů je budou studovat.

Co je dusíkové volné místo? Toto je možný prvek kvantového počítače. Ultra čistý diamant je ozařován vysokoenergetickými částicemi, které narušují jeho krystalovou strukturu – vytvářejí prázdná místa a následně implantují dusíkové ionty. Po zaujmutí místa v diamantové mřížce dusík přitáhne nejbližší volné místo a získá se takzvané centrum vakancí. V dusíku jsou tři valenční elektrony spojeny s atomy uhlíku a dva patří k vakancím. Přitahují další elektron a ten se nyní ukazuje jako hlavní při získávání qubitu (prvku pro uložení jednoho bitu kvantové informace): spin tohoto elektronu lze manipulovat pomocí laseru a měnit tak kvantový stav. V dusíkové prázdnotě přetrvává kvantový stav elektronu velmi dlouhou dobu, ale je obtížné vytvořit takzvané entangled stavy několika qubitů, které poskytují neuvěřitelné možnosti pro kvantové výpočty.

Co je dusíkový endofulleren? Pokud zahřejete fullereny C₆₀ v dusíkové plazmě pak bude uvnitř uhlíkových koulí jeden atom dusíku. Tento atom je na rozdíl od molekuly extrémně agresivní, ale s vnitřkem fullerenu nijak nereaguje, to znamená, že jeho agresivita zůstává potenciální. Pokud by dusík vyšel a setkal se s dalším atomem dusíku, pak by se při jejich spojení uvolnila gigantická energie – 33,75 MJ / kg. A za rekordmana v tepelném vlivu na hmotnost součástek se dnes považuje spalovací reakce berylia v ozónu – 25,45 MJ/kg. Existuje názor, že pokud vymyslíme způsob, jak uvolnit endo-dusík z uhlíkové klece, bude mít člověk v rukou látku s extrémně vysokou energetickou saturací.

Proč potřebujeme dusík v pneumatikách? Dusík je pumpován do pneumatik letadel a závodních aut, aby se zabránilo jejich explozi. K výbuchu může dojít díky tomu, že při zahřátí pneumatiky se z ní začnou uvolňovat určité těkavé látky, které se vznítí při interakci se vzdušným kyslíkem. Zdá se to zvláštní – jaké hořlavé látky guma vydává a dokonce tolik, aby se vznítila? Přesně takto ale tuto skutečnost vysvětluje společnost Boeing (boeing.com). Uvádí také, že došlo k výbuchům jak na zemi v důsledku zahřívání pneumatiky při brzdění, tak ve vzduchu, z nichž jeden vedl ke katastrofě. Aby se předešlo incidentům, vydal Federální úřad pro letectví USA směrnici 87-08-09, podle které musí být pneumatiky letadel nahuštěny dusíkem, a pokud není k dispozici, pak vzduchem s obsahem kyslíku nižším než 5 %. Zřejmě ze stejných důvodů se dusík pumpuje do pneumatik závodních vozů. Překvapivě nyní chtějí pneumatiky do pneumatik pumpovat i majitelé konvenčních vozidel a ve prospěch tohoto rozhodnutí uvádějí kromě správného mnoho argumentů. Je nepravděpodobné, že pokud budete dodržovat pravidla silničního provozu, můžete očekávat, že se pneumatiky zahřejí natolik, že explodují.

Co je dusíková narkóza? To je nebezpečí, které pronásleduje potápěče spolu s dekompresní nemocí. Při potápění se zvyšuje tlak a dusík se lépe rozpouští v krvi. Pokud budete rychle stoupat, tlak prudce klesne, dusík se uvolní ve formě bublin a ucpe cévy – jde o dekompresní nemoc. Když je ale dusíku v krvi hodně, zvyšuje se i jeho koncentrace v lipidových membránách buněk. Když k tomu dojde v mozkových buňkách, spojení mezi neurony se přeruší a člověk bez zjevné příčiny ztratí vědomí.