Путешествие в Страну элементов

Безжизненный и жизнь

Азот был открыт английским естествоиспытателем Даниэлем Резерфордом в 1772 году. Ученый исследовал воздух изолированного от атмосферы колокола, в котором, прожив немного, погибла мышь. «Дыхание животных, — пишет он, — не только превращает здоровый воздух в фиксируемый воздух (углекислый газ), но после того, как фиксируемая порция поглощена раствором едкого кали, остающаяся часть хоть и не вызывает осадка с раствором гашеной извести (в отличие от CO₂) — гасит пламя и губит жизнь».

Самая первая характеристика дана азоту с чисто негативной стороны.

Вряд ли какому элементу «не повезло» с названием так, как азоту. «Азотикон» по-гречески означает «безжизненный». Немцы назвали его еще категоричней — «удушающее вещество» (Stickstoff).

Безжизненный, удушающий… А между тем жизнь и азот неразделимы.

«Жизнь — это способ существования белковых тел», — сказал Энгельс, а ведь без азота белка нет.

Вся колоссальная масса растений и живых организмов на Земле состоит в основном из четырех элементов, о которых можно сказать четверостишием Шиллера:

Эти четыре элемента — углерод, водород, кислород и азот. Химическая инертность — вот чему обязан азот своим названием. При комнатной температуре он соединяется только с литием: молекула азота состоит из двух атомов, которые связаны очень прочно. Чтобы из ста молекул азота пять одновременно распались на атомы, необходима температура в 3500 градусов, а чтобы в сорока молекулах разорвать связь атомов, нужна колоссальная температура в 8000 °C. Понятно, что при обычных условиях азот не вступит в связь с кислородом и водородом.

При повышении температуры и при малом содержании кислорода азот становится гораздо активнее. Он доставляет много хлопот металлургам, которые удаляют его из сплава в шлак, добавляя титан, жадно соединяющийся с азотом.

Основная масса азота содержится в атмосфере. На каждый квадратный метр земной поверхности приходится 8 тонн атмосферного азота; такое количество в состоянии обеспечить питание растений более чем на миллион лет.

В земной коре его количество едва достигает 0,4 процента по весу. И это не удивительно. Ведь азот инертен. Удивительно другое: откуда он взялся в связанном состоянии? На этот счет существует много теорий. По одной из них, азот реагировал с другими элементами в далекую геологическую эпоху, когда Земля была расплавленной вязкой массой, покрытой тонкой твердой корочкой, которую то тут, то там прорывали мощные фонтаны паров и газов. Расплавленные металлы реагировали с азотом, образуя нитриды.

Возможно, азот фиксировался несколько позже, когда поверхность Земли скрывалась под жаркой и влажной атмосферой, в которой сверкали одновременно тысячи молний необыкновенной силы. Они и соединяли азот с кислородом, а мощные ливни приносили на Землю азотную кислоту, которая, просачиваясь, реагировала с металлами и образовывала азотнокислые соли.

Азот содержится и за пределами земной атмосферы в виде соединений. Английские ученые Бернал и Месси предполагают, что если не на Земле, то на крупных планетах солнечной системы — Уране и Юпитере, в атмосфере которых есть аммиак, может встречаться металлический аммоний, образующий «рудные жилы» в толще планет. В обычных условиях свободный аммоний — аналог калия и натрия по химическим свойствам — не удается получить, он немедленно разлагается на аммиак и водород.

Ученые подсчитали, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, и давлении около 250 тысяч атмосфер металлический аммоний устойчив и равновесие 2NH₃ + Н₂ ↔ 2NH₄ сдвигается вправо. Такие условия существуют на далеких и холодных планетах солнечной системы.

Солнечная атмосфера содержит азот в форме нейтральных и ионизированных атомов; спектральные линии азота обнаружены в кометах и туманностях.

Живые организмы содержат этот элемент в довольно большом количестве: 1–10 процентов от общего веса сухого вещества.

В комнатных условиях азот — бесцветный газ, несколько легче воздуха, без вкуса и запаха.

Мы его не чувствуем, он нам не мешает, но стоит изменить условия, как безобидный газ начинает «показывать зубы».

Водолаз спускается в море, по шлангу ему подают обычный воздух. Уже на глубине нескольких десятков метров он начинает испытывать нечто похожее на легкое опьянение. Во рту ощущается металлический привкус сжатого азота, обуревает беспричинное веселье. Это азотный наркоз, состояние, часто называемое «болезнью глубины». Те, кто смотрел чудесный фильм «В мире безмолвия», помнят, наверное, какое большое самообладание нужно, чтобы не потерять самоконтроля, не ринуться в глубину без оглядки…

Причина здесь такова: давление увеличивает концентрацию азота, растворенного в крови, в жировых и белковых тканях организма.

При медленном подъеме избыток растворенного азота удаляется. Очень важно, чтобы он ушел из организма через легкие, как и попал туда. Но если подъем происходит быстро, азот выделяется в крови в виде пузырьков, не успевая дойти до легких. Эти пузырьки закупоривают капилляры. Тогда организму угрожают сильные боли и даже смерть. В упомянутом фильме показано, как слишком быстро поднявшегося из глубины аквалангиста помещают в герметическую камеру с повышенным давлением внутри на довольно продолжительный срок. Во избежание закупорки сосудов подъем ведется медленно, а обычный воздух заменяют гелиево-кислородной смесью. Гелий — легкий, подвижный газ, он быстро покидает организм.

Если азот охладить до температуры –195,8 °C, он превращается в жидкость, а при –210,5 °C — твердеет. Его получают перегонкой жидкого воздуха.

Жидкий азот используют для замораживания продуктов питания. Продукту делают укол иглой, через которую вливается жидкий азот. Он фильтруется через материал продукта и испаряется, вытесняя весь воздух из контейнера. После этого контейнер герметически закрывают. Его можно доставить любым способом в любую точку земного шара без дополнительного охлаждения. Такой контейнер перевезли из Нью-Йорка на Цейлон: продукты прибыли на место назначения через шесть недель после замораживания в отличном состоянии.

Азот употребляется там, где нужны нейтральный наполнитель или нейтральная среда. Им наполняют электрические лампочки.

Где бензин, всегда возможен пожар. Во избежание взрыва азот используют при перекачке бензина.

В музее ценные картины хранят в цилиндрах, наполненных азотом: воздух может повредить краскам. Известно свидетельство современника о том, что картина Репина «Не ждали» в свое время поражала необыкновенной яркостью и свежестью красок. Время и воздух заставили их потускнеть.

Но это всего лишь несколько примеров употребления азота, и причем не главных. Основная масса добываемого азота идет на получение аммиака.

Кто не знает так называемого нашатырного спирта, жидкости с едким, быстро приводящим в себя запахом? Это не что иное, как раствор аммиака в воде.

Аммиак — водородное соединение азота NH₃. Атом азота здесь добирает три недостающих электрона к пяти собственным на внешней электронной оболочке и приобретает структуру инертного газа.

В комнатных условиях аммиак — легкий газ с весьма острым запахом. Он хорошо растворяется в воде; перед нами случай наиболее высокой растворимости одного вещества в другом: 1 кубик ледяной воды поглощает 1176 кубиков аммиака. Вода фонтаном врывается в колбу, наполненную аммиаком. Необыкновенная растворимость аммиака в воде долгое время не позволяла получить этот газ. Только в XVIII веке Пристли выделил аммиак, применив ртутную ванну.

В воздухе всегда есть незначительное количество аммиака: органические вещества, сгнивая, выделяют свой азот в виде аммиака.

В лаборатории аммиак получается действием щелочей на аммонийные соли, а в промышленности — прямым соединением азота и водорода:

Это типично обратимый процесс; ни при каких обстоятельствах он не идет до конца.

В начале столетия химики пытались соединить азот с водородом при помощи высокого давления. Сосуд со смесью этих газов погружали в глубины океана. В 1901 году французский ученый Ле Шателье сконструировал двигатель, в котором азотно-водородная смесь подвергалась давлению до 100 атмосфер. Ученый рассчитывал, что сжатая смесь будет взрываться от электрической искры, обращаясь в аммиак. Опыт не удался: в цилиндр проник воздух, и образовавшаяся гремучая смесь взорвала конструкцию.

Потребовались годы для изучения этой, казалось бы, простой химической реакции.

В 1910 году стало ясно, что успех невозможен без привлечения двух могущественных факторов: температуры и давления. Ученые рассчитали, что максимальный выход аммиака получается при наиболее высоком давлении и наиболее низкой температуре процесса.

Давление можно увеличить до очень больших значений, но температура… Если вести процесс при высокой температуре, выход аммиака ничтожно мал, а если ее снизить до предела, скорость реакции оказывается очень небольшой.

Таким образом, ученые и технологи оказались между Сциллой и Харибдой. Своеобразным голубем, позволившим преодолеть эти препятствия, оказался катализатор — третий мощный фактор.

Что же такое катализатор?

Это вещество, изменяющее скорость химической реакции. Катализатор участвует в реакции, но по ее окончании восстанавливается в первоначальном виде. Большинство химических реакций в природе, в лаборатории, в цехах идет с участием катализатора. Все многообразие каталитических процессов можно свести к двум случаям: катализа гомогенного и гетерогенного. Гомогенный, иначе однородный, катализ имеет место, когда и реагирующие вещества и катализатор находятся в одном и том же физическом состоянии, то есть все они являются или газами, или находятся в растворе. Гетерогенный катализ наблюдается, когда в реакции участвуют неоднородные вещества, скажем газ и твердое тело. Примером такого катализа может служить синтез аммиака.

В чем заключается действие катализатора?

Не просто ответить на этот вопрос. Явление катализа изучено еще далеко не полностью. У исследователей есть различные точки зрения. Здесь мы изложим самую простую и общепринятую. Но прежде чем говорить об изменении скорости химической реакции, надо сказать о том, что же это такое.

Скорость химической реакции характеризуется изменением концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Например, попробуйте поджечь обыкновенное стальное перо на воздухе. Это не так просто сделать, даже используя газовую горелку. В крайнем случае вам удастся раскалить его докрасна. А стоит только опустить нагретое перо в банку с кислородом, как оно загорится, разбрасывая искры. Концентрация кислорода в банке в пять раз выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому и скорость взаимодействия железа с кислородом резко возрастает.

Ученые нашли закон о влиянии концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции. Он называется законом действующих масс и звучит так: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции А + В = С этот закон выразится в следующей формуле: V = К[А][В], где V — скорость реакции, K — константа скорости, [А] и [В] — концентрации веществ А и В.

Для реакции синтеза аммиака N₂ + 3Н₂ ↔ 2NH₃ выражение скорости будет следующим: V = К[N₂][H₂]³.

Какова же роль катализатора в ускорении химической реакции?

При гетерогенном катализе на поверхности катализатора адсорбируются реагирующие вещества. Каждая молекула обладает внешним силовым полем. Если она находится внутри вещества, ее поле скомпенсировано подобными же полями других молекул. У молекулы на поверхности вещества поле с внешней стороны не компенсировано. За счет свободного поля к поверхности тела могут притягиваться частицы из внешней среды. Произойдет адсорбция, поглощение газов, паров и растворенных веществ на поверхности адсорбента.

Итак, в первую очередь катализатор адсорбирует реагирующие вещества на своей поверхности, увеличивает их концентрацию, а тем самым и скорость реакции.

Помимо того, катализатор активизирует адсорбированные молекулы. Они становятся гораздо более энергичными, чем молекулы неадсорбированные, чаще сталкиваются и чаще реагируют. А в общем скорость реакции сильно возрастает.

Надо сказать, что катализатор действует очень избирательно. Он капризен: одну реакцию может сильно ускорять, а на скорость другой не влиять вообще. Подбор определенных катализаторов для реакций — дело сложное. Четко разработанной теории здесь нет.

А между тем трудно переоценить значение катализаторов в химической промышленности. Важность правильного подбора и приготовления катализатора видна на примере синтеза аммиака. Здесь хорошим и дешевым катализатором оказалось железо, обработанное особым способом. Примесь окиси алюминия во много раз увеличивает каталитическую силу железа. Но и при таком мощном ускорителе синтез аммиака — процесс сложный. Он ведется в контактном аппарате: толстостенном цилиндре из высококачественной стали, способном выдержать температуру в 500 градусов и давление 250–300 атмосфер. Снизу в аппарат подается смесь азота с водородом в отношении один к трем. Газы проходят сквозь полочки с катализаторами, расположенными внутри аппарата. На катализаторе они и реагируют, образуя аммиак.

Само собой разумеется, что производительность такого контактного аппарата оставляет желать много лучшего. Химики ищут пути ее увеличения главным образом за счет повышения эффективности катализатора. Советские инженеры-химики разработали метод использования так называемого псевдоожиженного слоя катализатора. Этот способ еще не применялся для реакций, идущих под большим давлением, каковой является реакция синтеза аммиака.

Псевдоожиженный слой — особое состояние мелких твердых частиц, как бы кипящих в токе подаваемого снизу газа. Катализатор не лежит на полках, а «кипит» в токе газа, идущего под большим давлением. Ясно, что азот и водород реагируют гораздо полнее здесь, так как, во-первых, в аппарате помещается гораздо больше катализатора; во-вторых, его поверхность значительнее. Ведь он мелко раздроблен, находится в беспрерывном движении, и подход газов к его поверхности сильно облегчен.

В жаркий летний день приятно пить холодное молоко и ледяную фруктовую воду, не думать о том, что масло, колбаса и свежая рыба могут испортиться. А для этого нужен только холодильник, который зачастую работает за счет жидкого аммиака.

В основе действия холодильной машины лежит тот факт, что сжатие газа в ограниченном пространстве ведет к его нагреванию. Охлаждение сжатого газа с последующим расширением дает в результате сильное охлаждение. В качестве хладоагента аммиак применяется потому, что он, как и вода, обладает высокой скрытой теплотой испарения. В холодильной установке аммиак непрерывно нагнетается компрессором в охлаждаемый водой змеевик. Здесь вода отбирает тепло аммиака, выделившееся при сжатии. Он ожижается и через узкое отверстие поступает в другой змеевик, погруженный в крепкий раствор хлористого кальция. Здесь аммиак испаряется, поглощая столько тепла, что вода в сосудах, помещенных в раствор хлористого кальция, обращается в лед.

В свое время физические условия на Земле были иными, чем сейчас; большинство современных ученых склонно думать, что на ранней стадии развития Земля обладала не окислительной, как сейчас, а восстановительной атмосферой, содержащей метан, аммиак, водород и воду. Аммиак сыграл, по всей вероятности, не последнюю роль в возникновении жизни.

Земная атмосфера того времени подвергалась действию сильнейших электрических разрядов, высокой температуры, мощного ультрафиолетового излучения. Все это вместе взятое и привело к образованию органических веществ.

В наше время ученый С. Миллер осуществил подобный синтез в лабораторных условиях. Через смесь паров воды, водорода, метана и аммиака он пропускал искровый разряд в течение недели, после чего в сосуде была обнаружена смесь аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновая кислота), являющихся составной частью белка.

С появлением растений восстановительная атмосфера Земли стала постепенно превращаться в окислительную. Зеленая масса растений под действием солнечных лучей в течение многих миллионов лет связывает углекислый газ, выделяя кислород.

Еще в середине века ученые догадывались о том, что плодородие почвы связано с «нитрозными соками жизни».

Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал: «Азот более драгоценен с общебиологической точки зрения, чем самые редкие из благородных металлов». С этим нельзя не согласиться. Ведь азот в конечном счете — хлеб, мясо, молоко, масло.

Ежегодный мировой урожай уносит из почв 25 миллионов тонн соединений азота. Чтобы собрать следующий урожай, который был бы не хуже прежнего, необходимо возвратить почвам изъятый азот.

В 1898 году известный английский физик Крукс предсказывал человечеству смерть от азотного голода. Земля истощается, говорил он; чтобы повысить ее урожайность, необходимо связать азот атмосферы, так как единственные запасы его на Земле в виде чилийской селитры катастрофически уменьшаются с каждым годом.

В том же году по поводу речи Крукса выступил К. А. Тимирязев; он напомнил об опытах Кэвендиша 1783 года, когда тот, пропуская электрические искры через атмосферный воздух, получил двуокись азота.

В начале XX столетия началось интенсивное изучение реакции взаимодействия азота с кислородом.

Эта реакция обратима; ее оптимальные условия — наивысшая температура и обычное атмосферное давление. Казалось бы, просто — раздувай мехи, поддавай жару!

И здесь ученые столкнулись со значительным «но». Оказалось, что окислы азота при медленном охлаждении распадаются на составные части. Равновесие сдвигается влево. Перед инженерами встала задача — быстро охладить окись азота до температуры ниже 1000 °C.

На помощь пришла электрическая дуга. Она создает очень высокую температуру в ограниченной зоне, к которой прилегают слои воздуха с резко пониженной температурой. Образовавшиеся окислы при выходе из зоны электрической искры быстро охлаждаются, не успев распасться на составные элементы.

В 1908 году ученый Биркеланд и инженер Эйде сумели получить при помощи электрической дуги от 4 до 7 процентов выхода окислов азота.

Впрочем, Биркеланду и Эйде сама природа подсказала способ фиксации атмосферного азота. После каждого зигзага молнии дождь приносит на землю около полутора тонн окиси азота. За год молнии образуют до 600 килограммов окиси азота на каждый квадратный километр земной поверхности. Советский ученый Н. А. Зубарев предложил упорядочить работу молнии — направить ее удар на нужное место. Он советует выпустить в предгрозовое небо небольшой резиновый шар на металлической проволочке диаметром в сотую долю миллиметра. Молния мгновенно превратит ее в пар, но все же в землю уйдет направленно по ионизированным молекулам, предварительно соединив азот с кислородом.

Перед первой мировой войной фиксация азота электродуговым способом была в значительной степени вытеснена более экономичным аммиачным методом. Этот метод, разработанный Ф. Габером в 1908 году, описан выше.

Основная масса получаемого аммиака перерабатывается на азотную кислоту и аммонийные соли, из которых, в свою очередь, получают минеральные удобрения.

Но аммиак и сам по себе находит применение в сельском хозяйстве, особенно в последнее время. По своему действию на плодородие почв он не уступает аммиачной селитре, например, но гораздо дешевле ее. Однако аммиак — газ, и вносить его в почву неудобно, поэтому он применяется в виде жидких азотных удобрений, для получения которых существуют три способа. Первый — превращение аммиака-газа в аммиак-жидкость. Второй — растворение в жидком аммиаке аммиачной селитры или мочевины. Такие растворы называются аммиакатами. И третий — употребление в качестве удобрения нашатырного спирта — раствора аммиака в воде.

Жидкий аммиак — самое концентрированное азотное удобрение; оно содержит 82,3 процента азота. Его использование значительно осложняет низкая температура кипения.

Аммиакаты содержат до 30–50 процентов азота, но их трудно перевозить: они вызывают ржавление черных металлов. К тому же их можно использовать только в теплое время года, при температуре ниже 10 °C соли выпадают в осадок.

Наиболее широкое применение в сельском хозяйстве нашей страны нашел водный аммиак. Его удобно и легко хранить, он не замерзает при значительных морозах и содержит до 20 процентов азота.

В 1959 году 240 тысяч гектаров полей колхозов и совхозов были удобрены жидкими азотными удобрениями, в основном водным аммиаком, что втрое сократило затраты труда. Водный аммиак дал 8 центнеров прибавки зерна с 1 гектара и до 25 центнеров картофеля.

Аммиак служит исходным продуктом для получения очень ценного вещества вообще и удобрения в частности — мочевины:

Мочевина — первое органическое вещество, полученное синтетически. В 1824 году Велер, выпаривая водный раствор циановокислого аммония, получил мочевину. До этого многие ученые считали, что человек не в состоянии искусственно получать органические вещества, которые, по их мнению, может вырабатывать только живой организм под действием особой, таинственной «жизненной силы». Синтез мочевины из неорганических продуктов нанес первый удар по теории «жизненной силы».

Мочевина — высококонцентрированное удобрение; в нем 46,7 процента азота. По содержанию азота 100 килограммов мочевины эквивалентны 300 килограммам натриевой селитры или 225 килограммам сульфата аммония. Азот мочевины очень легко усваивается растениями. Удобрение пригодно для всех почв и под все сельскохозяйственные культуры. В почве мочевина разлагается на углекислый газ и аммиак, который окисляется затем в азотную кислоту. Растения обеспечиваются легкоусваиваемой азотной пищей. Мочевиной также подкармливают скот. К концу семилетки для животноводства нашей страны будет выпущено около 800 тысяч тонн синтетической мочевины.

Одновременно с разработкой метода получения аммиака ученые и инженеры изучали способы его окисления в азотную кислоту.

В 1917 году по проекту инженеров И. И. Андреева и Н. М. Кулепетова был построен впервые в России азотный завод в Юзовке для контактного способа окисления аммиака.

Процесс окисления делится на несколько этапов.

Эта реакция происходит на поверхности катализатора, когда аммиачно-воздушная смесь (1:9) проходит через платиновую сетку, нагретую до 600 °C.

Окись азота легко окисляется до двуокиси. Затем нитрозные газы поступают в адсорбционную башню снизу. Навстречу подается распыленная вода. Полученная разбавленная кислота концентрируется в присутствии крепкой серной кислоты. Последняя поглощает воду. Из смеси двух кислот затем отгоняется азотная. Концентрированная азотная кислота может быть получена также при взаимодействии воды или разбавленной кислоты с жидкой N₂O₄ и кислородом под давлением в 50 атмосфер.

Азотная кислота известна с древности; ее первое описание встречается в книге легендарного арабского алхимика XII века Джабира. Он описывает HNO₃ как воду и считает ее великой силой в руках человека.

И действительно, азотная кислота — одно из важнейших химических соединений.

В чистом виде это бесцветная жидкость, в полтора раза тяжелее воды.

Крепкая азотная кислота — сильный растворитель, она растворяет все металлы, за исключением благородных. Она разрушающе действует на органические вещества.

Смесь одного объема крепкой азотной кислоты с тремя объемами соляной получила еще в средние века название «царской водки». Эта смесь растворяет платину и золото, что алхимики отобразили в символе «Лев пожирает Солнце». Растворение благородных металлов в «царской водке» происходит за счет образующегося свободного хлора…

Соли азотной кислоты — аммиачная, натриевая, калиевая и кальциевая селитры — отличные удобрения. Аммиачная селитра NH₄NO₃ — кристаллическая соль различных цветов, от белого до голубоватого. Она очень гигроскопична, нагревания до 200 °C не выдерживает — распадается на закись азота и воду. При более высокой температуре аммиачная селитра взрывается. В 1921 году на немецком заводе в Оппау произошел взрыв 3200 тонн смеси сульфата аммония с аммиачной селитрой. Были разрушены все промышленные и жилые постройки в радиусе 4 километров.

Аммиачная селитра содержит 35 процентов азота, хорошо растворяется в воде; она широко используется в качестве минерального удобрения. В ней отсутствуют вредные и балластные примеси; соль легко усваивается растениями. Аммиачную селитру используют в смеси с другими минеральными удобрениями — суперфосфатом и калийными солями.

Натриевая селитра NaNO₃ по внешнему виду похожа на поваренную соль, так же как и аммиачная селитра. При хранении она отсыревает и огнеопасна при сильном нагревании. Натриевая селитра содержит всего лишь 15 процентов азота, но для условий нечерноземной полосы является лучшим азотным удобрением, особенно для сахарной свеклы.

Калиевая селитра успешно применяется в нечерноземной полосе; она, как и натриевая селитра, уменьшает кислотность почвы.

Химики отвели костлявую руку «азотного голода», решили проблему фиксации атмосферного азота. Но это не значит вовсе, что она решена окончательно.

Ученые всего мира изыскивают новые, более дешевые и эффективные способы фиксации азота. Исследуют по двум направлениям: биологическому и техническому. «Биологический» азот — это азот клевера, люцерны, бобовых культур, вернее — азот азотфиксирующих бактерий.

По самым скромным подсчетам, многомиллионные армии бактерий связывают в год более 400 миллионов тонн азота.

В последнее время советский ученый И. И. Оробинский выделил новый вид азотобактера. Размножаясь на клубнях картофеля, он за несколько часов увеличивает содержание азота в них в восемь раз. Этот картофель охотно поедают домашние животные. Поросята, питавшиеся им, повысили среднесуточный привес на 70–80 процентов.

Таким образом, новый вид азотобактера обладает заманчивыми свойствами: во-первых, он развивается в искусственных средах, то есть его можно получать в лабораториях; во-вторых, продукты его жизнедеятельности усваиваются животными непосредственно.

Усовершенствование способов получения «технического» (в отличие от «биологического») азота ведется пока в лабораториях. Ученые обратились к прямому окислению азота в электрическом разряде, к способу Биркеланда. Аммиачный способ хорош, но основан на сжигании большого количества водорода, производство которого дорого. Метод Биркеланда берет много электроэнергии. Но физика и техника высокочастотного разряда в наше время достигли большого успеха, электроэнергия с каждым годом становится дешевле, азота в воздухе — хоть отбавляй, оборудование заводов прямого окисления азота просто, к тому же завод можно поместить рядом с местом потребления азотных удобрений. Уже сейчас в лаборатории на один киловатт-час энергии получают более двух молей NO электродуговым способом.

При выходе в 3–4 моля метод прямого окисления сравняется в энергетическом отношении с аммиачным. Несомненно, будущее за прямым окислением азота в высокочастотном разряде…

«Как отличен веселящий газ (закись азота N₂O) от азотного ангидрида (пятиокиси азота N₂O₅)! Первый — это газ, второй при обыкновенной температуре — твердое кристаллическое тело. А между тем все отличие между ними по составу заключается в том, что во втором теле в пять раз больше кислорода, чем в первом, и между обоими расположены еще три других окисла азота… которые все отличаются качественно от них обоих и друг от друга», — так писал об окислах азота Энгельс в «Диалектике природы».

Окислов азота пять:

Перед нами наглядная иллюстрация диалектического закона о переходе количества в качество.

N₂O — низший окисел азота — был описан впервые Пристли в конце XVIII века. Этот газ очень удивил английского химика: о одной стороны, он был ядовит для всего живого, с другой — поддерживал горение, подобно обыкновенному воздуху.

Ведь Пристли да и все ученые того времени не отделяли дыхания от горения.

В лаборатории закись азота получается нагреванием аммонийной селитры до 200 °C.

Это соединение непрочно, и водород, уголь, керосин горят в нем так же хорошо, как в чистом кислороде.

Характернейшей особенностью закиси, свойством, взволновавшим в конце XVIII века весь ученый, и не только ученый, мир, является его физиологическое действие, открытое Дэви в 1798 году. Вдыхание закиси азота — «веселящего газа» — приводит человека в состояние сильного возбуждения, опьяняет.

По свидетельству современника, присутствовавшего на одном из сеансов наркоза закисью азота, «одни джентльмены прыгали по столам и стульям, у других развязался язык, третьи обнаружили чрезвычайную склонность к потасовке».

Дэви первый высказал мысль о возможном употреблении открытого газа для наркоза. В 1844 году американский врач Уэльс вырвал себе зуб под наркозом закиси азота. Закись азота как быстродействующее анестезирующее средство применяется хирургами и сейчас.

Окись азота еще до открытия азота Гейле собрал под водой. Он первый наблюдал взаимодействие этого газа с воздухом, он же первым описал его.

Поглощение «нитрозным газом» кислорода воздуха дало возможность количественного определения «добротности» воздуха, то есть содержания в нем кислорода. В XVIII веке был изобретен эвдиометр, специальный прибор для такого определения, способствовавший во многом становлению научной химии.

Бросив медную монету в разбавленную азотную кислоту, мы получим окись азота. На воздухе она приобретает ядовито-бурую окраску двуокиси азота.

Азотистый ангидрид N₂O₃ — жидкость синего цвета — получают при охлаждении смеси равных количеств NO и NO₂.

Иногда над корпусами химического завода можно видеть бурые тяжелые клубы, стелющиеся над землей. Это двуокись азота, которую рабочие называют «лисьим хвостом». Этот крайне ядовитый бурый газ был известен еще алхимикам, работавшим с азотной кислотой.

NO₂ при низкой температуре димеризуется в N₂O₄.

Промышленное получение двуокиси азота основано на реакции прямого соединения азота и кислорода, которая требует большого расхода энергии:

Высший окисел азота N₂O₅ — вещество крайне неустойчивое, образующееся при обезвоживании азотной кислоты фосфорным ангидридом. При действии озона на N₂O₄ образуются белые кристаллы N₂O₅.

Вспомните кинофильм «Плата за страх». Из рюмочки, наполненной прозрачной маслянистой жидкостью, падает на пол капля и взрывается с коротким, резким грохотом.

Это нитроглицерин. Он получается при действии крепкой азотной кислоты на глицерин.

Обычно активность нитроглицерина подавляют добавками нитроклетчатки, древесной муки, кизельгура и т. д. и превращают его в динамит, которым рвут горы и скалы. Сжигая 1 килограмм угля в печи, мы знаем наверняка, что энергия, которую он выделит, не взорвет печи и даже нисколько ее не разрушит. А ведь 1 килограмм угля выделяет при сгорании в восемь раз большее количество энергии, чем такое же количество тринитротолуола — сильного взрывчатого вещества. Энергия тротила выделяется в десятки миллионов раз быстрее, развивается гигантская мощность…

12 апреля 1953 года на руднике Алтын-Топкан был произведен взрыв заряда аммонита (88 процентов нитрата аммония и 12 процентов тротила) весом в 1647 тонн. Объем раздробленной взрывом породы составил 1910 тысяч тонн.

Интересен следующий факт: 19 сентября 1957 года в США в штате Невада взорвали атомный заряд в подземных условиях. Он был эквивалентен заряду взрывчатого вещества весом в 1700 тонн, то есть заряду аммонита, взорванного в Алтын-Топкане. Объем раздробленной атомным взрывом породы составил всего лишь 450 тысяч тонн. По-видимому, эризантность обычных взрывчатых веществ значительнее бризантности атомного взрыва. Советскими учеными сейчас разрабатывается проект вскрытия Нерюнгринского месторождения коксующихся углей в Южной Якутии. Оно будет вскрыто двухрядным взрыванием 55 588 тонн взрывчатки. Мощность взрыва достигнет мощности трех атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки.

В воздух одновременно взлетит гигантская масса породы в 10 миллионов кубометров. Взрыв сократит время, необходимое для доступа к месторождению, на 3–4 года.

Алмаз — эталон твердости. Он легко режет стекло и царапает металлы. В природе нет вещества, которое могло бы поцарапать алмаз. В лаборатории есть: это — боразон — модификация нитрида бора. Нитрид бора — BN₃ — тугоплавкое, химически стойкое вещество, получающееся в виде очень тонкого порошка белого цвета. По структуре и свойствам он очень похож на графит и способен даже служить смазкой, отчего и получил название «белая сажа» и даже «белый графит».

Сверхвысокое давление превращает нитрид бора, как и графит, в структуру, подобную структуре алмаза и названную боразоном.

В 1957 году в США получен боразон гораздо более прочный и термостойкий, чем алмаз. Нитрид бора, подвергнутый давлению в 73 тысячи атмосфер, превратился в боразон — вещество, сгорающее лишь при 2000 °C, в то время как алмаз горит при 871 °C.

Боразоном успешно заменяют алмаз в горном деле, машиностроении и приборостроении.