Нитроген что это такое
Азот: что это такое и где он используется?
Азот: что это такое и где он используется?
Мало, кто знает, что азот по важности для человека занимает третье место, после кислорода и водорода. Во-первых, потому что газ является главной составляющей атмосферного воздуха (в пределах 75% всего объема). И во-вторых, азот широко используется во многих сферах деятельности человека, начиная от медицины и заканчивая производством взрывчатых устройств. Не случайно в 1992 году авторитетное издание Science присудило оксиду азота (NO) почетную премию «Молекула года».
Чтобы иметь неограниченный источник его получения и обеспечить непрерывность технологических процессов, используют специальное оборудование – генераторы азота, которые позволяют получать данный газ требуемой чистоты.
Что такое азот?
Применение азота
В отличие от кислорода азот не вступает в реакции с другими газообразными веществами. Его атомы сложнее разрываются: им требуется больше энергии для разрушения и взаимодействия с другими веществами, за счет чего обеспечивается инертная среда, необходимая для многих процессов. Благодаря этому качеству, азот применяют в областях, где необходимо исключить реакции быстрого и медленного окисления. Например, при изготовлении электронных плат и полупроводников могут возникать процессы окисления и проявляться в виде коррозии. Другим примером медленного окисления является производство напитков и продуктов питания. В этом случае азот применяют для сохранности внешнего вида продуктов и увеличения сроков их хранения.
Примером быстрого окисления является процесс горения. Как известно, для распространения огня требуется кислород. Чтобы исключить вероятность возникновения пожароопасных ситуаций из резервуаров на промышленных предприятиях удаляют кислород с помощью азота, а также используют его для транспортировки взрывоопасных соединений. Стационарные или мобильные генераторы азота позволяют получать данный газ объемом от 5 до 5 тыс.нм.куб в час при чистоте до 99,95% и эффективно тушить пожары.
Источники получения азота
Генераторы грязного азота 
Генераторы сверхчистого азота 
Каждый из данных способов получения газа имеет свои преимущества, поэтому выбор генераторов азота осуществляется в зависимости от нужд конкретного предприятия.
Азот (Nitrogene, N)
Азот — химический элемент, который известен каждому. Его обозначают буквой N. Он, можно сказать, основа неорганической химии, и поэтому его начинают изучать еще в восьмом классе. В этой статье мы подробно рассмотрим азот, а также его характеристики и свойства.
История открытия элемента
Во время эксперимента, проведенного в 1772 году, Даниель Резерфорд сжигал фосфор и прочие вещества в колоколе из стекла. Он выяснил, что газ, остающийся после сгорания соединений, не поддерживает горения и дыхания, и назвал его «удушливым воздухом».
В 1787 году Антуан Лавуазье установил, что газы, входящие в состав обычного воздуха, — это простые химические элементы, и предложил название «Азот». Чуть позже (в 1784 г.) физик Генри Кавендиш доказал, что это вещество входит в состав селитры (группы нитратов). Отсюда происходит латинское название азота (от позднелатинского nitrum и греческого gennao), предложенное Ж. А. Шапталем в 1790 году.
К началу XIX века учеными были выяснены химическая инертность элемента в свободном состоянии и его исключительная роль в соединениях с другими веществами. С этого момента «связывание» азота воздуха стало важнейшей технической проблемой химии.
Физические свойства
Химические свойства азота
При нагревании до невысоких температур этот элемент взаимодействует только с активными металлами. Например, с литием, кальцием, магнием. С большинством других веществ азот вступает в реакцию в присутствии катализаторов и/или при высокой температуре.
Хорошо изучены соединения N с О₂ (кислородом) N₂O₅, NO, N₂O₃, N₂O, NO₂. Из них при взаимодействии элементов (t — 4000 °С) образуется оксид NO. Далее в процессе охлаждения он окисляется до NO₂. Оксиды азота образуются в воздухе при прохождении атмосферных разрядов. Их можно получить действием ионизирующих излучений на смесь N с О₂.
При растворении в воде N₂O₃ и N₂O₅ соответственно получаются кислоты HNO₂ и HNO₂, образующие соли — нитраты и нитриты. Азот соединяется с водородом исключительно в присутствии катализаторов и при высокой температуре, образуя NH₃ (аммиак). Кроме того, известны и другие (они довольно многочисленны) соединения N с H₂, к примеру диимид HN = NH, гидразин H₂N-NH₂, октазон N₈H₁₄, кислота HN₃ и другие.
Стоит сказать, что большинство соединений водород + азот выделены исключительно в виде органических производных. Этот элемент не взаимодействует (непосредственно) с галогенами, поэтому все его галогениды получают только косвенным путем. К примеру, NF₃ образуется при взаимодействии аммиака с фтором.
Большинство галогенидов азота — малостойкие соединения, более устойчивы оксигалогениды: NOBr, NO₂F, NOF, NOCl, NO₂Cl. Непосредственного соединения N с серой также не происходит, N₄S₄ получается в процессе реакции аммиак + жидкая сера. Во время взаимодействия раскаленного кокса с N образуется циан (CN)₂. В процессе нагревания ацетилена С₂Н₂ с азотом до 1500 °С можно получить цианистый водород HCN. При взаимодействии N с металлами при относительно высоких температурах образуются нитриды (к примеру, Mg₃N₂).
При воздействии на обычный азот электроразрядов [при давлении 130–270 н/м² (соответствует 1–2 мм рт. cт.)] и при разложении Mg₃N₂, BN, TiNx и Ca₃N₂, а также при электроразрядах в воздухе может быть образован активный азот, обладающий повышенным запасом энергии. Он, в отличие от молекулярного, весьма энергично взаимодействует с водородом, парами серы, кислородом, некоторыми металлами и фосфором.
Азот входит в состав довольно многих важнейших органических соединений, в том числе — аминокислот, аминов, нитросоединений и прочих.
Получение азота
В лаборатории этот элемент может быть легко получен в процессе нагревания концентрированного раствора нитрита аммония (формула: NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O). Технический метод получения N основан на разделении заранее сжиженного воздуха, который в дальнейшем подвергается разгонке.
Область применения
Основная часть получаемого свободного азота используется при промышленном производстве аммиака, который потом в довольно больших количествах перерабатывается на удобрения, взрывчатые вещества и т. п.
Кроме прямого синтеза NH₃ из элементов, применяется разработанный в начале прошлого века цианамидный метод. Он основан на том, что при t = 1000 °С карбид кальция (образованный накаливанием смеси угля и извести в электропечи) реагирует со свободным азотом (формула: СаС₂ + N₂ = CaCN₂ + С). Полученный цианамид кальция под действием разогретого водяного пара разлагается на CaCO₃ и 2NH₃.
В свободном виде данный элемент применяется во многих отраслях промышленности: в качестве инертной среды при разнообразных металлургических и химических процессах, при перекачке горючих жидкостей, для заполнения пространства в ртутных термометрах и т. д. В жидком состоянии он используется в различных холодильных установках. Его транспортируют и хранят в стальных сосудах Дьюара, а сжатый газ — в баллонах.
Широко применяют и многие соединения азота. Их производство стало усиленно развиваться после Первой мировой войны и на данный момент достигло поистине огромных масштабов.
Роль азота в биологии
Это вещество является одним из основных биогенных элементов и входит в состав важнейших элементов живых клеток — нуклеиновых кислот и белков. Однако количество азота в живых организмах невелико (примерно 1–3 % на сухую массу). Имеющийся в атмосфере молекулярный материал усваивают лишь сине-зеленые водоросли и некоторые микроорганизмы.
Довольно большие запасы этого вещества сосредоточены в почве в виде различных минеральных (нитраты, аммонийные соли) и органических соединений (в составе нуклеиновых кислот, белков и продуктов их распада, включая еще не полностью разложившиеся остатки флоры и фауны).
Растения отлично усваивают азот из грунта в виде органических и неорганических соединений. В природных условиях большое значение имеют особые почвенные микроорганизмы (аммонификаторы), которые способны минерализировать органический N почвы до солей аммония.
Нитратный азот грунта образуется в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий, открытых С. Виноградским в 1890 году. Они окисляют аммонийные соли и аммиак до нитратов. Часть усвояемого флорой и фауной вещества теряется из-за воздействия денитрифицирующих бактерий.
Микроорганизмы и растения отлично усваивают как нитратный, так и аммонийный N. Они активно превращают неорганический материал в различные органические соединения — аминокислоты и амиды (глутамин и аспарагин). Последние входят в состав многих белков микроорганизмов, растений и животных. Синтез аспарагина и глутамина путем амидирования (ферментативного) аспарагиновой и глутаминовой кислот осуществляется многими представителями флоры и фауны.
Производство аминокислот происходит при помощи восстановительного аминирования ряда кетокислот и альдегидокислот, возникающих путем ферментативного переаминирования, а также в результате окисления различных углеводов. Конечными продуктами усвоения аммиака (NH₃) растениями и микроорганизмами являются белки, которые входят в состав ядра клеток, протоплазмы, а также откладываются в виде так называемых запасных белков.
Человек и большинство животных могут синтезировать аминокислоты лишь в довольно ограниченной мере. Они не способны производить восемь незаменимых соединений (лизин, валин, фенилаланин, триптофан, изолейцин, лейцин, метионин, треонин), и потому для них главным источником азота являются потребляемые с пищей белки, то есть, в конечном счете, — собственные белки микроорганизмов и растений.
Нитроген что это такое
Азот – один из самых необходимых для растений химический элемент. Присутствует повсеместно в свободном или связанном состоянии. Азотные удобрения выпускаются в различных формах и применяются для основного и предпосевного внесения – как поверхностного, так и на подкормку. Только 1 % азота почвы находится в легко усваиваемых растениями минеральных формах, поэтому применение азотных удобрений – важное условие для сохранения и повышения плодородности сельскохозяйственных земель.
Содержание:
Многие известные научные открытия были сделаны двумя учеными, которые работали независимо друг от друга, и такие случаи довольно многочисленны. Однако в том, что касается открытия элемента азота, приоритет пришлось отдавать одному из трех известных химиков. Все они выделили азот из воздуха, используя немного различающиеся методики получения, и сделали это практически в одно и то же время, в конце XVIII века.
Англичанин Генри Кавендиш пропускал воздух над раскаленным углем, сжигая кислород, а затем фильтровал его через раствор щелочи, чтобы избавиться от примеси углекислого газа. В итоге он получил газ, не поддерживающий дыхание и горение, и названный им «мефитическим воздухом». Джозеф Пристли поместил в закрытый сосуд горящую свечу и описал образование аналогичного газа, который назвал «флогистированным воздухом». Однако их соотечественник Даниэль Резерфорд оказался более предприимчивым и менее медлительным: получив свой «удушливый воздух», он тут же опубликовал открытие и описал методику получения вещества. В результате все современные школьники знают, что азот был открыт Резерфордом, а заслуги талантливых химиков Кавендиша и Пристли, увы, оказались частично преданы забвению.
Что же касается названия элемента, то его предложил француз Антуан Лоран Лавуазье, и этот термин в полной мере отражает суть наблюдений всех трех ученых, которые впервые изучали его свойства. Слово состоит из двух частей: приставки «а», означающей отрицание, и корня слова «зое», которое переводится с греческого как «жизнь». Безжизненный, не дающий жизнь – вот что «азот» значит в смысловом переводе.
Известный ученый и был прав, и ошибался одновременно. Пусть газообразный азот и не поддерживает дыхания, однако он образует множество органических веществ, из которых построены компоненты живых клеток, в первую очередь, молекулы белка. Это определяет абсолютную незаменимость азота для жизни на Земле и делает его одним из главных макроэлементов живой клетки, наряду с кислородом, водородом и углеродом. [7]
Физические и химические свойства
Азот – химический элемент V группы системы Менделеева. Атомный номер – 7, атомная масса – 14,0067. Природный азот составлен из двух стабильных изотопов. [6]
Азот – бесцветный газ, не имеющий запаха.
В воде малорастворим, легче воздуха. Молекулярный азот химически малоактивен. При комнатной температуре взаимодействует только с литием. При нагревании реагирует с кальцием, магнием, титаном. Реакция взаимодействия с водородом проходит под воздействием высоких температур, высокого давления и в присутствии катализатора, с кислородом – при температуре 3000–4000°С.
Наибольшее значение из соединений с водородом имеет аммиак – газ без цвета с характерным запахом нашатырного спирта.
С кислородом азот образует ряд оксидов: закись азота N2O, окись азота NO, диоксид азота NO2, азотистый ангидрид N2O3. [3]
Содержание в природе
Крупные залежи натриевой селитры NaNO3 находятся в Чили на берегу Тихого океана. Это единственное в мире крупное месторождение, содержащее неорганическое соединение азота.
Элемент входит в состав всех живых организмов. Его содержание обнаруживается в каменном угле (1,0–2,5 %), нефти (0,2–1,7 %). Азот не поддерживает дыхание и горение, однако значение азота в жизнедеятельности растений и животных огромно. В белках его содержится до 17 %. Более того, без азотной составляющей белки не существуют. [3]
Круговорот азота в природе
Содержание азота в различных типах почв
На долю органических соединений – белков, аминов, амидов, аминокислот и прочих – приходится 93–95 % почвенного азота. Однако органический азот практически недоступен растениям и становится усваиваемым ими только после минерализации.
Минеральный азот, входящий в состав нитратных и аммиачных форм, накапливается в почве в результате процессов аммонификации и нитрификации, которые осуществляют различные группы микроорганизмов.
Разложение азотистых органических соединений в различных типах почв проходит по единой схеме:
белки → гуминовые вещества → аминокислоты → амиды → аммиак → нитриты → нитраты
Скорость минерализации основного запасного фонда азота – органических веществ почвы – зависит от многих факторов: влажности почвы, температурного режима, кислотности, характера органического вещества. Поэтому количество образующихся минеральных форм азота постоянно пребывает в динамичном состоянии. Максимальное количество накапливается в весенний период, наиболее благоприятный по режиму температуры и влажности для нитрификации. Однако нитраты – подвижные соединения, и они могут вымываться из почвы или подвергаться биологической денитрификации (образованию газообразных форм). В результате почва теряет часть азота.
Валовое содержание азота в почве сильно варьирует и зависит от типа почвы, гранулометрического состава, запасов органики, режима увлажнения и степени окультуренности почвы.
Содержание общего азота тем больше, чем больше содержание гумуса. Кроме того, содержание доступного элемента значительно возрастает при окультуривании почвы.
Дерново-подзолистые почвы
Содержание и запасы азота в метровом слое данных почв суглинистого состава в 2–2,5 раза больше, чем в песчаных. Кроме того, содержание азота снижается в нижележащих горизонтах.
Содержание и запасы азота в дерново-подзолистых почвах, согласно данным: [2]
Глубина взятия образца,
Гумус,
Общий азот,
Запасы общего азота,
Фиксированный аммоний
Среднесуглинистая почва на моренном суглинке
Азот: что это такое и где он используется?
Share via
Share via
Знаете ли вы, что воздух, которым мы дышим, по большей части состоит из азота? Кислород необходим для выживания, однако воздух на 78% состоит из азота, и всего лишь на 21% — из кислорода и незначительного количества других газов. Несмотря на то, что человеческий организм не использует этот азот, он очень полезен в различных промышленных системах. Другими словами, существует неограниченный источник азота, доступный для использования, что позволяет получать азот необходимой чистоты за небольшую долю ваших текущих годовых затрат на азот.
Что такое азот?
Во-первых, это инертный газ. Он не имеет запаха, цвета и не поддерживает жизнь, однако он важен для роста растений и является ключевой добавкой в удобрениях. Его применение распространяется далеко за пределы садоводства. Азот обычно имеет жидкую или газообразную форму (однако также можно получить твердый азот). Жидкий азот используется в качестве хладагента, который способен быстро замораживать продукты и объекты медицинских исследований, а также для репродуктивных технологий. Для пояснения мы остановимся на газообразном азоте.
Азот широко используется, главным образом, по причине того, что он не вступает в реакцию с другими газами, в отличие от кислорода, который является крайне реактивным. Из-за своего химического состава атомам азота требуется больше энергии для разрушения и взаимодействия с другими веществами. С другой стороны, молекулы кислорода легче разрываются, поэтому газ становится гораздо более реактивным. Газообразный азот обладает противоположными свойствами, обеспечивая, при необходимости, инертную среду.
Отсутствие реакционной способности у азота является его самым важным качеством. В результате газ используется для предотвращения медленного и быстрого окисления. Электронная промышленность представляет собой прекрасный пример такого использования, поскольку при производстве печатных плат и других небольших компонентов может возникать медленное окисление в виде коррозии. Кроме того, медленное окисление характерно для производства продуктов питания и напитков, в этом случае азот используется для замещения или замены воздуха, чтобы лучше сохранить конечный продукт. Взрывы и пожары являются хорошим примером быстрого окисления, поскольку для их распространения требуется кислород. Удаление кислорода из резервуара с помощью азота уменьшает вероятность возникновения этих аварий.
Если в системе необходимо использовать азот, то рекомендуется рассмотреть три основных способа получения газа. Первым является аренда резервуара с азотом на месте и подача газа, вторым — использование газообразного азота, поставляемого в баллонах под высоким давлением. Третьим способом является производство собственного азота с использованием сжатого воздуха. Покупка или аренда азота может оказаться очень неудобной, неэффективной и дорогостоящей, поскольку приходится иметь дело со сторонним поставщиком. По этим причинам многие компании отказались от аренды и приняли решение производить свой собственный азот с возможностью контроля количества, чистоты и давления для требуемого применения. Дополнительные преимущества включают стабильную стоимость, отсутствие транспортных расходов или задержек, устранение опасностей, связанных с криогенным хранением, и исключение отходов, вызванных потерями от испарения или возврата баллонов под высоким давлением, которые никогда не опустошаются полностью.
Существует два типа генераторов азота: мембранные генераторы азота, а также генераторы азота PSA (адсорбция при переменном давлении), которые обеспечивают очень высокую чистоту 99,999% или 10 PPM (частей на миллион) и даже выше. Узнайте больше о последнем варианте здесь.
Какие варианты практического применения газообразного азота существуют?
Поскольку азот является инертным газом, он подходит для широкого спектра применений во многих отраслях промышленности. Взгляните на некоторые типичные промышленные применения газообразного азота ниже.
Норма мочевины в биохимическом анализе (UREA)
Мочевина– вещество, которое играет огромную роль в протеиновом обмене веществ. Основным отличием любого белка является наличие в нем большого количества азота как химического элемента. При метаболизме данный азот высвобождается, а из него образуется аммиак – один из самых ядовитых для организма. Образовавшись на периферии, он попадает в печень, где под действием специальных ферментов превращается в менее токсичную мочевину, которая направляется в почки и удаляется с мочой.
UREA – ключевой показатель выделительной способности почек. Если их функция нарушена, то данное соединение не проходит почечный фильтр и задерживается в сосудистом русле. Норма составляет 2,5 – 8,3 ммоль/л. У людей среднего возраста показатель не должен превышать 6,9 – 7,2. Ряд лабораторий выделяют различные верхние границы для мужчин и женщин: 7,1 и 6,8 соответственно.
Нормальные значения могут колебаться в зависимости от:
Рациона питания (богатые белком продукты);
Интенсивности физического труда;
Приема ряда лекарственных препаратов (гормонотерапия).
Превышение может свидетельствовать о:
Почечной патологии (острые воспаления и обострение хронических, связанных с инфекцией, интоксикацией, аутоиммунными заболеваниями);
Дисфункции мочевыделительной системы, связанной с препятствием нормальному оттоку мочи (камни, опухоли мочеточников, мочевого пузыря, уретры);
Системных онкологических процессах (метастазы, опухолевые поражения красного костного мозга);
Тяжелых соматических состояниях (сердечная и дыхательная недостаточность);
Обширные травмы (особенно со сдавлением мышц), ожоги, обморожения, отравления, тяжелые инфекции также приводят к росту концентрации.
Необходимо учитывать, что при всей вышеперечисленной патологии в клинической картине должны присутствовать и другие изменения (характерные симптомы, сдвиги в сопутствующих исследованиях). Изолированное повышение встречается довольно редко и требует повторного определения.
Снижение уровня свидетельствует о нарушениях протеинового и азотистого обмена. Иногда такое состояние является более опасным, нежели высокие цифры. Это связно с заболеванием печени (цирроз, гепатозы, гепатит), которая не способна обезвредить аммиак и перевести его в менее токсичные соединения. Токсин накапливается и оказывает выраженное негативное влияние.
Низкие значения наблюдаются у истощенных больных.
Кровь необходимо сдавать при появлении таких симптомов, как:
Мутная моча или другие примеси;
Дизурические расстройства (частое, болезненное мочеиспускание);
Изменения в общих анализах.
При наличии уже установленного диагноза доктор сам определяет показания к исследованию. Как правило, параллельно определяется уровень креатинина, билирубина и общего белка для всесторонней оценки патологического процесса.