Азотна биология

азот (Латински Азот ) е химичен елемент с атомно число 7 и символа на елемента N. Той произлиза от латинското име нитрогений ab (от древногръцки νιτρον нитрон "Лужна сол" и γενος генос "Произход"). Германското име азот напомня, че молекулярният азот гаси („задушава“) пламъците или че живите същества се задушават в чист азот. В периодичната система е в петата основна група или азотна група и във втория период.

азотна

Елементарният азот се среща само под формата на двуатомни молекули (молекулен азот, също динитроген, емпирична формула N2); със 78% това е основният компонент на въздуха. В земната кора рядко се среща неорганично свързан азот; значителна е само в находищата на селитра.

В хода на еволюцията се е развил азотен цикъл в екосистемата: Като компонент на протеини и много други природни вещества, азотът е от съществено значение за живите същества, които го свързват органично и го правят бионаличен в енергоемък процес (фиксиране на азот). Това се случва например ензимно върху желязо-сярна клъстер, който е кофактор на ензима нитрогеназа.

история

Химичните съединения на азота, като нитрати и амониеви соли, вече са били използвани от алхимиците. През 1771 г. Карл Вилхелм Шееле демонстрира, че азотът е компонент на въздуха. Амонякът е изобразен за първи път от Джоузеф Пристли през 1774 година. До началото на 20-ти век селитрата беше единственият основен източник на азотни съединения. Въвеждането на процеса на Франк Каро (производство на калциев цианамид според Адолф Франк и Никодем Каро) направи за първи път използваем атмосферен азот. Процесът Birkeland-Eyde, според Kristian Birkeland и Sam Eyde, е бил използван за получаване на азотна киселина. Тези процеси скоро бяха заменени от процеса на Хабер-Бош, разработен от Фриц Хабер и Карл Бош за синтеза на амоняк от атмосферния азот и водород и каталитичния процес на Оствалд, разработен от Вилхелм Оствалд за превръщане на амоняк в азотна киселина.

Естествено възникване и цикъл на азот

Още през 19 век беше признато, че голяма част от растителните вещества съдържа азот и е важен компонент на всички живи същества. Той е същественият елемент на протеините и протеидите (протеинови вещества) и ДНК. Следователно азотът също е компонент на всички ензими, които контролират метаболизма в растенията, животните и човека. Азотът е от съществено значение за живота на земята.

Азот във въздуха

Земната атмосфера се състои от 78,09 об.% (75,53 тегл.%) Молекулен азот. Само малък брой микроорганизми могат да го използват, да го включат в своето телесно вещество или дори да го дадат на растенията. Доколкото е известно, растенията не могат да използват газообразния азот във въздуха директно. Превръщането във форма, която може да се използва от растенията, се осъществява чрез

Азот в почвата

В обработваемата горна част (хоризонт), повече от 95% от общия азот обикновено се намира като органично свързан азот в жива коренова материя, мъртва растителна материя, хумусна материя и почвени организми. Останалата част от по-малко от 5% е неорганичен азот под формата на амоний или нитрат и много малко количество под формата на нитрит. Това съдържание на минерален азот се определя през пролетта преди оплождането по метода Nmin. Общото съдържание на азот в почвите силно зависи от тяхното съдържание на въглерод. Той се влияе от климата и растителността, вида на почвата, формата на терена и мерките, предприети от фермера, като обработка на почвата.

Азот в растенията

Задачи в завода

Азотът се вгражда в продуктите за фотосинтеза, за да произвежда, наред с други неща, протеини и по този начин насърчава растежа. Азотът е от голямо значение като основен компонент на дезоксирибонуклеиновата киселина и хлорофила. В зависимост от вида, делът на сухото вещество е 2–6%, или средно 1,5%. [8] Азотът обикновено се абсорбира под формата на амониеви или нитратни соли.

Симптоми на дефицит

  • лош ръст
  • бледозелен цвят на листата. Възрастните хора стават хлоротични и падат преждевременно.
  • цъфти твърде рано (аварийно цъфтеж)
  • Пожълтяване

Излишни симптоми

  • Растеж на мастиг
  • Листата тъмнозелени
  • Забавен цъфтеж
  • Растение, податливо на замръзване и болести
  • Листната тъкан изглежда гъбеста и мека

Извличане и представяне

Днес азотът се получава предимно чрез фракционна дестилация на втечнен въздух в инсталациите за разделяне на въздуха по метода Linde с чистота до 99,99999%. Азотът с примеси под 1 ppb изисква допълнителни етапи на пречистване. Съществува биологичен метод с използване на оризови разсад за отстраняване на останалия кислород.

Азотът със степен на чистота приблизително 99% се получава много по-рентабилно чрез многоетапна адсорбция/десорбция върху зеолити. Друг метод за децентрализирано производство на азот е мембранният процес. Сгъстеният въздух се пресова през пластмасова мембрана при налягане от 5 до 13 бара. Скоростта на дифузия на азот и аргон през тази мембрана е значително по-бавна от тази на кислорода, водата и въглеродния диоксид, което означава, че газовият поток от вътрешната страна на мембраната е обогатен с азот. Чистотата на азота може да се контролира чрез регулиране на дебита (до 99,995% за малки количества, 99% за индустриални стандарти.)

Донякъде старомоден метод е свързването на кислорода във въздуха с въглища чрез нагряване и след това измиване на образувания въглероден диоксид. Атмосферният кислород може да бъде отстранен и чрез преминаване на въздуха върху светеща мед или алкален разтвор на пирогалол или натриев дитионит.

В лабораторията чист азот може да се получи чрез нагряване на воден разтвор на амониев нитрит или разтвор на смес от амониев хлорид/натриев нитрит до около 70 ° C:

Като алтернатива е възможна термолиза на натриев азид, който се използва за получаване на спектроскопски чист азот. [9]

характеристики

Физически свойства

Молекулярният азот е газ без цвят, без мирис и вкус, който се кондензира до безцветна течност при ниски температури (-196 ° C). Азотът е слабо разтворим във вода (23,2 ml азот в 1 l вода при 0 ° C) и не е запалим. Азотът е единственият елемент от азотната група, който образува (p-p) π-връзки със себе си. [10] Атомното разстояние на тази тройна връзка е 109,8 pm.

В газова разрядна спектрална тръба молекулните орбитали на азота се възбуждат да светят при отрицателно налягане от около 5-10 mBar, когато работят с високо напрежение 1,8 kV, ток 18 mA и честота 35 kHz. Когато йонизираните газови молекули се рекомбинират, се излъчва характерният цветен спектър. [11]

Критичните данни са [12]: температура -146,95 ° C (126.20 K), налягане 33,9 бара, плътност 0,314 g/cm 3 .

Азотът за предпочитане образува ковалентни връзки в неговите съединения. В 2s 2 p 3 електронната конфигурация, образуването на три ковалентности води до завършване на октет. Връзките, при които възниква този тип връзка, са например:

  • амоняк
  • Амини
  • Хидразин
  • Хидроксиламин

Всички тези съединения имат тригонална пирамидална структура и уединена двойка електрони. Чрез тази самотна двойка електрони тези съединения могат да действат като нуклеофили и като основи.

Естественият молекулярен азот N2 е много инертен поради стабилната тройна връзка, присъстваща в азотната молекула и свързаната с нея висока дисоциационна енергия на връзката от 942 kJ/mol [13]. Следователно обикновено е необходима много енергия, за да се прекъсне тази връзка и да се свърже азотът с други елементи. Необходимата енергия за активиране също е висока и може да бъде намалена, ако е необходимо, като се използват подходящи катализатори.

Полимерен азот

В публикация през август 2004 г. изследователи от Института по химия на Макс Планк в Майнц обявиха, че под налягане от над 110 GPa при температура над 2000 K те произвеждат нова кристална форма, т.нар. полимерен азот с единични връзки. Тази модификация има уникална кубична структура, наречена „кубичен гауш“ структура. Поради високата нестабилност възможните употреби са ограничени, но човек може да си представи полимерния азот например като взривно устройство или устройство за съхранение на енергия. Тогава полиазотът би бил най-мощният неядрен експлозив. [14]

Изотопи

В допълнение към двата естествени изотопа 14 N и 15 N има изкуствени изотопи с масови числа от 12 до 19. Техният полуживот е между 9,97 минути и 11 милисекунди.

Изотопът 15 N е открит от Naude (1929) и използван няколко години по-късно от Norman и Werkman (1943) при първите полеви тестове. Дори и днес изотопът се използва по подобен начин за биохимични изследвания на промяната на азота в обработваемата почва или в растенията, но също и като индикатор за превръщането на протеините. Естествената концентрация от 15 N в атмосферата е 0,3663%.

15 N може да се обогати като другите изотопи на газообразни вещества, например чрез термично дифузионно разделяне.

използване

Азотни съединения

Азотът се използва за синтез на амоняк (процес на Хабер-Бош) и калциев цианамид и при химични реакции. Освен това азотните съединения намират разнообразни приложения в областта на органичната химия и служат като торове.

Много експлозиви са азотни съединения. Повечето от тях са нитро съединения. Ако в молекулата има достатъчно нитро групи, кислородните атоми на нитросъединението могат да реагират екзотермично с въглеродните или водородните атоми в същата молекула, ако има достатъчно възбуждане и твърдото вещество или течността (например нитроглицерин) внезапно се превръща в високотемпературен газ което се разширява с голяма сила. Така експлозивите са в метастабилно състояние. В случай на няколко нитро групи има само бързо и непълно изгаряне (например целулоид (топка за тенис на маса)).

Азотен газ

Азотът се използва за пълнене на самолети за гуми на големи самолети. Чистият азот не позволява на самолетите да се запалят отвътре поради голямата топлина, генерирана при докосване по време на кацане или по време на излитане. Вижте: самолетни гуми.

Азотът се използва като защитен газ по време на заваряване и като газ за пълнене на лампата. Тук са важни инертните свойства на азота. Като гориво за газ, опаковъчен газ, газ за разбиване на сметана и други подобни, той е одобрен като хранителна добавка Е 941 [15].

Азотът се използва в системите за дозиране на напитки, когато поради структурни условия (дълъг тръбопровод, голяма разлика във височината) е необходимо високо налягане за дозиране. Тук азотът се използва заедно с въглеродния диоксид като смесен газ. Тъй като азотът не се разтваря в напитката, можете също да почуквате при по-високо налягане, без твърде много образуване на пяна или карбонизация.

Спорното пълнене на автомобилни гуми с азот е разгледано в статията Гуми за газ тематизирани.

Течен азот

Поради ниската си точка на кипене течният азот (LN) се използва като охлаждаща среда в криогениката. Азотът премахва топлината си на изпарение от стоките, които трябва да се охладят, и ги държи студени, докато те се изпарят.

В сравнение с течния кислород, който кипи при -183 ° C (90 K), точката на кипене на LN е с още 13 K по-ниска, кипи при -196 ° C (77 K) и води до кондензация на атмосферен кислород и други газове върху тях Пътят може да бъде разделен.

Течният азот (плътност 0,8085 kg/L при -195,8 ° C [12]) се използва, наред с други неща, за създаване на свръхпроводящо състояние във високотемпературни свръхпроводници. Използва се също за съхранение на биологични и медицински проби, яйчни клетки и сперматозоиди, както и за шоково замразяване на биологичен материал. Един пример е охлаждането на инфрачервените фотоприемници, за да се намали топлинният им шум или да се доведат на първо място до полупроводниково състояние.

В гражданското строителство се използва за замразяване на земята.

В областта на технологията на материалите течният азот се използва за отстраняване на остатъчния аустенит в определени закалени стомани или за изкуствено състаряване на материалите чрез „замразяване“. LN се използва и за напр. Б. Да се ​​свият трансмисионните валове, така че прикрепените зъбни колела да се държат за вала с пресоване.

При рециклиране на кабели изолационният материал става крехък, когато се охлажда с течен азот и може да бъде отчупен от метала (алуминий или мед).

В Германия "погребването с азот" (прогресия) все още е забранено. Като алтернатива на крематорско погребение (кремация), трупът се замразява във вана с течен азот при -196 ° C. След това втвърденият труп се смила на прах. Той се суши във вакуумна камера и остатъците, които са обработени по този начин, се погребват в биоразградима урна. Традиционно дървено погребение на ковчега се извършва около 2 м дълбочина; процесът на разлагане тук - за разлика от азотните погребения - отнема няколко години.
Шведският биолог Susanne Wiigh-Mäsak работи по пилотен проект за този нов тип погребение.

Потребителите на азот често получават азот като течен азот в термос, подобно на термос, вместо в газови бутилки под налягане. Тези контейнери са известни като dewars. За тази цел течният азот се пълни от двустенни камиони-цистерни.

Химическа реакция

Кога Азотация Това е химична реакция, при която реагентът абсорбира азота.

Типичен пример за азотиране е появата на калциев цианамид:

доказателство

Азотът, който присъства в органично свързана форма, може да се определи качествено с помощта на пробата на Lassaigne и количествено чрез определяне на азот съгласно Will-Varrentrapp, азотното определяне на Kjeldahl, азотометър или елементарен анализ. За неорганично свързан азот кръстосаното съвпадение за амониеви йони или пръстеновидният тест за нитратни йони се провеждат като реакции на откриване. За провеждане на пръстеновидния тест разтворът на пробата (сярна киселина, без тежки метали) се смесва с разтвор на пресен железен (II) сулфат и се подплаща с концентрирана сярна киселина. На границата между двете течности нитратните йони се редуцират до азотен монооксид (NO). Във воден разтвор този радикал образува кафяв комплекс с други железни йони, който става видим като „пръстен“ на фазовата граница в епруветката:

$ \ mathrm + NO_3 ^ - + 4 \ H ^ + \ longrightarrow 3 \ Fe ^ + NO + 2 \ H_2O> $ редокс реакция

$ \ mathrm + NO + 5 \ H_2O \ longrightarrow [Fe (H_2O) _5NO] ^> $ реакция на образуване на комплекс

връзки

Съединения, съдържащи азот: