Азот

1.    Загальна інформація

Азот — одна з найпоширеніших речовин у біосфері, вузькій оболонці Землі, де підтримується життя. Так, 79% повітря, яким ми дихаємо, складається з цього елемента. Основна частина атмосферного азоту знаходиться у вільній формі, за якої два атоми азоту з'єднані разом, утворюючи молекулу азоту (N2). Через те, що зв'язки між двома атомами дуже міцні, живі організми не здатні безпосередньо використовувати молекулярний азот — його спочатку необхідно перевести в «зв'язаний» стан. У процесі зв'язування молекули азоту розщеплюються, даючи можливість окремим атомам азоту брати участь у хімічних реакціях з іншими атомами, наприклад з киснем, і таким чином заважаючи їм знову об'єднатися в молекулу азоту. Зв'язок між атомами азоту й іншими атомами досить слабкий, що дозволяє живим організмам засвоювати їх. Тому зв'язування азоту — надзвичайно важлива частина життєвих процесів на нашій планеті. Сполуки азоту також беруть участь у хімічних процесах в атмосфері і впливають на клімат.

2.    Колообіг азоту

Колообіг азоту — геобіохімічний цикл, що описує процес замкнутих взаємопов'язаних шляхів, якими азот циркулює через екосистеми та в земній біосфері.

Біосфера складається з двох сполучених «резервуарів» з азотом — величезного (в ньому знаходиться азот, що міститься в атмосфері (4•1015 тонн) і океанах (20•1012 тонн)) і зовсім маленького (в ньому знаходиться азот, що міститься в живих істотах). Між цими резервуарами є «вузький прохід», в якому азот тим чи іншим способом зв'язується (близько 100 млн тонн щорічно). Азот у формі неорганічних сполук, таких як нітрати у ґрунті, абсорбується рослинами і перетворюється на органічні сполуки у тканинах рослин. Частина цього азоту, яким живляться травоїдні тварини, потрапляє до хижаків, які харчуються травоїдними. У нормальних умовах азот з навколишнього середовища потрапляє через цей прохід в біологічні системи і повертається в навколишнє середовище після загибелі біологічних систем до ґрунту у вигляді екскрементів чи мертвих організмів. Там він під впливом бактерій, переходить у неорганічну форму. Лише 4 млн тонн міститься в тканинах рослин і тварин — усе інше накопичується в розкладаючих мікроорганізмах і врешті-решт повертається в атмосферу. Деякі бактерії, азотфіксатори, здатні фіксувати атмосферний азот.

3.    Роль в промисловості

Основна частина одержуваного в промисловості азоту (більше ¾) застосовується для синтезу аміаку, який потім у значних кількостях переробляється на нітратну кислоту, азотні добрива, вибухові речовини і т. д.

Деякі інші напрямки промислового застосування газоподібного азоту обумовлені його інертними властивостями (зокрема він пожежо- та вибухобезпечний, перешкоджає окисненню, гниттю т.і., і тому наприклад, якщо процес виробництва традиційно проходить з використанням повітря, а окиснення та/або гниття є негативними факторами, то азот успішно може заміщати повітря). Зокрема деякі його застосування:

·        у енергетиці:

·        для продування охолоджувальних частин турбогенераторів ТЕЦ, ГЕС, АЕС та електролізерів від водню і повітря

·        у гірничій справі (наприклад, у вугільній промисловості):

·        для створення в шахтах вибухобезпечного середовища;

·        при дегазації виробіток;

·        для розпирання пластів породи;

·        пожежна безпека житлових, промислових споруд, офісів тощо

·        у нафтогазовій промисловості:

·        при освоєнні свердловин

·        при продуванні резервуарів та трубопроводів (газопроводів, нафтопроводів), для перевірки роботи під тиском, при проведенні ремонтно-відновлювальних робіт, для збільшення вироблення родовищ

·        для забезпечення вибухопожежобезпеки при видобуванні, транспортуванні, зберіганні, переробці природного газу, нафтопродуктів та інших хімічних речовин

·        у електроніці:

·        для наповнення ламп розжарювання, а також інших процесів де присутність кисню не припустима

·        у харчовій промисловості:

·        для тривалого і безвідходного зберігання сільськогосподарської продукції, у тому числі насіння і зерна в регульованих газових середовищах

·        при виробництві олії, жирів

·        як пакувальний газ при пакуванні продуктів (зареєстрований як харчова добавка E941)

·        у пожежогасінні:

·        як безпосередньо речовина для методу азотного пожежогасіння (бо випаровуючись та розширюючись, азот витісняє кисень, необхідний для горіння, що приводить до припинення пожежі, а так як азот, на відміну від води, піни або порошку, просто випаровується і вивітрюється, азотне пожежогасіння — найефективніший з погляду збережуваності цінностей механізм гасіння пожеж)

·        у медицині:

·        (в суміші з киснем) як слабкий наркотик, що викликає стан сп'яніння, ейфорії, притуплення больової чутливості

·        для інгаляційного наркозу

·        інше:

·        для заповнення вільного простору у ртутних термометрах

·        як речовина для активного середовища в азотних лазерах

а також:

·        у фармацевтичній промисловості

·        в машинобудівній промисловості

·        в інших сучасних технологічних процесах, де необхідне застосування інертного та вибухопожежобезпечного середовища.

Оскільки азот має низьку температуру кипіння (77,4 К), то через це зріджений азот застосовується:

·        як холодоагент (наприклад для швидкого заморожування продуктів, для зберігання крові в медицині);

·        для лікування і профілактики в кріотерапії;

·        у кріогеніці, як одна з головних речовин.

Варто зазначити що нітроген входить до широкого класу вибухових речовин, вибуховість сполук якого ґрунтується на тому, що утворення молекули азоту призводить до встановлення дуже міцного потрійного зв'язку, а при цьому вивільняється велика кількість енергії.

Щоб поліпшувати умови вирощування зернових та інших сільськогосподарських культур, в ґрунт вносяться азотовмісні добрива. Нестача азоту часто стримує ріст рослин, і фермери для підвищення врожайності купують штучно зв'язаний азот у вигляді мінеральних добрив.

4.    Роль у метаболічнихпроцесах

Нітроген — один із основних хімічних елементів живої природи. Він входить до складу амінокислот — хімічних блоків, з яких формуються білки, та нуклеотидів — хімічних блоків, з яких формуються нуклеїнові кислоти, таким чином будучи біогенним елементом. У складі живих клітин за кількістю атомів нітрогену близько 2 %, за масовою часткою — приблизно 2,5 % (четверте місце після оксигену, гідрогену та карбону відповідно).

Деякі мікроорганізми, а саме бактерії, що мають фермент нітрогеназу, з допомогою останнього (який відіграє ключову роль) здатні засвоювати (фіксувати) молекулярний азот, таким чином перетворюючи його в сполуки, які далі можуть бути засвоєні іншими організмами (рослинами, тваринами та ін.), що потребують його.

Не всі речовини, до складу яких входить азот, сприяють розвитку рослин. Амінні солі феноксиоцтової і трихлорфеноксиоцтової кислот — гербіциди. Перша пригнічує ріст бур'янів на полях злакових культур, друга застосовується для очищення земель під ріллю — знищує дрібні дерева і чагарники.

У результаті споживання рослинами величезної кількості зв'язаного азоту (особливо при інтенсивному землеробстві) ґрунти стають збідненими на цей хімічний елемент. Дефіцит азоту характерний для землеробства майже всіх країн. Спостерігається дефіцит азоту й у тваринництві (так зване «білкове голодування»). На ґрунтах, бідних доступним азотом, рослини погано розвиваються.

5.    Сполуки

Азот утворює кілька оксидів (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4, N2O5). З них найбільше значення мають монооксид азоту NO і діоксид азоту NO2, оскільки це продукти при виробництві нітратної кислоти. Закис азоту N2O відомий як дурманний газ і використовується для наркозу. Разом із трьома атомами гідрогену атом нітрогену утворює молекулу аміаку NH3. Нітроген утворює нітратну (HNO3) та нітритну (HNO2) кислоти, солі яких називаються, відповідно, нітратами та нітритами. Азот міститься в значних кількостях у всіх живих організмах, в складі амінокислот та ДНК.

6.    Вплив на організм людини

Діоксид азоту - один з найпоширеніших забруднювачів атмосфери на сьогоднішній день, який грає чималу роль в утворенні смогу і кислотних опадів і 90% якого потрапляє у атмосферу в результаті спалювання різних видів палива. Речовина характеризується високою токсичністю. Діоксид азоту в повітрі, навіть перебуваючи у відносно невеликих концентраціях, здатний приводити до істотних змін в організмі людини. Впливає в основному на органи дихальної системи. Залежно від концентрацій спостерігаються різні наслідки - від слабкого подразнення слизових оболонок очей і носа до набряку легенів. Також може призводити до змін складу крові, зокрема, сприяє зменшенню вмісту гемоглобіну.

Навіть якщо концентрація діоксиду азоту буде невисокою, люди здатні відчувати його специфічний запах. Пороговим значенням фіксації газу в повітрі для людини вважається 0,23 мг на куб. метр. Але при вдиханні діоксиду азоту протягом 10 хвилин втрачається здатність відчувати його запах, що говорить про негативний вплив на нюх, що виражається в його ослабленні. При цьому спостерігаються неприємна сухість в горлі і подразнення слизової, які проходять при концентрації, що перевищує порогове значення виявлення в 15 разів. Однак на зміну приходять інші, більш серйозні симптоми, які означають негативний вплив двоокису азоту на органи дихання.

Одним з наслідків комплексного впливу на слизові оболонки є погіршення здібності людини бачити в сутінках. Втрачається можливість пристосування до відсутності світла. Порогова концентрація по зміні світлової чутливості ока становить 0,14 мг на куб. метр. Враховуючи те, що значення нюхового сприйняття майже в два рази вище, можна говорити про здатність газу негативно впливати і при цьому залишатися непоміченим.

При відносно невисоких концентраціях діоксид азоту в атмосфері здатний порушувати дихання. Так, уже при вмісті його в повітрі 0,056 мг на куб. метр у здорової людини спостерігається підвищення опору дихальних шляхів. Згідно з інформацією Всесвітньої Організації Охорони Здоров'я, у людей, які страждають хронічними захворюваннями дихальної системи, дані симптоми спостерігаються вже при вмісті NO2 в повітрі, рівному 0,04 мг на куб. метр. Результатом впливу великих концентрацій оксидів азоту може бути набряк легенів. Це пояснюється наступним. При попаданні в організм і взаємодії з вологою діоксид та оксид азоту утворюють азотисту і азотну кислоти, що роз'їдають стінки альвеол легенів. Вони, як і кровоносні капіляри, стають легко проникними. В результаті сироватка крові потрапляє в порожнину легенів. При вдиханні повітря з рідиною утворюють піну, яка порушує нормальний газообмін, що призводить до виникнення набряку легенів. При тривалому впливі окисів азоту людина стає більш сприйнятливим до патогенів, які викликають хвороби дихальних шляхів. Погіршується опірність легень до бактерій, розширюються альвеоли, клітини в корінцях бронхів, частіше спостерігаються бронхіти, запалення легенів та ін. У людей, що страждають серцево-судинними захворюваннями і хронічними хворобами дихальних шляхів, легше розвиваються ускладнення у разі виникнення короткочасних респіраторних інфекцій, оскільки у них більше розвинена чутливість до прямих впливів такого з'єднання, як діоксид азоту.