Таблица Менделеева. Элементы уже близко - Аркадий Искандерович Курамшин
Приручить азот, точнее использовать в качестве сырья для производства азотсодержащих удобрений и азотной кислоты, удалось только в ХХ веке. «На бумаге» задача решалась легко – заставляем азот воздуха реагировать с кислородом воздуха же, получаем оксиды азота, которые превращаем в кислоту или нитраты, но на практике ходить приходилось по огромным и крутым «оврагам» – заставить азот реагировать с кислородом удавалось только в лаборатории и только при температуре не менее 3000 °С, что, естественно, не могло стать основой для промышленного производства. Причина столь большой инертности азота – в чрезвычайно прочной тройной связи между атомами в двухатомной молекуле N2 (до сих пор в лабораторной практике для создания инертной атмосферы можно использовать не только инертный газ аргон, но и азот).
В начале 1900-х годов химические технологи первоначально пошли путём Кавендиша и заменили нагрев электрическим разрядом. В 1903 году норвежские ученые Кристиан Олаф Бернхард Биркеланд и Самуэль Эйде сконструировали электрическую печь для промышленного получения азотной кислоты и нитрата кальция (который с тех пор стал называться «норвежской селитрой») из воздуха. Метод, получивший название «метода Биркеланда – Эйде», требует больших затрат и может применяться только при условии наличия дешёвой электроэнергии (например, приливной, геотермальной и т.д.) и в настоящее время практически не имеет промышленного значения.
Разработать же применяющийся сейчас способ связывания атмосферного азота удалось немецким ученым Фрицу Габеру и Карлу Бошу, которые вместо того, чтобы и дальше штурмовать идущую с поглощением реакцию горения азота в кислороде, нашли обходный манёвр. Этим маневром стала протекающая с выделением теплоты равновесная реакция азота с водородом, приводящая к образованию аммиака, который затем и сжигают с образованием оксидов азота. Процесс связывания азота по Габеру – Бошу дешевле, чем метод Биркеланда – Эйде, но и в этом случае расходы энергии колоссальны – на связывание азота в аммиак ежегодно тратится около 1% всей энергии, вырабатываемой человечеством. Большей частью все эти кило– и мегаватты тратятся на сжатие и нагрев азото-водородной смеси, необходимой для того, чтобы направить равновесие туда, куда надо. В 1918 году Фриц Габер получил Нобелевскую премию по химии, что тут же вызвало негодование многих учёных, особенно являющихся гражданами стран, воевавших с Германией во время Великой войны. Причина этого в том, что Габер не только создал условия для ведения современного сельского хозяйства с химическими удобрениями, но и стал автором концепции химической войны – первая газобалонная атака кайзеровской армии на франко-бельгийские позиции 22 апреля 1915 года проходила под непосредственным руководством будущего Нобелевского лауреата.
Полученный по методу Габера аммиак может стать аммиачной селитрой, которую можно применять и как удобрение, и как материал для бомб-самоделок – связывание азота действительно может использоваться двояко. А вот процесс, в результате которого молекулярный азот выделяется, используется для спасения жизней. В системе, управляющей подушками безопасности в автомобиле, имеются емкости с азидом натрия (NaN3 – восстановитель) и нитратом калия (KNO3 – окислитель). При аварии эти вещества смешиваются и вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется большой объем азота, надувающего подушку безопасности, тем самым сохраняя жизнь и здоровье тем, кто находится в автомобиле.
8. Кислород
Первая революция на нашей планете началась очень давно, а её плодами мы пользуемся до сих пор, точнее, она создала нас с вами.
На рубеже архея и протерозоя 2,2–2,6 миллиарда лет назад произошло глобальное изменение состава атмосферы Земли, которое называют «Великим кислородным событием» или «Кислородной революцией». 2,8 миллиарда лет назад появились цианобактерии, которые освоили новый способ преобразования солнечной энергии в химическую – активируемую солнечным светом комбинацию углекислого газа и воды, побочным продуктом которой был кислород (фотосинтез, то есть превращение солнечной энергии в химическую, существовал и ранее, но в фотосинтетических процессах, свойственных более эволюционно древним организмам, кислород не выделялся). Выделяющийся при фотосинтезе цианобактерий кислород, токсичный для многих организмов той эпохи, стал менять ландшафт нашей планеты – окислять восстанавливающие компоненты атмосферы и земной коры. В какой-то момент содержание кислорода в атмосфере резко возросло, газовая оболочка Земли превратилась из восстанавливающей в окисляющую, простейшие организмы, для которых кислород был ядом, вымерли или оказались в бескислородных «резервациях» биосферы – анаэробных карманах. Существование больших количеств молекулярного кислорода в атмосфере Земли привело к образованию озонового слоя, позволившего живым организмам существенно расширить области своего обитания, и привело к распространению дающего большее количество энергии кислородного дыхания. Началась эра кислорододышащих или аэробных форм жизни, эволюция которых привела к появлению в том числе и человека.
Сейчас наша атмосфера содержит около 21% кислорода (по объёму) или 23% (по массе), но кислород не только в воздухе, которым мы дышим. Если говорить о кислороде как о химическом элементе, а не о молекуле О2, он третий по распространённости элемент во Вселенной (после водорода и гелия) – он является основным продуктом термоядерного синтеза в массивных звёздах-гигантах. В земной коре кислород – самый распространённый элемент, земные скальные породы содержат до 46% по массе, главным образом, в форме диоксида кремния. Большая часть металлов, которые мы добываем, содержится в земной коре в форме оксидов – бокситные руды алюминия, железняки и т.д. Одно из самых важных соединений кислорода – вода, колыбель жизни, любая биологически активная молекула в нашем организме: белки, нуклеиновые кислоты, сахара и жиры – содержит кислород.
Благодаря кислороду работают не только живые системы. Кислород (и воздух, его содержащий) – самый распространённый и доступный окислитель в химической промышленности. Его применяют для окисления углеводородов в спирты, альдегиды в органические кислоты. В металлургии кислород применяется для обжига сульфидных руд и для удаления углерода из чугуна и переплавки чугуна в сталь. Кислород-ацетиленовая горелка может достигать температуры до 2000 °С и применяться как для резки, так и для сварки металлов. Использовавший в качестве топлива водород, а в качестве окислителя кислород жидкостный ракетный двигатель РД-0120 применялся в качестве двигателя второй ступени ракеты-носителя «Энергия», доставившей на орбиту советский
