Biologia azotului

azot (Latin Azot ) este un element chimic cu numărul atomic 7 și simbolul elementului N. Este derivat din numele latin azotiu ab (din greaca veche νιτρον nitronă „Sare de leșie” și γενος genuri "Origine"). Numele german azot amintește că azotul molecular stinge („sufocă”) flăcările sau că ființele vii se sufocă în azot pur. În tabelul periodic se află în al cincilea grup principal sau în grupul azot și în a doua perioadă.

este utilizat

Azotul elementar apare doar sub formă de molecule diatomice (azot molecular, de asemenea dinitrogen, formula moleculară N2); cu 78% este componenta principală a aerului. Azotul legat anorganic se găsește rar în scoarța terestră; are importanță doar în zăcămintele de salpetru.

În cursul evoluției, s-a dezvoltat un ciclu de azot în ecosistem: Ca componentă a proteinelor și a multor alte substanțe naturale, azotul este esențial pentru ființele vii care îl leagă organic și îl fac biodisponibil într-un proces intensiv în energie (fixarea azotului). Acest lucru se întâmplă, de exemplu, enzimatic pe un grup fier-sulf, care este un cofactor al enzimei azotază.

poveste

Compușii chimici ai azotului, cum ar fi nitrații și sărurile de amoniu, au fost deja folosiți de alchimiști. În 1771, Carl Wilhelm Scheele a identificat azotul ca fiind o componentă a aerului. Amoniacul a fost portretizat pentru prima dată de Joseph Priestley în 1774. Până la începutul secolului al XX-lea, salpetrul era singura sursă majoră de compuși de azot. Introducerea procesului Frank Caro (producția de cianamidă de calciu conform lui Adolph Frank și Nikodem Caro) a făcut ca azotul atmosferic să poată fi utilizat pentru prima dată. Procesul Birkeland-Eyde, potrivit lui Kristian Birkeland și Sam Eyde, a fost utilizat pentru obținerea acidului azotic. Aceste procese au fost în curând înlocuite de procesul Haber-Bosch dezvoltat de Fritz Haber și Carl Bosch pentru sinteza amoniacului din azot și hidrogen atmosferic și procesul catalitic Ostwald dezvoltat de Wilhelm Ostwald pentru transformarea amoniacului în acid azotic.

Apariția naturală și ciclul azotului

Încă din secolul al XIX-lea s-a recunoscut că o mare parte a materiei vegetale conține azot și este o componentă importantă a tuturor ființelor vii. Este elementul esențial al proteinelor și proteidelor (substanțelor proteice) și al ADN-ului. Prin urmare, azotul este, de asemenea, o componentă a tuturor enzimelor care controlează metabolismul plantelor, animalelor și al omului. Azotul este esențial pentru viața de pe pământ.

Azot în aer

Atmosfera terestră este formată din 78,09 vol% (75,53% din greutate) de azot molecular. Doar un număr mic de microorganisme îl pot folosi, încorpora în substanța lor corporală sau chiar să-l dea plantelor. Din câte se știe, plantele nu pot utiliza azotul gazos din aer direct. Conversia într-o formă care poate fi utilizată de plante are loc prin

Azot în sol

În vârful arabil (orizont A), mai mult de 95% din azotul total este de obicei prezent ca azot legat organic în substanța rădăcină vie, în materia plantelor moarte, în materia humusului și în organismele solului. Restul de mai puțin de 5% este azot anorganic sub formă de amoniu sau azotat și o cantitate foarte mică sub formă de azotat. Acest conținut de azot mineral este determinat primăvara înainte de fertilizare utilizând metoda Nmin. Conținutul total de azot al solurilor este puternic dependent de conținutul lor de carbon. Este influențat de climă și vegetație, de tipul de sol, de forma terenului și de măsurile luate de fermier, cum ar fi prelucrarea solului.

Azotul din plante

Sarcini în plantă

Azotul este încorporat în produsele de fotosinteză pentru a produce proteine, printre altele, și astfel favorizează creșterea. Azotul are o mare importanță ca componentă esențială a acidului dezoxiribonucleic și a clorofilei. În funcție de specie, proporția de substanță uscată este de 2-6%, sau o medie de 1,5%. [8] Azotul este de obicei absorbit sub formă de săruri de amoniu sau nitrați.

Simptome de carență

  • slaba statură
  • culoarea verde pal a frunzelor. Vârstnicii devin clorotici și cad prematur.
  • înflorire prea devreme (înflorire de urgență)
  • Îngălbenirea

Simptome în exces

  • Creșterea mastigului
  • Frunze verde închis
  • Întârzierea înfloririi
  • Planta susceptibilă la îngheț și boli
  • Țesutul frunzelor apare spongios și moale

Extragerea și prezentarea

Astăzi, azotul se obține în principal prin distilarea fracționată a aerului lichefiat în instalațiile de separare a aerului utilizând procesul Linde cu o puritate de până la 99,99999%. Azotul cu impurități sub 1 ppb necesită etape de purificare suplimentare. Există o metodă biologică care utilizează răsaduri de orez pentru a elimina oxigenul rămas.

Azotul cu un grad de puritate de aproximativ 99% se obține mult mai rentabil prin adsorbție/desorbție în mai multe etape pe zeoliți. O altă metodă pentru producția descentralizată de azot este procesul de membrană. Aerul comprimat este presat printr-o membrană de plastic la o presiune de 5 până la 13 bari. Rata de difuzie a azotului și a argonului prin această membrană este semnificativ mai lentă decât cea a oxigenului, a apei și a dioxidului de carbon, ceea ce înseamnă că fluxul de gaz din interiorul membranei este îmbogățit cu azot. Puritatea azotului poate fi controlată prin ajustarea debitului (până la 99,995% pentru cantități mici, 99% pentru standardele industriale.)

O metodă oarecum de modă veche este legarea oxigenului din aer de carbon în timp ce îl încălzești și apoi spălarea dioxidului de carbon care s-a format. Oxigenul atmosferic poate fi, de asemenea, îndepărtat prin trecerea aerului peste cupru strălucitor sau o soluție alcalină de pirogalol sau de ditionită de sodiu.

În laborator, azotul pur poate fi produs prin încălzirea unei soluții apoase de nitrit de amoniu sau a unei soluții de amestec de clorură de amoniu/nitrit de sodiu la aproximativ 70 ° C:

Alternativ, este posibilă o termoliză a azidei de sodiu, care este utilizată pentru a produce azot spectroscopic pur. [9]

caracteristici

Proprietăți fizice

Azotul molecular este un gaz incolor, inodor și fără gust care se condensează la un lichid incolor la temperaturi scăzute (-196 ° C). Azotul este puțin solubil în apă (23,2 ml azot în 1 l apă la 0 ° C) și nu este inflamabil. Azotul este singurul element al grupului de azot care formează (p-p) legături π cu el însuși. [10] Distanța atomică a acestei triple legături este de 109,8 pm.

Într-un tub spectral de descărcare a gazului, orbitalele moleculare ale azotului sunt excitate să strălucească la o presiune negativă de aproximativ 5-10 mbar atunci când sunt acționate cu tensiune înaltă de 1,8 kV, 18 mA curent și o frecvență de 35 kHz. Când moleculele de gaz ionizat sunt recombinate, se emite spectrul de culoare caracteristic. [11]

Datele critice sunt [12]: temperatura −146.95 ° C (126.20 K), presiunea 33.9 bar, densitatea 0.314 g/cm 3 .

Azotul formează preferabil legături covalente în compușii săi. În configurația electronică 2s 2 p 3, formarea a trei covalențe duce la completarea octetului. Conexiunile în care apare acest tip de legătură sunt, de exemplu:

  • amoniac
  • Amine
  • Hidrazină
  • Hidroxilamina

Toți acești compuși au o structură piramidală trigonală și o pereche solitară de electroni. Acești compuși pot acționa ca nucleofili și baze prin intermediul acestei perechi izolate de electroni.

Dinitrogenul molecular N2 natural apare foarte inert datorită legăturii triple stabile prezente în molecula de azot și a energiei de disociere a legăturii ridicate de 942 kJ/mol [13]. Prin urmare, este nevoie, de obicei, de multă energie pentru a rupe această legătură și pentru a lega azotul de alte elemente. Energia de activare necesară este, de asemenea, ridicată și poate fi opțional redusă folosind catalizatori adecvați.

Azot polimeric

Într-o publicație din august 2004, cercetătorii de la Institutul de chimie Max Planck din Mainz au anunțat că sub presiuni de peste 110 GPa la o temperatură de peste 2000 K au creat o nouă formă cristalină, așa-numita azot polimeric cu legături simple. Această modificare are o structură cubică unică numită structura „cubic gauche”. Datorită instabilității ridicate, utilizările posibile sunt limitate, dar se poate imagina azotul polimeric ca un dispozitiv exploziv sau de stocare a energiei, de exemplu. Azotul poli ar fi de departe cel mai puternic exploziv non-nuclear. [14]

Izotopi

În plus față de cei doi izotopi naturali 14 N și 15 N, există izotopi artificiali cu numere de masă de la 12 la 19. Timpul de înjumătățire este între 9,97 minute și 11 milisecunde.

Izotopul 15 N a fost descoperit de Naude (1929) și folosit câțiva ani mai târziu de Norman și Werkman (1943) în primele teste de teren. Chiar și astăzi, izotopul este utilizat în mod similar pentru studiile biochimice ale modificării azotului în sol arabil sau în plante, dar și ca indicator pentru conversia proteinelor. Concentrația naturală de 15 N în atmosferă este de 0,3663%.

15 N poate fi îmbogățit ca alți izotopi ai substanțelor gazoase, de exemplu prin separarea prin difuzie termică.

utilizare

Compuși de azot

Azotul este utilizat pentru sinteza amoniacului (procesul Haber-Bosch) și a cianamidei de calciu și în reacțiile chimice. În plus, compușii azotului găsesc o varietate de aplicații în domeniul chimiei organice și servesc drept îngrășăminte.

Mulți explozivi sunt compuși de azot. Majoritatea sunt compuși nitro. Dacă există suficiente grupe nitro în moleculă, atomii de oxigen ai compusului nitro pot reacționa exoterm cu atomii de carbon sau de hidrogen din aceeași moleculă dacă există suficientă excitație, iar solidul sau lichidul (de exemplu nitroglicerina) devine brusc un gaz la temperaturi ridicate, care se extinde cu mare forță. Deci, explozivii sunt într-o stare metastabilă. În cazul câtorva grupuri nitro, există doar o combustie rapidă și incompletă (de exemplu, celuloid (minge de tenis de masă)).

Gaz azotat

Azotul este utilizat pentru umplerea anvelopelor aeronavelor de pe avioanele mari. Azotul pur previne ca anvelopele aeronavelor să ia foc din interior datorită căldurii mari generate la atingerea în timpul aterizării sau în timpul decolării. A se vedea: anvelope pentru aeronave.

Azotul este utilizat ca gaz de protecție în timpul sudării și ca gaz de umplere a lămpii. Proprietățile inerte ale azotului sunt importante aici. Ca gaz propulsor, gaz de ambalare, gaz pentru smântână și altele asemenea, este aprobat ca aditiv alimentar E 941 [15].

Azotul este utilizat în sistemele de distribuire a băuturilor atunci când, din cauza condițiilor structurale (traseul lung al conductei, diferența mare de înălțime), este necesară o presiune ridicată de distribuire. Azotul este utilizat aici împreună cu dioxidul de carbon ca gaz mixt. Deoarece azotul nu se dizolvă în băutură, puteți, de asemenea, să atingeți la presiuni mai mari fără formarea prea mare de spumă sau carbonizare.

Umplerea controversată a anvelopelor auto cu azot este discutată în articol Gaz anvelope tematizat.

Nitrogen lichid

Datorită punctului său de fierbere scăzut, azotul lichid (LN) este utilizat ca mediu de răcire în criogenie. Azotul își îndepărtează căldura de evaporare din mărfurile care urmează să fie răcite și le menține la rece până se evaporă.

Comparativ cu oxigenul lichid, care fierbe la -183 ° C (90 K), punctul de fierbere al LN este cu încă 13 K mai mic, fierbe la -196 ° C (77 K) și determină condensarea oxigenului atmosferic și a altor gaze pe ele. Calea poate fi separată.

Azotul lichid (densitate 0,8085 kg/L la -195,8 ° C [12]) este utilizat, printre altele, pentru a crea starea supraconductoare a supraconductoarelor la temperatură înaltă. Este, de asemenea, utilizat pentru depozitarea probelor biologice și medicale, a celulelor de ou și a spermei, precum și pentru înghețarea șocului materialului biologic. Un exemplu este răcirea receptoarelor foto cu infraroșu pentru a reduce zgomotul termic sau pentru a le aduce în primul rând într-o stare semiconductoare.

În ingineria civilă este folosit pentru a îngheța pământul.

În domeniul tehnologiei materialelor, azotul lichid este utilizat pentru a elimina austenita reziduală din anumite oțeluri întărite sau pentru a îmbătrâni artificial materialele prin „înghețare”. LN este, de asemenea, folosit pentru, de ex. B. Pentru a micșora arborii de transmisie, astfel încât angrenajele atașate să se țină de arbore cu o fixare prin presare.

La reciclarea cablurilor, materialul izolant devine fragil atunci când este răcit cu azot lichid și poate fi scos de metal (aluminiu sau cupru).

În Germania, „înmormântarea cu azot” (promisiune) este încă interzisă. Ca alternativă la înmormântarea incinerării (incinerare), cadavrul este înghețat într-o baie de azot lichid la -196 ° C. Cadavrul solidificat este apoi măcinat într-o pulbere. Acesta este uscat într-o cameră de vid și resturile care au fost prelucrate în acest mod sunt îngropate într-o urnă biodegradabilă. O înmormântare tradițională a sicriului din lemn are loc la o adâncime de aproximativ 2 m; procesul de descompunere de aici - spre deosebire de înmormântările cu azot - durează câțiva ani.
Biologa suedeză Susanne Wiigh-Mäsak lucrează la un proiect pilot pentru acest nou tip de înmormântare.

Consumatorii de azot primesc adesea azotul ca azot lichid în recipiente termos similare cu o sticlă termos în loc de sticle de gaz sub presiune. Aceste containere sunt cunoscute sub numele de dewars. În acest scop, azotul lichid este umplut din camioane cisternă cu pereți dubli.

Reactie chimica

Cand Azotare Aceasta este o reacție chimică în care un reactant absoarbe azotul.

Un exemplu tipic de azotizare este apariția cianamidei de calciu:

dovada

Azotul, care este prezent sub formă legată organic, poate fi determinat calitativ prin eșantionul lui Lassaigne și cantitativ prin determinarea azotului conform Will-Varrentrapp, determinarea azotului Kjeldahl, printr-un azotometru sau o analiză elementară. Pentru azotul legat anorganic, potrivirea încrucișată pentru ioni de amoniu sau testul inelar pentru ioni de azot se efectuează ca reacții de detecție. Pentru efectuarea testului inelar, soluția eșantionului (acid sulfuric, fără metale grele) este amestecată cu soluție proaspătă de sulfat de fier (II) și acoperită cu acid sulfuric concentrat. La interfața dintre cele două lichide, ionii nitrați sunt reduși la monoxid de azot (NO). În soluție apoasă, acest radical formează un complex maro cu alți ioni de fier, care devine vizibil ca un "inel" la limita fazei din eprubetă:

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

$ \ mathrm + NO + 5 \ H_2O \ longrightarrow [Fe (H_2O) _5NO] ^> $ reacție de formare complexă

link-uri

Compuși care conțin azot: