Азот в атмосфере Земли¶
Азот — химический элемент 15-й группы пятого периода периодической таблицы Менделеева, обозначение N, атомный номер 7. В свободном виде он составляет основную часть земной атмосферы: молекулярный азот (N₂) занимает около 78,08 % объёма сухого воздуха по данным Всемирной метеорологической организации. Второй по распространённости компонент — кислород (O₂), на который приходится около 20,95 %. Остальные газы (аргон, углекислый газ, неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон и другие) составляют менее 1 %.
¶Физические и химические свойства азота
Азот в атмосфере существует преимущественно в виде двухатомной молекулы N₂. Молекулярный азот — бесцветный газ без запаха и вкуса, при нормальных условиях малоактивный: тройная связь N≡N отличается высокой энергией (945 кДж/моль), что делает молекулу устойчивой. Плотность азота примерно на 3 % ниже плотности воздуха, поэтому в верхних слоях тропосферы его доля несколько выше, чем у поверхности, хотя в пределах нижней атмосферы состав считается практически однородным.
Критические параметры азота: температура −146,9 °C, давление 3,39 МПа. При охлаждении до −195,8 °C при атмосферном давлении азот переходит в жидкое состояние; дальнейшее охлаждение до −210 °C приводит к твёрдой фазе. Эти свойства используются в промышленном производстве жидкого азота.
¶Происхождение атмосферного азота
Современная атмосфера сформировалась в результате длительной геологической эволюции. Ранняя атмосфера Земли (гейтосфера) была лишена свободного кислорода и содержала преимущественно CO₂, N₂, метан и аммиак. Свободный азот постепенно накапливался: он выделялся при вулканической деятельности и разложении аммиака под действием ультрафиолетового излучения. После появления фотосинтеза кислород начал вытеснять восстановленные формы азота, и к концу протерозоя азот стал доминирующим компонентом.
Основным долговременным «поглотителем» азота остаётся биосфера: азотфиксация (биологическое и физико-химическое превращение N₂ в соединения, доступные живым организмам) уравновешивает его поступление из мантии и атмосферных реакций. Основные азотфиксирующие организмы — бактерии рода Rhizobium в симбиозе с бобовыми, а также цианобактерии.
¶Роль азота в атмосфере
Азот выполняет несколько функций в атмосферной физике и химии:
- Разбавление кислорода. Высокая концентрация O₂ сделала бы пожары неуправляемыми, а органические молекулы — нестабильными. Азот снижает горючесть воздуха.
- Участие в атмосферных реакциях. При молниях и разрядах азот соединяется с кислородом с образованием оксидов азота (NO, NO₂), которые затем превращаются в азотную кислоту и осаждаются с осадками. Этот процесс — естественный источник азотных удобрений.
- Влияние на акустические свойства. Скорость звука в азоте выше, чем в кислороде, и зависит от средней молекулярной массы газа. Именно состав воздуха определяет стандартную скорость звука — около 343 м/с при 20 °C.
- Участие в озоновом слое. Оксиды азота катализируют разрушение озоновых молекул, что учитывается при оценке влияния сверхзвуковой авиации и других источников выбросов.
¶Азот в других планетных атмосферах
Азот — не только земной газ. На Титане, крупнейшем спутнике Сатурна, атмосфера почти целиком состоит из азота (около 95–98 %), что делает его единственным телом Солнечной системы, помимо Земли, с азотно-доминирующей атмосферой. На Венере азот занимает второе место (около 3,5 %) после углекислого газа, на Марсе — около 2,7 %.
¶Получение азота из воздуха
Промышленное производство азота основано на разделении воздуха. Основные методы:
- Криогенная перегонка. Воздух сжижается, а затем фракционно перегоняется: азот (−195,8 °C) отделяется от кислорода (−183 °C) и аргона (−185,8 °C).
- Адсорбция с переменным давлением (PSA). Воздух пропускается через цеолитные молекулярные сита, поглощающие кислород и водяной пар.
- Мембранный метод. Газовая смесь проходит через полимерные мембраны, проницаемые для кислорода и воды; азот проходит дальше в обогащённом виде.
Получаемый азот используется в пищевой промышленности (упаковка продуктов), электронике (защитная атмосфера при пайке), металлургии, медицине (криотерапия), а также для создания инертной среды при транспортировке и хранении.
¶История открытия
Свободный азот в воздухе впервые выделил в 1772 году шотландский химик Дэниел Резерфорд, назвавший газ «фиксированным азотным воздухом» или «мазучистым воздухом». Одновременно с ним азот получали Жан-Пьер Озен и Генри Кавендиш. Антуан Лавуазье ввёл название «азот» (от греч. ἄζωτος — «не поддерживающий жизни»); в англоязычной традиции используется термин «нитроген» (от нитратов).
История открытия азотфиксирующих бактерий связана с работами Сергея Виноградского (1893), описавшего хемосинтез, и Мартина Бейеринка, выделившего Rhizobium в чистую культуру.
История открытия азота, свойства азота, атмосфера Земли, азотфиксация, разделение воздуха, Дэниел Резерфорд, Титан, озоновый слой, криогенная перегонка воздуха, Rhizobium