Страница 26 из 83
Азот содержится и за пределами земной атмосферы в виде соединений. Английские ученые Бернал и Месси предполагают, что если не на Земле, то на крупных планетах солнечной системы — Уране и Юпитере, в атмосфере которых есть аммиак, может встречаться металлический аммоний, образующий «рудные жилы» в толще планет. В обычных условиях свободный аммоний — аналог калия и натрия по химическим свойствам — не удается получить, он немедленно разлагается на аммиак и водород.
Ученые подсчитали, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, и давлении около 250 тысяч атмосфер металлический аммоний устойчив и равновесие 2NH3 + Н2 ↔ 2NH4 сдвигается вправо. Такие условия существуют на далеких и холодных планетах солнечной системы.
Солнечная атмосфера содержит азот в форме нейтральных и ионизированных атомов; спектральные линии азота обнаружены в кометах и туманностях.
Живые организмы содержат этот элемент в довольно большом количестве: 1–10 процентов от общего веса сухого вещества.
В комнатных условиях азот — бесцветный газ, несколько легче воздуха, без вкуса и запаха.
Мы его не чувствуем, он нам не мешает, но стоит изменить условия, как безобидный газ начинает «показывать зубы».
Водолаз спускается в море, по шлангу ему подают обычный воздух. Уже на глубине нескольких десятков метров он начинает испытывать нечто похожее на легкое опьянение. Во рту ощущается металлический привкус сжатого азота, обуревает беспричинное веселье. Это азотный наркоз, состояние, часто называемое «болезнью глубины». Те, кто смотрел чудесный фильм «В мире безмолвия», помнят, наверное, какое большое самообладание нужно, чтобы не потерять самоконтроля, не ринуться в глубину без оглядки…
Причина здесь такова: давление увеличивает концентрацию азота, растворенного в крови, в жировых и белковых тканях организма.
При медленном подъеме избыток растворенного азота удаляется. Очень важно, чтобы он ушел из организма через легкие, как и попал туда. Но если подъем происходит быстро, азот выделяется в крови в виде пузырьков, не успевая дойти до легких. Эти пузырьки закупоривают капилляры. Тогда организму угрожают сильные боли и даже смерть. В упомянутом фильме показано, как слишком быстро поднявшегося из глубины аквалангиста помещают в герметическую камеру с повышенным давлением внутри на довольно продолжительный срок. Во избежание закупорки сосудов подъем ведется медленно, а обычный воздух заменяют гелиево-кислородной смесью. Гелий — легкий, подвижный газ, он быстро покидает организм.
Если азот охладить до температуры –195,8 °C, он превращается в жидкость, а при –210,5 °C — твердеет. Его получают перегонкой жидкого воздуха.
Жидкий азот используют для замораживания продуктов питания. Продукту делают укол иглой, через которую вливается жидкий азот. Он фильтруется через материал продукта и испаряется, вытесняя весь воздух из контейнера. После этого контейнер герметически закрывают. Его можно доставить любым способом в любую точку земного шара без дополнительного охлаждения. Такой контейнер перевезли из Нью-Йорка на Цейлон: продукты прибыли на место назначения через шесть недель после замораживания в отличном состоянии.
Азот употребляется там, где нужны нейтральный наполнитель или нейтральная среда. Им наполняют электрические лампочки.
Где бензин, всегда возможен пожар. Во избежание взрыва азот используют при перекачке бензина.
В музее ценные картины хранят в цилиндрах, наполненных азотом: воздух может повредить краскам. Известно свидетельство современника о том, что картина Репина «Не ждали» в свое время поражала необыкновенной яркостью и свежестью красок. Время и воздух заставили их потускнеть.
Но это всего лишь несколько примеров употребления азота, и причем не главных. Основная масса добываемого азота идет на получение аммиака.
Кто не знает так называемого нашатырного спирта, жидкости с едким, быстро приводящим в себя запахом? Это не что иное, как раствор аммиака в воде.
Аммиак — водородное соединение азота NH3. Атом азота здесь добирает три недостающих электрона к пяти собственным на внешней электронной оболочке и приобретает структуру инертного газа.
В комнатных условиях аммиак — легкий газ с весьма острым запахом. Он хорошо растворяется в воде; перед нами случай наиболее высокой растворимости одного вещества в другом: 1 кубик ледяной воды поглощает 1176 кубиков аммиака. Вода фонтаном врывается в колбу, наполненную аммиаком. Необыкновенная растворимость аммиака в воде долгое время не позволяла получить этот газ. Только в XVIII веке Пристли выделил аммиак, применив ртутную ванну.
В воздухе всегда есть незначительное количество аммиака: органические вещества, сгнивая, выделяют свой азот в виде аммиака.
В лаборатории аммиак получается действием щелочей на аммонийные соли, а в промышленности — прямым соединением азота и водорода:
N2 + 3Н2 ↔ 2NH3.
Это типично обратимый процесс; ни при каких обстоятельствах он не идет до конца.
В начале столетия химики пытались соединить азот с водородом при помощи высокого давления. Сосуд со смесью этих газов погружали в глубины океана. В 1901 году французский ученый Ле Шателье сконструировал двигатель, в котором азотно-водородная смесь подвергалась давлению до 100 атмосфер. Ученый рассчитывал, что сжатая смесь будет взрываться от электрической искры, обращаясь в аммиак. Опыт не удался: в цилиндр проник воздух, и образовавшаяся гремучая смесь взорвала конструкцию.
Потребовались годы для изучения этой, казалось бы, простой химической реакции.
В 1910 году стало ясно, что успех невозможен без привлечения двух могущественных факторов: температуры и давления. Ученые рассчитали, что максимальный выход аммиака получается при наиболее высоком давлении и наиболее низкой температуре процесса.
Давление можно увеличить до очень больших значений, но температура… Если вести процесс при высокой температуре, выход аммиака ничтожно мал, а если ее снизить до предела, скорость реакции оказывается очень небольшой.
Таким образом, ученые и технологи оказались между Сциллой и Харибдой. Своеобразным голубем, позволившим преодолеть эти препятствия, оказался катализатор — третий мощный фактор.
Что же такое катализатор?
Это вещество, изменяющее скорость химической реакции. Катализатор участвует в реакции, но по ее окончании восстанавливается в первоначальном виде. Большинство химических реакций в природе, в лаборатории, в цехах идет с участием катализатора. Все многообразие каталитических процессов можно свести к двум случаям: катализа гомогенного и гетерогенного. Гомогенный, иначе однородный, катализ имеет место, когда и реагирующие вещества и катализатор находятся в одном и том же физическом состоянии, то есть все они являются или газами, или находятся в растворе. Гетерогенный катализ наблюдается, когда в реакции участвуют неоднородные вещества, скажем газ и твердое тело. Примером такого катализа может служить синтез аммиака.
В чем заключается действие катализатора?
Не просто ответить на этот вопрос. Явление катализа изучено еще далеко не полностью. У исследователей есть различные точки зрения. Здесь мы изложим самую простую и общепринятую. Но прежде чем говорить об изменении скорости химической реакции, надо сказать о том, что же это такое.
Скорость химической реакции характеризуется изменением концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Например, попробуйте поджечь обыкновенное стальное перо на воздухе. Это не так просто сделать, даже используя газовую горелку. В крайнем случае вам удастся раскалить его докрасна. А стоит только опустить нагретое перо в банку с кислородом, как оно загорится, разбрасывая искры. Концентрация кислорода в банке в пять раз выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому и скорость взаимодействия железа с кислородом резко возрастает.