Кіріспе
Азот – химиялық элемент, символы N, атомдық нөмірі 7. Азот – металл емес және периодтық кестедегі 15-топтың ең жеңіл мүшесі, көбінесе пниктогендер деп аталады. Ол ғаламда кең таралған элемент, Көкжол мен Күн жүйесіндегі жалпы мөлшері бойынша жетінші орында тұрады. Стандартты температура мен қысымда элементтің екі атомы бірігіп, түссіз және иіссіз N2 газын құрайды. N2 Жер атмосферасының шамамен 78% құрайды, сондықтан ол ауадағы ең көп кездесетін біріктірілмеген элемент болып табылады. Азот қосылыстарының ұшпақтығына байланысты, азот жердің қатты қабаттарында сирек кездеседі. Оны алғаш рет 1772 жылы шотланд дәрігері Дэниел Резерфорд, ал шамамен сол кезде Карл Вильгельм Шеле мен Генри Кавендиш тәуелсіз түрде ашты. 1790 жылы француз химигі Жан Антуан Клод Шапталь азоттың азот қышқылы мен нитраттарда кездесетіні анықталғаннан кейін «нитроген» деген атауды ұсынды. Антуан Лавуазье оның орнына «азот» атауын ұсынды, себебі ол өмірге қауіпті газ; бұл атау көптеген тілдерде қолданылады және гидразин, азидтер және азотты қосылыстар сияқты азот қосылыстарының кейбір ағылшын тіліндегі атауларында кездеседі. Элементарлық азот әдетте ауадан қысымды ауыстыру арқылы адсорбциялау технологиясымен өндіріледі. Коммерциялық өндірістегі элементарлық азоттың шамамен 2/3 бөлігі азық-түлік қаптамасы сияқты коммерциялық мақсаттар үшін инертті (оттегісіз) газ ретінде қолданылады, ал қалғаны криогендік қолданыстарда сұйық азот ретінде пайдаланылады. Аммиак, азот қышқылы, органикалық нитраттар (үрдістеуші заттар мен жарылғыш заттар) және цианидтер сияқты көптеген өнеркәсіптік маңызды қосылыстар азотты қамтиды. Элементарлық азоттағы өте күшті үштік байланыс (N≡N), көміртек оксидінен (CO) кейінгі кез келген диатомдық молекуладағы екінші ең күшті байланыс, азот химиясына үстемдік етеді. Бұл организмдер мен өнеркәсіп үшін N2-ні пайдалы қосылыстарға айналдыруды қиындатады, бірақ сонымен бірге азоттық қосылыстарды жағу, жарылу немесе ыдырату азот газын бөліп шығарып, көбінесе пайдалы энергияны бөліп шығарады. Синтетикалық аммиак пен нитраттар – өнеркәсіптік тыңайтқыштардың негізгі бөлігі, ал тыңайтқыш нитраттары су жүйелерінің эвтрофикациясындағы маңызды ластаушы заттар болып табылады. Азотты тыңайтқыштар мен энергия сақтаудан басқа, азот жоғары беріктікті маталарда қолданылатын арамидтер және суперклейде қолданылатын цианоакрилат сияқты әртүрлі органикалық қосылыстардың құрамына кіреді. Азот барлық тірі организмдерде, негізінен аминқышқылында (сонымен қатар ақуыздарда), нуклеин қышқылында (ДНК және РНК) және энергияны тасымалдаушы молекула аденозин трифосфатында кездеседі. Адам денесінің массасының шамамен 3% азоттан тұрады, бұл оттегі, көміртек және сутектен кейін денедегі төртінші ең көп кездесетін элемент. Азот айналымы элементтің ауадан биосфераға және органикалық қосылыстарға, содан кейін атмосфераға қозғалуын сипаттайды. Азот барлық негізгі фармакологиялық препараттардың құрамына кіреді, оның ішінде антибиотиктер де бар. Көптеген препараттар табиғи азотты қамтитын сигнал молекулаларының имитациясы немесе пропрепараттары болып табылады: мысалы, органикалық нитраттар нитроглицерин және нитропруссид азот оксидіне айналу арқылы қан қысымын реттейді. Көптеген азотты қамтитын препараттар, мысалы табиғи кофеин мен морфин немесе синтетикалық амфетаминдер жануарлардың нейротрансмиттерлерінің рецепторларына әсер етеді.
Тарих
Азот қосылыстарының тарихы өте ұзақ, аммоний хлориді Геродотқа дейін белгілі болған. Олар орта ғасырларда жақсы танымал болды. Алхимиктер азот қышқылын аква фортис (күшті су) деп, сондай-ақ аммиак тұздары мен нитрат тұздары сияқты басқа азот қосылыстарын білген. Азот және хлор қышқылдарының қоспасы "акварегия" (патшалық су) деп аталды, ол металдардың патшасы – алтынды еріту қабілетімен танымал болды. Ол оны мүлдем басқа химиялық зат ретінде танымаса да, оны Джозеф Блэктің "тұрақты ауасынан" немесе көмірқышқыл газынан анық ажыратты. Ратерфордқа жануды қолдамайтын ауаның құрамы бар екені анық болды, бірақ ол оның элемент екенін білмеді. Азотты сонымен қатар Карл Вильгельм Шеле, Генри Кавендиш және Джозеф Пристли зерттеген, оны "күйген ауа" немесе "флогистикалық ауа" деп атады. Француз химигі Антуан Лавуазье азот газын "мефиттік ауа" немесе азот деп атады, грекше άζωτικός (azotikos) сөзі "өмірсіз" дегенді білдіреді, себебі ол тұншықтырады. Таза азот атмосферасында жануарлар өліп, оттар сөндірілді. Лавуазье есімі ағылшын тілінде қабылданбағанымен, оттегінен басқа барлық газдар тұншықтыратын немесе уытты екені атап көрсетілгендіктен, ол көптеген тілдерде қолданылады (француз, итальян, португал, поляк, орыс, албан, түрік және т.б.; неміс тіліндегі Stickstoff та осы сипаттамаға сілтеме жасайды, атап айтқанда, ersticken – "тұншықтыру немесе өлімге жеткізу") және әлі күнге дейін ағылшын тілінде көптеген азот қосылыстарының атауларында қолданылады, мысалы гидразин және азид ионының қосылыстары. Соңында, азот тобының бастауындағы элементтерге "пиктигендер" деген атау берілді, грекше πνίγειν – "тұншықтыру" сөзінен алынған. Ағылшын тіліндегі "азот" сөзі (1794) француз тілінен келген, ол 1790 жылы француз химигі Жан Антуан Шапталь (1756–1832) тарапынан ойлап табылды, француз тіліндегі nitre (калий нитраты, сондай-ақ тұздық деп те аталады) және француз тіліндегі gène жұмылды, "өндіру" дегенді білдіреді, грекше γενής (genes, "туылған"). Шаптальдің мақсаты азоттың азот қышқылының құрамдас бөлігі екенін көрсету болды, ал азот қышқылы өз кезегінде нитрден өндіріледі. Бұрын нитр египеттік "натронмен" (натрий карбонаты) шатастырылған, грек тілінде νίτρον (нитрон) деп аталған, атымен ғана емес, құрамында нитрат болмаған. Азот қосылыстарының алғашқы әскери, өнеркәсіптік және ауыл шаруашылығындағы қолданылуы тұздықтан (натрий нитраты немесе калий нитраты) жасалған, ең алдымен оқ-дәріде, ал кейіннен тыңайтқыш ретінде қолданылды. 1910 жылы Лорд Рейли азот газындағы электр разряды "активті азотты" – азоттың моноатомдық аллотропын тудыратынын анықтады. Оның аппаратының "жарқыраған сары түсті бұлты" сынаппен әрекеттесіп, жарылғыш сынап нитридін жасады. Ұзақ уақыт бойы азот қосылыстарының көздері шектеулі болды. Табиғи көздер биологиялық процестерден немесе атмосфералық реакциялардың нәтижесінде пайда болған нитраттардан шықты. Франк-Каро процесі (1895–1899) және Хабер-Бош процесі (1908–1913) сияқты өнеркәсіптік процестер арқылы азотты бекіту азот қосылыстарының тапшылығын азайтты, сондықтан бүгінде әлемдік азық-түлік өндірісінің жартысы синтетикалық азот тыңайтқыштарына тәуелді. Сонымен қатар, Оствальд процесін (1902) пайдалану арқылы өнеркәсіптік азотты бекітуден нитраттарды өндіру 20 ғасырдың дүниежүзілік соғыстарында жарылғыш заттарды өндіру үшін нитраттарды өнеркәсіптік ауқымда өндіруге мүмкіндік берді.
Изотоптар
Азоттың екі тұрақты изотопы бар: 14N және 15N. Біріншісі әлдеқайда көп таралған, ол табиғи азоттың 99,634% құрайды, ал екіншісі (біршама ауыр) қалған 0,366% құрайды. Бұл шамамен 14,007 у атомдық салмағына әкеледі. Бұл екі тұрақты изотоп та жұлдыздардағы CNO циклында пайда болады, бірақ 14N көбірек таралған, өйткені оның протонды түсіруі жылдамдық шектеуші қадам болып табылады. 14N - тұрақты, тақ-тақ нуклидтердің бірі (протон мен нейтронның саны тақ болатын нуклид); қалған төртеуі - 2H, 6Li, 10B және 180mTa. 14N және 15N-нің салыстырмалы мөлшері атмосферада іс жүзінде тұрақты, бірақ биологиялық тотығу-тотықсыздану реакцияларынан және табиғи аммиак немесе азот қышқылының булануынан туындаған табиғи изотоптық фракцияланудан басқа жерлерде өзгеруі мүмкін. Биологиялық реакциялар (мысалы, ассимиляция, нитрификация және денитрификация) топырақтағы азот динамикасын күшті бақылайды. Бұл реакциялар әдетте субстраттың 15N байыуына және өнімнің кемуіне әкеледі. 15N ауыр изотобын алғаш рет С. М. Наду 1929 жылы ашты, ал жақын маңдағы оттегі мен көміртек элементтерінің ауыр изотоптары көп ұзамай табылды. Ол барлық изотоптардың ең төмен термиялық нейтронды ұстау қималарының бірі болып табылады. Ол азотты қамтитын молекулалардың құрылымын анықтау үшін ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясында жиі қолданылады, себебі оның жартылай ядролық спинінің фракциясы, яғни, тар желілік ені сияқты ЯМР үшін артықшылықтар береді. 14N, теориялық тұрғыдан да қолдануға болатын болса да, толық ядролық спині бірге тең және осылайша төртполюстік моменті бар, бұл кең және пайдалы емес спектрлерге әкеледі. Бұл 15N-ді химиялық алмасу немесе фракциялық дистилляция арқылы изотоптық байыту арқылы біршама жеңілдетуге болады. 15N байытылған қосылыстар стандартты жағдайларда атмосфералық азотпен өздерінің азот атомдарын химиялық алмастырмайды, сутек, көміртек және оттегі изотоптарымен белгіленген қосылыстардан айырмашылығы бар, оларды атмосферадан алыс ұстау қажет. Синтетикалық жолмен өндірілген 9N-ден 23N-ге дейінгі он үш басқа изотоптың ішінде 13N-нің жартылай ыдырау мерзімі он минут, ал қалған изотоптардың жартылай ыдырау мерзімі сегіз секундтан кем. Жартылай ыдырау мерзіміне байланысты 13N - ең маңызды азот радиоизотобы, позитрондық эмиссиялық томографияда (ПЭТ) қолдануға жеткілікті ұзақ өмір сүреді, бірақ оның жартылай ыдырау мерзімі әлі де қысқа, сондықтан оны ПЭТ орындарында, мысалы циклотронда, 13N және альфа бөлшекті өндіретін 16O протондық бомбалау арқылы өндіру керек. 16N радиоизотобы - қалыпты жұмыс кезінде қысымдағы су реакторларының немесе қайнаған су реакторларының салқындатқыш сұйықтығында басым радионуклид. Ол 16O-дан (суда) (n,p) реакциясы арқылы жасалады, онда 16O атомы нейтронды ұстап алады және протонды шығарады. Оның жартылай жойылу мерзімі 7,1 секундқа жуық. Осыған байланысты реактордың қуатты жұмыс істеуі кезінде қысымдағы су реакторындағы негізгі салқындатқыш құбырларына кіруді шектеу керек. Атомдық азоттың үлкен реактивтілігін ескере отырып, элементтік азот әдетте молекулалық N2, динитроген түрінде кездеседі. Бұл молекула стандартты жағдайда түссіз, иіссіз және дәмсіз диамагниттік газ болып табылады: ол -210 °C-та еріді және -196 °C-та қайнайды. Басқа азот олигомерлері мен полимерлері болуы мүмкін. Егер оларды синтездеу мүмкін болса, онда оларды энергия тығыздығы өте жоғары материалдар ретінде қолдануға болады, олар қуатты қозғалтқыш немесе жарылғыш ретінде пайдаланылуы мүмкін. Айтпақшы, алмаздық кабель жасушасында өндірілгендей, өте жоғары қысымда (1,1 млн. атм) және жоғары температурада (2000 К) азот полимерленіп, бір буынды кубтық гауша кристалды құрылымына айналады. Бұл құрылым алмасқа ұқсас және екеуінде де өте күшті ковалентті байланыстар бар, сондықтан оны "азотты алмас" деген лақап атпен атайды. Атмосфералық қысымда молекулалық азот 77 К (−195,79 °C) температурада конденсацияланады (сұйықталады) және 63 К (−210,01 °C) температурада бета-алты бұрышты, тығыз буланған кристаллл аллотроп түріне айналады. 35,4 К (−237,6 °C) төмендегі азот кубикалық кристалл аллотроптық түрін алады (альфа фазасы деп аталады). Сұйық азот, суға ұқсайтын, бірақ тығыздығының 80,8% -ы бар (сұйық азоттың қайнау нүктесіндегі тығыздығы 0,808 г/мл) түссүз сұйықтық, ол кең таралған криоген. Қатты азоттың көптеген кристалдық модификациялары бар. Ол Плутон мен Күн жүйесінің сыртқы серіктері, мысалы Тритонның бетін жабады. Тіпті қатты азоттың төмен температурасында да ол өте ұшқыр және сублимацияланып атмосфераны құрайды немесе азот мұзына конденсацияланады. Ол өте жұмсақ және мұздықтар түрінде ағады, ал Тритонда азот газының гейзерлері полюстік мұз қабатынан шығады.
Қолданбалар
Азот қосылыстарының қолданысы өте кең және алуан түрлі, себебі олардың класы өте үлкен. Сондықтан, мұнда тек таза азоттың қолданысы қарастырылады. Өнеркәсіпте өндірілетін азоттың үштен екісі (2/3) газ ретінде, ал қалған үштен бірі (1/3) сұйық ретінде сатылады.
Газ
Газ көбінесе ауадағы оттегі өрт, жарылыс немесе тотығу қаупін тудыратын жағдайларда қауіпсіз атмосфера ретінде қолданылады. Мысалдардың кейбірі:
Қыздыру шамдарында аргонға арзан балама ретінде. Ақпараттық технология (АТ) жабдықтарындағы өрт сөндіру жүйелерінде. Болатты азотпен оттықтап беру арқылы қаттыландыруда. Кейбір ұшақтардың отын жүйелерінде өрт қаупін азайту үшін (инерттеу жүйесін қараңыз). Жарыс машиналарын және ұшақтардың дөңгелектерін азотпен толтыру, табиғи ауадағы ылғал мен оттегінің салдарынан болатын дөңгелектің біркелкісіз кеңеюі мен тарылуының алдын алу. Азотты кейбір сыралардың, әсіресе стауттар мен британдық эльдің бөтелкелерін қысымдату үшін көмірқышқыл газымен алмастыруға немесе онымен бірге қолдануға болады, себебі ол шығаратын кішкентай көпіршіктер сыраны тегіс әрі көбікті етеді. "Виджет" деп белгілі қысымға сезімтал азот капсуласы азотпен толтырылған сыраларды банкалар мен бөтелкелерге құюға мүмкіндік береді. Азот баллондары сонымен қатар бояу доптары үшін негізгі қуат көзі ретінде көмірқышқыл газын ығыстырып шығаруда. Азотты CO2-ге қарағанда жоғары қысымда сақтау қажет, бұл N2 баллондарын ауыр әрі қымбат етеді.
In incandescent light bulbs as an inexpensive alternative to argon. In fire suppression systems for Information technology (IT) equipment. In the case hardening of steel by nitriding. In some aircraft fuel systems to reduce fire hazard (see inerting system). To inflate race car and aircraft tires, reducing the problems of inconsistent expansion and contraction caused by moisture and oxygen in natural air. Nitrogen can be used as a replacement, or in combination with, carbon dioxide to pressurise kegs of some beers, particularly stouts and British ales, due to the smaller bubbles it produces, which makes the dispensed beer smoother and headier. A pressure sensitive nitrogen capsule known commonly as a "widget" allows nitrogen charged beers to be packaged in cans and bottles. Nitrogen tanks are also replacing carbon dioxide as the main power source for paintball guns. Nitrogen must be kept at a higher pressure than CO2, making N2 tanks heavier and more expensive.
Жабдық
Кейбір құрылыс жабдықтары гидравликалық жүйенің қуатын арттыру үшін, мысалы, гидравликалық балға сияқты құрылғыларға қосымша күш беру мақсатында қысыммен азот газын қолданады. Азот газы, натрий азидінің ыдырауынан пайда болады және қауіпсіздік жастықшаларын (airbag) толтыру үшін қолданылады.
Сұйық
Сұйық азот – суға ұқсайтын криогенді сұйықтық. Тиісті контейнерлерде, мысалы, девар колбаларында оқшауланған кезде, оны тасымалдау және сақтау кезінде буланудан болатын шығындар төмен болады. Құрғақ мұз сияқты, сұйық азоттың негізгі қолданысы – төмен температураға дейін салқындату. Ол қан және репродуктивті жасушалар (сперма мен жұмыртқалар) сияқты биологиялық материалдарды криоконсервациялауда қолданылады. Ол криотерапияда терідегі кисталар мен шешектерді мұздату арқылы жою үшін пайдаланылады. Зертханалық суық тұзақтарында және вакуумдық жүйелерде төмен қысым алу үшін криопомпаларда қолданылады. Ол инфрақызыл және рентгендік детекторлар сияқты жылуға сезімтал электрониканы салқындату үшін қолданылады. Басқа қолданыстар: бөлме температурасында жұмсақ немесе резеңке материалдарды ұнтақтау және өңдеу, инженерлік компоненттерді қысқару және құрастыру, және қажет болған жағдайда өте төмен температураға жету. Азық-түліктерді салқындату, малға таңба басу, клапандар болмағанда ағынды тоқтату үшін құбырларды тоңазыту, және жер астындағы қазба жұмыстары жүргізілген кезде тоңазыту арқылы тұрақсыз топырақты нығайту сияқты, төмен температуралар міндетті түрде қажет болмаған жағдайларда да сұйық азотты суыту үшін жиі қолданады. 1981 жылдың 19 наурызында алғашқы ғарыш шаттлының ұшырылуына аз уақыт қалғанда, екі техник отқа қарсы сақтандыру шарасы ретінде таза азотпен қысымдалған ғарыш шаттлының жылжымалы ұшыру платформасындағы кеңістікке кіргеннен кейін ауа жетіспеуден қайтыс болды. Жоғары жартылай қысымда (шамамен 4 бардан жоғары, шамамен 30 метр тереңдікте суға батқанда кездеседі) тыныс алғанда азот анестетик ретінде әрекет етеді, азот наркозын тудырады – бұл азот тотығының улануына ұқсас уақытша психикалық бұзылу күйі. Азот қан мен дене майларында ериді. Жедел декомпрессия (мысалы, дайверлер тым жылдам көтерілгенде немесе астронавттар кабиналық қысымнан скафандрлық қысымға тым жылдам декомпрессия жасағанда) қан ағынында, жүйкелерде, буындарда және басқа да сезімтал немесе маңызды аймақтарда азот көпіршіктерінің пайда болуына алып келуі мүмкін, бұл декомпрессиялық ауру (бұрынғысы кейсон ауруы немесе «бұрылыстар» деп белгілі) деп аталады, және ол өлімге әкелуі мүмкін. Басқа «инертті» газдардан (көмірқышқыл газы мен оттегіден басқа газдар) шығатын көпіршіктер де сондай әсер етеді, сондықтан тыныс алу газдарында азотты алмастыру азот наркозын болдырмауы мүмкін, бірақ декомпрессиялық ауруды болдырмайды.
Сұйық
Сұйық азот криогендік сұйықтық ретінде қауіпті болуы мүмкін, себебі ол тікелей тигенде суықтан күйдіруге (ауырсынуға) шақыруы мүмкін, бірақ Лейденфрост эффектісі өте қысқа мерзімге (шамамен бір секундқа) қорғаныс береді. Сұйық азотты ішке жұту ішкі органдарға ауыр зақым келтіруі мүмкін. Мысалы, 2012 жылы Англиядағы бір әйел сұйық азот қосылған коктейльді ішкеннен кейін оның асқазанын алып тастауға тура келді. Азоттың сұйықтан газға дейінгі кеңею қатынасы 20 °C-та 1:694 болғандықтан, егер сұйық азот жабық кеңістікте жылдам буланса, зор күш пайда болуы мүмкін. 2006 жылдың 12 қаңтарында Техас A&M университетінде сұйық азот резервуарының қысымды төмендету құрылғылары істен шығып, кейіннен жабылып қалды. Соңынан қысымның артуына байланысты резервуар күйреп кетті. Жарылыстың күші резервуарды тікелей үстіндегі төбеден өткізіп жіберуге, төмендегі нығайтылған бетон бағананы сындыруға және зертхана қабырғаларын 0,1–0,2 м қашықтыққа итеруге жеткілікті болды. Сұйық азот тез буланып, газдай азотқа айналады, сондықтан газдай азотқа қатысты қолданылатын сақтық шаралары сұйық азотқа да қатысты. Мысалы, сұйық азотпен жұмыс істегенде, жұмысшыларды газдың жабық кеңістікке төгілуі туралы ескерту үшін кейде оттегі сенсорлары қауіпсіздік шарасы ретінде қолданылады. Сұйық азотты сақтау ыдыстары ауадан оттекті конденсациялай алады. Мұндай ыдыстағы сұйықтық азоттың булануымен оттегіге қанығуы мүмкін (қайнау температурасы -183 °C, азоттан жоғары), бұл органикалық материалдың күшті тотығуына әкелуі мүмкін.
Қысқылтегін бақылау құрылғылары
Қысқылтегінің жетіспеуін бақылайтын құрылғылар жабық кеңістіктерде, сондай-ақ азот газы немесе сұйығы сақталатын немесе қолданылатын кез келген жерде оттегі деңгейін өлшеу үшін қолданылады. Азоттың сырқырауы және оттегінің алдын ала белгіленген дабыл деңгейінен төмендеуі жағдайында, оттегінің жетіспеуін бақылайтын құрылғы дыбыстық және көру дабылдарымен жұмыс істеуге бағдарламаланып, қауіптің алдын алу туралы хабарлауды қамтамасыз етеді. Көбінесе, персоналды ескерту үшін оттегі деңгейі 19,5%-дан төмен түскенде дабыл беріледі. OSHA қауіпті атмосфераға оттегінің концентрациясы 19,5%-дан төмен немесе 23,5%-дан жоғары жағдайларды жатқызады. Оттегінің жетіспеуін бақылайтын құрылғылар қабырғаға орнатылып, ғимараттың электр желісіне тікелей қосылатын немесе электр розеткасына қосылатын, сондай-ақ портативті, қолмен ұсталатын немесе кигізілетін түрде болуы мүмкін.