Азот

Азот составляет 78 % атмосферы по объёму, и при этом большинство организмов не могут им воспользоваться. Причина — в молекуле N₂: три связи между атомами делают её одной из самых прочных в химии, и чтобы её разорвать, нужны либо особые ферменты, либо жёсткие промышленные условия.

Этот разрыв между изобилием и недоступностью определил и историю сельского хозяйства, и одну из самых важных промышленных реакций XX века.

Главный резервуар — атмосфера. В земной коре азота мало, и почти весь он сосредоточен в немногочисленных месторождениях нитратов; крупнейшие находятся в чилийской пустыне Атакама, где селитра сохранилась благодаря отсутствию дождей.

В живом веществе азот входит в аминокислоты, а значит во все белки, и в азотистые основания нуклеиновых кислот. Без азота нет ни белка, ни ДНК.

В 1772 году Даниэль Резерфорд удалил из воздуха кислород и углекислый газ и описал остаток как газ, в котором не горит свеча и гибнет мышь. Он назвал его «вредным воздухом».

Лавуазье дал элементу название azote — «безжизненный», и в русский язык вошло именно оно. В большинстве европейских языков закрепилось другое название, nitrogenium, «рождающий селитру», — отсюда символ N.

Азот проявляет степени окисления от −3 до +5, то есть охватывает почти весь возможный диапазон, и этим объясняется разнообразие его соединений: от аммиака NH₃ до азотной кислоты HNO₃.

При обычных условиях N₂ настолько инертен, что его используют как защитную атмосферу — при сварке, при хранении пищевых продуктов, в шинах самолётов. При нагревании и высоком давлении, в присутствии катализатора, он всё же соединяется с водородом.

Эта реакция — процесс Габера — Боша, разработанный в начале XX века, — связывает атмосферный азот в аммиак. С неё начинается производство минеральных удобрений, и по оценкам сегодня примерно половина азота в белках человечества прошла через этот процесс. У той же реакции есть и обратная сторона: она же дала сырьё для взрывчатых веществ.

Аммиак и азотная кислота — основа производства удобрений. Жидкий азот, кипящий при 77 K, служит дешёвым хладагентом в медицине и в лабораториях. Газообразный азот применяют там, где нужна инертная среда.

Избыток азотных удобрений создаёт отдельную экологическую проблему: смытые в водоёмы нитраты вызывают бурное развитие водорослей, после гибели которых вода теряет кислород.

Азотфиксирующие бактерии — единственные организмы, способные разрывать тройную связь N₂ при обычной температуре. Они делают это с помощью фермента нитрогеназы; некоторые живут в клубеньках на корнях бобовых, чем и объясняется давняя практика севооборота с горохом и клевером.

Дальше азот проходит по цепи: растения строят из него аминокислоты, животные получают их с пищей, а разлагающие бактерии в итоге возвращают азот в атмосферу.