Парадоксальный тривиальный азот
Доктор химических наук Александр Рулёв, Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского СО РАН
Азот — один из самых парадоксальных химических элементов таблицы Д. И. Менделеева.
Парадокс первый. Азот возглавляет 15-ю группу химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева — группу пниктогенов. Парадокс в том, что азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут были открыты значительно раньше элементов соседних 16-й и 17-й групп, но долго не имели общего названия. Ещё в 1811 году немецкий химик Иоганн Кристиан Швейгер предложил называть хлор (другие элементы 17-й группы тогда ещё не были известны) галогеном, что в переводе с греческого означает «солерод». После открытия фтора, брома и иода это название стало групповым. А в 1932 году его соотечественник Вернер Фишер объединил элементы 16-й группы единым термином халькогены («рождающие руду»). Вероятно, термин «пниктогены» предложил в начале шестидесятых годов прошлого века голландский химик Антон Эдвард ван Аркель. Как-то во время одной из дискуссий он обратил внимание коллег на то, что семейство азота до сих пор остаётся без группового названия. Результатом дискуссии стало рождение нового слова «пниктогены» (в переводе с древнегреческого «удушающий»). Интересно, что сам ван Аркель никогда не использовал его в своих статьях или книгах. Международный союз чистой и прикладной химии IUPAC лишь в 2005 году утвердил термины «пниктоген» и «пниктиды» для обозначения элементов 15-й группы и их соединений с менее электроотрицательными элементами.
Парадокс второй. Во второй половине XVIII века открытие азота в прямом и переносном смысле витало в воздухе. Возможно, именно поэтому однозначно назвать имя его первооткрывателя очень не просто: несколько исследователей одновременно претендуют на это звание. В 1772 году англичанин Генри Кавендиш (1731—1810) выделил азот из воздуха, пропуская последний сначала над раскалённым древесным углём (при этом кислород превращался в углекислый газ), а затем (для поглощения CO2) — через раствор щёлочи. Учёный обратил внимание на происходившее во время экспериментов небольшое уменьшение объёма воздуха. Кратко описав оставшийся газ как некий мефитический (от английского mephitic — вредный) воздух, Кавендиш, к сожалению, не увидел в нём нового химического элемента. Он даже не счёл важным опубликовать результаты своих экспериментов, а просто сообщил о них в письме своему соотечественнику Джозефу Пристли (1733—1804). Последний также выделял азот, связывая кислород воздуха и удаляя образующийся углекислый газ. Но, будучи ярым сторонником теории флогистона*, он неверно интерпретировал полученные результаты, полагая, что выделил флогистированный воздух. Первым, кто уверенно предположил открытие нового элемента, был двадцатидвухлетний шотландский студент Даниэль Резерфорд (1749—1819). Ученик знаменитого Джозефа Блэка описал свойства нового газа как вредного, ядовитого воздуха в диссертации под названием «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе», защищённой им в сентябре 1772 года. Впрочем, соавтором открытия можно по праву считать и шведского химика-фармацевта Карла Вильгельма Шееле (1742—1786). За несколько месяцев до представления Резерфордом диссертации он получил азот по методу Кавендиша, но, как и его английский коллега, не спешил сообщить об этом миру: его статья о проведённых экспериментах появилась лишь пять лет спустя. В отличие от Резерфорда, Карл Шееле рассматривал азот не как продукт некоего «разрушения» нормального воздуха. Он справедливо считал, что воздух представляет собой смесь двух газов: «огненного воздуха» (кислорода) и «грязного воздуха» (азота). Если бы шведский химик сразу опубликовал свои результаты, он наверняка считался бы единственным первооткрывателем азота.
Парадокс третий. Если споры о первооткрывателе азота не утихают до сих пор, то имя учёного, впервые назвавшего азот азотом, хорошо известно. Это выдающийся французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794). Добавив к древнегреческому слову «zoe» (жизнь) отрицательную приставку «а», он составил слово, которое, по его мнению, наиболее точно отражало основное свойство атмосферного азота — его непригодность для жизни. Парадоксально, что элемент, играющий ключевую роль в живых системах, получил название «безжизненный»! Впрочем, многие современники Лавуазье считали название элемента неудачным. И в 1790 году его молодой соотечественник Жан-Антуан Шапталь (1756—1832) предложил переименовать азот в nitrogène (в переводе с французского «нитрожен» — «рождающий селитру»). Сегодня для названия азотсодержащих соединений химики используют оба варианта. Например, если соли фосфорной кислоты называются фосфатами, то соли азотной кислоты именуют нитратами. Любопытно, что в некоторых странах сохранился первоначальный вариант названия элемента. Например, по-немецки слово азот до сих пор пишется как Stickstoff, то есть «удушающее вещество». Схожие по значению названия встречаются и в славянских языках: например, хорваты и словенцы называют его Dušik («душик»).
Парадокс четвёртый. Символы химических элементов Периодической системы, как известно, состоят либо из одной (первой), либо из двух (первой и одной из последующих) букв латинского названия элемента. Азот — один из немногих элементов, который имел несколько символов. Так, в начале XIX века до утверждения международной системы символов химических элементов в некоторых странах, в том числе во Франции и в России, для обозначения азота использовался символ Az. Пример такого обозначения можно видеть в формулах изомерных пропиламина, метил(этил)амина и триметиламина в статье, написанной Александром Михайловичем Бутлеровым и опубликованной в Бюллетене французского Химического общества в 1864 году.
А. М. Бутлерову, позже переводившему эту статью на русский, пришлось заменять символ Az на уже принятый к тому времени в России символ N.
Парадокс пятый. Около 4/5 земной атмосферы составляет азот. Парадоксально: мы буквально «купаемся» в газообразном азоте, но он по большому счёту оказывается бесполезным — ни люди, ни животные не могут превращать его в какие-либо производные. Лишь немногие микроорганизмы способны извлекать из воздуха столь необходимый азот, превращая его в аммиак. К ним относятся, прежде всего, клубеньковые бактерии, находящиеся в симбиозе с бобовыми культурами, такими как соя, фасоль, горох, бобы или клевер. Биологическая фиксация азота была одновременно и парадоксом удивительно лёгкого превращения инертного азота в аммиак и его производные, и вызовом для химиков. Этот вызов принял известный немецкий химик Фриц Габер (1868—1934). В начале ХХ века он начал исследования, которые в итоге привели его к Нобелевской премии по химии 1918 года. Так Нобелевский комитет оценил работу учёного по «синтезу аммиака из составляющих его элементов». Бесспорно, получение аммиака по методу Габера выглядит несовершенным по сравнению с методом, предложенным природой: если процесс биологической фиксации азота протекает в обычных условиях, то промышленный синтез аммиака требует высоких температуры (300—600оС) и давления (свыше 200 атм). Однако для сотен миллионов людей это открытие предотвратило голод: началось производство азотных удобрений, столь необходимых для получения высоких урожаев зерновых культур. Образно говоря, Габер научил весь мир делать хлеб из воздуха. Поразительный факт: около 40% атомов азота, содержащегося в теле каждого жителя Европы и США, родом из заводских цехов, производящих аммиак по методу Габера — Боша. Нужно ли ещё какое-либо доказательство важности сделанного немецким химиком открытия для жизни на Земле?!
Парадокс шестой. Мы привыкли рассмат-ривать азот исключительно как двухатомную молекулу, в которой атомы азота соединены тремя ковалентными связями. Удивительно, но в определённых условиях этот привычный азот переходит в необычный. В августе 2004 года учёные Химического института Общества Макса Планка совместно с российскими коллегами сообщили о впервые синтезированной ими аллотропной модификации азота, в которой все атомы связаны одинарными связями аналогично тому, как это происходит в структуре алмаза. Синтез был осуществлён из обычного молекулярного азота при температурах свыше 2000 К и давлении 110 ГПа (более миллиона атмосфер). Полученный полимерный азот обладает уникальными свойствами. Энергия образования одинарной связи N-N равна 160 кДж/моль, тогда как для тройной связи N≡N эта величина достигает 954 кДж/моль. Следовательно, обратное превращение полимерного азота в молекулярный будет сопровождаться высвобождением огромного количества энергии. Это делает новый материал очень ценным при создании ракетного топлива или взрывчатых веществ. Так, он в пять раз превышает по мощности все самые сильные неядерные взрывчатые материалы. Причём это вещество — экологически чистый источник энергии, поскольку единственный продукт реакции — молекулярный азот!
Парадокс седьмой. Вместе с кислородом, углеродом и водородом азот образует квартет важнейших элементов любого живого организма на Земле. Земная жизнь, как известно, основана на многообразии соединений углерода. И хотя фантасты любят придумывать экзотические формы живых существ, до недавнего времени азот всерьёз не рассматривался как основа инопланетной жизни. Ситуация изменилась, когда было обнаружено, что при определённых условиях (очень высоком давлении — до 800 ГПа) химия азотоводородов может оказаться намного богаче химии хорошо знакомых «земных» углеводородов. Причём соединения азота могут существовать в виде как устойчивых небольших молекул (NH, NH2, N, N3H, N3H7, N8H, N9H4 и т. д.), так и длинных полимерных цепей. Эти необычные молекулы имеют оригинальные кристаллические структуры и обладают удивительными, экзотическими свойствами. На первый взгляд они не вписываются ни в какие правила, сформулированные современной классической химией. Учитывая, что планеты-гиганты (Уран и Нептун) состоят преимущественно из водорода, углерода, кислорода и азота, можно осторожно предположить, что сложные химические процессы с участием азотоводородов лежат в основе разнообразия пока неизвестной нам формы жизни. Как знать, быть может, в отличие от землян, жители этих далёких планет называют седьмой элемент таблицы химических элементов «зоегеном» — «рождающим жизнь».
Комментарии к статье
* Флогистон — гипотетическая «огненная субстанция», якобы наполняющая все горючие вещества и высвобождающаяся из них при горении.
Статьи по теме
- Бериллий вне таблицы. Каков он?
- Дмитрий Иванович Менделеев и его открытие
- Наука, жизнь, элементы. Спецпроект к 150-летию Периодической таблицы Менделеев
Читайте в любое время
