15.1.3. Нахождение в природе, изотопный состав

Азот составляет основную часть воздуха, где его содержится 78% по объему и 76% по массе (табл. 15.3).

Таблица 15.3. Распространенность, важнейшие природные соединения и изотопный состав элементов 15-й группы

Элемент	Кларк, %, (мас)	Место по распростра- ненности	Изотопный состав		Важнейшие природные соединения
			Число стабильных изотопов	Главный изотоп, тип ядра по массе (% в плеяде)
N	4×10–2	18	2	14N, тип 4n+2 (99,634%)	Атмосферный азот, нитраты, нитриты и соли аммония как продукты разложения органических соединений, органические азотсодержащие вещества
Р	9,3×10–2	13	1	31Р, тип 4n+3 (100%)	Са3(РО4)2 (фосфорит), 3Са3(РО4)2×Са(ОН, F)2 (апатит), фосфорсодержащие органические соединения в почвах (Се, Са, Th)PO4 (монацит)
As	5×10–4	51	1	75As, тип 4n+3 (100%)	As4S4 (реальгар), As2S3 (ayрипигмент), FeAsS (apceнопирит), FeAsO4×2H2O (скородит)
Sb	5×10–5	59	2	121Sb, тип 4n+1 (57,36%)	Sb2S3 (антимонит, или сурьмяный блеск)
Bi	5×10–5	60	1	209Bi, тип 4n+1 (100%)	Bi2S3(висмутин, или висмутовый блеск), Bi2O3(бисмит), Bi2CO3(OH)4 (бисмутит), Bі2ТеS (тетрадимит), Рb2Вi2S3 (козалит)

Примерно половина азота находится в атмосфере, другая половина - в литосфере в форме различных минералов. В почве азот присутствует как продукт распада органических соединений, главным образом в форме ионов аммония, нитрит- и нитрат-ионов. Поскольку в почве, как правило, азот присутствует одновременно в положительной (NО₃¯) и отрицательной (NН₄⁺) степенях окисления, взаимодействие таких ионов приводит к образованию молекул N₂, в виде которых азот уходит из почвы. Так, растворы нитрита калия и хлорида аммония, взаимодействуя в почве, образуют нейтральный азот:

KNO₂ + NH₄Cl = N₂↑ + КСl + 2H₂O.

Аналогичным способом в лаборатории получают молекулярный азот: нагревают твердый нитрит аммония:

NH₄NO₂ N₂↑ + 2Н₂О.

«Связанный» азот уходит из почвы, понижая ее плодородие, в молекулярной нереакционноспособной форме (N₂), а также в форме белковых веществ и аминокислот с продуктами сельского хозяйства - «урожай уносит азот». Поэтому удобрение почвы азотсодержащими веществами совершенно необходимо и имеет огромное народнохозяйственное значение.

Фосфор - литофильный элемент. Основные фосфорсодержащие минералы - это фосфорит и апатит, залежи которых разрабатываются для производства фосфорных удобрений и получения различных соединений фосфора. Важное промышленное значение имеют и другие фосфорсодержащие минералы, например монацит. Кроме того, велико содержание фосфора в почвах. Фосфор необходим для растений, и внесение фосфорных удобрений имеет большое значение для сельского хозяйства.

В геохимическом отношении элементы подгруппы мышьяка принадлежат к числу халькофильных и представлены в земной коре в основном в виде сульфидов (табл. 15.3), тяготение этих элементов к «мягкой» сере хорошо объясняется их высокой поляризационной активностью.

В соответствии с правилом Менделеева распространенность легких азота и фосфора существенно выше, чем более тяжелых As, Sb, Bi.

В отличие от азота и фосфора, которые можно назвать элементами жизни, As, Sb и Bi не принадлежат к числу элементов, без которых существование белковых тел было бы невозможно. Вместе с тем большинство соединений As, Sb, Bi биологически активны. В частности, токсичность соединений мышьяка, особенно As₂O₃, общеизвестна. Мышьяк является опасным загрязнителем окружающей среды в связи с горными разработками, добычей каменного угля, производством и применением H₂SO₄, инсектицидов, гербицидов.

Азот - элемент «нечетный», его порядковый номер равен 7. Природная плеяда состоит из двух стабильных изотопов.

Ядерные свойства азота весьма своеобразны. Поскольку это нечетный элемент, он в соответствии с обычной закономерностью должен был бы иметь склонность к образованию атомных ядер, относящихся по массе к типу 4n+3 или 4n+1. Однако на эту закономерность у азота накладывается другое правило: у легких элементов протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, стремятся соединиться в равном числе. Изотоп ₇N как раз и отвечает этому соотношению - он образует ядро типа 4n+2. Это правило здесь «перевешивает». Другой же стабильный изотоп азота ₇N имеет тип ядра по массе 4n+3, но он мало распространен. Кроме стабильных, азот образует и радиоактивные изотопы. В частности, изотоп ¹³N претерпевает позитронный распад (T_1/2 = 9,93 мин). Еще менее устойчив изотоп ¹⁶N (тип ядра 4n), который при радиоактивном распаде выбрасывает β-частицы (T_1/2 = 8 с).

Изотопы азота играют важную роль в ядерных реакциях, протекающих в атмосфере. Так, при взаимодействии ядер азота с нейтронами, возникающими в атмосфере в результате действия космических лучей, образуется, например, радиоактивный изотоп ¹⁴С:^I4N (n, р)¹⁴С. Измерение радиоактивности этого изотопа углерода используется в археологии для определения возраста углеродсодержащих веществ (см. разд. 14.1.3).

Фосфор - элемент одиночка (см. табл. 15.3), его единственный стабильный изотоп (³¹₁₅Р) имеет тип ядра по массе 4n+3, что характерно для нечетных элементов верхней части ПС.

Часто используемый в химических, биологических и других исследованиях в качестве меченого атома изотоп ³²Р получают из стабильного изотопа ³¹Р с помощью ядерных реакций, например, ₁₅Р (n,g) ₁₅Р. Изотоп ³²Р является β-излучателем (1,708 МэВ) и имеет достаточно удобный для исследований период полураспада (T_1/2 = 14,3 сут).

Будучи нечетными, элементы подгруппы мышьяка, как и следовало ожидать, имеют малое число стабильных изотопов (см. табл. 15.3). В соответствии с основными правилами построения атомных ядер тип ядра по массе главных изотопов Sb и Bi относится к классу 4n+1, в отличие от более легких ядер Р и As, (4n+3).