Удобрения. Проблема связывания азота

В истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление.

В.И. Вернадский

Обычно соли значительно более устойчивы, чем соответствующие кислоты (?). Однако нитраты даже активных металлов – сильные окислители¹. В частности, используется как составляющее пороха. Растворимые соединения, содержащие N, P, Са и K (необходимые для растений), используются в качестве удобрений. Это, в частности, гидро- и дигидрофосфаты Са и аммония, а также селитры (нитраты аммония и калия).

Природные запасы селитр к концу XIX века начали истощаться, поэтому в 1898 г. на заседании Британской ассоциации ученых во избежание «азотного голода» была поставлена проблема искусственного связывания N₂. И до сих пор актуальны поиски эффективных способов перевода слишком инертного в соединения, усваиваемые растениями и животными, т.к. используемые методы являются очень энергоемкими:

1). Продувка воздуха через электродугу, растянутую магнитом в диск. Способ предложен в 1904 г. и дублирует природный процесс, протекающий при грозовых разрядах: ,  кДж/моль.

2). С 1905 г. используют цианамидный метод (очень энергоемок, поскольку осуществляется при температуре 2000–3000⁰С):

, а затем: .

Продукт – цианамид кальция дорог, но эффективен для кислых земель, т.к. при гидролизе он, кроме , дает (снижающий кислотность почвы).

3). В 1906 г. запатентован способ Габера-Боша (патент на его теорию выдан Ле Шателье в 1901 г.): синтез аммиака из и под высоким давлением (1000 атм.) в присутствии катализатора² ( ) при 400⁰С с использованием рециркуляции реагентов.

(4). В 1969 г. предложен способ превращения в гидразин (ракетное топливо):

.

Реакции: и , – тоже идут при об.у.

Однако получение данных азотофиксаторов: , , LiH, – достаточно энергоемко.

Решение проблемы связывания осуществляется, во-первых, поиском катализаторов, сравнимых по эффективности с природными (например, с нитрогеназой ³), а во-вторых, использованием нетрадиционных технологий. Так, с помощью плазмотрона удается из азота и уксусной кислоты сразу синтезировать аминокислоты (но пока с малым выходом). Можно, считают ученые, создать гены азотофиксации у самих растений. Эти способы помогут в решении и другой проблемы – снизить содержание нитратов в овощах, т.к., если не вносить селитры в почву, то их избыток не будет накапливаться в растениях, не успевая перерабатываться в белки⁴.

Кроме того, при избытке удобрений (и фосфатных) они из почвы вымываются в водоемы и вызывают гибель в них живых обитателей, т.к. способствуют разрастанию водорослей, которые «съедают» в воде. И водоемы постепенно превращаются в болота, вследствие анаэробного (т.е. без ) разложения органических веществ.

Азиды

В азиде водорода (б/ц летучая жидкость, т.кип.=36⁰С) ст.ок. N равна (–1/3), но по сути HN₃ является продуктом эквивалентного замещения в на :

Поэтому за счет N(V) он окисляет медь подобно азотной кислоте (сравним реакции:

и ).

А смесь и HCl действует как «царская водка», ибо тоже образует “Сl”.

Однако, в отличие от , азид водорода диссоциирует в воде слабо ( ) и, кроме того, за счет склонен окисляться, восстанавливая даже  .

Как следствие проявления сильных и окислительных, и восстановительных свойств взрывается при 300⁰С или от удара (продукты: и ). Взрывоопасны и азиды тяжелых металлов (поэтому используют в качестве запала); напротив (?), разлагается при нагревании спокойно (на Na и  ).

Получают реакцией конденсации и , при этом равновесие смещено вправо, т.к. образующаяся вода расходуется на реакцию с амидом натрия (продукты: NH₃ и NaOH). Из азида натрия синтезируют действием на , например, хлороводородной кислотой. (За счет чего идет процесс?)