Азот қосылыстары және олардың халық шаруашылығындағы маңызы

Азот топырақта аздаған мелшерде нитраттар түрінде болады.

Азот пен оттектің аз мөлшерлері найзағай ойнаған кезде өзара әрекеттесіп, оксидтер түзуі мүмкін. Олар жаңбыр суында еріп, азот қышқылын түзеді, ол өз кезегінде топырақта нитраттардың жинақталуына себепкер болады. Сондай-ақ бұршак тұкымдас өсімдіктердің тамырындағы түйнектерде болатын азот бактериялары да атмосфералық азотты нитратқа айналдырады. Сонымен катар азот белокты заттардың кұрамдас бөлігі болып табылады.

Ауаның 78%-ке жуығын азот құрайды. Сөйте тұра, азот өте енжар (инертті) болғандықтан, өз бетінше реакцияға қатыспайды.

Азот – тыныс алу мен жануды қолдамайды . Бірақ ол өсімдіктер мен барлық тірі организмдердің негізгі тіршілік процестерінде өте қажетті элементтер қатарына кіреді.

Азотты алу үшін арнайы қондырғыларда ауаны сұйылтады. Сұйык ауаны буландырғанда азот бірінші болып ұшады (азоттың қайнау температурасы °— 196°С, ал оттектікі—183°С).

Жер атмосферасының 0,8 бөлігі (78%) бос азоттан кұралады. Бірақ азоттың химиялық косылыстарының атмосферадағы және жер қыртысындағы мөлшері онша көп емес.

Азоттың біраз мөлшері органикалық косылыстар түрінде өсімдік және жануар текті казба отындар кұрамында болады, тағы біраз мөлшері топырақ қарашірігінде кездеседі.Белок молекуласында міндетті түрде азот атомдары болады. Адам өзіне қажетті азотты өсімдік жөне жануар текті тағамдардан алады, ал өсімдіктер ауадағы бос азотты да, қара топырақтағы органикалық заттар азотын да сіңіре алмайды, олар азотты топырақтан тек аммоний ионы немесе нитрат иондары түрінде ғана алады. Ал мұндай иондардың топырақта түзілуіне топырақ бактериялары көмектеседі, егер ол жетіспесе, колдан тыңайткыштар түрінде беріледі.

Топырақ азоты найзағайлы жаңбыр, өсімдік, жануар калдықтары шіруі әсерінен үнемі толығып отырады .Байланысқан азотты өсімдік сіңірсе, өсімдікпен жануарлар, ал олармен адам қоректенеді. Адам мен жануарлар организміндегі белоктар несепнәрге (мочевина) дейін ыдырап, организмнен бөлініп шығып, топыраққа түседі. Ауыл шаруашылық өндірісінің дамуына байланысты топыракта азот тапшылығы мәселесі туындады. Атмосфера азотын пайдаланып, азотты тыңайтқыштар өндіру XX ғасырдың 20-жылдары шешілді.

Аммиакты өндірісте алу. Аммиак өндіру үшін өндірісте азотты — ауадан, сутекті — табиғи газдан бөліп алады Азот қосылыстарын өндіру ауыл шаруашылығы үшін жер өңдеу қаркынына байланысты дамыды. XIX ғасырдың ортасына карай неміс ғалымы Юстус Либих агрохимияның негізін салып, өсімдіктер белгілі бір элементтерді қажет ететінін анықтаған соң, минералды тыңайтқыштар өндірісі жолға койылды. Азот косылыстары, оның ішінде нитраттар әскери мақсаттағы қопарылғыш заттар өндірісіне кажет. Табиғатта кездесетін чили селитрасының қоры аз болғандықтан, азот қосылыстарынөндірудің басқа жолдары іздестірілді. Селитрадан басқа азот өндірілетін табиғи қор табу қажет болды.

Ал азоттың таусылмас қоры атмосфералық ауада бар. Сондықтан атмосфералық азотты өсімдік сіңіретін күйге келтіріп, байланыстыру қажеттілігі туындайды. Болашағы мол жолдың бірі азот пен сутектен аммиакты синтездеу болды.

Алдымен азот пен сутектен аммиак синтездеу проблемасының теориялық жағын қарастырамыз:

N2 + ЗН2 ↔ 2 NН3 ∆Н = -92,4 кДж.

Теңдеуден көрініп тұрғандай реакция қайтымды жөне экзотермиялық, көлемнің кемуімен жүреді. Ле-Шателье принципі бойынша температураны төмендетіп, қысымды арттырғанда тепе-теңдік аммиак түзілу бағытына ығысады. Бірак төменгі температурада реакцияның жылдамдығы кеміп, аммиактың шығымы азаяды. Сондықтан төменгі температурада реакция жылдамдығы жоғары болу үшін белсендіру энергиясын азайтатын өршіткі (катализатор) қажет.

Бұл проблеманы шешумен неміс ғалымы Фриц Габер айналысты. 500 С-та, 200 атм. қысымда ол сутек пен азоттан аммиак синтездеп алды, сол үшін 1918 ж. оған Нобель сыйлығын берді.

Аммиак синтезін өндірісте жүзеге асырған неміс инженері Карл Бош болды. Ол біраз практикалык проблемаларды шешті. Алдымен аммиак синтезіне қажетті шикізаттар — азот пен сутекті таза күйде алу қажет болды. Аммиак синтезіне қажетті азотты ауадан алады. Бұл үшін ауаны қысыммен төмен температураға дейін салқындатады да, толығымен сығады. Сұйық ауаның қүрамына кіретін басқа заттардан азотты айдау арқылы бөледі.

Таза сутекті су газы (көміртек (II) оксиді, су буы) деп аталатын қоспадан бөліп алу кезінде К.Бош сутекті көміртек (II) оксидінен бөлу проблемасын шешті. Зерттеу кезінде жоғары температура мен қысымда бұл заттардың метил спиртін түзе әрекеттесетінін анықтады. Сонымен су газы қазіргі органикалық химияның негізгі өнімдерінің бірінің шикізаты болыптабылды.

Екінші маңызды мөселенің бірі—өршіткі (катализатор) талдау болды. Өз тәжірибесінде Ф.Габер қымбат та сирек металл осмийді катализатор ретінде қолданды. Ұзақ зерттеуден кейін К.Бош темір оксиді мен алюминийден тұратын арзан әрі көп кездесетін катализаторды тапты.

Келесі маңызды мәселе өндірістік қондырғыны жасау міндеті болды. Жоғары температурада сутектің белсенділігі артатыны сонша- болатпен әрекеттеседі. Жоғары қысымда бұл синтездік колоннаның бүлінуіне әкеліп соқтырады. Көп ізденуден кейін тиімділігі жоғары үздіксіз аммиак синтездейтін конвертор жасалды. Ғалымдардың азотты байланыстырудағы көп жылғы ізденістерінің қорытынды сатысы, синтездік аммиак өндіру өнеркәсібінің іске асуы болды. Бұл процесті зерттеу практикалық маңыздылығы жағынан ғана емес, сонымен қатар химиялық реакциялардың теориясына қатысты (температура мен қысымның әсерінен тепе-теңдіктің ығысуы, катализатордың әсері, т.б.) көптеген жағдайларды анықтауға септігін тигізді. 1931 ж. Фридрих Бергиус пен К.Бошка жоғары қысымда жұмыс істейтін химия өнеркөсібін дамытудағы техникалық жетістіктері үшін Нобель сыйлығы берілді.