Коллектив авторов - Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий

О ЗЕРКАЛЬНОМ УГЛЕРОДЕ. В 1962 г. академик В. А. Каргин с сотрудниками впервые обнаружил так называемые углеродные блестки, на основе которых впоследствии был создан оригинальный материал — зеркальный углерод. Он и вправду хорошо полируется и отражает световые лучи, но интересен не только этим. Упомянутые в предыдущей заметке углеродные волокна имеют полимерную структуру зеркального углерода. Появился чисто углеродный композиционный материал УУУВ — углерод, упрочненный углеродным же волокном.

АЛМАЗНЫЕ ПЛЕНКИ. Среди современных материалов на алмазной основе особое место занимают алмазные пленки. Первый способ получения таких пленок — импульсный — был предложен советскими учеными Б. В. Дерягиным и Д. В. Федосеевым. Получены и нитевидные кристаллы алмаза — «усы».

АЗОТ

Всем известно: азот инертен. Часто мы сетуем за это на элемент № 7, что естественно: слишком дорогой ценой приходится расплачиваться за его относительную инертность, слишком много энергии, сил и средств приходится тратить на его превращение в жизненно необходимые соединения.

Но, с другой стороны, не будь азот так инертен, в атмосфере произошли бы реакции азота с кислородом, и жизнь на нашей планете в тех формах, в которых она существует, стала бы невозможной. Растения, животные, мы с вами буквально захлебывались бы в потоках неприемлемых жизнью окислов и кислот. И «при всем при том» именно в окислы и азотную кислоту мы стремимся превратить возможно большую часть атмосферного азота. Это один из парадоксов элемента № 7. (Здесь автор рискует быть обвиненным в тривиальности, ибо парадоксальность азота, вернее его свойств, стала притчей во языцех. И все же…)

Азот — элемент необыкновенный. Порою кажется, что чем больше мы о нем узнаем, тем непонятнее он становится. Противоречивость свойств элемента № 7 отразилась даже в его названии, ибо ввела в заблуждение даже такого блистательного химика, как Антуан Лоран Лавуазье. Это Лавуазье предложил назвать азот азотом после того, как не первым и не последним получил и исследовал не поддерживающую дыхания и горения часть воздуха. Согласно Лавуазье, «азот» означает «безжизненный», и слово это произведено от греческого «а» — отрицание и «зоэ» — жизнь

Термин «азот» бытовал еще в лексиконе алхимиков, откуда и заимствовал его французский ученый. Означал он некое «философское начало», своего рода кабалистическое заклинание. Знатоки утверждают, что ключом к расшифровке слова «азот» служит заключительная фраза из Апокалипсиса: «Я есть альфа и омега, начало и конец, первый и последний…» В средние века особо почитались три языка: латинский, греческий и древнееврейский. И слово «азот» алхимики составили из первой буквы «а» (а, альфа, алеф) и последних букв: «зет», «омега» и «тов» этих трех алфавитов. Таким образом, это таинственное синтетическое слово означало «начало и конец всех начал».

Даниэль Резерфорд (1740—1810) — шотландский химик, ботаник и врач. В 1772 г. он впервые описал свойства газа, составляющего ту часть воздуха, которая не поддерживает дыхания и горения. Резерфорд счел его насыщенным флогистоном и только Лавуазье доказал, что открытый Резерфордом газ является самостоятельным элементом — азотом 

Современник и соотечественник Лавуазье Ж. Шапталь, не мудрствуя лукаво, предложил назвать элемент № 7 гибридным латино-греческим именем «нитрогеннум», что значит «селитру рождающий». Селитры — азотнокислые соли, вещества, известные с древнейших времен. (О них речь впереди.) Надо сказать, что термин «азот» укоренился только в русском и французском языках. По-английски элемент № 7 — «Nitrogen», по-немецки — «Stickstoff» (удушающее вещество). Химический же символ N — дань шапталевскому нитрогениуму.

Кем открыт азот

Открытие азота приписывают ученику замечательного шотландского ученого Джозефа Блока Даниэлю Резерфорду, который в 1772 г. опубликовал диссертацию «О так называемом фиксируемом и мефитическом воздухе». Блэк прославился своими опытами с «фиксируемым воздухом» — углекислым газом. Он обнаружил, что после фиксирования углекислоты (связывания ее щелочью) остается еще ка- кон-то «нефиксируемый воздух», который был назвал «мефитическим» — испорченным — за то, что не поддерживал горения и дыхания. Исследование этого «воздуха» Блэк и предложил Резерфорду в качестве диссертационной работы.

Примерно в то же время азот был получен К. Шееле, Дж. Пристли, Г. Кавендишем, причем последний, как следовало из его лабораторных записей, изучал этот газ раньше Резерфорда, но, как всегда, не спешил с публикацией результатов своих трудов. Однако все эти выдающиеся ученые имели весьма смутное представление о природе открытого ими вещества. Они были убежденными сторонниками теории флогистона и связывали свойства, «мефитического воздуха» с этой мнимой субстанцией. Только Лавуазье, ведя наступление на флогистон, убедился сам и убедил других, что газ, который он назвал «безжизненным», — простое вещество, как и кислород…

Вселенский катализатор?

Можно лишь догадываться, что означает «начало и конец всех начал» в алхимическом «азоте». Но об одном из «начал», связанных с элементом № 7, можно говорить всерьез. Азот и жизнь — понятия неотделимые. По крайней мере всякий раз, когда биологи, химики, астрофизики пытаются постичь «начало начал» жизни, то непременно сталкиваются с азотом.

Атомы земных химических элементов рождены в недрах звезд. Именно оттуда, от ночных светил и дневного светила, начинаются истоки нашей земной жизни. Это обстоятельство и имел в виду английский астрофизик У. Фаулер, говоря, что «все мы… являемся частичкой звездного праха»…

Звездный «прах» азота возникает в сложнейшей цепи термоядерных процессов, начальная стадия которых — превращение водорода в гелий. Это многостадийная реакция, идущая, как предполагают, двумя путями. Один из них, получивший название углеродно-азотного цикла, имеет самое непосредственное отношение к элементу № 7. Этот цикл начинается, когда в звездном веществе, помимо ядер водорода — протонов, уже есть и углерод. Ядро углерода-12, присоединив еще один протон, превращается в ядро нестабильного азота-13:

126С + 11H → 137N + γ.

Но, испустив позитрон, азот снова становится углеродом — образуется более тяжелый изотоп 13C:

137N → 136C + e+ + γ.

Такое ядро, приняв лишний протон, превращается в ядро самого распространенного в земной атмосфере изотопа — 14N.

136С + 11H → 147N + γ.

Увы, лишь часть этого азота отправляется в путешествие по Вселенной. Под действием протонов азот-14 превращается в кислород-15, а тот, в свою очередь, испустив позитрон и гамма-квант, превращается в другой земной изотоп азота — 15N:

147N + 11H → 158O + γ. 158O → 157N + e+ + γ.

Земной азот-15 стабилен, но и он в недрах звезды подвержен ядерному распаду; после того, как ядро 15N примет еще один протон, произойдет не только образование кислорода 16O, но и другая ядерная реакция:

157N + 11H → 126C + 42He.

В этой цепи превращений азот — один из промежуточных продуктов. Известный английский астрофизик Р. Дж. Тейлер пишет: «14N — изотоп, который нелегко построить. В углеродно-азотном цикле образуется азот, и, хотя впоследствии он снова превращается в углерод, все же если процесс протекает стационарно, то азота в веществе оказывается больше, чем углерода. Это, по-видимому, основной источник 14N»…

В умеренно сложном углеродно-азотном цикле прослеживаются любопытные закономерности. Углерод 12C играет в нем роль своеобразного катализатора. Судите сами, в конечном счете не происходит изменения количества ядер 12C. Азот же, появляясь в начале процесса, исчезает в конце… И если углерод в этом цикле — катализатор, то азот явно — аутокатализатор, т. е. продукт реакции, катализирующий ее дальнейшие промежуточные стадии.

Мы не случайно завели здесь речь о каталитических свойствах элемента № 7. He сохранил ли эту особенность звездный азот и в живом веществе? Катализаторы жизненных процессов — ферменты, и все они, равно как и большинство гормонов и витаминов, содержат азот.

Азот в атмосфере Земли

Жизнь многим обязана азоту, но и азот, по крайней мере атмосферный, своим происхождением обязан не столько Солнцу, сколько жизненным процессам. Поразительно несоответствие между содержанием элемента № 7 в литосфере (0,01%) и в атмосфере (75,6% по массе дли 78,09% по объему). В общем-то мы обитаем в азотной атмосфере, умеренно обогащенной кислородом.