Azot (N) – właściwości, działanie i występowanie
Azot (N) należy do grona pierwiastków, bez których życie na Ziemi byłoby niemożliwe. Niestety, współcześnie częściej kojarzy się nam się z chemią szkodliwą dla człowieka i środowiska naturalnego. Prawda leży oczywiście po środku, a wykorzystanie azotu musi podlegać racjonalnym ograniczeniom. Co warto wiedzieć więc o tym niewidzialnym gazie?
W układzie okresowym pierwiastków azot zajmuje siódmą pozycję, między węglem a tlenem, atomami, z którym jest silnie funkcjonalnie związany. Łacińska nazwa nitrogenium wywodzi się tak naprawdę od dwóch starogreckich słów: „nitron”, czyli saletra oraz „genium” czyli tworzący. Co ciekawe, już w XVIII w, pojawiła się alternatywna nazwa „azote”, również greckiego pochodzenia, oznaczająca „brak życia” i odnosząca się do znanego już wówczas fakt, że gaz ten potrafi skutecznie dusić.
Historia azotu
Zanim ludzkość odkryła i poznała azot, wykorzystywała już dość powszechnie jego związki. Chlorek amonu, czyli salmiak, został po raz pierwszy pozyskany już w IV w. p.n.e. z odchodów wielbłądzich – nazwa amoniaku pochodzi od staroegipskiej świątyni Amona, w pobliżu której dokonano owego przełomowego odkrycia. Związek stosowali również do swych eksperymentów średniowieczni alchemicy, którzy znali także tzw. królewską wodę (aqua regis) będącą mieszanką kwasu azotowego oraz chlorowodorowego i słynącą ze swojej zdolności do rozpuszczania złota.
Za oficjalnego odkrywcę azotu uważa się jednak szkockiego lekarza Davida Rutherforda, który w 1772 r. stwierdził, że powietrze zawiera jeszcze jeden składnik niesprzyjający procesowi spalania. Początkowo nazywano go „szkodliwym” i „spalonym” powietrzem, a dopiero w 1790 r. Francuz Jean-Antoine Chaptal ukuł pojęcie „nitrogenium” nawiązując do faktu, że azot tworzy saletry, czyli naturalnie występujące minerały o szerokim zastosowaniu gospodarczym. Pierwszym, nieświadomym zastosowaniem azotu w formie saletry na większą skalę była produkcja prochu strzelniczego rozpoczęta w Chinach już w IX w.!
Właściwości azotu – jakie związki tworzy?
Azot jest bezbarwnym, transparentnym gazem pozbawionym zapachu i smaku – nie mamy więc możliwości własnymi zmysłami przekonać się o jego obecności wokół. W jądrze atomowym zawiera siedem protonów, a jego jedyne stabilne izotopy to N-14 oraz N-15, przy czym ten pierwszy to aż 99.634% naturalnego azotu we wszechświecie. W normalnych warunkach azot można doprowadzić do wrzenia (skraplania) w temperaturze -195.8 stopni C, do zestalenia zaś przy -210 stopniach C.
Pierwiastek ten nie jest jednak łatwo reaktywny, czego przyczyną jest niezwykle silne potrójne wiązanie między dwoma atomami tworzącymi cząsteczkę N2. Za pomocą metody Habera-Boscha, opracowanej na potrzeby zbrojeniowe przez Niemców w czasie I Wojny Światowej, można jednak zsyntetyzować amoniak łącząc duże ilości azotu i wodoru w warunkach wysokiego ciśnienia. Z amoniaku dalej tworzy się kwas azotowy oraz azotany, czyli jego sole i estry, jak również hydrazyna (N2H4) – silnie trująca, żrąca ciecz wykorzystywana m.in. jako paliwo rakietowe. Inne znane i powszechnie wykorzystywane związki azotu to także mocznik (CH4N2O), sole amonowe, wyjątkowo lotne tlenki oraz azotki, czyli połączenia azotu z metalem.
W chemii organicznej natomiast azot jest przede wszystkim ważnym elementem wszystkich białek, tworząc nawet 16% ich całkowitej masy. W każdej komórce naszego ciała znajduje się więc azot, tak samo zresztą, jak we wszystkich tkankach roślinnych i zwierzęcych. Oprócz aminokwasów, amidów i amin, nitrogenium buduje również cząsteczki puryn oraz alkaloidów.
Ciekawostka:
To azot obecny w powietrzu jest odpowiedzialny za kolorystyczne efekty zorzy polarnej.
Występowanie i pozyskiwanie azotu
Azot jest najpowszechniejszym gazem na Ziemi i piątym najczęściej występującym pierwiastkiem we wszechświecie. Mimo, że w skorupie ziemskiej stanowi zaledwie 0.3 części na 1000, tworzy aż 78% naszej atmosfery, co naukowcy tłumaczą faktem, że gdy Ziemia formowała się przed miliardami lat, większość gazów połączyła się z innymi pierwiastkami tworząc skały i oceany. Tylko azot, jako mało reaktywny, pozostał w dużej mierze niezwiązany, a jego dwuatomowe cząsteczki utrudniły mu ucieczkę w kosmos. Atmosfera jest też głównym źródłem pozyskiwania azotu na potrzeby handlu i przemysłu. Azot zamknięty w minerałach, takich jak wspomniane wyżej saletry, pokrywa jedynie znikomą część ludzkich potrzeb. Alternatywnym źródłem azotu mogą być jednak także ptasie odchody zbierane na przykład w jaskiniach zamieszkiwanych przez nietoperze. Ponadto związki nitrogenium obecne są w deszczu, glebie, soli amonowej oraz wodzie morskiej.
Jak więc pozyskuje się azot z powietrza? Najpopularniejsza przemysłowa metoda obejmuje frakcyjną destylację ciekłego powietrza wykorzystującą fakt, że temperatura wrzenia azotu jest o 13 stopni niższa niż temperatura tlenu, co pozwala łatwo rozdzielić oba gazy. Największymi na świecie producentami są obecnie Indie, Rosja, USA, Ukraina oraz Trynidad i Tobago, przy czym surowcem wyjściowym jest nie tyle czysty azot co amoniak (NH3) – rocznie produkuje się go nawet 150 milionów ton!
Ciekawostka:
Azot w czystej postaci znajdziemy m.in. w meteorytach, wyziewach wulkanicznych, źródłach mineralnych, a także gwiazdach i Słońcu.
Zastosowania azotu
Nie do przecenienia jest rola, jaką odgrywa azot w przemyśle chemicznym. Na bazie amoniaku, będącego jego głównym źródłem, produkuje się przede wszystkim nawozy sztuczne wykorzystywane dziś na masową skalę w rolnictwie. Dalej jest on ważnym składnikiem substancji wybuchowych, barwników, a także syntetycznych tworzyw, takich jak nylon, guma czy elastomery.
Z azotu tworzy się również atmosferę gazu obojętnego, czyli sztuczne środowisko umożliwiające na przykład stapianie proszku metalu czy przetrzymywanie żywności bez ryzyka reakcji z gazami takimi jak tlen. To zastosowanie jest bardzo istotne również przy produkcji części elektronicznych, takich jak diody czy tranzystory, jak również przy odprężaniu szlachetnej stali na skalę przemysłową. Azot zapobiega procesowi oksydacji w przemyśle, jak również skutecznie chroni przed ogniem oraz eksplozjami. Wykorzystuje się go również do sprężania gazów i ciekłych paliw rakietowych.
Oddzielną kategorię zastosowań ma ciekły azot, wykorzystywany przede wszystkim jako czynnik chłodzący np. przy zamrażaniu spermy, komórek jajowych czy embrionów w procedurze sztucznego zapłodnienia. Z jego pomocą można również szybko i efektywnie zamrażać dowolne produkty spożywcze, dzięki czemu zachowują one kolor, smak, poziom wilgotności i oryginalną konsystencję. Na uwagę zasługuje również użycie płynnego azotu do zabiegów usuwania zmian skórnych, a nawet komórek przedrakowych.
Wpływ azotu na zdrowie
Azot nie tylko buduje wszystkie nasze białka, ale także obecny jest w organizmie pod postacią tlenku (NO), pełniąc kluczową dla życia rolę rozluźniania mięśni otaczających naczynia krwionośne i tym samym prowadząc do ich rozszerzenia. Odpowiednia ilość tlenku azotu jest więc niezbędna dla zdrowia układu krążenia, a tym samym dystrybucji związków odżywczych i tlenu do wszystkich tkanek. W medycynie stosuje się już leki i suplementy stymulujące naturalną produkcję tlenku azotu jako wspomaganie serca, a także pobudzanie erekcji u mężczyzn.
Azot, który przyjmujemy z pożywieniem i który nasz organizm sam zmienia na tlenek to jednak tylko jedna strona medalu. Nadmiar jego związków może być bowiem bardzo szkodliwy powodując m.in. zmniejszenie potencjału hemoglobiny w zakresie transportu tlenu, obniżenie funkcji tarczycy, niedobory witaminy A, a nawet powodując rozwój nowotworów. Trudno się dziwić, że coraz głośniej mówi się o konieczności unikania żywności bogatej w sztuczne azotany i azotyny, zwłaszcza wędlin czy warzyw pochodzących z upraw silnie nawożonych.
Dodajmy, że azot sam w sobie może być również śmiertelną bronią i nie brakuje przypadków uduszenia spowodowanych np. omyłkowym rozlaniem ciekłego azotu. Połknięcie nawet najmniejszej ilości może również spowodować natychmiastową śmierć. Niebezpieczne są również wysokie stężenia tlenków azotu powodujące w długim okresie poważne choroby płuc, jak również przebywanie w pomieszczeniach wypełnionych azotem w proporcji wyższej niż 80% powietrza.
Azot a ekologia
Kluczem do zrozumienia biologicznej roli azotu jest tzw. cykl azotowy. Mowa o naturalnej cyrkulacji tego pierwiastka w przyrodzie – od gazu w atmosferze po związki organiczne tworzące organizmy żywe. W skrócie cały proces zaczyna się od bakterii zamieszkujących glebę, które utrwalają lotny azot przetwarzając go w amoniak, dalej zużywany przez rośliny jako substancję odżywczą niezbędną im do wzrostu. Kolejne bakterie przekształcają amoniak w aminokwasy, które zjadane są przez roślinożerne zwierzęta i ludzi. Odchody z powrotem wracają do ziemi, gdzie mikroby rozkładają je uwalniając azot do atmosfery.
Ta stymulująca rozwój przyrody funkcja ulega jednak ograniczeniu, gdy azotu jest w środowisku zbyt wiele. Głównym winnym są tutaj oczywiście sztuczne nawozy dodawane do gleby na tak szeroką skalę, że powodują eutrofizację wód, zmianę równowagi biologicznej, a także wspomniane wyżej efekty toksyczne u organizmów żywych. Wybieranie żywności pochodzącej z organicznych źródeł to jeden z podstawowych sposobów prewencji nadmiaru azotu w przyrodzie. Poza tym, zatrucie azotem jest także wynikiem masowego wykorzystania transportu samochodowego oraz innych procesów obejmujących spalanie paliw. Niestety, w wielu częściach świata także w atmosferze odnotowuje się już zwiększone ilości wysoce szkodliwego dwutlenku azotu, który w szczególny sposób zagraża małym dzieciom oraz astmatykom!
- Agata Blaszczak-Boxe; "Facts About Nitrogen"; livescience.com; 2021-11-08;
- Thomas Lee; "The History of Nitrogen"; sciencefocus.ust.hk; 2021-11-08;
- Anne Marie Helmenstine; "10 Interesting Facts About Nitrogen"; thoughtco.com; 2021-11-08;
- Britannica; "Nitrogen"; britannica.com; 2021-11-08;
- Royal Society of Chemistry; "Nitrogen"; rsc.org; 2021-11-08;
- Lenntech; "Nitrogen - N"; lenntech.com; 2021-11-08;
- Anne Bernhard i in.; "The Nitrogen Cycle: Processes, Players, and Human Impact"; nature.com; 2021-11-08;
