Biológia dusíka

dusík (Latinsky Nitrogenium ) je chemický prvok s atómovým číslom 7 a symbolom prvku N. Je odvodený z latinského názvu dusík ab (zo starogréckeho νιτρον nitrón „Lúhová soľ“ a γενος genos „Pôvod“). Nemecké meno dusík pripomína, že molekulárny dusík hasí („dusí“) plamene alebo že sa živé bytosti dusia čistým dusíkom. V periodickej tabuľke je v piatej hlavnej skupine alebo dusíkatej skupine a v druhej perióde.

Dusík používa

Elementárny dusík sa vyskytuje iba vo forme dvojatómových molekúl (molekulárny dusík, tiež dinitrogén, molekulárny vzorec N2); so 78% je hlavnou zložkou vzduchu. Anorganicky viazaný dusík sa zriedka nachádza v zemskej kôre; je významný iba v usadeninách ľadu.

V priebehu evolúcie sa v ekosystéme vyvinul cyklus dusíka: ako zložka bielkovín a mnohých ďalších prírodných látok je dusík nevyhnutný pre živé bytosti, ktoré ho organicky viažu a robia ho biologicky dostupným v energeticky náročnom procese (fixácia dusíkom). Deje sa to napríklad enzymaticky na klastri železo-síra, ktorý je kofaktorom enzýmu nitrázázy.

príbeh

Chemické zlúčeniny dusíka, ako sú dusičnany a amónne soli, už alchymisti používali. V roku 1771 Carl Wilhelm Scheele preukázal, že dusík je súčasťou vzduchu. Amoniak prvýkrát zobrazil Joseph Priestley v roku 1774. Až do začiatku 20. storočia bol korenistý korenistý jediný hlavný zdroj zlúčenín dusíka. Zavedenie procesu Frank Caro (výroba kyanamidu vápenatého podľa Adolpha Franka a Nikodema Cara) umožnilo po prvýkrát využívať atmosférický dusík. Na získanie kyseliny dusičnej sa použil proces Birkeland-Eyde podľa Kristiana Birkelanda a Sam Eyde. Tieto procesy boli čoskoro nahradené procesom Haber-Bosch vyvinutým Fritzom Haberom a Carlom Boschom pre syntézu amoniaku z atmosférického dusíka a vodíka a katalytickým Ostwaldovým procesom vyvinutým Wilhelmom Ostwaldom pre konverziu amoniaku na kyselinu dusičnú.

Prirodzený výskyt a cyklus dusíka

Už v 19. storočí sa zistilo, že veľká časť rastlinnej hmoty obsahuje dusík a je dôležitou súčasťou všetkého živého. Je základným prvkom bielkovín a proteidov (bielkovinových látok) a DNA. Dusík je preto tiež súčasťou všetkých enzýmov, ktoré riadia metabolizmus rastlín, zvierat a ľudí. Dusík je pre život na zemi nevyhnutný.

Dusík vo vzduchu

Zemská atmosféra pozostáva z 78,09% objemových (75,53% hmotnosti) molekulárneho dusíka. Iba malé množstvo mikroorganizmov ho môže použiť, zabudovať do svojej telesnej látky alebo ho dokonca dať rastlinám. Pokiaľ je známe, rastliny nemôžu priamo využívať plynný dusík vo vzduchu. K premene na formu, ktorú môžu rastliny použiť, dochádza prostredníctvom

Dusík v pôde

Na ornej pôde (horizont A) je viac ako 95% celkového dusíka zvyčajne prítomných ako organicky viazaný dusík v živých koreňových látkach, odumretých rastlinných látkach, humusových látkach a pôdnych organizmoch. Zvyšok menej ako 5% predstavuje anorganický dusík vo forme amónia alebo dusičnanu a veľmi malé množstvo vo forme dusitanov. Obsah tohto minerálneho dusíka sa stanoví na jar pred hnojením metódou Nmin. Celkový obsah dusíka v pôdach silne závisí od ich obsahu uhlíka. Je ovplyvnená klímou a vegetáciou, typom pôdy, tvarom terénu a opatreniami podniknutými farmárom, napríklad obrábaním pôdy.

Dusík v rastlinách

Úlohy v závode

Dusík je zabudovaný do produktov fotosyntézy, aby okrem iného produkoval proteíny, a tým podporuje rast. Dusík má veľký význam ako základná zložka deoxyribonukleovej kyseliny a chlorofylu. Podiel sušiny je podľa druhu 2–6%, v priemere 1,5%. [8] Dusík sa zvyčajne absorbuje vo forme amónnych alebo dusičnanových solí.

Príznaky nedostatku

  • zlý vzrast
  • bledozelená farba listov. Starší ľudia chlorotizujú a predčasne odpadávajú.
  • kvitne príliš skoro (núdzové kvitnutie)
  • Žltnutie

Nadmerné príznaky

  • Mastigujte rast
  • Listy tmavozelené
  • Oneskorené kvitnutie
  • Rastlina náchylná na mráz a choroby
  • Listové tkanivo je hubovité a mäkké

Extrakcia a prezentácia

Dnes sa dusík primárne získava frakčnou destiláciou skvapalneného vzduchu v zariadeniach na separáciu vzduchu pomocou Lindeovho procesu s čistotou až 99,99999%. Dusík s nečistotami pod 1 ppb vyžaduje ďalšie kroky čistenia. Na odstránenie zvyšného kyslíka existuje biologická metóda využívajúca sadenice ryže.

Dusík so stupňom čistoty asi 99% sa získava oveľa lacnejšie viacstupňovou adsorpciou/desorpciou na zeolitoch. Ďalším spôsobom decentralizovanej výroby dusíka je membránový proces. Stlačený vzduch je stlačený cez plastovú membránu pri tlaku 5 až 13 barov. Rýchlosť difúzie dusíka a argónu cez túto membránu je výrazne nižšia ako rýchlosť šírenia kyslíka, vody a oxidu uhličitého, čo znamená, že tok plynu vo vnútri membrány je obohatený dusíkom. Čistotu dusíka je možné regulovať úpravou prietoku (až 99,995% pre malé množstvá, 99% pre priemyselné normy).

Trochu starou metódou je naviazať kyslík vo vzduchu na drevené uhlie jeho zahriatím a potom vymyť vzniknutý oxid uhličitý. Atmosférický kyslík je možné odstrániť aj vedením vzduchu cez žiariacu meď alebo alkalický roztok pyrogalolu alebo ditioničitanu sodného.

V laboratóriu sa môže čistý dusík vyrobiť zahriatím vodného roztoku dusitanu amónneho alebo roztoku zmesi chloridu amónneho/dusitanu sodného na teplotu asi 70 ° C:

Alternatívne je možná termolýza azidu sodného, ​​ktorý sa používa na výrobu spektroskopicky čistého dusíka. [9]

charakteristiky

Fyzikálne vlastnosti

Molekulárny dusík je bezfarebný plyn bez zápachu a chuti, ktorý pri nízkych teplotách (-196 ° C) kondenzuje na bezfarebnú kvapalinu. Dusík je ťažko rozpustný vo vode (23,2 ml dusíka v 1 l vody pri 0 ° C) a nie je horľavý. Dusík je jediný prvok skupiny dusíka, ktorý so sebou vytvára (p-p) π-väzby. [10] Atómová vzdialenosť tejto trojitej väzby je 109,8 pm.

V spektrálnej trubici s výbojom plynu sú molekulárne orbitaly dusíka excitované, aby žiarili pri negatívnom tlaku približne 5 - 10 mBar, keď sú prevádzkované s vysokým napätím 1,8 kV, prúdom 18 mA a frekvenciou 35 kHz. Keď sa molekuly ionizovaného plynu rekombinujú, vyžaruje sa charakteristické farebné spektrum. [11]

Kritické údaje sú [12]: teplota −146,95 ° C (126,20 K), tlak 33,9 bar, hustota 0,314 g/cm3 .

Dusík výhodne vytvára vo svojich zlúčeninách kovalentné väzby. V konfigurácii elektrónov 2 s 2 p 3 vedie vytvorenie troch kovalencií k dokončeniu oktetu. Spojenia, v ktorých sa vyskytuje tento typ väzby, sú napríklad:

  • amoniak
  • Amíny
  • Hydrazín
  • Hydroxylamín

Všetky tieto zlúčeniny majú trigonálnu pyramídovú štruktúru a voľný pár elektrónov. Tieto zlúčeniny môžu prostredníctvom tohto samostatného páru elektrónov pôsobiť ako nukleofily a bázy.

Prirodzene sa vyskytujúci molekulárny dinitrogén N2 je veľmi inertný kvôli stabilnej trojitej väzbe prítomnej v molekule dusíka a súvisiacej vysokej disociačnej energii väzby 942 kJ/mol [13]. Preto zvyčajne trvá veľa energie, aby sa prerušilo toto spojenie a naviazal dusík na ďalšie prvky. Požadovaná aktivačná energia je tiež vysoká a je možné ju v prípade potreby znížiť pomocou vhodných katalyzátorov.

Polymérny dusík

V publikácii v auguste 2004 vedci z Max Planck Institute for Chemistry v Mohuči oznámili, že vytvorili novú kryštalickú formu, tzv. polymérny dusík s jednoduchými dlhopismi. Táto modifikácia má jedinečnú kubickú štruktúru, ktorá sa nazýva štruktúra „kubický gauche“. Z dôvodu vysokej úrovne nestability sú možné možnosti použitia obmedzené, ale dalo by sa napríklad predstaviť polymérny dusík ako sklad výbušniny alebo energie. Poly dusík by potom bol zďaleka najsilnejšou nejadrovou výbušninou. [14]

Izotopy

Okrem dvoch prírodných izotopov 14 N a 15 N existujú aj umelé izotopy s hmotnostným počtom od 12 do 19. Ich polčas je medzi 9,97 minúty a 11 milisekúnd.

Izotop 15 N bol objavený Naudeom (1929) a o niekoľko rokov neskôr ho použili Norman a Werkman (1943) v prvých poľných testoch. Aj v súčasnosti sa izotop používa podobným spôsobom na biochemické štúdie zmeny dusíka v ornej pôde alebo v rastlinách, ale aj ako indikátor premeny bielkovín. Prirodzená koncentrácia 15 N v atmosfére je 0,3663%.

15 N je možné obohatiť ako iné izotopy plynných látok, napríklad tepelnou difúznou separáciou.

použitie

Zlúčeniny dusíka

Dusík sa používa na syntézu amoniaku (proces Haber-Bosch) a kyanamidu vápenatého a na chemické reakcie. Okrem toho majú zlúčeniny dusíka široké uplatnenie v oblasti organickej chémie a slúžia ako hnojivá.

Mnoho výbušnín sú zlúčeniny dusíka. Väčšina z nich sú nitrozlúčeniny. Ak je v molekule dostatok nitroskupín, môžu atómy kyslíka nitrozlúčeniny pri dostatočnej excitácii exotermicky reagovať s atómami uhlíka alebo vodíka v tej istej molekule a z pevnej alebo kvapalnej látky (napr. Nitroglycerínu) sa náhle stane vysokoteplotný plyn, ktorá sa rozširuje s veľkou silou. Výbušniny sú teda v metastabilnom stave. V prípade niekoľkých nitroskupín dochádza iba k rýchlemu a neúplnému spaľovaniu (napr. Celuloid (loptička na stolný tenis)).

Plynný dusík

Dusík sa používa na plnenie pneumatík lietadiel veľkých lietadiel. Čistý dusík zabraňuje tomu, aby sa pneumatiky lietadla vznietili zvnútra kvôli veľkému teplu generovanému pri dotyku pri pristávaní alebo pri štarte. Pozri: pneumatiky pre lietadlá.

Dusík sa používa ako ochranný plyn pri zváraní a ako plniaci plyn pre žiarovky. Tu sú dôležité inertné vlastnosti dusíka. Ako hnací plyn, tesniaci plyn, plyn na šľahanie a podobne je schválený ako prídavná látka v potravinách E 941 [15].

Dusík sa používa v systémoch výdaja nápojov, keď je z dôvodu štrukturálnych podmienok (dlhá trasa potrubia, veľký výškový rozdiel) potrebný vysoký výdajný tlak. Tu sa používa dusík spolu s oxidom uhličitým ako zmesný plyn. Pretože sa dusík v nápoji nerozpúšťa, môžete čapovať aj pri vyšších tlakoch bez nadmerného vytvárania peny alebo karbonizácie.

O kontroverznom plnení automobilových pneumatík dusíkom pojednáva článok Pneumatiky tematizované.

Tekutý dusík

Kvôli nízkej teplote varu sa kvapalný dusík (LN) používa ako chladiace médium v ​​kryogenéze. Dusík odvádza svoje odparovacie teplo z chladeného tovaru a udržuje ho chladné, kým sa neodparí.

V porovnaní s kvapalným kyslíkom, ktorý varí pri teplote - 183 ° C (90 K), je teplota varu LN o ďalších 13 K nižšia, teplota varu je pri teplote - 196 ° C (77 K) a zráža na nich atmosférický kyslík a ďalšie plyny. Cesta sa dá oddeliť.

Kvapalný dusík (hustota 0,8085 kg/l pri -195,8 ° C [12]) sa okrem iného používa na vytvorenie supravodivého stavu vo vysokoteplotných supravodičoch. Používa sa tiež na skladovanie biologických a lekárskych vzoriek, vaječných buniek a spermií, ako aj na šokové zmrazenie biologického materiálu. Jedným z príkladov je ochladzovanie infračervených foto prijímačov s cieľom znížiť ich tepelný šum alebo ich v prvom rade uviesť do polovodičového stavu.

V stavebníctve sa používa na zmrazenie pôdy.

V oblasti materiálovej technológie sa kvapalný dusík používa na odstránenie zadržaného austenitu v určitých kalených oceliach alebo na umelé starnutie materiálov „zmrazením“. LN sa zvykne aj napr. B. Zmenšiť prevodové hriadele tak, aby pripojené ozubené kolesá držali na hriadeli s lisovaným uložením.

Pri recyklácii káblov sa izolačný materiál stáva chladným kvapalným dusíkom krehkým a môže ho zraziť kov (hliník alebo meď).

V Nemecku je „prísun dusíka“ stále zakázaný. Ako alternatíva k kremačnému pohrebu (kremácii) je mŕtvola zmrazená v kúpeli s tekutým dusíkom pri -196 ° C. Stuhnutá mŕtvola sa potom rozomelie na prášok. Ten sa vysuší vo vákuovej komore a zvyšky, ktoré sa týmto spôsobom spracujú, sa uložia do biologicky odbúrateľnej urny. Tradičný drevený rakevný pohreb sa koná asi 2 m hlboko; proces rozkladu tu - na rozdiel od pohrebov dusíka - trvá niekoľko rokov.
Švédska biologička Susanne Wiigh-Mäsak pracuje na pilotnom projekte tohto nového typu pohrebu.

Spotrebitelia dusíka často dostávajú dusík ako tekutý dusík v termoskách podobných termoske namiesto v tlakových fľašiach s plynom. Tieto kontajnery sú známe ako Dewars. Na tento účel sa kvapalný dusík plní z dvojstenných cisternových vozidiel.

Chemická reakcia

Kedy Azotácia Toto je chemická reakcia, pri ktorej reaktant absorbuje dusík.

Typickým príkladom azotizácie je vzhľad kyánamidu vápenatého:

dôkaz

Dusík, ktorý je prítomný v organicky viazanej forme, je možné kvalitatívne stanoviť pomocou vzorky Lassaigneho a kvantitatívne pomocou stanovenia dusíka podľa Will-Varrentrappa, stanovenia dusíka podľa Kjeldahla, azotometra alebo elementárnej analýzy. Pre anorganicky viazaný dusík sa ako detekčné reakcie uskutočňuje krížová zhoda pre amónne ióny alebo kruhová skúška na dusičnanové ióny. Na vykonanie kruhového testu sa roztok vzorky (kyselina sírová bez obsahu ťažkých kovov) zmieša s čerstvým roztokom síranu železnatého a podloží sa koncentrovanou kyselinou sírovou. Na rozhraní medzi týmito dvoma kvapalinami sa dusičnanové ióny redukujú na oxid dusičitý (NO). Vo vodnom roztoku tento radikál vytvára hnedý komplex s ostatnými iónmi železa, ktorý je viditeľný ako „kruh“ na fázovom rozhraní v skúmavke:

$ \ mathrm + NO_3 ^ - + 4 \ H ^ + \ longrightarrow 3 \ Fe ^ + NO + 2 \ H_2O> $ redoxná reakcia

$ \ mathrm + NO + 5 \ H_2O \ longrightarrow [Fe (H_2O) _5NO] ^> $ komplexná formačná reakcia

odkazy

Zlúčeniny obsahujúce dusík: