В свое время физические условия на Земле были иными, чем сейчас; большинство современных ученых склонно думать, что на ранней стадии развития Земля обладала не окислительной, как сейчас, а восстановительной атмосферой, содержащей метан, аммиак, водород и воду. Аммиак сыграл, по всей вероятности, не последнюю роль в возникновении жизни.
Земная атмосфера того времени подвергалась действию сильнейших электрических разрядов, высокой температуры, мощного ультрафиолетового излучения. Все это вместе взятое и привело к образованию органических веществ.
В наше время ученый С. Миллер осуществил подобный синтез в лабораторных условиях. Через смесь паров воды, водорода, метана и аммиака он пропускал искровый разряд в течение недели, после чего в сосуде была обнаружена смесь аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновая кислота), являющихся составной частью белка.
С появлением растений восстановительная атмосфера Земли стала постепенно превращаться в окислительную. Зеленая масса растений под действием солнечных лучей в течение многих миллионов лет связывает углекислый газ, выделяя кислород.
Еще в середине века ученые догадывались о том, что плодородие почвы связано с «нитрозными соками жизни».
Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал: «Азот более драгоценен с общебиологической точки зрения, чем самые редкие из благородных металлов». С этим нельзя не согласиться. Ведь азот в конечном счете — хлеб, мясо, молоко, масло.
Ежегодный мировой урожай уносит из почв 25 миллионов тонн соединений азота. Чтобы собрать следующий урожай, который был бы не хуже прежнего, необходимо возвратить почвам изъятый азот.
В 1898 году известный английский физик Крукс предсказывал человечеству смерть от азотного голода. Земля истощается, говорил он; чтобы повысить ее урожайность, необходимо связать азот атмосферы, так как единственные запасы его на Земле в виде чилийской селитры катастрофически уменьшаются с каждым годом.
В том же году по поводу речи Крукса выступил К. А. Тимирязев; он напомнил об опытах Кэвендиша 1783 года, когда тот, пропуская электрические искры через атмосферный воздух, получил двуокись азота.
В начале XX столетия началось интенсивное изучение реакции взаимодействия азота с кислородом.
Эта реакция обратима; ее оптимальные условия — наивысшая температура и обычное атмосферное давление. Казалось бы, просто — раздувай мехи, поддавай жару!
И здесь ученые столкнулись со значительным «но». Оказалось, что окислы азота при медленном охлаждении распадаются на составные части. Равновесие сдвигается влево. Перед инженерами встала задача — быстро охладить окись азота до температуры ниже 1000 °C.
На помощь пришла электрическая дуга. Она создает очень высокую температуру в ограниченной зоне, к которой прилегают слои воздуха с резко пониженной температурой. Образовавшиеся окислы при выходе из зоны электрической искры быстро охлаждаются, не успев распасться на составные элементы.
В 1908 году ученый Биркеланд и инженер Эйде сумели получить при помощи электрической дуги от 4 до 7 процентов выхода окислов азота.
Впрочем, Биркеланду и Эйде сама природа подсказала способ фиксации атмосферного азота. После каждого зигзага молнии дождь приносит на землю около полутора тонн окиси азота. За год молнии образуют до 600 килограммов окиси азота на каждый квадратный километр земной поверхности. Советский ученый Н. А. Зубарев предложил упорядочить работу молнии — направить ее удар на нужное место. Он советует выпустить в предгрозовое небо небольшой резиновый шар на металлической проволочке диаметром в сотую долю миллиметра. Молния мгновенно превратит ее в пар, но все же в землю уйдет направленно по ионизированным молекулам, предварительно соединив азот с кислородом.
Перед первой мировой войной фиксация азота электродуговым способом была в значительной степени вытеснена более экономичным аммиачным методом. Этот метод, разработанный Ф. Габером в 1908 году, описан выше.
Основная масса получаемого аммиака перерабатывается на азотную кислоту и аммонийные соли, из которых, в свою очередь, получают минеральные удобрения.
Но аммиак и сам по себе находит применение в сельском хозяйстве, особенно в последнее время. По своему действию на плодородие почв он не уступает аммиачной селитре, например, но гораздо дешевле ее. Однако аммиак — газ, и вносить его в почву неудобно, поэтому он применяется в виде жидких азотных удобрений, для получения которых существуют три способа. Первый — превращение аммиака-газа в аммиак-жидкость. Второй — растворение в жидком аммиаке аммиачной селитры или мочевины. Такие растворы называются аммиакатами. И третий — употребление в качестве удобрения нашатырного спирта — раствора аммиака в воде.
Жидкий аммиак — самое концентрированное азотное удобрение; оно содержит 82,3 процента азота. Его использование значительно осложняет низкая температура кипения.
Аммиакаты содержат до 30–50 процентов азота, но их трудно перевозить: они вызывают ржавление черных металлов. К тому же их можно использовать только в теплое время года, при температуре ниже 10 °C соли выпадают в осадок.
Наиболее широкое применение в сельском хозяйстве нашей страны нашел водный аммиак. Его удобно и легко хранить, он не замерзает при значительных морозах и содержит до 20 процентов азота.
В 1959 году 240 тысяч гектаров полей колхозов и совхозов были удобрены жидкими азотными удобрениями, в основном водным аммиаком, что втрое сократило затраты труда. Водный аммиак дал 8 центнеров прибавки зерна с 1 гектара и до 25 центнеров картофеля.
Аммиак служит исходным продуктом для получения очень ценного вещества вообще и удобрения в частности — мочевины:
2NH3 + CO2 = NH2CONH2 + Н2O.
Мочевина — первое органическое вещество, полученное синтетически. В 1824 году Велер, выпаривая водный раствор циановокислого аммония, получил мочевину. До этого многие ученые считали, что человек не в состоянии искусственно получать органические вещества, которые, по их мнению, может вырабатывать только живой организм под действием особой, таинственной «жизненной силы». Синтез мочевины из неорганических продуктов нанес первый удар по теории «жизненной силы».
Мочевина — высококонцентрированное удобрение; в нем 46,7 процента азота. По содержанию азота 100 килограммов мочевины эквивалентны 300 килограммам натриевой селитры или 225 килограммам сульфата аммония. Азот мочевины очень легко усваивается растениями. Удобрение пригодно для всех почв и под все сельскохозяйственные культуры. В почве мочевина разлагается на углекислый газ и аммиак, который окисляется затем в азотную кислоту. Растения обеспечиваются легкоусваиваемой азотной пищей. Мочевиной также подкармливают скот. К концу семилетки для животноводства нашей страны будет выпущено около 800 тысяч тонн синтетической мочевины.
Одновременно с разработкой метода получения аммиака ученые и инженеры изучали способы его окисления в азотную кислоту.
В 1917 году по проекту инженеров И. И. Андреева и Н. М. Кулепетова был построен впервые в России азотный завод в Юзовке для контактного способа окисления аммиака.
Процесс окисления делится на несколько этапов.
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2O.
Эта реакция происходит на поверхности катализатора, когда аммиачно-воздушная смесь (1:9) проходит через платиновую сетку, нагретую до 600 °C.
Окись азота легко окисляется до двуокиси. Затем нитрозные газы поступают в адсорбционную башню снизу. Навстречу подается распыленная вода. Полученная разбавленная кислота концентрируется в присутствии крепкой серной кислоты. Последняя поглощает воду. Из смеси двух кислот затем отгоняется азотная. Концентрированная азотная кислота может быть получена также при взаимодействии воды или разбавленной кислоты с жидкой N2O4 и кислородом под давлением в 50 атмосфер.
Азотная кислота известна с древности; ее первое описание встречается в книге легендарного арабского алхимика XII века Джабира. Он описывает HNO3 как воду и считает ее великой силой в руках человека.
И действительно, азотная кислота — одно из важнейших химических соединений.
В чистом виде это бесцветная жидкость, в полтора раза тяжелее воды.
Крепкая азотная кислота — сильный растворитель, она растворяет все металлы, за исключением благородных. Она разрушающе действует на органические вещества.
Смесь одного объема крепкой азотной кислоты с тремя объемами соляной получила еще в средние века название «царской водки». Эта смесь растворяет платину и золото, что алхимики отобразили в символе «Лев пожирает Солнце». Растворение благородных металлов в «царской водке» происходит за счет образующегося свободного хлора…
Соли азотной кислоты — аммиачная, натриевая, калиевая и кальциевая селитры — отличные удобрения. Аммиачная селитра NH4NO3 — кристаллическая соль различных цветов, от белого до голубоватого. Она очень гигроскопична, нагревания до 200 °C не выдерживает — распадается на закись азота и воду. При более высокой температуре аммиачная селитра взрывается. В 1921 году на немецком заводе в Оппау произошел взрыв 3200 тонн смеси сульфата аммония с аммиачной селитрой. Были разрушены все промышленные и жилые постройки в радиусе 4 километров.
Аммиачная селитра содержит 35 процентов азота, хорошо растворяется в воде; она широко используется в качестве минерального удобрения. В ней отсутствуют вредные и балластные примеси; соль легко усваивается растениями. Аммиачную селитру используют в смеси с другими минеральными удобрениями — суперфосфатом и калийными солями.