Nitrogénbiológia
nitrogén (Latin Nitrogén ) kémiai elem, amelynek atomszáma 7 és N. elemszimbóluma. A latin névből származik nitrogén ab (az ókori görög νιτρον nitron "Sósó" és γενος génuszok "Eredet"). A német név nitrogén emlékeztet arra, hogy a molekuláris nitrogén eloltja ("elfojtja") a lángokat, vagy hogy az élőlények elfulladnak a tiszta nitrogénben. A periódusos rendszerben az ötödik főcsoportban vagy nitrogéncsoportban és a második periódusban szerepel.
Az elemi nitrogén csak diatomiás molekulák formájában fordul elő (molekuláris nitrogén, dinitrogén is, N2 molekulaképlet); 78% -kal a levegő fő alkotóeleme. Szervetlenül kötött nitrogén ritkán található meg a földkéregben; csak sós lerakódásokban van jelentősége.
Az evolúció során nitrogénciklus alakult ki az ökoszisztémában: A fehérje és sok más természetes anyag összetevőjeként a nitrogén elengedhetetlen az élőlények számára, amelyek szervesen kötődnek hozzá, és energiaigényes folyamatban (nitrogénmegkötés) teszik biológiailag hozzáférhetővé. Ez történik például enzimatikusan egy vas-kén klaszteren, amely a nitráz enzim kofaktora.
sztori
A nitrogén kémiai vegyületeit, például a nitrátokat és az ammóniumsókat az alkimisták már használták. 1771-ben Carl Wilhelm Scheele bebizonyította, hogy a nitrogén a levegő alkotóeleme. Az ammóniát Joseph Priestley először 1774-ben ábrázolta. A 20. század elejéig a salétrom volt az egyetlen fő nitrogénvegyület-forrás. A Frank Caro eljárás bevezetése (kalcium-cianamid előállítás Adolph Frank és Nikodem Caro szerint) először tette használhatóvá a légköri nitrogént. A salétromsav előállításához Kristian Birkeland és Sam Eyde szerint a Birkeland-Eyde eljárást alkalmazták. Ezeket a folyamatokat hamar felváltotta a Fritz Haber és Carl Bosch által az ammónia atmoszférikus nitrogénből és hidrogénből történő szintézisére kifejlesztett Haber-Bosch eljárás, valamint az ammónia salétromsavvá történő átalakítására Wilhelm Ostwald által kifejlesztett katalitikus Ostwald eljárás.
A nitrogén természetes előfordulása és körforgása
Már a 19. században felismerték, hogy a növényi anyagok nagy része nitrogént tartalmaz, és minden élőlény fontos alkotóeleme. Ez a fehérjék és a fehérjék (fehérje anyagok) és a DNS alapvető eleme. A nitrogén ezért az összes enzim összetevője, amely szabályozza a növényi, állati és emberi anyagcserét. A nitrogén nélkülözhetetlen a földi élethez.
Nitrogén a levegőben
A földi légkör 78,09 térfogat% (75,53 tömeg%) molekuláris nitrogénből áll. Csak kis számú mikroorganizmus használhatja, beépítheti testének anyagába, vagy akár növényeknek is adhatja. Amennyire ismert, a növények nem tudják közvetlenül felhasználni a levegőben lévő gáznemű nitrogént. A növények által használható formává történő átalakulás ezen keresztül történik
Nitrogén a talajban
A szántó tetején (A horizont) az összes nitrogén több mint 95% -a szervesen kötött nitrogénként van jelen az élő gyökérzetben, az elhalt növényi anyagban, a humuszanyagban és a talaj organizmusaiban. A fennmaradó, kevesebb mint 5% szervetlen nitrogén ammónium vagy nitrát formájában, és nagyon kis mennyiség nitrit formájában. Ezt az ásványi nitrogéntartalmat tavasszal határozzák meg a megtermékenyítés előtt az Nmin módszerrel. A talajok összes nitrogéntartalma erősen függ a széntartalomtól. Befolyásolja az éghajlat és a növényzet, a talaj típusa, a terep alakja és a gazda által tett intézkedések, például a talajművelés.
Nitrogén a növényekben
Feladatok az üzemben
A nitrogén fotoszintézis termékekbe épül, többek között fehérjék előállítására, és ezáltal elősegíti a növekedést. A nitrogén nagy jelentőséggel bír, mint a dezoxiribonukleinsav és a klorofill elengedhetetlen alkotóeleme. Fajtól függően a szárazanyag aránya 2–6%, átlagosan 1,5%. [8] A nitrogén általában ammónium- vagy nitrát-sók formájában szívódik fel.
Hiánytünetek
- rossz termetű
- a levelek halványzöld színe. Az idősek klorotikussá válnak és idő előtt leesnek.
- túl korán virágzó (sürgősségi virágzás)
- Sárguló
Túlzott tünetek
- Mastig növekedés
- Sötétzöld levelek
- Késleltetett virágzás
- Fagyra és betegségre fogékony növény
- A levélszövet szivacsos és puha
Kivonás és bemutatás
Napjainkban a nitrogént elsősorban cseppfolyósított levegő frakcionált desztillálásával nyerik levegőelválasztó üzemekben, Linde-eljárással, legfeljebb 99,99999% -os tisztasággal. Az 1 ppb alatti szennyeződésekkel rendelkező nitrogén további tisztítási lépéseket igényel. A maradék oxigén eltávolítására biológiai módszer létezik rizspalánták alkalmazásával.
A körülbelül 99% -os tisztaságú nitrogént sokkal olcsóbban lehet előállítani többlépcsős adszorpcióval/deszorpcióval zeolitokon. A nitrogén decentralizált előállításának másik módszere a membránfolyamat. A sűrített levegőt egy műanyag membránon keresztül nyomják 5-13 bar nyomáson. A nitrogén és az argon diffúziójának sebessége ezen a membránon keresztül lényegesen lassabb, mint az oxigén, a víz és a szén-dioxidé, ami azt jelenti, hogy a membrán belsejében a gáz áramlása nitrogénnel dúsul. A nitrogén tisztaságát az áramlási sebesség beállításával lehet szabályozni (kis mennyiség esetén 99,995% -ig, ipari szabványoknál 99% -ig).
Kissé régimódi módszer az, hogy a levegőben lévő oxigént szénnel köti meg melegítéssel, majd a képződött szén-dioxid lemosásával. A légköri oxigént úgy is eltávolíthatjuk, hogy a levegőt ragyogó rézen vagy alkáli-pirogallol- vagy nátrium-ditionit-oldaton vezetjük át.
A laboratóriumban tiszta nitrogén állítható elő vizes ammónium-nitrit-oldat vagy az ammónium-klorid/nátrium-nitrit keverékének 70 ° C körüli hőmérsékletre történő melegítésével:
Alternatív megoldásként lehetséges a nátrium-azid termolízise, amelyet spektroszkóposan tiszta nitrogén előállítására használnak. [9]
jellemzők
Fizikai tulajdonságok
A molekuláris nitrogén egy színtelen, szagtalan és íztelen gáz, amely alacsony hőmérsékleten (–196 ° C) színtelen folyadékká kondenzálódik. A nitrogén vízben alig oldódik (23,2 ml nitrogén 1 liter vízben, 0 ° C-on), és nem gyúlékony. A nitrogén a nitrogéncsoport egyetlen eleme, amely (p-p) π-kötéseket képez önmagával. [10] Ennek a hármas kötésnek az atomtávolsága 109,8 pm.
Egy gázkisüléses spektrumcsőben a nitrogén molekuláris orbitális állapotát izgatva kb. 5-10 mBar negatív nyomáson izzik 1,8 kV-os nagyfeszültségű, 18 mA-es áramerősséggel és 35 kHz-es frekvenciával működtetve. Az ionizált gázmolekulák rekombinálásakor a jellegzetes színspektrum bocsátódik ki. [11]
A kritikus adatok a következők: [12]: hőmérséklet -146,95 ° C (126,20 K), nyomás 33,9 bar, sűrűség 0,314 g/cm 3 .
A nitrogén előnyösen kovalens kötéseket képez vegyületeiben. A 2s 2 p 3 elektronkonfigurációban három kovalencia képződése oktett kiteljesedéshez vezet. Az ilyen típusú kötések például:
- ammónia
- Aminok
- Hidrazin
- Hidroxilamin
Mindezek a vegyületek trigonális piramisszerkezettel és magányos elektronpárral rendelkeznek. Ezek a vegyületek nukleofilekként és bázisként működhetnek ezen a magányos elektronpáron keresztül.
A természetben előforduló molekuláris dinitrogén N2 nagyon inert a nitrogénmolekulában jelen lévő stabil hármas kötés és a hozzá kapcsolódó magas kötésű disszociációs energia miatt, amely 942 kJ/mol [13]. Ezért általában sok energiára van szükség a kapcsolat megszakításához és a nitrogén más elemekhez való megkötéséhez. A szükséges aktiválási energia szintén magas, és szükség esetén megfelelő katalizátorok alkalmazásával csökkenthető.
Polimer nitrogén
Egy 2004 augusztusi kiadványában a mainzi Max Planck Kémiai Intézet kutatói bejelentették, hogy több mint 110 GPa nyomáson 2000 K feletti hőmérsékleten új kristályos formát állítanak elő, az ún. polimer nitrogén egyszeres kötvényekkel. Ennek a módosításnak egyedülálló köbös szerkezete van, az úgynevezett „köbös gauche” szerkezet. A magas instabilitás miatt a lehetséges felhasználások korlátozottak, de elképzelhető, hogy a polimer nitrogén például robbanó vagy energiatároló eszköz. A polinitrogén akkor messze a legerősebb nem nukleáris robbanóanyag. [14]
Izotópok
A két természetes 14N és 15 N izotóp mellett vannak mesterséges izotópok, amelyek tömegszáma 12 és 19 között van. Felezési idejük 9,97 perc és 11 milliszekundum között van.
A 15 N izotópot Naude (1929) fedezte fel, és néhány évvel később Norman és Werkman (1943) használta fel az első terepi teszteken. Az izotópot ma is hasonló módon alkalmazzák a szántó talajban vagy a növényekben előforduló nitrogénváltozás biokémiai vizsgálata során, de a fehérjék átalakulásának indikátoraként is. A 15 N természetes koncentrációja a légkörben 0,3663%.
15 N dúsítható a gáz halmazállapotú anyagok más izotópjaihoz hasonlóan, például termikus diffúziós elválasztással.
használat
Nitrogénvegyületek
A nitrogént ammónia (Haber-Bosch-eljárás) és kalcium-cianamid szintéziséhez és kémiai reakciókban használják. Ezenkívül a nitrogénvegyületek számos alkalmazási lehetőséget találnak a szerves kémia területén, és műtrágyaként szolgálnak.
Sok robbanószer nitrogénvegyület. Legtöbbjük nitrovegyület. Ha elegendő nitrocsoport van a molekulában, akkor a nitrovegyület oxigénatomjai exoterm módon reagálhatnak az azonos molekula szén- vagy hidrogénatomjaival, ha elegendő gerjesztés áll rendelkezésre, és a szilárd vagy folyékony (pl. Nitroglicerin) hirtelen magas hőmérsékletű gázzá válik, hogy nagy erővel tágul. Tehát a robbanóanyagok áttételes állapotban vannak. Néhány nitrocsoport esetében csak gyors és hiányos égés van (pl. Celluloid (asztalitenisz labda)).
Nitrogéngáz
A nitrogént a repülőgép gumiabroncsainak töltésére használják nagy repülőgépeken. A tiszta nitrogén megakadályozza, hogy a repülőgép gumiabroncsai belülről lángra gyulladjanak, mivel a leszállás közben vagy a felszállás során keletkező nagy hő miatt keletkezik a hő. Lásd: repülőgép gumik.
A nitrogént védőgázként használják a hegesztés során és lámpa töltőgázaként. A nitrogén inert tulajdonságai itt fontosak. Hajtógázként, csomagológázként, tejszínhabhoz való gázként és hasonlókként engedélyezett élelmiszer-adalékanyagként E 941 [15].
A nitrogént italgyártó rendszerekben használják, ha a szerkezeti körülmények (hosszú csővezeték, nagy magasságkülönbség) miatt nagy adagolási nyomásra van szükség. A nitrogént itt szén-dioxiddal együtt használják vegyes gázként. Mivel a nitrogén nem oldódik fel az italban, nagyobb nyomáson is kopoghat anélkül, hogy túl sok hab képződne vagy karbonizálódna.
A cikk vitatja az autógumik vitatott töltését nitrogénnel Abroncsgáz tematizált.
Folyékony nitrogén
Alacsony forráspontja miatt folyékony nitrogént (LN) használnak hűtőközegként a kriogenikában. A nitrogén eltávolítja párolgási hőjét a hűtendő árukról, és hidegen tartja őket, amíg el nem párolog.
A folyékony oxigénhez képest, amely -183 ° C-on (90 K) forr, az LN forráspontja további 13 K-val alacsonyabb, −196 ° C-on (77 K) forral, és a légköri oxigén és más gázok kondenzálódnak rajtuk. Az út elválasztható.
Folyékony nitrogént (sűrűség 0,8085 kg/l –195,8 ° C-on [12]) használnak többek között a magas hőmérsékletű szupravezetők szupravezető állapotának létrehozására. Biológiai és orvosi minták, petesejtek és spermiumok tárolására, valamint biológiai anyagok sokkfagyasztására is használják. Az egyik példa az infravörös fotóvevők hűtése a hőzaj csökkentése érdekében, vagy elsősorban félvezető állapotba hozása érdekében.
A mélyépítésben a talaj fagyasztására használják.
Az anyagtechnika területén folyékony nitrogént használnak az edzett acélok maradék ausztenitjének eltávolítására vagy az anyagok mesterséges öregítésére "fagyasztás" útján. Az LN-t szokták pl. B. A hajtótengelyek zsugorításához, hogy a csatlakoztatott fogaskerekek préselő illesztéssel tartsák magukat a tengelyhez.
A kábelek újrafeldolgozásakor a szigetelőanyag folyékony nitrogénnel lehűtve törékennyé válik, és a fém (alumínium vagy réz) lerázhatja.
Németországban még mindig tilos a "nitrogén temetkezés" (promóció). A hamvasztási temetés (hamvasztás) alternatívájaként a holttestet folyékony nitrogénfürdőben -196 ° C-on fagyasztják le. A megszilárdult holttestet ezután porrá őrlik. Ezt vákuumkamrában szárítják, és a feldolgozott maradványokat biológiailag lebomló urnába temetik. A hagyományos fakoporsó temetkezés körülbelül 2 m mélységben történik; a bomlási folyamat itt - ellentétben a nitrogén temetésekkel - több évet vesz igénybe.
Susanne Wiigh-Mäsak svéd biológus kísérleti projekten dolgozik ezen új típusú temetkezés érdekében.
A nitrogénfogyasztók folyékony nitrogénként gyakran nitrogént kapnak a termoszos palackokhoz hasonló termosz tartályokban, nem pedig nyomás alatt álló gázpalackokban. Ezeket a konténereket dewars néven ismerjük. Erre a célra folyékony nitrogént töltenek fel a kettős falú tartálykocsikból.
Kémiai reakció
Mikor Azotáció Ez egy kémiai reakció, amelyben a reagens elnyeli a nitrogént.
Az azotizálás tipikus példája a kalcium-cianamid megjelenése:
bizonyíték
A szervesen kötött formában jelenlévő nitrogént minőségileg meghatározhatjuk Lassaigne mintájával, és kvantitatív módon nitrogénmeghatározással Will-Varrentrapp szerint, Kjeldahl nitrogénmeghatározásával, azotométerrel vagy elemanalízissel. Szervetlenül kötött nitrogén esetében az ammóniumionok kereszt-illesztését vagy a nitrátionok gyűrűs tesztjét végezzük detektálási reakcióként. A gyűrűs teszt elvégzéséhez a (kénsav, nehézfém mentes) oldatot friss vas (II) -szulfát-oldattal összekeverjük és tömény kénsavval bevonjuk. A két folyadék határfelületén a nitrátionok nitrogén-monoxiddá (NO) redukálódnak. Vizes oldatban ez a gyök más vasionokkal barna komplexet képez, amely "gyűrűként" válik láthatóvá a kémcső fázishatárán:
$ \ mathrm + NO_3 ^ - + 4 \ H ^ + \ longrightarrow 3 \ Fe ^ + NO + 2 \ H_2O> $ redox reakció
$ \ mathrm + NO + 5 \ H_2O \ longrightarrow [Fe (H_2O) _5NO] ^> $ komplex képződési reakció
linkek
Nitrogéntartalmú vegyületek: