Азоты

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см. Химические связи), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N₂. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота  представляет собой ряд замкнутых  взаимосвязанных путей, по которым  азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные  микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся  материалов и переводят его в  молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄⁺). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃^–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

Приведем несколько  цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10¹⁵) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·10¹²) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик  связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное  состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо  чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных  процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего  связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как  это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией  связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В  Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).

Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации». 
 
 

Радиац

Атм углекислый маша азот фосор

Биохим

Водный  гуляева

Цыкл мин в-ва

литосф

Круговорот  фосфора в природе

Фосфор.

История «путешествий» фосфора на Земле, или, как говорят ученые-геохимики, его миграция, очень интересна и поучительна. Атомы фосфора, как и всех других элементов, постоянно участвуют в великом природном круговороте веществ.

Фосфор –  относительно редкий элемент. По данным академика А.Е.Ферсмана, его весовой  кларк (процентное содержание элемента в земле) равен всего 0,12%. В таблице распространенности химических элементов в земной коре он стоит на 13-м месте вслед за углеродом и хлором, перед серой. К тому же фосфор – элемент, редко накапливающийся в больших количествах, и потому его относят к числу рассеянных.

В свободном  виде в природе по причине своей  очень сильной окисляемости он не встречается, но входит в состав многих минералов (их насчитывается до 120) и  множества органических веществ. Большинство  минералов, содержащих фосфор, являются редкими. Наиболее важные минералы (природные фосфаты) – апатит, вивианит, а также осадочная горная порода фосфорит, состоящая из мелкокристаллического или аморфного фосфата кальция с примесью некоторых других веществ.

Несмотря на свою малую распространенность и  разбросанность, фосфор, однако, имеет  исключительно важное значение в жизни растительных и животных организмов. Он входит в состав большинства растительных и животных белков и протоплазмы. Фосфор – биогенный элемент. Академик Ферсман называл фосфор элементом жизни и мысли.

Источником всех фосфорных соединений в природе  следует признать апатит – фосфат кальция, содержащий переменное количество фтора и хлора. В зависимости  от преобладания в апатите фтора  или хлора образуются минералы фторапатит Са₅F(РO₄)₃ или хлорапатит Са₅Сl(PO₄)₃. Они содержат от 5 до 36% P₂O₅.

В изверженных  породах обычно всегда есть мелкие кристаллики апатита. Главнейшие его  запасы находятся в зоне магмы, но он встречается и в тех местах, где изверженные породы образуют контакт с осадочными. Значительные запасы апатитов имеются в Норвегии и Бразилии. Подлинно мировое месторождение апатитов находится у нас, на Кольском полуострове, в Хибинах, где оно было открыто в 1925 г.

Под влиянием жизнедеятельности  микроорганизмов, почвенных кислот, а также кислот, выделяемых корнями  растений, апатиты постепенно подвергаются выветриванию и вовлекаются в  биохимический круговорот, который  в отличие от круговорота азота, углерода, кислорода и серы ограничивается лишь био-, гидро- и литосферой и не захватывает атмосферы.

Растениями фосфор поглощается только из растворенных фосфатов в виде анионов фосфорной  кислоты. Поэтому питание фосфором растений возможно лишь при наличии  в почвенном растворе солей фосфорной  кислоты, например Са(Н₂РО₄)₂, СаНРО₄, К₂НРО₄ и др. Скапливается он главным образом в продуктовых частях – семенах, плодах. Наиболее богаты фосфором бобовые растения, а бедны им овощи. Из растений фосфор вместе с пищей попадает в организм животных и человека.

В теле человека имеется свыше 1,5 кг фосфора (1,4 кг в  костях, 130 г в мышечных и 12 г в  нервных тканях). Ежесуточная потребность  взрослого человека в фосфоре  от 1 до 1,2 г. Дети больше нуждаются в  фосфоре, чем взрослые. По подсчетам  ученых, с каждым куском хлеба весом 100 г человек поглощает до 10²² атомов фосфора, т.е. такое астрономическое число, которое не только невозможно представить, но даже и выразить обычными словами. Больше всего его содержится в костях (свыше 5%). Твердость скелету придает кальциевая соль фосфорной кислоты. Очень много фосфора в зубах (в дентине – 13%, а в зубной эмали – 17%). При недостатке фосфора у животных появляется заболевание костей.

Физиологические процессы, протекающие в животном организме, постоянно связаны с  химическими превращениями фосфорсодержащих веществ (расщепление их в пищеварительных  органах, синтез новых фосфорсодержащих органических соединений). Сложным  изменениям подвергаются и минеральные  фосфорные соединения в крови  и печени.

При разложении богатых фосфором органических соединений могут образоваться газообразные и  жидкие вещества. В частности, аналогично аммиаку может образоваться очень  ядовитый бесцветный с чесночным  запахом газ – фосфористый  водород, или фосфин, РН₃. Этот газ можно получить в лаборатории при кипячении белого фосфора с едким кали или при действии соляной кислотой на фосфид кальция:

Са₃Р₂ + 6НСl = 3СаСl₂ + 2РН₃

Одновременно  с фосфином при этой реакции часто образуется в небольшом количестве жидкий продукт соединения фосфора с водородом – дифосфин Р₂Н₄, пары которого сами собой воспламеняются при обычной температуре и поджигают газообразный фосфин.

Подобного рода процессы происходят и в природе, являясь причиной появления так  называемых «блуждающих огней» на кладбищах. Вспышки фосфина днем, конечно, не бывают видны, но ночью они вызывают суеверный страх у многих людей, которые незнакомы с научным объяснением этого явления. Описание «блуждающих огней» дано в «Вечерах на хуторе близ Диканьки» Н.В.Гоголем в рассказе «Заколдованное место».

Жидкий дифосфин, выделяясь на болотах вместе с метаном, поджигает последний, и тогда возникает новое «чудо» – блуждающие болотные огни.

Роль подобных процессов в природе относительно незначительна. Наоборот, образование  различного рода фосфатов происходит в очень больших масштабах.

Существует несколько объяснений, как могли образоваться громадные накопления фосфатов органического происхождения, поскольку причины, вызывающие этот процесс, различны.

Богатый фосфором птичий помет, известный под названием  гуано, в условиях сухого климата  скапливается иногда в огромных количествах. Так, например, на островах Тихого океана, в Чили и Перу имеются огромные толщи гуано (до 100 м). Гуано – одно из самых эффективных удобрений. Оно содержит до 9% азота и 3% фосфорной кислоты.

Большие скопления  помета имеются и в пещерах, где  обитают летучие мыши. В процессе различных химических превращений  эти вещества постепенно образуют различные  минералы (алюмофосфаты, монофосфаты и др.). Образование залежей подобных соединений может произойти и в результате различных геологических катастроф, приводящих к массовой гибели животного мира.