«Удушающий», «безжизненный», «рождающий селитру» – и это все – азот. Назва «неживий», «позбавлений життя» виникла завдяки Антуану Лавуазьє, коли досвідченим шляхом було доведено, що азот не придатний для дихання і не підтримує горіння.
В 1772 Генрі Кавендіш проводив серію експериментів, пов’язану з багаторазовим пропусканням повітря над розпеченим вугіллям. Пропущене повітря піддавалося лужній обробці, і виходила газоподібна речовина, неймовірно задушлива, яку Кавендіш назвав мефітичним повітрям.
На той час серед хіміків панувала теорія флогістону. Відповідно до цієї теорії флогістон – особлива субстанція, надтонка матерія, на яку багаті всі горючі речовини. Вогонь є не що інше, як вихрові рухи цієї матерії. А дерево горить тому, що рослини засвоюють флогістон з повітря, де він перебуває у розсіяному стані.
Результатом дослідів Кавендіш поділився з Джозефом Прістлі, який займався аналогічними дослідами і був затятим прихильником теорії флогістону. На думку Прістлі, в результаті експериментів повітря максимально насичувалося флогістоном, тому отриманої речовини він дав назву флогістоване повітря.
Але слава відкриття азоту належить Даніелю Резерфорду, оскільки саме він описав отриману речовину як просту і навів її основні характеристики.
Незважаючи на те, що теорія флогістону вже давно стала історією, азот отримує і сьогодні, і не просто одержують, а у виробничих масштабах. Раніше азот могли одержувати лише у дуже невеликих кількостях в умовах лабораторій. І сьогодні для отримання «атмосферного» азоту (суміш азоту з інертними газами) у лабораторії застосовують той самий спосіб, що Кавендіш та Прістлі. Кисень повітря, реагуючи з вугіллям, перетворюється на вуглекислий газ, який поглинається лугом. А речовина, що залишається, складається в основному з азоту. Найчистіший азот за умов лабораторії отримують реакцією розкладання нітридів металів I, II групи, нагріваючи в атмосфері повітря чи кисневому середовищі.
У промислових масштабах азот стали отримувати лише минулого століття. Атмосферне повітря, що містить 78% азоту, стало джерелом його отримання. Спосіб поділу азоту та кисню за рахунок різниці в температурі кипіння довгий час залишався недоступним через недосконалість техніки охолодження. Цю проблему змогли вирішити англійський фізик Джек Дьюар та фізики з Краківського університету (Польща) – Врублевський та Ольшевський. І польські фізики, і Дьюар застосували принцип каскадного охолодження, внаслідок якого відбувалося зрідження азоту та кисню. Каскадне охолодження має на увазі поетапне зниження температури за допомогою компресійних рефрижераторів.
На сьогоднішній день існує три основні економічно вигідні способи одержання азоту в промислових масштабах: за допомогою азотних кріогенних ліній, адсорбційних та мембранних установок.
Кріогенні лінії
Цей метод отримання рідких газів називають методом глибокого охолодження. Сучасні кріогенні установки дозволяють зріджувати повітря та розділяти його на кисень, азот та аргон. Поділ ґрунтується на відмінності температур кипіння рідких газів.
Суть процесу зводиться до наступного: повітря стискають, потім стиснене повітря очищають від різних домішок, далі піддають зворотному розширенню, внаслідок чого відбувається охолодження та зрідження складових повітря газів. Отримана рідина поступово випаровується, і першим випаровується азот (у нього найнижча температура кипіння – 196 градусів).
Матеріали, що використовуються як у процесі виробництва кріогенних рідин, так і для їх зберігання та транспортування, змінюють свої фізико-механічні властивості, тому обслуговування кріогенних ліній потребує особливої уваги.
У такий спосіб отримують особливо чистий азот – з масовою (об’ємною) часткою 99,999% і від.
Ідея та розробка даного способу належить бізнесмену та видатному винахіднику Карлу фон Лінді. У 1870 році була призначена премія за винахід холодильної машини, за допомогою якої можна було б викристалізувати парафін – це спонукало професора Мюнхенської Вищої політехнічної школи зайнятися питанням холодильної галузі. У 1895 році фон Лінде розробляє технологію зрідження газів та отримує патент. У 1902 році – розробляє метод поділу повітря.
Адсорбційні установки
Як адсорбент застосовуються молекулярні вуглецеві сита. Молекули кисню затримуються цими ситами. Розмір часу становить 3 ангстреми. Кінетичний діаметр молекули азота дорівнює 3,1 ангстрем (один ангстрем дорівнює одній десятимільярдній частці метра), а у молекули кисню – 2. Принцип заснований на тому, що молекули азоту, кінетичний діаметр більший, ніж у молекул кисню, проходять безперешкодно через сито, а молекули кисню проникають в адсорбент, де і «застряють» у його порах. Адсорбційні установки дозволяють отримувати і азот високої чистоти (99,999% і вище), і «брудний» азот – з часткою 95%.
Мембранні установки
В установках цього типу відбувається процес поділу стисненого повітря, заснований на дифузії кисню через мембрани. Мембранні установки є модулями поділу повітря циліндричної форми, заповнені волокнами полімерів. Стиснене повітря подається в модуль, де потрапляє на внутрішній бік волокон. Молекули газів з найменшим діаметром молекули найлегше проходять назовні, кисень проходить із середньою швидкістю, а азот залишається на внутрішній поверхні. Максимальний рівень чистоти азоту, одержуваного на установках даного типу, становить 99,5%.
Людина відносно недавно навчилася отримувати азот, природою питання її отримання вирішено давно.
Азот, будучи одним із 4-х біогенних елементів, міститься у всіх живих організмах, але загальний його вміст у біосфері дуже незначний. Спочатку у складі первинної атмосфери Землі азоту був, були лише його сполуки. Чистий азот у складі атмосфери виник у результаті життєдіяльності самих організмів. Рослини у процесі фотосинтезу утворюють кисень, який входить у реакції сполуки з аміаком атмосфери, вивільняючи молекули азоту.
З корінням рослин сімейства бобових у тісному симбіозі існують спеціальні бульбочкові бактерії, які забезпечують рослину азотом, фіксуючи його з повітря.
Вулканічна діяльність забезпечує атмосферу азотом, що надходить поверхню у складі вулканічного газу.
Азот за поширеністю у Всесвіті займає 7-е місце. Він утворюється внаслідок складних багатоступінчастих ядерних реакцій, що відбуваються при загибелі зірок.
Сьогодні вчені приділяють особливу увагу біологічній фіксації азоту. Це питання є пріоритетним дослідженням у всіх розвинених країнах. Фіксація азоту у біологічний спосіб – технологія майбутнього.
Компанія «DP Air Gas», девіз якої «Безпека та якість», є постачальником азоту газоподібного технічного з об’ємною часткою понад 99,6%, азоту газоподібного підвищеної чистоти з об’ємною часткою понад 99,95% та азоту газоподібної особливої чистоти з об’ємною часткою 99,999%. Докладніше з продукцією можна ознайомитися тут.
