Азот

Описание

(вернуться к оглавлению)

Азот представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, плохо растворимый в воде, с низкими температурами плавления (-210°С) и кипения (-196°С). Простое вещество в виде N₂ - основная часть атмосферного воздуха (78 %). Молекула азота обладает очень прочными связями. Состояния, в которых азот может находиться в своих соединениях, исключительно разнообразны.

Круговорот азота в природе тесно связывает геосферу и биосферу, подтверждая их единство. Существует множество бактерий, способных легко переводить одни соединения азота в другие, причем с изменением степени окисления азота. Так, например, в биосфере связывание атмосферного азота N₂ и его превращение в аммиак NH₃ протекает более легким способом с участием фермента - нитрогеназы. Микроорганизмы, участвующие в этой реакции, присутствуют в корневых клубеньках некоторых растений, а также в сине-зеленых водорослях. Фермент нитрогеназа, содержащий белки, а также молибден Мо и железо Fe, активен только в анаэробных условиях, то есть без участия кислорода.

В природе протекают и другие взаимные превращения соединений азота: нитрификация или окисление NH₃ до NO₂, а также восстановление нитратиона из удобрений под действием ферментов растений или анаэробных бактерий до NO₂ или даже до NH₃.

При обычных условиях способность азота реагировать с другими веществами невелика, и он иногда используется как инертный газ. Определяется это исключительно большой прочностью связи в молекуле N₂, для ее разрыва требуется много энергии. Поэтому азот реагирует со многими металлами и неметаллами при высоких температурах.

Азот взаимодействует с активными металлами, например, Mg и Li с образованием нитридов. Также он взаимодействует с неметаллами, такими как О₂, Н₂, галогенами и другими, однако эти реакции возможны, как правило, при высокой температуре и в присутствии катализаторов.

Оксиды азота существуют главным образом за счет ковалентных химических связей N – O, обладают высокой способностью реагировать с другими веществами, поэтому неустойчивы.

N₂O – закись азота представляет собой бесцветный газ, растворимый в воде. Называется также «веселящим газом», так как является наркотическим веществом. Применяется в анестезии. Неустойчив, легко разлагается. При повышенной температуре является сильным окислителем.

NO представляет собой бесцветный газ, плохо растворимый в воде. С кислородом NO взаимодействует очень легко с образованием бурого NO₂. Молекула NO, по современным представлениям, несмотря на кажущуюся трудность её образования из простых веществ, присутствует в атмосфере в огромных количествах. Считают, что до 7?10⁷ тонн атмосферного азота N₂ в год реагируют с кислородом О₂ в результате таких высокотемпературных процессов, как сжигание топлива в промышленности и работа транспорта. Показано, что оксиды азота, как и озон, способны взаимодействовать с продуктами неполного сгорания топлива с образованием высокотоксичных пероксонитратов. Под действием солнечной радиации в верхних слоях атмосферы протекают фотохимические реакции с участием NO_x, которые катализируются содержащимися там твердыми частицами пыли.

N₂O₃ – азотистый ангидрид представляет собой жидкость голубого цвета, существующую только при низкой (ниже чем – 100°С) температуре. Хорошо растворяется в холодной воде с образованием азотистой кислоты (HNO₂).

NO₂ представляет собой бурую летучую жидкость хорошо растворимую в воде.

N₂O₅ – ангидрид азотной кислоты (HNO₃), при нормальных условиях бесцветное, летучее, кристаллическое гигроскопичное вещество. Медленно разлагается при комнатной температуре. С водой бурно реагирует с образованием азотной кислоты. N₂O₅ сильный окислитель по отношению ко многим металлам, неметаллам и органическим веществам.

Практически самым важным соединением азота является его гидрид NH₃ – аммиак. NH₃ представляет из себя бесцветный газ, в 1,7 раза легче воздуха. По своим физико-химическим свойствам сильно отличается от молекулярного азота. Он легко сжимается и более реакционоспособен. Аммиак хорошо растворим в воде, при этом он вступает с водой в химическое взаимодействие. NH₃ проявляет восстановительные свойства, в атмосфере кислорода горит.

Азот имеет две кислородсодержащие кислоты - HNO₂ и HNO₃.

Азотная кислота (HNO₃) – наиболее важное соединение азота. Это одна из самых сильных кислот, а концентрированная азотная кислота является сильным окислителем. Однако в зависимости от условий HNO₃ восстанавливается до различных продуктов. На ход процесса влияют природа восстановителя, концентрация реагента и температура. Соли азотной кислоты – нитраты – называются селитрами. Нитраты хорошо растворимы, водные растворы нитратов окислительными свойствами не обладают, но их расплавы – сильные окислители. Термическое разложение нитратов протекает по-разному, в зависимости от природы катиона соли.

Азотистая кислота (HNO₂) – непрочное соединение, известна только в холодных водных растворах, легко распадается. Это слабая кислота, проявляющая свойства окислителя и восстановителя. Соли азотистой кислоты – нитриты более устойчивы чем сама кислота и также обладают окислительно-восстановительной двойственностью. Нитриты более термически устойчивы чем нитраты и большинство из них хорошо растворимы в воде. Нитриты щелочных металлов плавятся без разложения.

Содержание в человеческом организме

(вернуться к оглавлению)

Азот входит в состав разнообразных органических соединений - аминокислот, пептидов, пуриновых оснований и многих других, являющихся основой жизнедеятельности. В следствие этого в организме человека он весьма распространен. Он является четвертым по содержанию в человеческом организме биогенным элементом после кислорода, водорода и углерода. Его содержание в теле составляет 3% от массы, из них в мышечной ткани – 7,2%, в костной ткани – 4,3.

В свободной форме N₂ поступает с вдыхаемым воздухом. Содержание небелкового азота в цельной крови и плазме почти одинаково и составляет в крови 15–25 ммоль/л. Небелковый азот крови включает азот мочевины (50% от общего количества небелкового азота), аминокислот (25%), эрготионеина (соединение, входящее в состав эритроцитов) (8%), мочевой кислоты (4%), креатина (5%), креатинина (2,5%), аммиака и индикана (0,5%) и других небелковых веществ, содержащих азот (полипептиды, нуклеотиды, нуклеозиды, глутатион, билирубин, холин, гистамин и др.). Таким образом, в состав небелкового азота входит главным образом азот конечных продуктов обмена простых и сложных белков.

Небелковый азот, называется также остаточным, то есть остающимся после осаждения белков. В состав остаточного азота входит также азот аминокислот и полипептидов. В крови постоянно содержится некоторое количество свободных аминокислот. Часть из них попадает в кровь из пищеварительной системы, другая часть аминокислот образуется в результате распада белков ткани. Почти пятую часть содержащихся в плазме аминокислот составляют глутаминовая кислота и глутамин. Содержание свободных аминокислот в сыворотке и плазме крови практически одинаково, но отличается от уровня их в эритроцитах. В норме отношение концентрации азота аминокислот в эритроцитах к содержанию азота аминокислот в плазме колеблется от 1,52 до 1,82. Это отношение отличается большим постоянством, и только при некоторых заболеваниях наблюдается его отклонение от нормы.

К важным небелковым азотистым веществам крови относится также мочевая кислота C₅H₄N₄O₃, которая является конечным продуктом обмена белков. В норме концентрация мочевой кислоты в цельной крови составляет 0,18–0,24 ммоль/л (в сыворотке крови – около 0,29 ммоль/л).

Также в результате обмена белков в организме образуется аммиак NH₃, который, в свою очередь, является токсичным соединением, в следствие чего, его уровень должен поддерживаться в безопасных пределах. В организме существуют механизмы обезвреживания аммиака. Часть аммиака используется на биосинтез аминокислот. Он связывается при биосинтезе глутамина и аспарагина. Некоторое количество аммиака выводится с мочой в виде аммонийных солей. Наибольшее количество аммиака расходуется на синтез мочевины, которая выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового обмена в организме человека и животных.

Биологическая роль

(вернуться к оглавлению)

Как уже было сказано выше, азот входит в состав органических соединений, из которых состоят органические формы жизни. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, гормонов, ферментов, витаминов, то есть можно сказать, что азот в той или иной степени важен для всех органов и систем живого организма, и всех, протекающих в них процессов, поддерживающих его жизнедеятельность.

Известно, что молекулы NO способны проникать в клетки стенок кровеносных сосудов и регулировать кровоток. Кроме того, NO контролирует секрецию инсулина, почечную фильтрацию, репаративные процессы в тканях. Таким образом, NO – двуликая молекула, проявляющая как токсичное, так и несомненно полезное действие. В организме человека NO образуется в количестве примерно равным 100 мг в сутки из аргинина.

Оксид азота является важнейшим для иммунной системы человека веществом. Он стимулирует борьбу организма с патогенами, в том числе и внутриклеточными. Помимо этого, оксид азота играет большую роль в процессе передачи нервных импульсов, в том числе и сам может выступать в роли нейромедиатора, то есть передавать электрохимические импульсы в организме человека. Также оксида азота принимает участие в процессах уничтожения отслуживших свой срок молекул ферментов и «старых» клеток организма.

Оксид азота способствует образованию вещества, которое снижает силу сердечных сокращений. Однако действие NO кратковременное, несколько секунд, локализованное – вблизи места его синтеза. Подобный эффект, но более длительный оказывает нитроглицерин, который медленнее освобождает NO.

Источники

(вернуться к оглавлению)

Основными источниками азота является вдыхаемый человеком воздух, а также продукты питания, как животного, так и растительного происхождения, содержащие в себе белок.

Суточная потребность

(вернуться к оглавлению)

Суточная потребность азота в составе вышеперечисленных органических веществ с пищей, установлена в размере 8-16 г. Подсчитано, что в состоянии азотистого равновесия организм взрослого здорового человека потребляет и соответственно выделяет примерно 15 г азота в сутки; из экскретируемого с мочой количества азота на долю мочевины приходится около 85%, креатинина – около 5%, аммонийных солей – 3%, мочевой кислоты – 1% и на другие формы – около 6%.

Недостаток

(вернуться к оглавлению)

Вряд ли, представляется возможным оценить, как на организм влияет недостаток азота, поскольку он входит в состав множества необходимых человеку веществ. Поэтому можно оценивать влияние нехватки лишь конкретных его соединений. Например, результатом дефицита азота, как составляющей части белка, является общее замедление роста организма.

Избыток

(вернуться к оглавлению)

У здорового человека колебания в содержании небелкового (остаточного) азота крови незначительны и в основном зависят от количества поступающих с пищей белков. При ряде патологических состояний уровень небелкового азота в крови повышается. Это состояние носит название азотемии. Существуют различные причины возникновения азотемии. Это может быть недостаточное выделение азотсодержащих продуктов с мочой. Это может быть связано с нарушением функции почек и снижением уровня кровообращения, а также препятствием оттока мочи из почки после ее образования. Продукционная азотемия развивается при избыточном поступлении азотсодержащих продуктов в кровь, как следствие усиленного распада тканевых белков при обширных воспалениях, ранениях, ожогах, кахексии и др. Нередко наблюдаются азотемии смешанного типа.

Как отмечалось, в количественном отношении главным конечным продуктом обмена белков в организме является мочевина (NH₂)₂CO. Принято считать, что мочевина в 18 раз менее токсична, чем остальные азотистые вещества. При острой почечной недостаточности концентрация мочевины в крови достигает 50–83 ммоль/л (норма 3,3–6,6 ммоль/л). Нарастание содержания мочевины в крови до 16–20 ммоль/л (в расчете на азот мочевины) является признаком нарушения функции почек средней тяжести, до 35 ммоль/л – тяжелым и свыше 50 ммоль/л – очень тяжелым нарушением с неблагоприятным прогнозом.

Повышение содержания мочевой кислоты в крови (гиперурикемия) – главный симптом подагры. При подагре уровень мочевой кислоты в сыворотке крови возрастает до 0,5–0,9 ммоль/л и даже до 1,1 ммоль/л.

Токсичность

(вернуться к оглавлению)

Неорганические соединения азота, как правило, токсичны, за исключением простого вещества N₂ и в небольших количествах N₂O.

Другие оксиды азота NO₂, N₂O₃ сильно токсичны и способны вызвать удушье и отек легких. Особенно токсичен нитрит-ион NO^2-, потому что он окисляет метгемоглобин и нарушает процесс переноса О₂ в организме. Кроме этого, нитрит-ион образует в желудке канцерогенный нитрозоамин. Однако, NaNO₂ применяли раньше как сосудорасширяющее средство при стенокардии и спазмах сосудов головного мозга. В последнее время от NaNO₂ из-за его несомненной токсичности отказались, заменив его нитроглицерином или нитросорбитом, которые не имеют таких побочных эффектов.

Вдыхание паров аммиака NH₃ в больших количествах вредно, так как аммиак создает сильнощелочную среду на поверхности слизистых оболочек гортани и легких, что вызывает их раздражение и отек.