Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Немецкий химик Юстус Либих (рис. 3.8) в середине XIX в. возглавлял крупнейшую в Европе научную школу химиков. Среди его учеников были видные российские химики: А.А. Воскресенский, Н.Н. Зинин и др. Основным направлением его исследований было получение и изучение новых химических соединений: он впервые описал хлороформ (1831), уксусный альдегид (1835), открыл молочную и другие карбоновые кислоты. Помимо этого, он изучал химию физиологических процессов: например, выдвинул химическую теорию брожения и гниения. Одна из его работ, доставившая много неприятностей, оказалась позже весьма значимой.

Анализируя золу сожженных растений, он установил, что в ее состав входят калий, фосфор, кальций и другие элементы. Рассуждения Либиха были просты и логичны: единственный источник этих элементов для растения – почва, которая постепенно обедняется после многократно собранных урожаев. Следовательно, нужные элементы необходимо добавлять в почву для увеличения ее плодородия. Основные взгляды он изложил в книге «Органическая химия в приложении к земледелию и физиологии» (1840).

Истины, которые нам теперь кажутся совершенно очевидными, вызвали в то время у ряда ученых резкий протест и возмущение. «Это самая бесстыдная книга из всех, которые когда-либо попадали мне в руки», – писал о ней профессор ботаники Тюбингенского университета Г. Моль. «Совершенно бессмысленная книга», – вторил ему известный немецкий писатель Ф. Рейтер, занимавшийся некоторое время сельским хозяйством. Немецкие газеты начали помещать оскорбительные письма и карикатуры на Либиха и на его теорию минерального питания растений. Ситуация осложнялась тем, что ожидаемой эффективности калийно-фосфатные удобрения, предложенные Либихом, во многих случаях не показали. Дело в том, что эти удобрения не содержали еще одного очень важного элемента – азота. Вначале Либих полагал, что азот растения усваивают из воздуха так же, как кислород и углерод (в виде СО₂).

К чести Либиха следует сказать, что у него хватило мужества признать свою ошибку, он сумел ее обнаружить и впоследствии исправить. Постепенно взгляды Либиха стали общепризнанными, что вскоре привело к появлению заводов по производству минеральных удобрений.

Воздадим должное Юстусу Либиху: история химии ко всем его многочисленным заслугам причисляет также создание им новой науки – агрохимии, в основе которой лежит необходимость применения удобрений.

Интересно, что ошибка Либиха была в некоторой степени частичной, поскольку существуют растения (например, горох, клевер, соя), которые могут усваивать атмосферный азот с помощью микроорганизмов, развивающихся в особых клубеньках на корнях этих растений. Такие бактерии, называемые азотофиксирующими, умеют в мягких условиях при обычной температуре и давлении превращать атмосферный азот в химические соединения.

Второй, не менее важный процесс связывания атмосферного азота – это электрические разряды в молниях. Каждую секунду по всему миру в землю ударяют до 100 молний, при высоких температурах в электрическом разряде (в канале молнии температура достигает 20 000 °С) азот взаимодействует с кислородом воздуха, образует оксид азота NO, который далее окисляется атмосферным кислородом до диоксида: 2NO + O₂ → 2 NO₂. Затем оксиды, соединяясь с водой и солями в почве, переходят в нитриты и нитраты. Ежегодно молнии дают несколько миллионов тонн азотистых удобрений – четверть всего образующегося в природе химически связанного азота.

Именно эти два источника связанного азота – азотфиксирующие бактерии и молнии – позволяют растениям существовать и развиваться. Кроме того, опадающие листья и ветви образуют перегной, в котором сохраняется запасенный азот. Благодаря этому леса могут существовать неограниченно долго без дополнительных удобрений.

Ситуация меняется, когда урожай вывозят с полей. По приблизительным подсчетам, ежегодно на земном шаре вместе с сельскохозяйственной продукцией вывозят около 100 млн т связанного азота. Столь громадный дефицит не могут восполнить природные процессы.

Азот – это жизнь!

Напомним, что в растениях азот находится в составе белковых молекул, которые содержат в среднем 17 % связанного азота. Из белков в растениях он далее переходит в белки травоядных животных, а далее поступает в организм млекопитающих. В состав молекул ДНК тоже входит азот. Поскольку белки и ДНК – основа всех живых организмов, то можно утверждать, что от возможности образовывать химические соединения азота зависит существование жизни на Земле.

Ранее было сказано, что биологическая фиксация атмосферного азота возможна с помощью некоторых бактерий. Этот процесс живой природы не менее важен, чем дыхание и фотосинтез (образование органических соединений из СО₂ и Н₂О). В результате деятельности азотфиксирующих бактерий громадные запасы атмосферного молекулярного азота превращаются в аминокислоты и белки.