предыдущая главасодержаниеследующая глава

Глава 11. Фиксация атмосферного азота и ионы металлов

Биологические машины по совершенству конструкции и точности работы превосходят многие технические устройства. Но особенно ярко преимущество организмов над механизмами, созданными человеком, проявилось в проблемах фиксации атмосферного азота и фотосинтеза.

В этой главе коснемся вопросов связывания азота. Уже в начале нашего века стало ясно, что запасов природной селитры - распространенного сырья для получения соединений азота (удобрений, лекарств, красителей) хватит приблизительно на 50 лет. Угроза настоящего азотного голода заставила химиков и инженеров тщательно изучать все реакции, в которые вступает свободный азот. Азот, состоящий из двухатомных молекул N2, в большом количестве имеется в воздухе, практически атмосфера - неисчерпаемый источник азота. Но молекулы N2 очень прочны, и число реакций, в которые они вступают при невысоких температурах, невелико.

Так, азот реагирует с металлом литием, образуя нитрид лития, но литий дорог, а регенерировать его нельзя без значительных затрат. При высоких температурах в присутствии катализаторов и при повышенном давлении удается связать азот с водородом в аммиак, но для этого требуется сложное и тоже не дешевое заводское оборудование. В природе существует много видов бактерий (клубеньковые бактерии - азотобактер, клостридиум и др.), фиксирующих атмосферный азот в гораздо более "мягких" условиях и успешно превращающих его в аммиак.

Во всех этих бактериях действует фермент, названный нитрогеназой. Для того чтобы превратить молекулярный азот в аммиак, ферментативные системы заставляют азот реагировать с ионом водорода и электроном. Детальный ход реакции не известен, но в ней, несомненно, принимает участие АТФ.

Белок нитрогеназы представляет собой комплекс двух белков - один из них содержит железо, а другой - железо и молибден. Кроме того, для действия нитрогеназы нужны двухзарядные ионы металлов: магния, марганца или кобальта (но не кальция), причем наибольший активирующий эффект получается с магнием.

Предполагалось, что в реакции фиксации атмосферного азота в качестве промежуточных продуктов получаются соединения N2H2 - диазен и N2H4 - гидразин.

Наличие в нитрогеназе двух металлов заставило предположить, что молекулы диазена и гидразина являются мостиками, связывающими в нитрогеназе ионы металлов. Более обстоятельное исследование привело к выводу, что роль мостика между железом и молибденом играет атом серы:

Роль мостика между железом и молибденом играет атом серы
Роль мостика между железом и молибденом играет атом серы

К атому железа присоединяется молекула азота, так что получается комплекс:

К атому железа присоединяется молекула азота
К атому железа присоединяется молекула азота

Затем возникает связь азот - молибден и присоединяется электрон и протон:

Возникает связь азот - молибден и присоединяется электрон и протон
Возникает связь азот - молибден и присоединяется электрон и протон

Присоединение водорода ведет к разрыву двойной связи и в конечном счете к образованию аммиака:

Присоединение водорода ведет к разрыву двойной связи и в конечном счете к образованию аммиака
Присоединение водорода ведет к разрыву двойной связи и в конечном счете к образованию аммиака

В этом процессе длины связей между атомами растут от стадии к стадии (молекула растягивается), а приток возбужденных электронов дает возможность присоединить протон. Таким образом, связь с металлами облегчает реакцию азота с водородом.

Разумеется, искусственное создание такого двухъядерного комплекса, состоящего из двух металлов и легко осуществляющего фиксацию атмосферного азота, представляется чрезвычайно заманчивым. Но на пути практического решения этой задачи встретились большие трудности; ведь то, что теоретически можно изобразить схемой, - только приближенная картина крайне сложного биохимического процесса, в котором множество важных особенностей не учтено (например, изменения формы белковых молекул, играющие большую роль в катализе).

Тем не менее уже сделаны успешные попытки решить эту задачу. В Советском Союзе работы А. Е. Шилова, М. Е. Вольпина и В. Б. Шура показали, что азот можно связать с помощью соединений титана и магния; особенно активны соединения титана в присутствии соединений ванадия, хрома, железа, молибдена и вольфрама.

По-видимому, удастся разработать технически приемлемую схему фиксации азота, которая не будет уступать биологической. Но это дело будущего.

предыдущая главасодержаниеследующая глава






Разновидности жемчуга - или полезная информация для покупателей ювелирных изделий

Объяснено загадочное поведение минерала калаверита

Индийский рынок ювелирных украшений обгонит американский

Пять вопросов при приобретении бриллиантового украшения

История сапфиров: экспедиция к эфиопским месторождениям

Передвижная выставка о жемчуге из Катара

Как зародились редчайшие голубые бриллианты

Крупнейшую пресноводную жемчужину продадут впервые за 240 лет

Ложки, вилки, ножики… А в новой жизни - украшения

Лабораторные бриллианты занимают всё большую долю рынка

Советы ювелирного стилиста: выбор актуальных моделей женских колец

В 1905 году на руднике «Премьер» в Южной Африке добыт самый крупный в мире алмаз - «Куллинан»

Лабораторные бриллианты становятся популярнее

В Калининграде нашли янтарь весом более 3 кг

Муассанит: ярче бриллианта и крепче сапфира

На кувейтском острове нашли 3,6-тысячелетнюю ювелирную мастерскую

Сияющий опал: 10 удивительных фактов о самом красивом драгоценном минерале

Модный тренд 1950-х: ювелирные украшения, которые приклеивали к телу

Ювелирный этикет ношения колец: правила, которые необходимо соблюдать

Странные гигантские алмазы приоткрывают тайну состава Земли

Что хранится в королевской шкатулке?

Работу хабаровского ювелира приняли в постоянную экспозицию Эрмитажа

В Болгарии найден древний амулет из Китая



Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Карнаух Лидия Александровна, подборка материалов, оцифровка; Злыгостева Надежда Анатольевна, дизайн;
Злыгостев Алексей Сергеевич, разработка ПО 2008-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник: 'IzNedr.ru: Из недр Земли'