Hrátky s dusíkem

Přesto i zde došlo v poslední době k zajímavým objevům, které by potenciálně mohly najít využití třeba v zemědělství či při úpravách klimatu.

Už z toho, že dusíkem je třeba hnojit, lze odvodit, že ač se dusík nachází všude kolem nás, nevyskytuje v podobě, v jaké ho potřebujeme. Molekula dusíku je krajně nereaktivní, ostatně proto může plynný dusík sloužit jako levná ochranná atmosféra. To, že pozemský život měl na svém počátku k dispozici vůbec nějaké sloučeniny dusíku, je výsledkem činnosti blesků a kosmického záření. Při těchto procesech vznikají oxidy dusíku, které dále reagují na formy využitelné v živých organismech (z druhé strany je přirozeně dobře, že k reakci dusíku s kyslíkem dojde jen za extrémních podmínek - pokud by se totiž dusík začal spalovat třeba při běžném lesním požáru, mělo by to zcela fatální dopad).

Přirozený vznik dusičnanů tímto postupem je velmi pomalý. Dusík je proto ve většině ekosystémů limitujícím prvkem, který musíme dodávat hnojením; podle jedné z teorií stála potřeba doplnit si jídelníček dusíkem možná i za vznikem masožravých roslin. Při současné spotřebě hnojiv by byly jejich přírodní zdroje už dávno vyčerpány, takže jsme závislí na hnojivech syntetických. Objev příslušných reakcí přibližně před 100 lety měl zřejmě i zásadní geopolitický význam.

SYNTÉZA AMONIAKU

Jak popisuje např. John Cornwell v knize Hitlerovi vědci, v první světové válce Británie sevřela Německo námořní blokádou. Do země nemohla mj. proudit dusíkatá hnojiva. Bez schopnosti je vyrábět průmyslově by německé zemědělství nemohlo vůbec zajistit zásobování místního obyvatelstva a nastal by rychlý kolaps. K tomu ale nedošlo, protože krátce předtím byla shodou okolností objevena průmyslově použitelná výroba amoniaku (čpavek, NH3) přímou syntézou dusíku s vodíkem.

Inertnímu dusíku se do této reakce rozhodně nechce. Ačkoliv za vysokého tlaku by podle teoretických modelů reakce probíhat měla, její rychlost je ve skutečnosti neznatelná. Vznik amoniaku přímou reakcí dusíku s vodíkem se ale rozběhne po přidání katalyzátoru - i když proces stále vyžaduje vysokou teplotu a tlak. Fritz Haber a Carl Bosch přišli v roce 1908 s konečně použitelnou metodou využívající katalýzy pórovitým železem.

Zajímavé je, že ani 100 let od tohoto objevu se ale stále pořádně neví, proč to takhle funguje. Tím se dostáváme k prvnímu novému objevu. Patrick Holland z University of Rochester vedl tým, který se záhadě pokusil přijít na kloub. V časopisu Science vědci uvedli, že reakci je kvůli podmínkám obtížné studovat přímo. Zkusili proto proces napodobit v roztoku. Zjistili, že komplex iontů železa s draslíkem dokáže rozbít trojnou vazbu v molekule dusíku za vzniku komplexu železa s dusíkem. Ten pak reagoval s vodíkem, čímž se vytvořil finální produkt - amoniak. Podobnou reakci zatím v roztoku nikdo neuskutečnil.

Haber-Boschova syntéza asi kvůli tomu nevyklidí pole. V tomto případě bylo totiž potřeba složité (a drahé) přípravy katalytického komplexu, na druhé straně ale zase nebyla nutná vysoká teplota a tlak. Třeba se oba postupy podaří nějak zkombinovat. Uvedenou metodou by se údajně dal připravovat nejen amoniak, ale i přímo nitridy. Ty mají rovněž své využití, např. jedna z variant nitridu bóru je tvrdší než diamant. Protože je navíc velmi teplotně stabilní i v kyslíkové atmosféře, mělo by jít o ideální materiál pro hroty řezných a vrtných nástrojů.

Nitrid bóru ve velmi tenké vrstvě má mít rovněž unikátní elektromagnetické vlastnosti, jimiž připomíná známý grafen (monoatomární vrstva uhlíku - grafitu). Na rozdíl od grafenu je nitrid boru navíc ještě průhledný. Každopádně tak tento materiál představuje jednoho z kandidátů na základ elektroniky příští generace.

UČIT SE OD BAKTERIÍ

Živé organismy se naučily lovit atmosferický dusík ze vzduchu již před asi 3,5 miliardami let. Zvládly to tehdejší jednoduché buňky (příbuzné dnešním bakteriím, sinicím apod.); problém je ale v tom, že samotné rostliny ani jiné složitější organismy si s fixací dusíku poradit nedokážou. Pokud dnes přihnojujeme půdu dusíkem pomocí pěstování luštěnin, jsou za vázání dusíku do organické látky ve skutečnosti odpovědné symbiotické bakterie žijící u kořínků rostlin.

Na výrobu zemědělských hnojiv se dnes spotřebuje údajně až 1,5 % veškeré energie. Bakterie a sinice dokáží vázat dusík efektivněji něž Haber-Boschova syntéza, při pokojové teplotě a tlaku. Celý proces zajišťuje enzym nitrogenáza; můžeme si ho představit analogicky výše popisované reakci dusíku s vodíkem, vzniká při něm rovněž aminosloučenina a ta se pak v dalším kroku zabudovává do organické látky.

Ani v případě této reakce se dosud přesně nevědělo, jak fixace funguje. Nitrogenáza je složitý metaloprotein obsahující v molekule železo (viz výše role železa při katalýze "anorganické" syntézy) a molybden. Chemik Uwe Bergmann z americké laboratoře SLAC (spadá pod Ministerstvo energetiky USA) nyní vedl tým, který pomocí rentgenové emisní spektroskopie zjistil, že klíčové místo na enzymu, kam se zachytí dusík, představuje atom uhlíku. Přesnější chápání reakce by mohlo opět pomoci najít způsob, jak zachycovat dusík při běžné teplotě a tlaku třeba i jen pomocí nějakých biochemických "článků".

GENETICKÉ I KLIMATICKÉ INŽENÝRSTVÍ

Asi polovina současného "organického" dusíku je lidského původu - z hnojiv, druhou cca polovinu zajišťuje fixace atmosferického dusíku živými organismy.

Nabízí se zde velice ambiciózní cíl pro genetické inženýrství. Rostliny přímo využívající atmosferický dusík by netrpěly jeho nedostatkem, a zvládly by tedy absorbovat i více oxidu uhličitého; tím bychom se jednak zbavovali skleníkového plynu, navíc by se podstatně urychlila i produkce živé hmoty. První účel by mohly plnit GMO stromy, druhý zase upravené obilniny a další základní plodiny.

Dusík navíc v klimatu figuruje mnoha dalšími způsoby. Některé jeho oxidy představují skleníkové plyny, na druhé straně ale kapičky kyseliny dusičné přispívají k tvorbě mraků, které Zemi ochlazují (odrážejí sluneční záření); snaha o čisté provozy například elektráren je tak pokládána za jeden z faktorů spoluvinných za globální oteplování.

Kapičky oxidů dusíku a síry chrlené speciálními "komíny/hadicemi" vysoko do atmosféry by mohly mít ochlazující účinek bez negativního vlivu přízemních emisí. Tento geoinženýrský projekt jako první zřejmě navrhl Nathan Myhrvold, zakladatel společnosti Intellectual Ventures a dříve i technologický ředitel Microsoftu.

KAPALNÝ DUSÍK

Snad stojí za zmínku i jedna drobná perlička týkající se dusíku. Kapalným dusíkem se kupodivu lze bez pohromy polít nebo do něj strčit ruku (mezi kapkami a pokožkou se bleskově vytvoří izolující vrstva par; podobným mechanismem se kapky vody mohou dlouho udržet a "tančit" na rozpálené plotně), ba dokonce ho i vzít do úst, převalovat v ústech a šokovanému okolí předvádět vypouštění bublin. Rozhodně se však kapalina nesmí polknout. Jeden šťastlivec, který tuto podmínku pozapomněl, se na základě svého činu dostal až do známé sbírky Darwinových cen (šťastlivec proto, že svůj čin nakonec přežil).

AUTOR: Pavel Houser
ZDROJ: MODERNÍ ŘÍZENÍ