Azot

6 görüntülenme

Azot, sembolü N ve atom numarası 7 olan, periyodik tablonun 15. grubuna (pniktojenler) ve 2. periyoduna ait kimyasal bir elementtir.^[1] Standart sıcaklık ve basınçta ağırlıklı olarak iki atomlu gaz N₂ formunda bulunan, renksiz, kokusuz ve tatsız bir ametaldir; hacimce Dünya atmosferinin yaklaşık %78,1’ini oluşturur ve havadaki en bol element olarak işlev görür.^[1]^[2] 14,007 u atom kütlesine ve [He] 2s² 2p³ elektron dizilimine sahip olan azot, beş değerlik elektronu sergiler; bu da onun N₂ içinde güçlü üçlü bağlar oluşturmasını ve bileşiklerde -3’ten +5’e kadar değişen oksidasyon durumları almasını sağlar.^[1]^[3]

Fiziksel özellikler açısından azot gazı, 20°C’de 0,001145 g/cm³ yoğunluğa, -210,00°C erime noktasına ve -195,79°C kaynama noktasına sahiptir; bu da onun kriyojenik uygulamalar için sıvılaştırılmasına olanak tanır.^[1]^[3] Kimyasal olarak N₂, üçlü bağının yüksek bağ enerjisi (941 kJ/mol) nedeniyle nispeten eylemsizdir; bu özelliği solunumda boğucu ve seyreltici rolüne katkıda bulunurken, biyolojik moleküllere katılımı yoluyla yaşam için elzemdir.^[2] Atmosferik bolluğuna rağmen azot, yaklaşık 1,9 × 10¹ mg/kg oranıyla Dünya kabuğunda kıttır ve esas olarak nitratlar, amonyak ve organik formlarda bulunur.^[1]

Azot, amino asitlerin, proteinlerin, nükleik asitlerin (DNA ve RNA gibi) ve diğer biyomoleküllerin temel bir bileşeni olarak biyolojide kritik bir rol oynar ve bakteri ile bitkiler tarafından fiksasyonu içeren azot döngüsü yoluyla ekosistemlerde dolaşır.^[1]^[2] Endüstriyel olarak, küresel gıda üretimini destekleyen gübreler için amonyak üretmek amacıyla Haber-Bosch sürecinde hayati öneme sahiptir; ayrıca patlayıcılar ve kimyasallar için nitrik asit sentezinde, metalürjide, gıda paketlemesinde ve yarı iletken üretiminde eylemsiz bir atmosfer olarak kullanılır.^[1]^[2] Sıvı azot da düşük sıcaklığı nedeniyle kriyojenikte, tıbbi dondurmada ve gıda muhafazasında uygulama alanı bulur.^[1]

Tarihçe

Keşif ve izolasyon

Azot ilk olarak 1772 yılında İskoç doktor Daniel Rutherford tarafından Edinburgh Üniversitesi’ndeki doktora araştırması sırasında izole edilmiştir. Rutherford, bir fareyi kapalı bir hava kabında boğulana kadar tuttuğu deneyler yapmış, ardından solunumla üretilen karbon dioksiti (“sabit hava” olarak adlandırılır) kireç suyu gibi bir alkali solüsyon kullanarak uzaklaştırmıştır. Alevleri söndüren ve küçük hayvanlar için ölümcül olan, “mefitik hava” veya “zehirli hava” olarak adlandırdığı geriye kalan gazın, oksijen ve karbon dioksitten ayrı, atmosferin filojistonla doymuş farklı bir bileşeni olduğu sonucuna varmıştır.^[4]^[5]

Rutherford’un izolasyonu, 18. yüzyılın sonlarında havanın bileşimine yönelik bir dizi eşzamanlı araştırma sırasında gerçekleşti. İsveçli kimyager Carl Wilhelm Scheele, amonyum nitrat ve diğer nitratları ısıtarak 1772’de bağımsız olarak benzer bir gaz üretti, ancak bunu tam olarak bir element olarak karakterize etmedi. İngiliz kimyager Joseph Priestley de aynı dönemlerde yanma deneyleri yoluyla gazı izole etti, buna “filojistiklenmiş hava” adını verdi ve oksitler oluşturmak için metallerle reaksiyona sokarak özelliklerini daha fazla inceledi. 1781’de Henry Cavendish, su üzerinde hava ve oksijen karışımlarını kıvılcımlayarak, nitrik asit üreterek ve atmosferik gazların oranlarını nicelleştirerek azotun eylemsiz doğasını doğruladı. Rutherford, tezi De aere fixo dicto aut mephitico‘nun 1772’de yayımlanması nedeniyle keşfin birincil kredisini aldı.^[5]^[4]

Etimoloji ve isimlendirme

Azot elementi ilk olarak 1772 yılında İskoç doktor Daniel Rutherford tarafından izole edilmiş ve Rutherford bu gaza, Joseph Priestley ve Henry Cavendish gibi kimyagerlerin önceki “filojistiklenmiş hava” tanımlarına benzer şekilde, yanmayı veya solunumu destekleyememe durumunu yansıtan “mefitik hava” veya “zehirli hava” adını vermiştir.^[6] Bu erken dönem isimleri, kimyasal kimliğinden ziyade boğucu özelliklerini vurgulamıştır.^[7]

1789’da Fransız kimyager Antoine Lavoisier, gaz için Yunanca a- (“olmadan” veya “değil” anlamında) ön eki ve zōē (“yaşam” anlamında) kelimelerinden türetilen azote adını önererek, oksijenin yerini alarak boğulmaya neden olmasındaki rolünü vurguladı.^[6] Bu terim Fransa’da ilgi gördü ve çeşitli dillerdeki isimleri etkiledi. Ertesi yıl, 1790’da, Fransız kimyager Jean-Antoine Chaptal, 1794 civarında kabul edilen İngilizce “nitrogen” kelimesinin temelini oluşturan nitrogène terimini türetti; Chaptal’ın ismi, elementin nitrik asit ve nitratlardaki varlığının fark edilmesi üzerine önerildi.^[7]^[6]

“Nitrogen” kelimesinin etimolojisi, Fransızca nitrogène kelimesine, nitre (Latince nitrum kelimesinden, güherçile veya potasyum nitratı ifade eder) ile -gène ekinin (Yunanca -genēs kelimesinden, “üreten” veya “doğuran” anlamında) birleşimine dayanır.^[7] Böylece, azotun barut ve gübreler için gerekli olan nitre bileşiklerinin oluşumundaki rolüne atıfta bulunarak, kelimenin tam anlamıyla “nitre oluşturan” veya “soda üreten” anlamına gelir. Nitron kökünün kendisi antik Yunanca kökenlidir ve muhtemelen doğal soda veya tuz yataklarını ifade eden Sami dillerinden ödünç alınmıştır.^[8]

Alternatif isimler, genellikle azote geleneğini veya boğulmayı yansıtacak şekilde çeşitli dillerde varlığını sürdürmektedir. Fransızca, İtalyanca (azoto), Rusça (azot) ve Lehçe’de (azot), bu terim Lavoisier’nin azote kelimesinden türetilerek cansız niteliğinin altını çizer.^[6] İsviçreli doktor Christoph Girtanner tarafından 1791’de tanıtılan Almanca Stickstoff, stick- (ersticken, “boğulmak” veya “nefessiz kalmak” kelimesinden) ile Stoff (“madde”) kelimelerini birleştirerek saf formdaki toksik etkilerine doğrudan atıfta bulunur.^[6] Benzer şekilde, Felemenkçe stikstof bu boğulma motifini takip eder. Buna karşılık, İspanyolca (nitrógeno), Portekizce (nitrogênio) ve İsveççe (kväve, kväva “boğmak” kelimesinden) gibi diller bu kökleri harmanlar veya uyarlar.^[6]

Modern kimyasal isimlendirmede azot, IUPAC onaylı “nitrogen” adı ve periyodik tablodaki 7. element konumunu yansıtan atom sembolü N ile belirtilir.^[6] N sembolü, İngilizce ve Latince nitrogenium kelimelerinden doğrudan türetilerek evrensel olarak kullanılır ve bilimsel literatür genelinde tutarlılık sağlar. Alcaligène (alkali üretimini vurgulayan) gibi tarihsel öneriler bu standartlaştırılmış terimler lehine terk edilmiştir.^[6]

Özellikleri

Fiziksel ve atomik özellikleri

Azot, atom numarası 7 ve kimyasal sembolü N olan kimyasal bir elementtir.^[1] Periyodik tablonun 15. grubunda (pniktojenler) yer alan bir ametaldir ve izotopik varyasyon nedeniyle 14,00643 ile 14,00728 arasında değişen bir atom ağırlığına sahiptir.^[9] Azot atomunun elektron konfigürasyonu [He] 2s² 2p³ şeklindedir ve 2p orbitallerinde bağ oluşumundaki reaktivitesine katkıda bulunan üç eşlenmemiş elektron içerir.^[1] Pauling ölçeğinde azot, kimyasal bağlarda elektronları çekme konusundaki güçlü eğilimini yansıtan 3,04’lük bir elektronegatifliğe sahiptir.^[10] Birinci iyonlaşma enerjisi 14,5341 eV’dir (1402,3 kJ/mol’e eşdeğerdir) ve bu, gaz fazındaki nötr bir atomdan bir elektronu uzaklaştırmak için gereken enerjiyi gösterir.^[11]

Standart sıcaklık ve basınçta elemental azot, iki azot atomu arasındaki güçlü bir üçlü bağ ile oluşan, yüksek kararlılık ve ortam koşullarında düşük reaktivite kazandıran iki atomlu bir molekül (N₂) olarak var olur.^[12] N₂, yanıcı olmayan ve toksik olmayan, renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır ve hacimce Dünya atmosferinin yaklaşık %78’ini oluşturur.^[12] Standart sıcaklık ve basınçtaki (0°C, 1 atm) yoğunluğu 1,2506 g/L’dir (veya 1,2506 kg/m³).^[13]

Azot, moleküler üçlü bağa rağmen zayıf moleküller arası kuvvetlerin karakteristik bir özelliği olarak çok düşük sıcaklıklarda sıvılaşır ve katılaşır. Aşağıdaki tablo, N₂ için temel faz geçiş noktalarını özetlemektedir:

Özellik	Değer	Referans
Erime noktası	63,3 K (-209,85°C)	Streng (1971) NIST aracılığıyla
Kaynama noktası	77,34 K (-195,81°C)	Jacobsen vd. (1986) NIST aracılığıyla
Üçlü nokta (T)	63,14 K (-210,01°C)	Jacobsen vd. (1986) NIST aracılığıyla
Üçlü nokta (P)	0,1252 bar	Jacobsen vd. (1986) NIST aracılığıyla
Kritik sıcaklık	126,19 K (-146,96°C)	Jacobsen vd. (1986) NIST aracılığıyla
Kritik basınç	33,978 bar	Jacobsen vd. (1986) NIST aracılığıyla
Kritik yoğunluk	11,18 mol/L	Jacobsen vd. (1986) NIST aracılığıyla

Bu değerler, azotun soğutma ve eylemsiz atmosferler gibi kriyojenik uygulamalardaki faydasını vurgulamaktadır.^[14] Molekülün bağ ayrışma enerjisi, diyatomik gazlar arasında en yükseklerden biri olan 945 kJ/mol’dür ve bu durum kimyasal eylemsizliğine katkıda bulunur.^[15]

İzotopları

Azotun iki kararlı izotopu vardır: azot-14 (¹⁴N) ve azot-15 (¹⁵N). Doğal olarak oluşan azotun %99,634’ünü oluşturan azot-14 en baskın izotop iken, azot-15 %0,366’yı oluşturur. Bu bolluklar, atmosferik azotun kütle spektrometrisi ölçümleri yoluyla hassas bir şekilde belirlenmiş ve standart bir ¹⁴N/¹⁵N oranı 272,0 ± 0,3 olarak saptanmıştır.^[16] Her iki izotop da radyoaktif değildir ve süresiz olarak kararlıdır; azot-14’ün nükleer spini 1 iken azot-15’in spini 1/2’dir, bu da ikincisinin organik ve biyokimyasal çalışmalarda yapısal analiz için nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisinde kullanılmasına olanak tanır.^[17]

Azot-15, kararlı yapısı ve azot-14’ten kaynaklanan hafif kütle farkı nedeniyle çevresel ve biyolojik araştırmalarda izleyici olarak özellikle değerlidir; bu fark, azot fiksasyonu ve denitrifikasyon gibi süreçlerde izotopik fraksiyonlanmaya yol açar. Biyojeokimyasal döngülerde, ¹⁵N/¹⁴N oranındaki varyasyonlar (δ¹⁵N olarak ifade edilir) besin kaynaklarının izlenmesine yardımcı olur; atmosferik azot 0‰’de referans standardı olarak işlev görürken, karasal materyaller -20‰ ile +30‰ arasında değişir. Örneğin, gübreler genellikle 0‰ civarında δ¹⁵N değerleri gösterirken, hayvan gübresi +10‰ ile +25‰ arasında değişerek kirlilik kaynağının belirlenmesine yardımcı olur.^[18]

Kararlı izotoplarına ek olarak azotun, kütle numaraları ¹⁰N’den ²⁵N’ye kadar uzanan bilinen 15 radyoaktif izotopu ve gözlemlenen bir nükleer izomeri vardır. Bu izotoplar kısa ömürlüdür; en uzun yarı ömür 9,965 dakika ile azot-13’e (¹³N) aittir. %100 pozitron emisyonu (β⁺) bozunmasıyla karbon-13’e (¹³C) dönüşen bu izotop, tıbbi teşhislerde pozitron emisyon tomografisi (PET) görüntüleme için uygundur. Diğer önemli radyoaktif izotoplar arasında 11 milisaniye yarı ömrü olan ve karbon-12’ye öncelikle β⁺ bozunması (%98) yapan azot-12 (¹²N) ve 7,13 saniyelik yarı ömre sahip olup, nükleer reaktörlerde yüksek enerjili gama emisyonu nedeniyle soğutucu akışının izlenmesi için üretilen ve neredeyse tamamen β⁻ bozunmasıyla oksijen-16’ya dönüşen azot-16 (¹⁶N) bulunur.^[17] Azot-17, 4,173 saniyelik yarı ömürle β⁻ emisyonu ile öncelikle oksijen-17’ye bozunur (dallanma oranı ≈%99) ve oksijen-16’ya nötron emisyonunun eşlik ettiği β⁻ bozunması için küçük bir dal (≈%1) içerir.^[19] Bu izotoplar yapay olarak üretilir ve nükleer fizik araştırmalarında ve radyofarmasötik uygulamalarda rol oynar, ancak hızlı bozunmaları doğal olarak bulunmalarını sınırlar.^[20]

İzotop	Kararlılık	Doğal Bolluk (%)	Yarı Ömür	Bozunma Modu	Temel Uygulamalar/Notlar
¹⁴N	Kararlı	99,634	–	–	En yaygın; N atom kütlesinin temeli (14,0067 u)
¹⁵N	Kararlı	0,366	–	–	NMR spektroskopisi; biyoloji ve ekolojide izotopik izleyici
¹²N	Radyoaktif	–	11 ms	β⁺ (%98)	Kısa ömürlü; nükleer araştırma
¹³N	Radyoaktif	–	9,965 dk	β⁺ (%100)	Tıpta PET görüntüleme
¹⁶N	Radyoaktif	–	7,13 s	β⁻ (~%100)	Reaktör izleme; gama yayıcı
¹⁷N	Radyoaktif	–	4,173 s	β⁻ (≈%99), β⁻-n (≈%1)	Nükleer çalışmalar

Yukarıdaki tablo, bilimsel uygulamalardaki bağlamları için özelliklerini vurgulayarak kararlı izotopları ve yarı ömrü 1 milisaniyeyi aşan seçili radyoaktif olanları özetlemektedir. Tüm radyoaktif azot izotopları beta süreçleri yoluyla bozunur ve bu, kararlı formlara kıyasla çekirdeklerindeki proton-nötron dengesizliğini yansıtır.

Allotropları

Azot standart koşullar altında, Dünya atmosferinin yaklaşık %78’ini oluşturan ve 945 kJ/mol bağ ayrışma enerjisine sahip güçlü bir üçlü bağ ile karakterize edilen en kararlı allotrop olan, öncelikli olarak iki atomlu N₂ molekülü şeklinde bulunur.^[21]

Tek atomlu veya “aktif” azot olarak da bilinen atomik azot, N₂ gazındaki elektrik boşalmalarıyla üretilen oldukça reaktif bir allotroptur ve ilk kez 1910 yılında Lord Rayleigh tarafından Lewis-Rayleigh art-ışıması olarak bilinen parlayan sarı bir art-ışıma olarak gözlemlenmiştir.^[22] Bu form, temel durumda (^4S) veya uyarılmış durumlardaki azot atomlarından oluşur; üç eşleşmemiş elektronu onu ışık ve ısı olarak enerji salarak hızla N₂’ye yeniden birleşen bir triradikal yapar; geçicidir ve ortam koşullarında kararlı değildir.^[23]

İki atomlu ve atomik formların ötesinde azot, genellikle kararsız olan ve gözlem için düşük sıcaklıklar veya izolasyon teknikleri gerektiren çeşitli polinazot molekülleri oluşturur. Azit radikali N₃• spektroskopik olarak gözlemlenen kısa ömürlü bir türdür; N₄ ise tanımlanmış ancak yapısal olarak tam olarak karakterize edilememiştir.^[24] 2025 yılında araştırmacılar, oda sıcaklığında klor veya bromun gümüş azit ile gaz fazı reaksiyonu yoluyla nötr heksanitrojen (N₆) sentezlemiş ve bunu 10 K’de bir argon matrisinde veya 77 K’de sıvı azot içinde filmler olarak hapsetmişlerdir; dört çift bağ ve bir merkezi tek bağ içeren bu doğrusal molekül, yüksek bir ayrışma bariyeri sergilemesine rağmen zayıf termal kararlılığa sahiptir, patlayıcı bir şekilde N₂’ye ayrışır ve potansiyel olarak yüksek enerji yoğunluklu bir materyal olarak hizmet edebilir.^[25]

Tek bağlı azot atomlarının genişletilmiş ağlarından oluşan polimerik azot allotropları, aşırı yüksek basınç koşulları altında sentezlenir ve N₂’ye ayrışma üzerine büyük miktarlarda enerji salma potansiyelleri nedeniyle gelecek vaat eden enerji depolama materyallerini temsil eder. İlk olarak 2004 yılında 110 GPa’nın üzerindeki basınçlarda ve 2000 K civarındaki sıcaklıklarda sentezlenen kübik goş azot (cg-N), sp³ hibridizasyonuna sahip elmas benzeri üç boyutlu bir yapıya sahiptir ve ortam basıncına dekompresyon üzerine yarı kararlıdır.^[26] Diğer formlar, 140 GPa’da N₂’nin lazerle ısıtılmasıyla elde edilen, siyah fosfora benzer katmanlı büzgüsel bir yapı benimseyen ve yarı iletken özellikler sergileyen siyah fosfor benzeri azotu (bp-N) içerir.^[27] Katmanlı polimerik azot (LP-N) ve PLP-N gibi katman sonrası varyantlar, 100–240 GPa arasındaki basınçlarda oluşur ve basınç altında oda sıcaklığına kadar değişen kararlılığa sahip iki boyutlu tabakalar veya altıgen katmanlar sergiler.^[28] Bu polimerik fazlara tipik olarak elmas örs hücreleri kullanılarak erişilir ve X-ışını kırınımı ile doğrulanır, bu da azotun sıkıştırma altında karbonun allotropisini taklit etme yeteneğini vurgular.^[29]

Kimyası

Reaktivite ve bağlanma

Azot temel olarak, 941 kJ/mol bağ ayrışma enerjisine sahip güçlü bir üçlü bağ (N≡N) ile karakterize edilen iki atomlu N₂ molekülü olarak bulunur, bu da onu oldukça kararlı kılar ve ortam koşullarında düşük kimyasal reaktivitesine katkıda bulunur.^[30] Bu üçlü bağ, bir σ orbitalinin (sp hibridizasyonundan) ve iki π orbitalinin (hibritleşmemiş p orbitallerinden) örtüşmesinden kaynaklanır ve her bir azot atomunun altı elektronu paylaşırken bir oktet konfigürasyonuna ulaşmasına olanak tanır.^[31] O₂’deki O=O çift bağının (498 kJ/mol) neredeyse iki katı olan yüksek bağ enerjisi, azotun küçük atom boyutundan ve etkili orbital örtüşmesinden kaynaklanır; bu durum bağın kopmasını endotermik yapar ve aktivasyon olmadan kinetik olarak elverişsiz kılar.^[31]

Bu kararlılık nedeniyle N₂, oda sıcaklığında minimum reaktivite sergiler; yalnızca lityum gibi yüksek oranda elektropozitif metallerle etkileşime girerek Li₃N gibi nitrürler oluşturur veya bağı zayıflatmak için metal kofaktörler kullanan azot fiksasyonu yapan bakterilerdeki belirli biyolojik enzimlerle etkileşime girer.^[32] Arttırılmış reaktivite, yüksek sıcaklıklar (örneğin NO oluşturmak üzere oksijenle birleşmek için 1000°C’nin üzerinde), yüksek basınçlar veya kataliz gibi aşırı koşullar altında meydana gelir; örneğin endüstriyel Haber-Bosch süreci, N₂ + 3H₂ → 2NH₃ reaksiyonunu kolaylaştırmak için 200–300 atm ve 400–500°C’de demir bazlı katalizörler kullanır.^[31] Buna karşılık, elektrik boşalmalarında üretilenler gibi atomik azot veya aktif N₂ türleri, azitler oluşturan veya C-H bağlarına giren yüksek reaktivite sergiler.^[32]

Bağlanmada azotun beş değerlik elektronu, çok yönlü hibridizasyona (sp, sp², sp³) ve çoklu bağ oluşumuna olanak tanır ve benzer orbital boyutları ve enerjileri nedeniyle karbon ve oksijen gibi ikinci periyot elementleriyle π bağlanmasını destekler.^[31] Yaygın motifler arasında siyanürlerdeki üçlü bağlar (örneğin, H-C≡N), iminlerdeki çift bağlar (R₂C=NR) ve aminlerdeki tek bağlar (R-NH₂) bulunur; zincirlenme yeteneği, hidrazin (H₂N-NH₂) gibi zincirlere olanak tanır.^[31] Azotun elektronegatifliği (Pauling ölçeğinde 3,04), amonyağın metal merkezlerine koordine olmasında olduğu gibi, yalnız çifti aracılığıyla sıklıkla bir Lewis bazı görevi gördüğü polar kovalent bağları teşvik eder.^[31]

Azot, indirgeme için üç elektron kazanma veya oksidasyon için beş elektron kaybetme yeteneğini yansıtacak şekilde -3’ten (örneğin NH₃ ve N³⁻ nitrürlerinde) +5’e (örneğin NO₃⁻ ve HNO₃’te) kadar oksidasyon durumlarını kapsar; bu durum bileşiklerdeki redoks çok yönlülüğünün temelini oluşturur.^[31] Ara durumlar, NO’da +2 (resmi bir çift bağ ve eşleşmemiş bir elektron ile, onu paramanyetik yapar) ve NO₂’de +4 (N-N tek bağı yoluyla N₂O₄ olarak dimerize olan) içerir.^[31] Bu aralık, azotun birden fazla durum arasında döngüye girdiği Ostwald sürecinde NH₃’ün HNO₃’e oksidasyonu gibi reaksiyonları kolaylaştırır.^[31]

İnorganik bileşikler

İnorganik azot bileşikleri, azotun -3’ten +5’e kadar değişen oksidasyon durumlarını yansıtan ve metaller, ametaller, hidrojen ve oksijen ile kararlı bağlar oluşturmasını sağlayan çok çeşitli türleri kapsar. Bu bileşikler, küresel olarak en çok üretilen kimyasallar arasında yer alan amonyak ve nitrik asit ile endüstriyel süreçlerde, tarımda ve çevresel kimyada çok önemlidir.^[33]^[34]^[31]

Nitrürler, azotun -3 oksidasyon durumunu aldığı ve tipik olarak alkali ve toprak alkali metallerle oluşan bileşikleri temsil eder. Lityum nitrür (Li₃N), lityum metalinin ortam sıcaklığında doğrudan dinitrat ile reaksiyona sokulmasıyla sentezlenir ve su ile şiddetle reaksiyona girerek amonyak ve lityum hidroksit üreten bir katı verir.^[2]^[31] Titanyum nitrür (TiN) gibi geçiş metali nitrürleri yüksek sertlik ve erime noktaları sergiler, genellikle metallerin amonyak veya azot atmosferlerinde ısıtılmasıyla hazırlanır ve refrakter özellikleri nedeniyle kaplamalarda ve seramiklerde uygulama alanı bulur.^[2]

Azotun hidrürleri, başta amonyak (NH₃) ve hidrazin (N₂H₄) olmak üzere, hidrojenli önemli ikili bileşiklerdir. Endüstriyel olarak en bol bulunan inorganik azot bileşiği olan amonyak, dinitrat ve dihidrojeni 200–300 atm ve 400–500°C’de demir bir katalizör üzerinde birleştirerek Le Châtelier prensibiyle optimize edilmiş denge verimleri elde eden Haber-Bosch süreciyle üretilir.^[2]^[31] Sulu çözeltide zayıf bir baz görevi görerek pK_a ≈ 9,25 ile amonyum iyonu (NH₄⁺) oluşturur ve gübreler ile patlayıcılar için bir öncü görevi görür. Amonyağın sodyum hipoklorit ile oksidasyonu ile hazırlanan hidrazin, dinitrat ve su vermek üzere oksijenle ekzotermik olarak (ΔH = -622 kJ/mol) yanan ve roket itkisinde kullanılan yüksek enerjili bir sıvıdır.^[2]^[31]^[34]^[35]

Azot oksitler, oksidasyon durumları +1’den +5’e kadar değişen, birçoğu atmosferik ve biyolojik süreçlerde rol oynayan bir dizi gaz halindeki bileşiği oluşturur. Nitröz oksit (N₂O) veya güldürücü gaz, amonyum nitratın 170–200°C’de termal olarak ayrışmasıyla üretilir ve fizyolojik koşullar altındaki eylemsizliği nedeniyle anestezik olarak hizmet eder, ancak stratosferik ozon tabakasının incelmesine katkıda bulunur.^[2]^[31] Yanma sırasında veya nitrik asidin bakır ile indirgenmesiyle oluşan tek elektronlu bir radikal olan nitrik oksit (NO), memelilerde damar genişlemesi ve nörotransmisyon için bir sinyal molekülü olarak işlev görürken, azot dioksit (NO₂) oluşturmak üzere dioksijen ile reaksiyona girer.^[2]^[31]^[34] Düşük sıcaklıklarda dimerize olarak N₂O₄ oluşturan toksik kahverengi bir gaz olan NO₂, motor egzozlarından kaynaklanan önemli bir kirleticidir; havada oksitlenerek azot pentoksite (N₂O₅) dönüşür ve bu da hidrolize uğrayarak nitrik asit oluşturur.^[31]

Nitrik asit (HNO₃) ve nitröz asit (HNO₂) gibi oksoasitler ve bunların anyonları, azotun daha yüksek oksidasyon durumlarını örnekler. Amonyağı platin üzerinden NO’ya, ardından NO₂’ye oksitleyen ve ardından suda emilimi içeren Ostwald süreci ile endüstriyel olarak üretilen nitrik asit, nitratlı gübre üretiminde ve amonyum nitrat gibi patlayıcılarda kullanılan güçlü, dumanlı bir asittir.^[33]^[31] +5 oksidasyon durumu sergiler ve konsantrasyona bağlı olarak NO veya NO₂ salmak üzere metalleri ayrıştıran güçlü bir oksitleyici görevi görür. Nitröz asitten elde edilen nitrit iyonları (NO₂⁻) gıdalarda koruyucu olarak işlev görürken, nitrat iyonları (NO₃⁻) gübrelerde elzemdir ancak su yollarında ötrofikasyona neden olabilir.^[2]^[34]^[36]

Azot halojenürler, florürlerden daha az kararlı olmalarına rağmen, amonyak ve flordan bakır katalizörü üzerinde sentezlenen azot triflorürü (NF₃) içerir; bu bileşik termodinamik olarak kararlıdır ve +3 oksidasyon durumu nedeniyle plazma dağlamada kullanılır.^[34]^[31] Amonyak ve klordan oluşan azot triklorür (NCl₃), oldukça patlayıcıdır ve dinitrat ile klora ayrışır. N₃⁻ iyonunu içeren azitler, enerjik malzemelerdir; sodyum azit (NaN₃), sodyum amitin nitröz oksit ile reaksiyona sokulmasıyla hazırlanır ve patlayarak dinitrat açığa çıkarır, otomobil hava yastıklarına güç sağlar.^[2]^[34] Bu bileşikler azotun çok yönlülüğünü vurgular, ancak birçoğu reaktiviteleri nedeniyle dikkatli kullanım gerektirir.^[34]

Organik azot bileşikleri

Organik azot bileşikleri, azot atomlarının karbon atomlarına kovalent olarak bağlandığı, moleküler omurganın veya fonksiyonel grupların bir parçasını oluşturduğu çeşitli bir madde sınıfıdır. Bu bileşikler, azotun dört adede kadar bağ oluşturma yeteneğinin geniş bir yapı ve reaktivite yelpazesi sağlamasıyla organik sentez, farmasötikler, boyalar ve biyolojik sistemlerde çok önemli roller oynar.^[37] Aminler, amitler, nitriller, nitro bileşikleri, iminler ve azot içeren heterosiklikler başta olmak üzere, azotu içeren fonksiyonel gruba göre sınıflandırılırlar.^[38]

Aminler, amonyağın (NH₃) bir veya daha fazla hidrojen atomunun alkil veya aril grupları gibi organik sübstitüentlerle yer değiştirdiği türevleridir. Daha ileri alkilasyon ile kuaterner amonyum tuzları (R₄N⁺X⁻) oluşturarak birincil (R-NH₂), ikincil (R₂NH) veya üçüncül (R₃N) olarak kategorize edilirler. Aminler, bir proton kabul eden azot üzerindeki yalnız çift nedeniyle baziklik sergiler ve kaynama noktaları hidrojen bağı kapasitesiyle artar; birincil ve ikincil aminler hidrojen bağları oluştururken üçüncül aminler oluşturmaz. Yaygın örnekler arasında kimyasal sentezde kullanılan metilamin (CH₃NH₂) ve boyalar ile farmasötikler için bir öncü olan anilin (C₆H₅NH₂) bulunur; genellikle balık kokusuna sahiptirler ve endüstriyel olarak alkollerden ve amonyaktan sentezlenirler.^[38]

Amitler, karboksilik asitlerin ve aminlerin kondansasyonundan kaynaklanan, su salan bir karbonil grubuna (R-C(O)-NR₂) bağlı bir azot atomuna sahiptir. Bu fonksiyonel grup, azot yalnız çifti ile karbonil π-bağı arasındaki rezonans nedeniyle düzlemseldir; bu da aminlere kıyasla bazikliği azaltır ve stabilite kazandırır. Asetamit gibi birincil amitler (R-C(O)NH₂) hidrojen bağı yoluyla suda çözünürken, ikincil ve üçüncül amitler peptitlerde ve sentetik polimerlerde görülür. Amitler biyokimyada proteinlerdeki peptit bağları olarak ve diaminler ile dikarboksilik asitlerden oluşan naylon gibi materyallerde önemlidir.^[38]^[39]

Nitriller veya siyanürler (R-C≡N), karbon-azot üçlü bağı içerir ve bu da onları hidroliz veya indirgeme yoluyla karboksilik asitlere, esterlere veya aminlere dönüştürmek için organik sentezde çok yönlü ara ürünler yapar. Siyano grubu elektron çekicidir, bitişik konumlardaki reaktiviteyi etkiler ve nitriller tipik olarak yüksek dipol momentli sıvılar veya düşük erime noktalı katılardır. Asetonitril (CH₃CN) yaygın bir çözücü olarak hizmet ederken adiponitril naylon üretiminde kullanılır; halojenürler ve siyanür iyonlarından veya amitlerin dehidrasyonundan hazırlanırlar.^[40]

Nitro bileşikleri (R-NO₂), genellikle arenlerdeki elektrofilik aromatik sübstitüpsyon veya alkanların doğrudan nitrasyonu yoluyla karbona bağlı bir nitro grubundan oluşur. Nitro grubu güçlü bir şekilde elektron çekicidir, aromatiklerde daha fazla elektrofilik saldırı için orto/para konumlarını aktifleştirir ve alifatik durumlarda karbanyonları stabilize eder. Nitrobenzen (C₆H₅NO₂), boyalar ve ilaçlar için aniline indirgenen önemli bir endüstriyel bileşiktir; nitrometan (CH₃NO₂) ise bir çözücü ve patlayıcı öncüsü olarak işlev görür. Bu bileşikler tipik olarak yüksek kaynama noktalarına sahip soluk sarı sıvılar veya katılardır.^[41]

İminler (R₂C=NR’), karbonil bileşiklerinin birincil aminlerle kondansasyonundan kaynaklanır; katılık veren ve koordinasyon kimyasında Schiff bazlarında anahtar rol oynayan bir C=N çift bağ içerirler. Karbonillerden daha az kararlıdırlar ve asidik veya bazik koşullar altında hidrolize olurlar; benzaldimin gibi örnekler heterosikliklere sentetik yollarda kullanılır.^[39]

Azot içeren heterosiklik bileşikler, azotu beş veya altı üyeli halkalar gibi halka yapılarına entegre ederek aromatiklik ve benzersiz reaktiviteler sergiler. Pirol (beş üyeli, halkada NH), hem içindeki porfirinlere katkıda bulunurken piridin (altı üyeli, CH yerine N), benzene benzer ancak nükleofilik yer değiştirmeler için bazik azot içerir. Bunlar alkaloitlerde, vitaminlerde (örneğin nikotin) ve farmasötiklerde temel niteliktedir ve sentezleri genellikle siklizasyon reaksiyonlarını içerir.^[38]^[37]

Dikkate değer diğer sınıflar arasında görünür ışık emilimi nedeniyle boyalar için değerli olan azo bileşikleri (R-N=N-R) ve roket yakıtlarında ve indirgeyici maddeler olarak kullanılan hidrazinler (R-NH-NH₂) bulunur. Genel olarak, organik azot bileşiklerinin reaktivitesi, azotun elektronegatifliği ve yalnız çiftinden kaynaklanarak kimya ve biyoloji genelinde uygulamalara olanak tanır.^[39]^[42]

Bulunuşu

Evrende ve Dünya kabuğunda

Azot evrendeki en bol elementler arasında yer alır; hidrojene göre yaklaşık $$ 7.5 \times 10^{-5} $$ kozmik bolluk ile (veya $$ \log \epsilon(\text{N}) = 7.83 \pm 0.05 $$) atom numarası fraksiyonu açısından genel olarak altıncı sıradadır. Bu onu evrendeki toplam atom sayısının kabaca %0,007’sine koyarak hidrojen, helyum, oksijen, karbon ve neonun gerisine yerleştirir. Element temel olarak, karbonun hidrojeni helyuma dönüştürmek için bir katalizör olarak görev yaptığı ve azotu bir yan ürün olarak ürettiği, yaklaşık 1,3 güneş kütlesinden daha büyük kütleli ana dizi yıldızlarının çekirdeklerinde meydana gelen bir proton yakalama süreci olan karbon-azot-oksijen (CNO) döngüsü yoluyla sentezlenir.^[43]^[44]

Yıldızlararası ortamda azot, moleküler N₂ olarak ağırlıklı olarak bulunur ve bu durum ultraviyole spektroskopisi ile doğrulanmıştır, ancak yaygın bölgelerde atomik ve iyonik formlar da mevcuttur. Dağılımı, asimptotik dev kol (AGB) yıldızları ve süpernovaların katkıları nedeniyle metal bakımından zengin ortamlarda gözlemlenen daha yüksek bolluklarla birlikte, kozmik zaman boyunca yıldız nükleosentezini yansıtır. Uzak galaksilerin gözlemleri, azot zenginleşmesinin yıldız oluşumu tarihiyle korele olduğunu ve galaktik kimyasal evrim için bir izleyici olarak hizmet ettiğini göstermektedir.^[45]

Kozmik yaygınlığının aksine azot, üst kıta kabuğunda ağırlıkça sadece yaklaşık 83 ppm ve tüm kabukta yaklaşık 50-74 ppm civarında oluşturarak Dünya kabuğunda kıttır. Bu düşük konsantrasyon, azotun uçucu olması ve silikat minerallerine asgari katılımla birlikte, gezegensel farklılaşma sırasında büyük ölçüde atmosfere ve hidrosfere ayrışmasından kaynaklanmaktadır. Esas olarak nitrat mineralleri (örneğin evaporitlerde), killere adsorbe olmuş veya mikalar ve feldspatlarda yer değiştirmiş amonyum iyonları ve meteoritik materyallerdeki eser miktardaki nitrürler olarak bulunur, ancak tortul kayaçlarda organik bağlı formlar baskındır. Yitim ve metamorfik süreçler, kabuksal azotu mantoya veya atmosfere geri salabilir ve küresel azot döngüsünü etkileyebilir.^[46]^[47]

Atmosferde

Azot, kuru havada hacimce Dünya atmosferinin yaklaşık %78’ini oluşturarak en bol bulunan gazdır ve genel atmosfer basıncı ile yoğunluğunu etkileyen birincil bir bileşendir. Bu hakimiyet, N₂ molekülünün güçlü üçlü bağı nedeniyle tipik koşullar altında onu kimyasal olarak eylemsiz hale getiren ve atmosferik azotun neredeyse tamamını oluşturan iki atomlu formunun kararlılığından kaynaklanır.^[48]^[49]^[50]

N₂’nin varlığı, Dünya yüzeyindeki kontrolsüz yanmayı ve hızlı tutuşmayı önleyen oksijen konsantrasyonlarını yaklaşık %21’e seyrelterek atmosferik dengeyi korumada kritik bir rol oynar. Bu tamponlama etkisi olmadan, daha yüksek oksijen seviyeleri yangının yayılmasını ve oksidasyon süreçlerini hızlandıracak, potansiyel olarak ekosistemleri ve iklim dinamiklerini değiştirecekti. N₂’nin eylemsizliği, yıldırım gibi yüksek enerjili koşullar veya üst atmosfer dışında diğer gazlarla reaksiyona girmeye dirençli olması nedeniyle atmosferin uzun vadeli kararlılığına da katkıda bulunur.^[51]^[48]

N₂ ezici bir çoğunlukla baskın olsa da, nitrik oksit (NO), azot dioksit (NO₂), nitröz oksit (N₂O) ve amonyak (NH₃) dahil olmak üzere atmosferde %0,01’in altındaki konsantrasyonlarda eser miktarda reaktif azot bileşikleri mevcuttur. Bu türler, toprak emisyonları, orman yangınları ve mikrobiyal aktivite gibi doğal kaynakların yanı sıra fosil yakıt yanması ve tarım gibi insan faaliyetlerinden de kaynaklanmaktadır. Troposferik ozonun oluşumu, aerosol üretimi ve ekosistemlere besin birikimi gibi önemli atmosferik süreçlere katılırlar, ancak düşük bollukları kütle atmosferik bileşimi üzerindeki doğrudan etkileri sınırlar.^[52]^[53]

Canlı organizmalarda

Azot bilinen tüm canlı organizmaların önemli bir bileşenidir; karbon, hidrojen ve oksijenden sonra hücresel biyokütlede en bol bulunan dördüncü element olarak yer alır.^[54] Öncelikle hayati biyomoleküllere entegre olmuş organik formlarda bulunur ve bolluğu organizma türüne ve çevresel koşullara göre değişir. Karasal biyosferde, canlı sistemlerle ilişkili toplam azot rezervuarının 135 Gt civarında olduğu tahmin edilmektedir, ancak bunun büyük bir kısmı cansız organik madde aracılığıyla döngüye girer; yalnızca canlı bitki biyokütlesi bu havuzun yaklaşık %5’ini veya yaklaşık 6,75 Gt azotu barındırır.

Bitkilerde azot, toplam kuru maddenin %1-5’ini oluşturarak onu karbon, hidrojen ve oksijenden sonra en bol mineral besin maddesi yapar.^[55] Bu oran, fotosentezi ve büyümeyi desteklediği yapraklar gibi metabolik olarak aktif dokularda en yüksektir ve odunsu kısımlarda daha düşüktür. Sağlıklı toprak üstü bitki dokuları genellikle kuru ağırlıkça %3-4 oranında azot içerir ve bu onun klorofil ve enzimlerdeki konsantrasyonunu yansıtır.^[56] Baklagil bitkileri ortakyaşamsal azot fiksasyonu yoluyla daha yüksek seviyelere ulaşarak genel biyokütle azot içeriğini artırabilir.

Hayvanlarda, insanlarda görüldüğü üzere azot, kas proteinlerinde ve diğer dokularda yoğunlaştığı için tipik olarak toplam vücut kütlesinin yaklaşık %3’ünü oluşturur.^[57] Kuru ağırlık bazında bu oran, suyun dışlanması nedeniyle türe ve doku tipine bağlı olarak kabaca %7-12’ye yükselir. Bakteriler ve mantarlar da dahil olmak üzere mikrobiyal biyokütle, protein açısından zengin bileşimleriyle yönlendirilen şekilde genellikle kuru ağırlığın %10-14’ü olmak üzere daha yüksek azot konsantrasyonları sergiler. Örneğin Escherichia coli bakterisinde azot, standart büyüme koşulları altında kuru biyokütlenin yaklaşık %12’sini oluşturur.^[58] Küresel olarak, bitki örtüsü canlı organizmalardaki azot envanterine hakim olurken, mikrobiyal topluluklar topraklarda (toplamda birkaç Gt N’ye kadar) ve deniz ortamlarında önemli ölçüde katkıda bulunur.

Biyolojik rolü

Azot fiksasyonu

Biyolojik azot fiksasyonu (BNF), atmosferik dinitratı (N₂) bitkilerin ve diğer organizmaların büyüme için özümseyebileceği biyolojik olarak kullanılabilir formlara, başta amonyağa (NH₃) dönüştüren mikrobiyal süreçtir.^[59] Doğal karasal ekosistemlerde yılda yaklaşık 128 teragram (Tg) ve tarımsal sistemlerde 60 Tg olarak tahmin edilen sabit azotun birincil doğal girdisini sağladığı için bu süreç küresel azot döngülerini korumak için elzemdir.^[60] BNF olmadan ekosistemler protein sentezi ve diğer hayati işlevler için yeterli azottan yoksun kalacak, bu da birincil verimlilikte ciddi sınırlamalara yol açacaktır.^[61]

BNF’nin çekirdek mekanizması, Fe proteini (aynı zamanda nitrojenaz redüktaz olarak da adlandırılır) ve nif genleri tarafından kodlanan MoFe proteininden oluşan bir metalloenzim olan nitrojenaz enzim kompleksi tarafından katalize edilir.^[62] Nitrojenaz, feredoksin veya flavodoksinden elektronlar kullanarak N₂’yi NH₃’e indirger ve sabitlenmiş her bir N₂ molekülü için 16 ATP molekülü gerektirir, bu da onu oldukça enerji yoğun hale getirir.^[59] Enzim, kendisini inaktive eden oksijene karşı son derece hassastır; bu nedenle, diazotroflar (azot bağlayıcı mikroorganizmalar), heterosistlerde uzamsal ayrılma (Anabaena gibi siyanobakterilerde), Azotobacter gibi serbest yaşayan bakterilerde hızlı solunum veya simbiyotik ilişkilerde bitki kök nodüllerinin içine izolasyon gibi koruyucu stratejiler kullanırlar.^[59] Vanadyum (V-nitrojenaz) veya sadece demir (Fe-nitrojenaz) içeren alternatif nitrojenazlar mevcuttur, ancak daha az verimlidir ve belirli metal sınırlı koşullar altında aktiftir.^[59]

BNF’nin genetik düzenlemesi, enerjiyi korumak için sadece azotun sınırlı olduğu koşullarda ifadeyi garanti eder. Azotobacter vinelandii gibi serbest yaşayan diazotroflarda, güçlendirici bağlayıcı protein NifA, σ⁵⁴’e bağımlı promotörler aracılığıyla nif genlerinin transkripsiyonunu aktive ederken, inhibitör protein NifL (bir flavoprotein) redoks durumunu ve amonyum seviyelerini algılayarak NifA aktivitesini baskılar.^[62] Baklagillerle Rhizobium gibi simbiyotik sistemlerde, düşük oksijenin nif gen ifadesini başlatmak için NifA’yı aktive ettiği FixL/FixJ iki bileşenli sistem üzerinden oksijen algılama gerçekleşir.^[62] Bu düzenleyici kaskadlar, fiksasyonu koordine etmek için azot mevcudiyeti, oksijen ve bitki konakçı faktörlerinden gelen sinyalleri entegre eder.^[62]

BNF, üç ana türde gerçekleşir: serbest yaşayan, çağrışımsal ve simbiyotik. Aerobik Azotobacter ve anaerobik Clostridium dahil olmak üzere serbest yaşayan diazotroflar toprakta azotu sabitleyerek 20–30 kg N ha⁻¹ yıl⁻¹ katkıda bulunur, ancak oranlar büyük farklılıklar gösterir (ürün başına 3–51 kg N ha⁻¹).^[59] Çağrışımsal simbiyoz, tahıl köklerindeki Azospirillum gibi endofitik bakterileri içererek mütevazı girdiler sağlar (bazı mısır çalışmalarında havadan türetilen bitki azotunun %82’sine kadar).^[60] Simbiyotik fiksasyon, Rhizobium veya Bradyrhizobium‘un köklerde nodüller oluşturduğu ve 20–300 kg N ha⁻¹ yıl⁻¹ sabitlediği baklagillerde en verimli olanıdır; örneğin, soya fasulyeleri küresel olarak yılda yaklaşık 24,8 Tg N sabitler ve bu durum baklagil katkılarının %70’ini temsil eder.^[59] Diğer simbiyozlar aktinorhizal bitkiler ile Frankia‘yı ve likenlerdeki Nostoc veya pirinç tarlalarındaki Azolla (20–146 kg N ha⁻¹) gibi siyanobakterileri içerir.^[60]

Tarımda BNF, sentetik gübreye bağımlılığı azaltarak sürdürülebilir uygulamaları destekler; tahıl baklagilleri tek başına küresel olarak yılda 35,5 Tg N sağlar ve kalıntı azot (toprağa sızan 30–50 kg N ha⁻¹) yoluyla sonraki mahsuller için toprak verimliliğini artırır.^[63] Ekolojik olarak BNF, toplam küresel deniz ve karasal fiksasyonun %15’ini oluşturarak yılda 40 Tg N sabitlediği iç ve kıyı suları da dahil olmak üzere çeşitli habitatlarda birincil üretimi yönlendirir.^[61] Mikrobiyal inokülasyon veya nif genlerinin genetik transferi yoluyla olduğu gibi baklagil olmayan tahıllara BNF tasarlama çabaları, gübre akışından kaynaklanan ötrofikasyon gibi çevresel etkileri en aza indirirken verimi artırmayı amaçlamaktadır.^[60]

Biyomoleküllerdeki rolü

Azot, tüm canlı organizmalarda hücresel işlevi, büyümeyi ve kalıtımı destekleyen temel makromoleküllerin yapısal omurgasını oluşturan sayısız biyomolekülde önemli bir elementtir. Amino asitlerin, nükleik asitlerin ve diğer hayati bileşiklerin kritik bir bileşenini oluşturarak proteinlerin, genetik materyalin ve enerji taşıyıcılarının sentezini sağlar. Biyolojik olarak temin edilebilen azot olmadan bu moleküller oluşamaz, bu da yaşamın gelişimini ve sürdürülmesini sınırlardı.^[64]^[49]

Proteinlerde azot, bu makromoleküllerin temel yapı taşları olan her amino asitte bulunan amino grubunun (-NH₂) ayrılmaz bir parçasıdır. Bir prokaryotun kuru ağırlığının %55’ini oluşturabilen proteinler, metabolik reaksiyonları katalize eden enzimler, kolajen gibi yapısal bileşenler ve hormonlar gibi sinyal molekülleri olarak çeşitli görevler üstlenir. Azotun amino asitlere dahil edilmesi, amonyak (NH₃) veya nitratın tüm diğer amino asitlerin öncülleri olan glutamin veya glutamata dönüştürüldüğü asimilasyon süreçleriyle gerçekleşir. Azota bağımlı olan bu sentez, protein katlanması ve işlevi için hayati önem taşır; organizma fizyolojisini ve adaptasyonunu doğrudan etkiler.^[65]^[66]

DNA ve RNA dahil nükleik asitler, heterosiklik halkalarında birden fazla azot atomu içeren azotlu bazlara (pürinler (adenin, guanin) ve pirimidinler (sitozin, timin, urasil)) dayanır. Nükleotit formlarında prokaryotik kuru ağırlığın yaklaşık %23’ünü oluşturan bu bazlar, genetik bilginin depolanmasını, kopyalanmasını ve ifade edilmesini sağlar. Bu yapılardaki azot varlığı, DNA’nın çift sarmal kararlılığı ve transkripsiyon ile translasyon gibi süreçlerde RNA’nın işlevsel çok yönlülüğü için gerekli olan baz eşleşmesini ve hidrojen bağlarını kolaylaştırır. Bu bazların sentezi aspartat ve glutamin gibi azot açısından zengin öncülerle başlar ve bu da azotun kalıtımdaki yeri doldurulamaz rolünü vurgular.^[64]^[66]^[65]

Proteinlerin ve nükleik asitlerin ötesinde azot, bitkilerin ve alglerin ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürmesine olanak tanıyan fotosentezin merkezindeki porfirin halkasını oluşturduğu klorofil gibi diğer biyomoleküllerde de yer alır. Aynı zamanda hücrelerin birincil enerji para birimi olan ATP’de (adenozin trifosfat) ve mantar hücre duvarları ile eklembacaklı dış iskeletlerinde yapısal destek sağlayan kitin gibi amino şekerlerde temel bir elementtir. Bu roller azotun enerji metabolizmasını, fotosentezi ve ekosistemler boyunca hücre dışı matrisleri desteklemedeki çok yönlülüğünün altını çizer.^[64]^[65]

Azot döngüsü

Azot döngüsü, azotun dinitrat gazı (N₂), amonyak (NH₃), amonyum (NH₄⁺), nitrit (NO₂⁻), nitrat (NO₃⁻) ve organik azot bileşikleri dahil olmak üzere çoklu kimyasal formları arasında dönüştürüldüğü ve atmosfer, karasal ve su ekosistemleri ile canlı organizmalar arasında dolaştığı biyojeokimyasal bir süreçtir.^[64] Bu döngü Dünya’da yaşamı sürdürmek için temeldir çünkü azot, büyüme ve üreme için gerekli olan amino asitlerde, proteinlerde, nükleik asitlerde ve diğer biyomoleküllerde önemli bir elementtir.^[67] Dönüşümlerin çoğunu özellikle bakteri ve arkeler olmak üzere mikroorganizmalar yürütürken, yıldırım gibi abiyotik süreçler daha küçük miktarlarda katkıda bulunur.^[64]

Döngü, atmosferik N₂’nin biyolojik olarak kullanılabilir amonyağa (NH₃) veya amonyuma (NH₄⁺) dönüştürülmesi olan azot fiksasyonu ile başlar. Enerji yoğun olan bu süreç, her N₂ molekülü için 16 ATP molekülü ve sekiz elektron gerektirir; temel olarak simbiyotik bakteriler (baklagil kök nodüllerindeki Rhizobium türleri) ve serbest yaşayan bakteriler (Azotobacter türleri) gibi diazotrofik prokaryotlar tarafından biyolojik olarak gerçekleştirilir.^[64] Abiyotik fiksasyon yıldırım veya Haber-Bosch yöntemi gibi endüstriyel işlemler yoluyla gerçekleşir, ancak küresel olarak yılda yaklaşık 100-200 teragram azot olarak tahmin edilen doğal girdilerin çoğunu biyolojik fiksasyon oluşturur.^[67] Amonyak sabitlendikten sonra bitkiler ve mikroplar tarafından azot asimilasyonu aracılığıyla hızla asimile edilerek amino asitler gibi organik formlara dönüştürülür.^[64]

Ölü organizmalardan, atıklardan veya bitki kalıntılarından gelen organik azot daha sonra proteinleri ve diğer azotlu bileşikleri parçalayan çeşitli heterotrofik bakteri ve mantarlar tarafından gerçekleştirilen bir ayrışma süreci olan amonifikasyon (veya mineralizasyon) yoluyla tekrar amonyuma dönüştürülerek mineralize edilir.^[64] Aerobik topraklarda ve sularda amonyum, iki aşamalı bir nitrifikasyon süreciyle nitrata oksitlenir: önce amonyak oksitleyen bakteriler (Nitrosomonas türleri) veya arkeler (Nitrosopumilus maritimus) tarafından nitrite ve daha sonra nitrit oksitleyen bakteriler (Nitrospira türleri) tarafından nitrata.^[64] Bu ototrofik süreç, nitratın birincil azot kaynağı olarak bitki alımını destekler.^[67]

Suyla doymuş topraklar veya tortular gibi anaerobik koşullar altında nitrat, nitratı oksijen yerine bir elektron alıcısı olarak kullanan Pseudomonas ve Paracoccus türleri gibi fakültatif anaeroblar tarafından gerçekleştirilen bir solunum süreci olan denitrifikasyon aracılığıyla tekrar N₂’ye indirgenir.^[64] Bu adım dinitrat gazı (N₂) ve güçlü bir sera gazı olan nitröz oksit (N₂O) salarak azotu atmosfere geri döndürüp döngüyü kapatır.^[67] Ek bir anaerobik yol olan anaerobik amonyum oksidasyonu (anammoks), amonyumu ve nitriti Planctomycetes filumundan özel bakteriler (Candidatus Brocadia anammoxidans) kullanarak doğrudan N₂’ye dönüştürür; bu, deniz ve tatlı su sistemlerinde (bazı oksijen minimum bölgelerinde okyanus N₂ üretiminin %50’sine kadar) azot kaybına önemli ölçüde katkıda bulunur.^[64]

Bütünleşik olan bu süreçler, mikrobiyal aktivitenin baskın olduğu küresel akışlarla birlikte reaktif azot havuzunda dinamik bir dengeyi korur; örneğin biyolojik fiksasyon, abiyotik kaynakları 10 veya daha fazla kat aşar.^[67] Gübre üretimi ve fosil yakıt yanmasını içeren insan faaliyetleri, 20. yüzyılın ortalarından bu yana reaktif azot girdilerini iki katına çıkarmış, döngüyü hızlandırmış ve ekosistemlerde aşırı nitrat gibi dengesizliklere yol açmıştır.^[64]

Üretimi

Endüstriyel işlemler

Azot gazının (N₂) birincil endüstriyel üretimi, hacimce yaklaşık %78 oranında azottan oluşan havanın ayrıştırılması yoluyla gerçekleşir. Bu işlem üç ana yöntemle elde edilir: kriyojenik damıtma, basınç salınımlı adsorpsiyon (PSA) ve membran geçişi; her biri farklı ölçeklere ve saflık gereksinimlerine uygundur. Kriyojenik yöntemler büyük ölçekli üretime hakimken, PSA ve membran teknikleri orta ve küçük hacimler için yerinde üretim sağlar. Bu işlemler kimyasallar, gıda muhafazası, elektronik ve metalürjideki uygulamalar için temel olarak hava ayırma ünitelerinden (ASU’lar) azot tedarik eder.^[68]

En yerleşik yöntem olan kriyojenik hava ayırma, atmosferik havanın 5-10 bar’a sıkıştırılmasını, su buharı ve karbon dioksit gibi kirlilikleri soğutma ve moleküler elekler yoluyla uzaklaştırmak üzere soğutulmasını ve ardından Joule-Thomson etkisi ile genleşme türbinleri kullanılarak yaklaşık -196°C’de sıvılaştırılmasını içerir. Sıvılaştırılmış hava, daha düşük kaynama noktasına (-196°C) sahip azotun buharlaştığı ve tepeye yükseldiği çift damıtma kolonuna girerken, oksijen (-183°C) ve diğer bileşenler sıvı kalır veya ayrı ayrı damıtılır; argon, gelişmiş kurulumlarda bir yan ürün olarak çıkarılabilir. 19. yüzyılın sonlarında öncülük edilen ve 20. yüzyılın başlarında ticarileştirilen bu işlem, %99,999 veya daha büyük ultra yüksek saflık seviyelerine ulaşır ve günde binlerce ton üreten büyük tesisler için enerji tasarrufludur; ancak önemli sermaye yatırımı gerektirir ve küçük ölçekli operasyonlar için daha az elverişlidir.^[69]^[70]

Basınç salınımlı adsorpsiyon (PSA), sıkıştırılmış havanın (tipik olarak 7-10 bar) oksijeni ve su buharını tercihen adsorbe eden karbon moleküler elekler veya zeolit yataklarından geçirilmesiyle, azotun geçmesine izin vererek kriyojenik olmayan bir alternatif sağlar. İşlem, yüksek basınçlı adsorpsiyon (oksijenin yakalandığı yer) ve düşük basınçlı desorpsiyon (adsorbanın üretilen azotun bir kısmı ile temizlenmesi) arasında geçiş yapar, genellikle sürekli çalışma için paralel olarak iki veya daha fazla yatak kullanır. 20. yüzyılın ortalarında geliştirilen ve 1980’lerden beri rafine edilen PSA sistemleri, yaklaşık %70-90 geri kazanımlarla %95-99,999 azot saflığı sağlar ve birim azot başına daha fazla hava tüketmelerine rağmen, kriyojenik yöntemlere kıyasla daha düşük enerji kullanımı (yaklaşık 0,3-0,5 kWh/Nm³) nedeniyle orta ölçekli yerinde üretim (günde 100 tona kadar) için uygun maliyetlidir.^[71]^[72]

Kriyojenik olmayan başka bir teknik olan membran ayırma, oksijen ve karbon dioksit gibi daha hızlı yayılan gazların basınç (8-15 bar) altında duvarlarından seçici olarak geçmesine izin vererek daha yavaş nüfuz eden azotu yüksek basınç tarafında tutan içi boş polimerik lif (örneğin poliimid veya polisülfon) demetleri kullanır. 1980’lerde ticarileşen bu işlem, havanın yağ ve partiküllerden arındırılması için ön işleme tabi tutulmasını gerektirir ve tek aşamalı bir kurulum tipik olarak %40-50 geri kazanımla %95-99,5 saflıkta azot üretirken, çok aşamalı konfigürasyonlar %99’u aşabilir. Düşük bakım ile küçük ölçekli, taşınabilir uygulamalar (örneğin 1-50 Nm³/saat) için kompakt, modüler ve idealdir, ancak saflık genel olarak kriyojenik veya PSA yöntemlerinden daha düşüktür ve bu da kullanımını yüksek hassasiyetli endüstrilerde sınırlar. Membran malzemelerindeki ilerlemeler seçiciliği ve dayanıklılığı artırmaya devam etmektedir.^[68]

Doğrudan N₂ üretimine ek olarak Haber-Bosch süreci, 200-300 bar ve 400-500°C’de demir bazlı bir katalizör üzerinde amonyak (NH₃) oluşturmak üzere hidrojen ile reaksiyona sokarak azotu dolaylı olarak kullanır; bu durum küresel sabit azot çıktısının %90’ından fazlasını oluşturur (2023 itibarıyla yılda yaklaşık 185 milyon ton amonyak).^[73] Bu işlem için azot, hava ayırma işleminden, esas olarak yüksek saflıkta N₂ tedarik etmek üzere amonyak tesislerine entegre edilmiş kriyojenik ASU’lardan elde edilir. Bu yöntem tarımda devrim yaratmıştır ancak enerji yoğundur ve küresel enerjinin yaklaşık %1-2’sini tüketir.^[68]

Laboratuvar hazırlığı

Laboratuvarda azot gazı (N₂) yaygın olarak, kararsız saf bileşiğin işlenmesinden kaçınmak için amonyum klorür (NH₄Cl) ve sodyum nitritin (NaNO₂) eşit molariteli bir karışımından yerinde (in situ) üretilen amonyum nitritin (NH₄NO₂) termal ayrışması ile hazırlanır.^[74] Tepkime şu şekilde ilerler:

$$ \text{NH}_4\text{Cl}(k) + \text{NaNO}_2(k) \rightarrow \text{NaCl}(k) + \text{N}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(g) $$

Bu yöntem 240-260°C civarındaki sıcaklıklarda nicel olarak azot gazı verirken, açığa çıkan gaz düşük çözünürlüğü (20°C’de 100 mL’de yaklaşık 0,02 g) nedeniyle suyun aşağıya doğru yer değiştirmesiyle toplanır.^[74]^[75]

İşlem, eşit molar miktarlarda NH₄Cl ve NaNO₂’nin yuvarlak dipli bir balonda minimal bir su hacmi içinde çözülmesini, ardından nitrik oksit (NO) veya amonyak (NH₃) üretebilecek yan reaksiyonları önlemek amacıyla aşırı sıcaklıklardan kaçınarak karışımın nazikçe ısıtılmasını içerir.^[75] Elde edilen azot gazı, nemi ve bazik gazları emmesi için yoğun sülfürik asitten, ardından herhangi bir O₂’yi CuO’ya indirgemesi için ısıtılmış bakır talaşları içeren bir tüpten (yaklaşık 400°C’de) geçirilerek temizlenen su buharı, NH₃ veya oksijen (O₂) gibi eser kirlilikler içerebilir.^[76] Saflaştırılmış gaz daha sonra tam dehidrasyon için fosfor pentoksit (P₄O₁₀) veya kalsiyum klorür (CaCl₂) üzerinde kurutulur.^[77]

Alternatif laboratuvar yöntemleri, amonyağın sodyum hipobromit ile aşağıdaki denklemi takiben oksidasyonunu içerir:

$$ 3\text{NaOBr} + 2\text{NH}_3 \rightarrow \text{N}_2 + 3\text{NaBr} + 3\text{H}_2\text{O} $$

Bu reaksiyon oda sıcaklığında, derişik amonyak çözeltisine brom suyu eklenmesiyle gerçekleştirilir ve benzer şekilde saflaştırılan azot gazı üretir.^[78] Bir başka yaklaşım ise, baryum azit (Ba(N₃)₂) gibi metal azitlerin 150-200°C’de termal olarak ayrışmasını içerir:

$$ \text{Ba(N}_3\text{)}_2(k) \rightarrow \text{Ba}(k) + 3\text{N}_2(g) $$

Ancak bu yöntem metalik kalıntıyı yönetmek için dikkatli bir kontrol gerektirir ve azitlerle ilgili güvenlik endişeleri nedeniyle genel laboratuvar kullanımı için daha az yaygındır.^[74] Bu teknikler, sıvılaştırılmış havanın küçük ölçekte uygulanabilir olmayan endüstriyel ayrımsal damıtmasının aksine deneyler için uygun yüksek saflıkta azot sağlar.^[74]

Uygulamaları

Tarım ve gübre kullanımları

Azot, bitki büyümesi için temel bir makro besin maddesidir; fotosentez ve genel ürün verimliliği için kritik olan amino asitlerin, proteinlerin, nükleik asitlerin ve klorofilin yapı taşlarını oluşturur.^[79] Tarımda azot gübreleri, yoğun tarımın neden olduğu toprak eksikliklerini gidererek daha yüksek verime olanak tanır ve küresel gıda güvenliğini destekler.^[80] Ek azot olmadan doğal toprak kaynakları, mahsul üretimini dünya nüfusu için yetersiz seviyelerde sınırlayacaktır.^[81]

Azotlu gübrelerin yaygın kullanımı, 1909’da Fritz Haber ve Carl Bosch tarafından icat edilen ve atmosferik azot ile hidrojenden (esas olarak doğal gazdan) yüksek basınç ve sıcaklık altında demir bir katalizör kullanılarak amonyak sentezleyen Haber-Bosch süreciyle başlamıştır.^[81] Bu endüstriyel yöntem I. Dünya Savaşı sırasında patlayıcılar için ve savaş sonrasında gübreler için büyüyerek, küresel azot uygulamasını 1930’da 1,3 milyon metrik tondan 1988’de yaklaşık 80 milyon metrik tona çıkarıp kabaca 60 katlık bir artış sağlamıştır. 2022 yılı itibarıyla küresel azot gübresi tüketimi yaklaşık 109 milyon metrik ton besine ulaşmıştır.^[80]^[82] Amerika Birleşik Devletleri’nde sentetik azot gübreleri, ağırlıklı olarak susuz amonyak, üre ve üre-amonyum nitrat (UAN) çözeltileri olarak, kullanımı 1970’lerden bu yana yılda yaklaşık 10-12 milyon metrik ton civarında sabitlenerek mısır üretimini dönüştürmüştür.^[81]

Azotlu gübreler kimyasal formlarına göre kategorize edilir; her biri sızma, buharlaşma veya denitrifikasyon kayıplarını en aza indirmek için belirli toprak türlerine, ürünlere ve uygulama zamanlamalarına uygundur.^[83] Aşağıdaki tablo yaygın türleri, azot içeriklerini ve tarımsal uygulamalarını özetlemektedir:

Gübre Türü	Azot İçeriği (%)	Temel Kullanım Alanları ve Özellikleri
Susuz Amonyak	82	Orta ila ağır dokulu topraklarda mısırda sonbahar pullukla sürme için toprağa enjekte edilir; verimliliği yüksektir ancak buharlaşmayı önlemek için özel ekipman gerektirir.^[83]
Üre	46	Geç kış aylarında buğday ve meralar için üst gübreleme olarak yüzeye uygulanır veya toprağa karıştırılır; hidroliz yoluyla amonyuma dönüşür, ancak 50°F (10°C) üzerinde toprağa karıştırılmazsa amonyak kaybına yatkındır.^[83]
Amonyum Nitrat	34	Buğday için üst gübreleme veya mısır için bahar pullukla sürme; hızlı kullanılabilirlik için hem amonyum hem de nitrat formlarını sağlar, ancak yanlış kullanıldığında patlama riski taşır.^[83]
Üre-Amonyum Nitrat (UAN) Çözeltileri	28-32	Sulama veya spreyleme yoluyla mısır için yan gübreleme; bant uygulaması için çok yönlü sıvı form, toplam kullanım oranlarını düşürür.^[83]
Amonyum Sülfat	21	Meralar ve buğdayda sülfür eksikliği olan topraklar için sonbahar pullukla sürme veya üst gübreleme; toprağı hafifçe asitlendirir ve nötr ila alkali topraklarda buharlaşmaya direnir.^[83]
Kalsiyum Nitrat	15,5	Sebzeler ve meyvelerde yüksek pH’lı veya kalsiyum eksikliği olan topraklar için tamamlayıcı; nitrat formu asitlenmeyi en aza indirir ancak kumlu topraklarda sızma riskini artırır.^[83]

Hayvan gübresi ve kompost gibi organik kaynaklar da azot tedarik eder ve bunlar sıklıkla çiftlik hayvanlarına yedirilen sentetik gübrelerden dolaylı olarak elde edilir, toprak yapısını iyileştirirken yavaş salınımlı amonyum ve nitrat sağlar.^[79] Uygulama oranları ürüne göre değişir; örneğin, mısır hektar başına tipik olarak 100-200 kg azot gerektirirken, sonbahar uygulamaları kayıpları hesaba katmak için bahara kıyasla %3-10 daha fazla gerektirir.^[83]

Azotlu gübrelerin tarım üzerindeki etkisi derindir; 1990 yılındaki küresel kullanım, hasat edilen ürünlerde 53 milyon metrik ton azotu -milyarlarca insanı beslemeye eşdeğer- desteklerken, gübre öncesi dönemlere kıyasla tahmini 1,3 milyar hektarlık ek ekim alanından tasarruf sağlamıştır.^[80] Amerika Birleşik Devletleri’nde mısır veriminin 1900’lerin başındaki yaklaşık 2.000 kg/ha’dan bugün 10.000 kg/ha’nın üzerine çıkmasını sağlayarak besi hayvanı yemi ve biyoyakıt üretiminin temelini oluşturmuştur.^[81] Ancak uygulanan azotun genellikle yalnızca yaklaşık %50-70’i ilk yıl ürünler tarafından alındığından aşırı uygulama verimsizliklere yol açabildiği için etkili yönetim çok önemlidir.^[79] 1998 tarihli bir çalışmaya göre, gelecekteki projeksiyonlar küresel talebin 10 milyar kişilik bir nüfus için verimi sürdürmek adına 2070 yılına kadar 192 milyon metrik tona ulaşabileceğini öne sürmekte ve üretkenlik ile çevre sağlığını dengelemek için hassas tarımın önemini vurgulamaktadır.^[80]

Endüstriyel ve kimyasal uygulamalar

Azot gazı oksidasyon, yanma ve kirlenmeyi önlemek için çeşitli endüstriyel süreçlerde eylemsiz bir atmosfer görevi görür. Kimya endüstrisinde, reaktif maddeleri korumak ve yangın tehlikelerini azaltmak için oksijenin yerini alarak, depolama tanklarını ve reaktörleri örtmek için yaygın olarak kullanılır.^[68] Örneğin azot örtüleme, yanıcı sıvıların üzerinde reaktif olmayan bir ortam yaratarak petrokimya tesislerinde ürün bütünlüğünü korur.^[84] Ayrıca azot tahliyesi, petrol ve gaz operasyonlarındaki boru hatlarından ve ekipmandan tehlikeli gazları ve nemi uzaklaştırarak bakım sırasında güvenliği artırır.^[85] Elektronik üretiminde, bileşenlerin oksidasyonunu önlemek için lehimleme ve yarı iletken üretimi sırasında yüksek saflıkta azot kullanılır.^[86]

Gaz formunun ötesinde azot, sırasıyla Haber-Bosch süreci ve Ostwald süreci ile sentezlenen özellikle amonyak ve nitrik asit başta olmak üzere kimyasal uygulamalarda belirgin bir şekilde yer alır. Amonyak naylon polimerler, yapıştırıcılar için üre-formaldehit reçineleri ve sentetik lifler ile plastikler için akrilonitril dahil olmak üzere çok sayıda endüstriyel kimyasal için bir öncü görevi görür.^[87] Çeliğin asitle temizlenmesinde ve temizlenmesinde olduğu gibi tarım dışı amaçlar için nitrik asit ve ardından nitratların üretiminde de kullanılır.^[88] Nitrik asitin kendisi, yüksek enerjili bileşikler için gerekli nitro gruplarını sağladığı trinitrotoluen (TNT) ve amonyum nitrat bazlı patlatma ajanları gibi patlayıcıların üretimi için hayati öneme sahiptir.^[89]

Diğer azot bileşikleri özelleşmiş kimyasal kullanımlar bulur; örneğin hidrazin türevleri köpük üretiminde roket yakıtı ve şişirici ajan olarak işlev görürken azitler otomotiv güvenlik sistemleri için hava yastığı şişiricilerinde kullanılır.^[87] İlaç endüstrisinde, azot içeren heterosiklikler nitrasyon ve aminasyon reaksiyonları ile sentezlenen antibiyotikler ve analjezikler gibi ilaçların özünü oluşturur.^[90] Bu uygulamalar, 2020 itibarıyla küresel amonyak üretiminin yılda yaklaşık 183 milyon metrik tona ulaşmasıyla azotun çeşitli kimyasal sentezleri sağlamadaki rolünün altını çizmektedir.^[91]

Tıbbi, kriyojenik ve diğer kullanımlar

Azot gazı tıpta sınırlı olarak doğrudan kullanım bulur ancak özel teşhis ve tedavi bağlamlarında kullanılır. Hastaların yüksek irtifa koşullarını simüle etmek için azot ve oksijen karışımı soluduğu hipoksik zorlama testinde kullanılarak, astım gibi durumlarda veya havacılık tıbbi değerlendirmeleri için solunum fonksiyonunu ve toleransını değerlendirmeye yardımcı olur.^[92] -196°C’lik aşırı düşük sıcaklığı nedeniyle değer verilen sıvı azot, anormal dokuları yok etmek için kriyocerrahi ve kriyoterapide yaygın olarak kullanılır. Dermatolojide, siğiller, aktinik keratozlar ve bazal hücreli karsinomlar gibi cilt lezyonlarını dondurmak ve gidermek için sprey veya pamuklu çubukla uygulanır ve buz kristali oluşumu ile damar hasarı yoluyla hücre ölümüne neden olur.^[93] Benzer şekilde onkolojide kriyocerrahi, çevredeki sağlıklı dokuyu korurken hedeflenen kanser hücrelerinde nekrozu tetikleyerek prostat, karaciğer veya serviks gibi organlardaki tümörleri yakmak için sıvı azot veya argon kullanır.^[94]

Sıvı azot doğrudan doku yıkımının ötesinde tıbbi ve biyolojik depolama için kriyoprezervasyonda çok önemli bir rol oynar. Metabolik aktiviteyi ve bozulmayı önleyerek hücrelerin, dokuların ve organların -196°C’de uzun süreli korunmasını sağlar; yaygın uygulamalar arasında insan sperminin, yumurtalarının, doğurganlık tedavileri için embriyoların ve transplantlar için hematopoetik kök hücrelerin depolanması yer alır.^[95] Süreç, buz oluşumunu en aza indirmek için kriyoprotektanlarla kontrollü soğutmayı ve ardından klinik kullanım için çözüldüğünde canlılığı sağlamak üzere sıvı azot buharına veya sıvı faza daldırmayı içerir.^[96] Araştırma ortamlarında bu teknik, rejeneratif tıp ve genetikteki gelişmeleri kolaylaştırarak hücre hatlarının ve hayvan modellerinin biyobankacılığını destekler.

Sıvı azotun kriyojenik uygulamaları reaktif olmayan doğasından ve hızlı ısı transferinden faydalanarak endüstriyel soğutma ve muhafazaya uzanır. Gıda endüstrisinde deniz ürünleri, meyveler ve hazır yemekler gibi ürünleri şok dondurmak için kullanılır, dokuyu, lezzeti ve besin kalitesini geleneksel yöntemlerden daha iyi koruyan küçük buz kristalleri oluşturur; bu, katkı maddesi olmadan raf ömrünü uzatmak için işleme tesislerinde yaygındır.^[97] Ek olarak sıvı azot, sıfır elektrik direnci ve yüksek manyetik alanlar için gereken aşırı düşük sıcaklıkları (yaklaşık 4 K) korumaya yardımcı olmak için MRI tarayıcılarında sıvı helyum soğutmalı süper iletken mıknatısları izole etmek üzere termal bir kalkan olarak kullanılır. Bazı parçacık hızlandırıcılarında da benzer destek rolleri oynar.^[98]

Azot gazının diğer kullanımları oksidasyonu ve kirlenmeyi önlemek için eylemsiz özelliklerini vurgular. Gıdalar için modifiye atmosfer paketlemesinde (MAP) azot, ambalaj boşluklarındaki oksijenin yerini alarak mikrobiyal büyümeyi ve lipit oksidasyonunu azaltıp et, unlu mamuller ve taze ürünler gibi ürünlerin raf ömrünü uzatır.^[99] Madencilikte ve petrol geri kazanımında, patlayıcı atmosferleri seyreltmek veya geliştirilmiş petrol çıkarma sırasında rezervuar basıncını korumak için eylemsizleştirici bir ajan olarak görev yapar.^[100] Azot ayrıca elektronik montajı ve uçak lastiği şişirme sistemlerinde oksijeni tahliye ederek, korozyon veya yangın tehlikelerinden kaçınarak güvenlik ve performans sağlar.^[12]

Çevresel etki

Azot kirliliği ve ötrofikasyon

Azot kirliliği, nitratlar ve amonyum gibi reaktif azot bileşiklerinin tarım, atık su deşarjı ve fosil yakıt yanmasından kaynaklanan atmosferik birikim başta olmak üzere insan faaliyetlerinden ekosistemlere aşırı girişini ifade eder. Bu girdiler, özellikle azotun sınırlayıcı bir besin maddesi olarak davrandığı ve fazlalık durumunda alglerin ile su bitkilerinin aşırı büyümesini beslediği su ortamlarındaki doğal besin dengelerini bozar.^[101]^[102]

Ötrofikasyon, yükselmiş azot seviyeleri, genellikle fosfor ile birleştiğinde su kütlelerindeki birincil üretimi hızlandırdığında ve ekosistem dinamiklerini değiştiren yoğun alg patlamalarına yol açtığında meydana gelir. Algler çoğaldıkça ve sonrasında öldükçe, bakteriyel ayrışma çözünmüş oksijeni tüketir ve çoğu su yaşamını destekleyemeyecek kadar düşük oksijen seviyelerine sahip olan hipoksik koşullarla sonuçlanır. Bu süreç gübrelerden kaynaklanan besin sızıntısının kirliliğin önemli bir bölümünü oluşturduğu kıyı ve tatlı su sistemlerinde şiddetlenir; küresel olarak tarım, okyanuslar ve tatlı sulardaki ötrofikasyonun yaklaşık %78’ine katkıda bulunur.^[103]^[104]^[105]

Azot odaklı ötrofikasyonun çevresel sonuçları, balık ölümlerinin ve biyoçeşitlilik kaybının meydana geldiği “ölü bölgelerin” oluşumu dahil olmak üzere derindir. Mississippi Nehri havzasından gelen azotun yönlendirdiği mevsimsel hipoksinin kabaca Connecticut büyüklüğünde veya daha büyük bir alanı etkilediği kuzey Meksika Körfezi’nde görüldüğü gibi. Zararlı alg patlamaları (HAB’ler) ayrıca toksinler salabilir, içme sularını ve kabuklu deniz ürünlerini kirletebilir, insan sağlığına ve balıkçılığa ile turizme bağlı ekonomilere riskler oluşturabilir. Baltık Denizi gibi bölgelerde kronik azot girdileri yaygın ekosistem bozulmasına yol açmış ve bu ardışık etkileri hafifletmek için entegre besin yönetiminin gerekliliğinin altını çizmiştir.^[106]^[107]^[108]

Azot oksitler ve atmosferik etkileri

Toplu olarak NOx olarak bilinen azot oksitler, başta yıldırım ve topraklardaki mikrobiyal aktivite gibi doğal kaynakların yanı sıra araçlar, elektrik santralleri ve endüstriyel süreçlerdeki fosil yakıt yanmasını içeren antropojenik faaliyetlerden atmosfere salınan nitrik oksit (NO) ve azot dioksitten (NO₂) oluşur.^[109]^[110] Troposferde NOx fotokimyasal reaksiyonlarda merkezi bir rol oynar; NO hızla NO₂’ye oksitlenir, bu da daha sonra güneş ışığı altında fotolize uğrayarak yer seviyesindeki ozonu (O₃) oluşturmak üzere moleküler oksijenle birleşen atomik oksijen üretir.^[111] Çoğunlukla uçucu organik bileşiklerin (VOC’ler) varlığında gerçekleşen bu süreç, görünürlüğü azaltan ve emisyonların yüksek olduğu kentsel alanlarda kalıcı olan kirleticilerin puslu bir karışımı olan fotokimyasal duman oluşumuna yol açar.^[110]^[109]

NOx ayrıca atmosferik oksidasyon yoluyla asit birikimine de katkıda bulunur; NO₂ hidroksil radikalleri ve su buharı ile reaksiyona girerek yağışın pH’ını düşürebilen ve topraklardaki ile sulardaki toksik metalleri mobilize ederek su ve karasal ekosistemlere zarar verebilen asit yağmurunun temel bir bileşeni olan nitrik asidi (HNO₃) oluşturur.^[110]^[111] Ek olarak NOx, ışığı saçan ve bölgesel pusu şiddetlendirerek geniş alanlarda görünürlüğü bozan nitratlar gibi ikincil partikül maddelerin oluşumunu kolaylaştırır.^[109]^[111]

Stratosferde, yaklaşık 110 yıllık bir ömre sahip daha uzun ömürlü bir azot oksit olan nitröz oksitten (N₂O) gelen NOx önem kazanır; N₂O yukarı doğru yayılır ve fotolize uğrayarak NO’yu serbest bırakır, bu da ozon (O₃) ile reaksiyonları içeren döngüler yoluyla O₃’ü katalitik olarak yok eder ve ozon tabakasının incelmesine katkıda bulunur.^[112] N₂O artık, tarımsal azotlu gübre kullanımı ve hayvan gübresi tarafından büyük ölçüde yönlendirilen şekilde, sanayi öncesi zamanlarda yaklaşık 270 ppb iken 2025 yılı itibarıyla yaklaşık 339 ppb’ye yükselen atmosferik konsantrasyonları ile insan kaynaklı ozon inceltici ana maddedir.^[113]^[114]

Dahası N₂O, 100 yıllık bir dönemde CO₂’den yaklaşık 273 kat daha yüksek bir küresel ısınma potansiyeline sahip olan, kızılötesi radyasyonu hapseden ve iklim değişikliğini artıran radyatif zorlamaya katkıda bulunan güçlü bir sera gazı görevi görür.^[115] N₂O emisyonları 1980’den 2020’ye kadar kabaca %40 artmış olup, daha sonra artmaya devam ederek küresel ısınmayı hızlandıran ve diğer iklim geri beslemeleriyle etkileşime giren seviyelere ulaşmıştır. 2024 Küresel Nitröz Oksit Bütçesi, 2020 yılındaki toplam antropojenik emisyonları 10 Tg N yıl⁻¹ olarak tahmin etmekte ve eğilimler 2020’lere doğru büyümeye devam edildiğini göstermektedir.^[113]^[116]^[117] Genel olarak, azot oksitlerin bu atmosferik etkileri hem bölgesel hava kalitesi bozulmasında hem de küresel çevresel pertürbasyonlardaki ikili rollerinin altını çizmektedir.^[109]

Azaltma stratejileri

Azotun çevresel etkilerine yönelik azaltma stratejileri, tarım, sanayi, atık su ve atmosferik emisyonlardan kaynaklanan kirlilik de dahil olmak üzere azot döngüsündeki aşırı reaktif azot girdilerini azaltmaya odaklanmaktadır. Bu yaklaşımlar azot kullanım verimliliğini optimize ederek, arıtma teknolojilerini geliştirerek ve sürdürülebilir uygulamaları teşvik ederek ötrofikasyonu, NOx ile ilgili hava kalitesi sorunlarını ve sera gazı katkılarını en aza indirmeyi amaçlamaktadır. UNEP’in Küresel Azot Kampanyası gibi uluslararası çabalar, entegre yönetim yoluyla 2030 yılına kadar çevreye yayılan fazla azot kayıplarını yarıya indirmeyi vurgulamaktadır.^[118]

Azot kirliliğinin başlıca kaynağı olan tarımda stratejiler, ürün ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde hassas gübre uygulamasını içerir ve verimi korurken aşırı uygulamayı %20-30’a kadar azaltır. Örtü bitkileri ve ürün münavebesi toprak sağlığını iyileştirerek besin sızıntısını ve su yollarına sızmayı önler; çalışmalar uygulamaya bağlı olarak azot kayıplarında %15-50’lik düşüşler göstermektedir. Toprağı işlemeden tarım yapmak ve tarlalar boyunca tampon bölgeler oluşturmak erozyonu ve kirleticilerin su sistemlerine taşınmasını daha da azaltır. Ayrıca çiftlik hayvanlarının diyetlerini azot atılımını düşürecek şekilde ayarlamak ve depolama ile geri kazanım sistemleri yoluyla gübre yönetimini iyileştirmek, hayvan tarımından kaynaklanan emisyonları kesebilir.^[119]^[120]^[118]

Yanma kaynaklarından kaynaklanan azot oksitleri (NOx) emisyonları için, endüstriyel kazanlardaki ve elektrik santrallerindeki düşük NOx’li brülörler tepe alev sıcaklıklarını kontrol ederek, havanın ve yakıtın aşamalı olarak karıştırılmasıyla termal NOx oluşumunu azaltır. Bir katalizör üzerinde NOx’i azota ve suya dönüştürmek için amonyak veya üre enjekte eden seçici katalitik indirgeme (SCR) sistemleri, sabit kaynaklarda %90’a varan giderim verimliliği sağlar. Araçlarda katalitik konvertörler ve egzoz gazı devridaimi (EGR) yanma sıcaklıklarını düşürmek için giriş havasını seyreltir ve hareketli sistemlerin NOx emisyonlarını önemli ölçüde frenler; EPA’nınkiler gibi düzenleyici standartlar yaygın benimsenmeyi sağlamış ve 1990’dan bu yana ABD’nin NOx emisyonlarında %50’nin üzerinde bir düşüşle sonuçlanmıştır. Endüstriyel ortamlardaki baca gazı devridaimi, egzozu geri dönüştürerek sıcaklıkları ılımlı tutmak suretiyle bunları tamamlar.^[121]^[111]

Atık su arıtma geliştirmeleri, bakterilerin amonyağı nitrite ve ardından azot gazına dönüştürerek gelişmiş tesislerde toplam azotun %70-90’ını uzaklaştırdığı nitrifikasyon-denitrifikasyon gibi biyolojik süreçlerle azot giderimini hedeflemektedir. Tesisleri anoksik bölgeleri içerecek şekilde yükseltmek ve çamurdan besin geri kazanımını artırmak döngüsel ekonomi yaklaşımlarını destekleyerek nehirlere ve kıyı alanlarına yapılan deşarjları azaltır. Fosseptik sistemleri için, aerobik arıtma üniteleri ve biyofiltreler gibi yenilikçi azot azaltıcı teknolojiler, merkezi olmayan ortamlarda %50-80 uzaklaştırma oranlarına ulaşabilir.^[122]^[123]^[124]

Bozulmuş sular için besin maddelerine yönelik toplam maksimum günlük yükler (TMDL’ler) ve besin maddesi kredi ticareti teşvikleri de dahil olmak üzere daha geniş kapsamlı politika önlemleri, bu stratejileri havza ölçeklerinde entegre etmektedir. Gıda atıklarının azaltılması ve bitki bazlı diyetlere geçiş gibi kamusal eylemler, tarımsal talebi azaltarak azot ayak izlerini dolaylı olarak düşürür. Bu birleşik çabalar, hedeflenen azalmaların su kalitesi ölçümlerini iyileştirdiği Chesapeake Körfezi gibi bölgelerde başarı göstermiştir.^[119]^[118]

Güvenlik ve işleme

Azot gazının tehlikeleri

Azot gazı (N₂), fizyolojik olarak eylemsiz ve toksik olmayan ancak kapalı veya kısıtlı alanlarda oksijenin yerini alarak havadaki oksijen konsantrasyonunu insan solunumu için yetersiz seviyelere düşürmek suretiyle ciddi bir tehlike oluşturan basit bir boğucu gaz olarak sınıflandırılır.^[125] Normal şartlar altında Dünya atmosferinin yaklaşık %78’ini oluşturan azot, konsantrasyonu önemli ölçüde arttığında oksijenin kısmi basıncını yeterli kan oksijenasyonu ve doku işlevi için gereken eşiğin altına düşürerek tehlikeli hale geldiği için bu yer değiştirme meydana gelir.^[126] Renksiz, kokusuz ve tatsız bir gaz olan azot varlığına dair hiçbir duyusal uyarı sağlamaz; bu da kullanıldığı veya üretildiği laboratuvarlar, endüstriyel süreçler veya depolama alanları gibi ortamlarda oksijen izlemeyi zorunlu kılar.^[125]

Azot kaynaklı oksijen yetersizliğinin birincil fizyolojik etkileri, vücudun yetersiz oksijen arzı nedeniyle aşamalı bir bozulma yaşadığı hipoksiden kaynaklanır. İş sağlığı ve güvenliği standartları tarafından belirlenen asgari kabul edilebilir eşik olan %15 ile %19,5 arasındaki oksijen seviyelerinde bireyler yorucu işleri gerçekleştirme yeteneğinde azalma, bozulmuş koordinasyon ve hızlı kalp atışı ile nefes darlığı gibi erken belirtiler sergileyebilir.^[127] Oksijen %12-14’e düştüğünde solunum hızı önemli ölçüde artar, muhakeme yeteneği güvenilmez hale gelir ve duygusal kararsızlık ortaya çıkararak kaza riskini yükseltebilir.^[127] %12’nin altında semptomlar çok zayıf muhakeme, bayılma, mide bulantısı, kusma ve dakikalar içinde bilinç kaybına doğru tırmanır; %10 veya daha düşük seviyelerde ise zihinsel çöküş ve kaçamama durumu ortaya çıkar, genellikle asfiksiden komaya ve ölüme yol açarak bazen %8 oksijende 8 dakika kadar kısa bir sürede veya %6’nın altındaki seviyelerde daha hızlı gerçekleşebilir.^[127] Bu etkiler özellikle azotun boru hatlarından, tanklardan veya kriyojenik ekipmandan sızdığı kapalı alanlarda önceden uyarı olmaksızın hızla başlayabilir.^[128]

Tehlikeler, patlamaları veya oksidasyonu önlemek amacıyla inertleştirme, boşaltma veya örtüleme için azotun yaygın olarak kullanıldığı endüstriyel ve laboratuvar ortamlarında artar. 1992 ve 2002 yılları arasında, ABD’deki kapalı alanlarda azot boğulmasıyla ilgili kazalar 80 ölüme ve 50 yaralanmaya neden olmuş, ölümlerin %60’ını atmosfer testlerindeki veya kurtarma hazırlıklarındaki eksiklikler nedeniyle taşeronlar oluşturmuştur.^[128] Önemli bir örnek 2005 yılında Delaware City’deki Valero Energy rafinerisinde meydana gelmiştir; burada iki sözleşmeli işçi bir proses tankına bakım yaparken azotun istenmeden salınması ve oksijenin tespit edilmeden yer değiştirmesi nedeniyle boğulmuştur.^[128] Benzer şekilde güvenlik kurulları tarafından araştırıldığı üzere şok dondurma ekipmanından kaynaklanan sızıntılar çok sayıda ölüme neden olmuş, azotun alçak veya yetersiz havalandırılmış alanlarda birikebileceği gıda işleme ve kriyojenik uygulamalardaki risklerin altını çizmiştir.^[129]

Sıvı azotun tehlikeleri

Sıvı azot, -195,8°C’lik (-320,4°F) kaynama noktasıyla, cilt veya gözlerle doğrudan temas ettiğinde ciddi donmaya veya kriyojenik yanıklara neden olabilen aşırı düşük sıcaklığı nedeniyle önemli kriyojenik tehlikeler barındırır.^[130] Kısa süreli maruz kalma bile yüksek ısıdan kaynaklanan termal yanıklara eşit şiddette doku hasarına yol açabilir, zira hızlı ısı transferi hücreleri dondurur ve damar büzülmesine neden olur.^[131] Havadaki nem, yüzeylerde yoğunlaşarak donabilir, kaygan zeminler oluşturabilir veya stres altında parçalanan kırılgan malzemelere yol açabilir.^[132]

Birincil risk, kapalı veya yetersiz havalandırılan alanlarda oksijenin yer değiştirmesinden kaynaklanan asfiksidir; sıvı azot buharlaşarak standart sıcaklıkta sıvıdan gaza geçişte yaklaşık 1:694 oranında genişleyen büyük bir gaz hacmine dönüşür.^[129] Bu durum atmosferik oksijeni hızla %19,5’in altına düşürebilir ve azotun kokusuz ve renksiz doğası nedeniyle çoğunlukla uyarı olmaksızın baş dönmesi, mide bulantısı, bilinç kaybı ve boğularak ölüm gibi semptomlara yol açabilir.^[130] Yaşanan kazalar arasında, uygun koruma olmaksızın gerçekleştirilen ardışık kurtarma girişimlerinin trajediyi daha da büyüttüğü şok dondurma operasyonları gibi endüstriyel tesislerde azot sızıntılarından kaynaklanan çok sayıda can kaybı bulunmaktadır. Ocak 2021’de Gainesville, Georgia’daki bir tavuk işleme tesisinde meydana gelen sıvı azot sızıntısı, dar bir dondurucu alanında asfiksi nedeniyle altı işçinin ölümüne ve çok sayıda kişinin yaralanmasına yol açtı.^[129]^[133]

Aşırı basınçlanma da önemli bir diğer tehlikedir çünkü sıvıdan gaza faz değişimi, buharlaşmanın yeterli tahliye sağlanmadan kapalı bir ortamda gerçekleşmesi halinde başlangıç hacminin 700-1.000 katı basınca ulaşabilir.^[131] Bu durum kabın parçalanmasına veya patlamasına yol açarak şarapnellerin fırlamasına ve yaralanma risklerinin büyümesine sebep olabilir; nitekim bir dewar patlamasının cam parçalarını geniş bir alana saçtığı kayıtlara geçmiştir.^[131] Ek olarak, sıvı azotun eylemsiz özellikleri yanmayı desteklemez, ancak yangın söndürmek için gereken oksijeni tüketerek veya malzeme kırılganlığını artırmak üzere yüzeyleri soğutarak yangın tehlikelerini şiddetlendirebilir.^[132]

Önlemler ve izleme

Azot gazı kullanılırken, azotun kapalı alanlarda oksijen seviyesini %19,5 OSHA eşiğinin altına düşürebilen boğucu bir gaz olması nedeniyle oksijenin yer değiştirmesini ve asfiksiyi önlemek amacıyla işçilerin yeterli havalandırma sağladığından emin olunmalıdır.^[129] Azotun depolandığı veya kullanıldığı alanlarda lokal egzoz havalandırması veya basınçlı hava sistemleri gibi mühendislik kontrolleri uygulanmalı ve kapalı alanlara giriş, çalışma öncesinde ve sırasında atmosfer testi yapılmasını gerektirmelidir.^[134] Kişisel koruyucu ekipman (KKE), oksijen yetersizliği olan ortamlar için kendi kendine yeten solunum aparatı (SCBA) gibi solunum korumasının yanı sıra basınçlı gaz tüplerinden kaynaklanan basınç bazlı tehlikelere karşı koruma sağlamak üzere güvenlik gözlükleri ve eldivenleri içerir.^[129]

Donma ve soğuk yanıkları dahil olmak üzere ek kriyojenik riskler barındıran sıvı azot için işlem, oksijen eksikliğine yol açabilecek buhar birikmesini önlemek amacıyla iyi havalandırılmış alanlarda yapılmalıdır.^[135] KKE kritiktir: -196°C’de kaynayan ve maruz kalındığında şiddetli doku hasarına neden olabilen sıvıyla cilt temasını önlemek için kriyojenik eldivenler, bol kesim yalıtımlı termal eldivenler, güvenlik gözlüklerinin üzerine tam yüz siperlikleri, uzun kollu giysiler ve ucu kapalı ayakkabılar gereklidir.^[135] Konteynerler, kesinlikle sızdırmaz hale getirilmeyen gevşek kapanan kapaklara sahip darbelere dayanıklı Dewar kapları olmalı ve buhar genişlemesine olanak tanımak için kapasitenin %80’ini aşmayacak şekilde doldurulmalıdır; taşıma işlemi havalandırmasız asansörlerden kaçınılarak taşıma arabaları veya onaylı taşıyıcılarla yapılmalıdır.^[135] Kilitleme/etiketleme prosedürlerini ve acil durum müdahalesini içeren güvenli çalışma uygulamaları üzerine eğitim, dökülmeler veya sızıntılardan kaynaklanan riskleri azaltmak için zorunludur.^[129]

Azotla işlem yapılan ortamlarda oksijen seviyelerini izlemek, yetersizlikleri erken tespit etmek ve ölümleri önlemek açısından çok önemlidir ve OSHA, depolama veya tahsis alanları gibi sızıntıların olabileceği bölgelerde sürekli izlemeyi şart koşmaktadır.^[136] Kapalı alanlardaki nokta ölçümleri için taşınabilir el dedektörleriyle desteklenen şekilde, seviyeler %19,5’in altına düştüğünde veya %23,5’i aştığında personeli uyarmak için sesli ve görsel alarmlarla donatılmış sabit oksijen yetersizliği monitörleri kurulmalıdır.^[129] Bu sistemler, alarmlar tahliyeleri başlatacak ve acil durum havalandırmasını etkinleştirecek biçimde düzenli olarak kalibre edilmeli ve bakımı yapılmalıdır; laboratuvarlar veya sanayi tesisleri gibi yüksek riskli alanlarda, çalışanların taktığı kişisel monitörler gerçek zamanlı uyarılar sağlar.^[134] Süreç değişiklikleri için tehlike analizlerini de içeren olay sonrası incelemeler, sürekli uyumu ve güvenlik iyileştirmelerini garanti eder.^[129]