article · Issue No. 5, May 1947 · p. 16 p. 17
Food from the Air
الغذاء من الهواء · امين احمد الشريف
Science in the Service of Man
In the minds of many, the importance of air is confined to its being necessary to life because it is essential for breathing. But when we confine our concern to this important side of it, we are in truth thinking of the oxygen gas present in the air, forgetting another gas of the greatest importance: azote, or nitrogen, which makes up more than 75 percent of the weight of the air, whereas oxygen makes up only about 23 percent of that weight. The remaining two percent consists of the rare gases, such as argon, neon, hydrogen, and carbonic gas.
Nitrogen in itself is a chemical element of little and sluggish activity, and in the air it tempers the sharpness of oxygen; for pure, unmixed oxygen is a gas that bears very harshly upon the tissues of the lungs. But nitrogen is of very great importance when it enters, with other elements, into chemical reactions from which result compounds indispensable to animal and plant alike. The proteins of which all the cells in the body of animal and plant are composed are organic compounds whose existence would be impossible did they not contain the element nitrogen. Nitrogen compounds, then, are of fundamental importance in our organic life, and it is fortunate indeed that the air we breathe is an inexhaustible well of this important element.
In this article I shall try to explain how this gas of little activity is transformed into useful compounds.
1 — The Nitrogen-Fixing Bacteria
By the phrase "fixing nitrogen" I mean converting the gas into stable chemical compounds fit for use.
In the earth there exists a kind of bacteria possessed of this wonderful power of taking nitrogen from the air and making it react — in an obscure fashion which we do not exactly understand — with the elements present in the soil, such as potassium and oxygen; and from this reaction results the compound known as nitrate of potash (Nitrate de Potasse), a compound the plant uses for its nourishment. These bacteria are found on the roots of green vegetable plants such as beans, peas, and broad beans. When these bacteria perform their function, the plant's roots absorb these nourishing chemical compounds necessary for their growth. Therefore, when we eat these vegetables, or meat (which comes from animals that eat plants and feed upon them), we should remember that the primary source of our food in this case is the nitrogen present in the air.
That is the work of nature. Let us look now at the work of man.
2 — Artificial Nitrogen Compounds
Science makes an effective contribution in the field of agriculture, for it enables us to prepare the chemical fertilizers that set this important side of agriculture upon a sound scientific and experimental basis. Among the most important chemical fertilizers are the nitrates, that is, compounds of nitrogen with oxygen and with other elements such as sodium, potassium, and calcium. The sole source of these important compounds used to be the state of Chile in South America. But modern chemistry has been able to do without Chilean nitrate by converting the nitrogen of the air into nitrates, as follows:
A suitable quantity of hydrogen gas is taken and burned in a large chamber containing air. The result of this combustion is that the hydrogen unites with the oxygen of the air and the two compose water (for water is composed of the two elements hydrogen and oxygen). In this way the oxygen is set apart and the nitrogen alone remains. This gas is then mixed with a further quantity of hydrogen, in the proportion of one part nitrogen to three parts hydrogen. The mixture is then placed in strong steel cylinders in which the temperature rises to about 475 degrees centigrade and the pressure is about a ton and a half to the square centimeter — that is, 1,500 times greater than ordinary atmospheric pressure (which amounts to about 1,033 grams to the square centimeter).
The result of this operation is that the two gases unite, and from this union is formed the gas known as ammonia (Ammoniaque).
After this gas has been obtained, a second operation is carried out upon it: this time it is mixed with air, and the whole is driven through a fine, red-hot screen of platinum, whereupon the oxygen of the air unites with the ammonia and a new gas is formed which, when dissolved in water, gives the acid known as nitric or azotic acid (Acide Nitrique ou Azotique).
And this nitric acid is the foundation from which every kind of nitrate is derived.
If we want to obtain sodium nitrate (like that found in Chile), we must mix a solution of nitric acid with a solution of natron (or caustic soda, Soude caustique, the kind used in the making of soap); the sodium in the caustic soda unites with the nitric acid to compose sodium nitrate. And since sodium nitrate is a compound that dissolves in water, the water must be evaporated so that this compound is deposited; after being deposited it is dried and becomes fit for use as a chemical fertilizer differing not at all from the chemical fertilizer that comes to us from Chile.
We cannot omit to mention here another side of the nitrate industry, namely its use for explosives. In the First World War the German scientist Fritz Haber succeeded in devising the method described above for the manufacture of nitric acid; but the Germans did not use this acid for agriculture. They used it instead to carry out chemical reactions between it and glycerin, to produce nitrate of glycerin; with cotton and wood, to produce nitrate of cellulose; and with toluene (Toluene), to produce the substance known as T.N.T. All of these are violently explosive materials, and they had the farthest-reaching effect in enabling Germany to keep the war going through its four years.
And it is a thing at once laughable and lamentable to see a chemical compound like nitric acid capable of being an agent in the growth and continuance of life, and capable also of being a cause of destruction and the taking of lives. This is nothing but a clear reflection of the possibilities of modern science. Modern science is a two-edged sword: it is an instrument of building as it is an instrument of destruction, and its use for the one end or the other depends, in the first place, upon the good will of man toward his fellow man.
العلم في خدمة الانسان
تنحصر اهمية الهواء في اذهان الكثيرين في كونه لازماً للحياة لانه ضروري للتنفس. لكننا عندما نحصر همنا في هذه الناحية الهامة انما نكون في الحقيقة نفكر بغاز الاوكسجين الموجود في الهواء، ناسين غازاً آخر له اهميته الكبرى، وهو غاز الازوت او النتروجين، والذي يؤلف اكثر من ٧٥ بالمائة من وزن الهواء، في حين ان الاوكسجين يؤلف فقط حوالي ٢٣ بالمائة من هذا الوزن. اما الاثنين بالمائة الباقين فيتألفان من الغازات النادرة كغاز الارغون والنيون والهيدروجين وغاز الكربونيك.
والنيتروجين بحد ذاته عنصر كيمياوي قليل الفاعلية بطيئها وهو في الهواء يخفف من حدة الاوكسجين، ذلك لان الاوكسجين النقي الصرف غاز شديد الوطأة على انسجة الرئتين. لكن النتروجين ذو اهمية عظيمة جداً عندما يدخل مع عناصر اخرى في تفاعلات كيميائية تنتج عنها مركبات لاغنى للحيوان او النبات عنها. فالبروتينات التي تتألف منها جميع الخلايا في جسم الحيوان والنبات هي مركبات عضوية ليس بالامكان وجودها اذا لم تحتو على عنصر النتروجين. فمركبات النتروجين اذن هي ذات اهمية اساسية في حياتنا العضوية وانه لمن حسن الحظ ان الهواء الذي نتنفسه معين لا ينضب لهذا العنصر الهام.
وسأحاول في هذا المقال ان اشرح كيف يتحول هذا الغاز القليل الفاعلية الى مركبات نافعة.
١ - البكتيريا المثبتة للنتروجين
بكلمة «تثبيت النتروجين» اعني تحويل الغاز الى مركبات كيميائية ثابتة صالحة للاستعمال.
وفي الارض يوجد نوع من البكتيريا له هذه القدرة العجيبة على اخذ النتروجين من الهواء وجعله يتفاعل بطريقة غامضة لا نعرفها بالضبط، مع العناصر الموجودة في التراب كالبوتاسيوم والاوكسجين فينتج عن هذا التفاعل المركب المعروف باسم نيترات البوتاسيوم (Nitrate de Potasse) وهو مركب يستعمله النبات للتغذية. وتوجد هذه البكتيريات على جذور النباتات الخضرية كالفاصوليا والبازيلّ والفول. وعندما تؤدي هذه البكتيريات وظيفتها تمتص جذور النبات هذه المركبات الكيميائية المغذية اللازمة لنموها. لذلك عندما نأكل هذه الخضراوات او اللحم (الذي يأتي من حيوانات تأكل النبات وتقتات به) يجب ان نتذكر ان المصدر الاساسي لغذائنا في هذه الحالة هو النتروجين الموجود في الهواء.
هذا عمل الطبيعة فلننظر الآن الى عمل الانسان.
٢ - مركبات النتروجين الاصطناعية
يساهم العلم مساهمة فعالة في حقل الزراعة لانه يمكننا من تحضير الاسمدة الكيميائية التي تجعل هذه الناحية المهمة من الزراعة تقوم على اساس علمي تجريبي صحيح. ومن اهم الاسمدة الكيميائية هي النيترات، اي مركبات النتروجين مع الاوكسجين وعناصر اخرى كالصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم. وقد كان المصدر الوحيد لهذه المركبات المهمة دولة «شيلي» في جنوب اميركا. لكن الكيمياء الحديثة قد استطاعت ان تستعيض عن نيترات الشيلي بتحويل نيتروجين الهواء الى نيترات كما سيأتي:
تؤخذ كمية مناسبة من غاز الهيدروجين وتحرق في غرفة كبيرة تحتوي على الهواء فينتج عن هذا الاحتراق ان الهيدروجين يتحد مع اوكسجين الهواء فيركبان الماء (لان الماء يتركب من عنصري الهيدروجين والاوكسجين) فبهذه الطريقة يُعزل الاوكسجين ويبقى النتروجين فقط. وعندئذٍ يمزج هذا الغاز مع كمية اخرى من الهيدروجين بنسبة واحد نيتروجين الى ثلاثة هيدروجين. ثم يوضع المزيج في اسطوانات فولاذية قوية ترتفع الحرارة فيها الى حوالي ٤٧٥ درجة سنتغراد ويكون الضغط فيها حوالي طن ونصف لكل سنتمتر مربع اي ١٥٠٠ مرة اكثر من الضغط الجوي الاعتيادي (الذي يبلغ حوالي ١٠٣٣ جرام للسنتمتر المربع).
وينتج عن هذه العملية ان يتحد الغازان فيتركب من هذا الاتحاد الغاز المعروف بغاز الامونياك (Ammoniaque).
وبعد الحصول على هذا الغاز تجري عليه عملية ثانية فيمزج هذه المرة مع الهواء ثم يدفع الجميع خلال شبكة دقيقة حامية من البلاتين فيتحد اوكسجين الهواء مع الامونياك ويتركب غاز جديد اذا اذيب في الماء اعطى الحامض المعروف بحامض النيتريك او الازوتيك (Acide Nitrique ou Azotique)
وحامض النيتريك هذا هو الاساس الذي تُستمَد منه كل انواع النيترات
فاذا اردنا الحصول على نيترات الصوديوم ( كالتي توجد في شيلي ) فعلينا ان نمزج محلول حامض النيتريك مع محلول من القطرون ( او الصودا الكاوية Soude caustique المستعملة في صناعة الصابون ) فيتحد الصوديوم في الصودا الكاوية مع حامض النيتريك لتركيب نيترات الصوديوم . وبما ان نيترات الصوديوم مركب يذوب في الماء فيجب تبخير الماء لكي يرسب هذا المركب وبعد ترسيبه ينشف ويصبح صالحاً للاستعمال كسماد كياوي لا يختلف بتاتاً عن السماد الكيميائي الذي يأتينا من شيلي .
ولا بد لنا هنا من ذكر ناحية اخرى لصناعة النيترات الا وهي استعمالها للمفرقعات . ففي الحرب العالمية الاولى استطاع العالم الالماني Fritz Haber ان يستنبط الطريقة المشروحة اعلاه لصناعة حامض النيتريك ، لكن الالمان لم يستعملوا هذا الحامض للزراعة ولكن لاجراء تفاعلات كيميائية بينه وبين الجليسرين لانتاج نيترات الجليسرين ومع القطن والخشب لانتاج نيترات السليلوز ومع الطوليون (Toluene) لانتاج المادة المعروفة باسم T. N. T. وهذه جميعها مواد شديدة الانفجار كان لها ابعد الاثر في جعل المانيا تداوم على الحرب مدة السنوات الاربعة .
وانه لمن المضحك المبكي ان نرى مركباً كيميائياً كحامض النيتريك يستطيع ان يكون عاملاً في نمو الحياة واضطرادها كما انه قد يكون سبباً للدمار وازهاق الارواح . وما هذا الا انعكاس واضح لامكانيات العلم الحديث . فالعلم الحديث سلاح ذو حدين؛ فهو اداة تعميرية كما انه اداة تدميرية واستعماله لهذه الغاية اولتلك انما يتوقف، في المقام الاول، على حسن نية الانسان تجاه اخيه الانسان .
Translation and transcription are machine-made and may contain errors. See it on the page.