Источник энергии в виде атф: АТФ и другие органические соединения клетки — урок. Биология, 9 класс.

Регистр лекарственных средств России РЛС Пациент 2003.

Назад Оглавление Вперёд

Для нормального функционирования, поддержания процессов жизнеобеспечения, выполнения определенных функций организму необходима энергия. Течение любого процесса: физического, химического или информационного, возможно только при эффективной работе систем энергообеспечения.

Как уже говорилось ранее в разделе 1.1.2, естественно протекающие в природе процессы сопровождаются увеличением энтропии, то есть беспорядка. Живая же система (клетка или организм в целом) служит примером области пространства, ограниченной ее мембраной, где в течение длительного периода жизни, в результате целенаправленной созидательной деятельности энтропия не повышается.

	Энтропия здоровой клетки не повышается.

Попробуем ориентировочно оценить, сколько энергии заключено в клетке.

Если допустить, что у человека с массой тела 80 кг клеточная масса достигает 80%, и его организм состоит из 10¹⁴ клеток, то средняя масса 1 клетки составит:

(80 · 0,8) ÷ 10¹⁴ = 64 · 10^-14 кг

Если теперь воспользоваться формулой Эйнштейна E₀ = mC² для определения собственной энергии покоящегося тела, то можно подсчитать, что энергия клетки равна:

E₀ =(64 · 10^-14) · (3 · 10⁸)² = 5,76 · 10⁴ Дж

Чтобы представить масштабы этой энергии, можно напомнить, что при сгорании 1 кг каменного угля выделяется 27·10⁶ Дж. То есть в клетке заключена энергия, эквивалентная энергии, выделяемой при сгорании 2 г угля.

	В клетке заключена энергия, эквивалентная энергии выделяющейся при сгорании 2 г угля.

Описывая энергетические процессы, мы прежде всего должны коснуться химической энергии, заключенной во внутриклеточных соединениях. В каждом химическом соединении состоящем из определенного числа атомов, заключено некоторое количество энергии, определяемое его структурой. В химической реакции структура соединений изменяется, и при расщеплении связей высвобождается энергия, которая была в свое время затрачена на их образование. Совокупность окислительно-восстановительных реакций в клетке, протекающих с участием молекулярного кислорода и сопровождающихся запасанием энергии, называется клеточным дыханием. Клеточное дыхание является важнейшей частью обмена веществ и энергии в организме и отличается от других химических процессов, протекающих с поглощением кислорода (например окисление жиров), созданием запаса энергии в виде АТФ.

В живой клетке основными источниками энергии служат вещества, поступающие из окружающей среды, – углеводы (сахара), белки, жиры, расщепленные в процессе пищеварения до более простых соединений. Эти соединения вступают в реакцию с кислородом и окисляются до воды и углекислого газа. При этом высвобождается энергия. Типичное количество высвобождающейся энергии составляет 20 000 Дж на 1 г углеводов. Почти вдвое больше химической энергии на 1 г запасено в жире животных.

	Клетка извлекает энергию из питательных веществ и запасает ее для своей жизнедеятельности, а также выполнения специальных функций.

Вот почему нам необходимо потреблять вещества, обладающие высоким качеством энергии. В процессе их расщепления, высвобождается энергия, необходимая клеткам для жизнедеятельности и выполнения специальных функций. На Земле высокое качество энергии в веществах, которые мы потребляем, первоначально обусловлено Солнцем, температура которого столь высока, что запасается энергия, характеризующаяся очень низкой энтропией. Природа устроила так, что эта энергия, проливающаяся в виде излучения, сначала поглощается растениями в процессе фотосинтеза, и затем процесс передачи и преобразования энергии продолжается в организмах животных.

Применительно к химической реакции можно сказать, что она будет протекать только тогда, когда энергия, заключенная в продуктах реакции меньше, чем в исходных вещества. Но это не означает, что если в ходе реакции энергия высвобождается, то она обязательно произойдет. Многие потенциально энергетически выгодные реакции в природе не происходят, на их пути стоит некий барьер. Иначе бы все вещества, способные вступать в реакции, сразу бы в них вступили. Например, превращение глюкозы в воду и углекислый газ (то есть горение) – энергетически очень выгодный процесс:

C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂ O + 686 ккал,

однако сахар на воздухе вполне устойчив. Что же это за барьер, не дающий исчезнуть в пламени всем горючим материалам на Земле?

Представьте, что по наклонной плоскости катится мяч. Даже не зная законов физики, можно утверждать, что он будет катиться, пока сохраняется наклон. Теперь допустим, что на его пути оказалась лунка, мяч закатился в нее и застрял там. Он готов катиться дальше, но, чтобы продолжить движение, ему надо сообщить дополнительную энергию, причем тем большую, чем глубже лунка. Так и в химических, в том числе протекающих в живых организмах (биохимических), реакциях. Исходное соединение – это, образно говоря, “мяч в лунке”, пока не сообщишь ему определенную энергию, в реакцию оно не вступит, даже если эта реакция энергетически выгодна. Энергия, которую надо дополнительно сообщить химической системе, чтобы “запустить” реакцию, называется энергией активации для данной реакции и служит своего рода энергетическим гребнем, который надо преодолеть. В некатализируемых реакциях источником энергии активации служат столкновения между молекулами. Если соударяемые молекулы должным образом сориентированы, и столкновение достаточно сильное, есть шанс, что они вступят в реакцию. Понятно, почему химики для ускорения реакций нагревают колбы: при повышении температуры скорость теплового движения и частота соударений возрастают. Но в условиях человеческого тела клетку не нагреешь, для нее это недопустимо.

А реакции идут, при этом со скоростями, недостижимыми при проведении их в пробирке. Здесь работает еще одно изобретение природы – ферменты, о которых мы упоминали ранее.

Как уже говорилось, при химических превращениях самопроизвольно могут протекать те реакции, в которых энергия, заключенная в продуктах реакции меньше, чем в исходных веществах. Для остальных реакций необходим приток энергии извне. Самопроизвольную реакцию можно сравнить с падающим грузом. Первоначально покоящийся груз стремится падать вниз, понижая тем самым свою потенциальную энергию. Так и реакция, будучи инициирована, стремится протекать в сторону образования веществ с меньшим запасом энергии. Такой процесс, в ходе которого может совершаться работа, называют спонтанным. Но если определенным образом соединить два груза, то более тяжелый, падая, будет поднимать более легкий. И в химических, в особенности в биохимических, процессах реакция, протекающая с выделением энергии, может вызвать протекание связанной с ней реакции, требующей притока энергии извне.

Такие реакции называют сопряженными. В живых организмах сопряженные реакции очень распространены, и именно их протекание обусловливает все тончайшие явления, сопутствующие жизни и сознанию. Падающий “тяжелый груз” вызывает поднятие другого, более легкого, но на меньшую величину. Питаясь, мы поглощаем вещества с высоким качеством энергии, обусловленным Солнцем, которые затем в организме распадаются и, в конечном счете, выделяются из него, но при этом успевают высвободить энергию в количестве, достаточном для обеспечения процесса, называемого жизнью.

В клетке основным энергетическим посредником, то есть “ведущим колесом” жизни, является 

аденозинтрифосфат (АТФ). Чем интересно это соединение? С биохимической точки зрения АТФ – молекула средних размеров, способная присоединять или “сбрасывать” концевые фосфатные группы, в которых атом фосфора окружен атомами кислорода. Образование АТФ происходит из аденозиндифосфата (АДФ) за счет энергии, высвобождающейся при биологическом окислении глюкозы. С другой стороны, разрыв фосфатной связи в АТФ приводит к высвобождению большого количества энергии. Такую связь называют высокоэнергетической или макроэргической. Молекула АТФ содержит две таких связи, при гидролизе которых высвобождается энергия, эквивалентная 12-14 ккал.

Неизвестно, почему природа в процессе эволюции “выбрала” АТФ энергетической валютой клетки, но можно предположить несколько причин. Термодинамически эта молекула достаточно нестабильна, о чем свидетельствует большое количество энергии, выделяющейся при ее гидролизе. Но в то же время скорость ферментативного гидролиза АТФ в нормальных условиях очень мала, то есть молекула АТФ обладает высокой химической стабильностью, обеспечивая эффективное запасание энергии. Малые размеры молекулы АТФ позволяют легко диффундировать в разные участки клетки, где необходим подвод энергии для выполнения какой-либо работы. И, наконец, АТФ занимает промежуточное положение в шкале высокоэнергетических соединений, что придает ему универсальность, позволяя переносить энергию от более высокоэнергетических соединений к низкоэнергетическим.

Таким образом АТФ – это основная универсальная форма сохранения клеточной энергии, топливо клетки, доступное для использования в любой момент. А основным поставщиком энергии в клетку, как мы уже упоминали, служит глюкоза, получаемая при расщеплении углеводов. “Сгорая” в организме, глюкоза образует двуокись углерода и воду, и этот процесс обеспечивает реакции клеточного дыхания и пищеварения. Слово “сгорает” в данном случае образ, пламени внутри организма не возникает, а энергия извлекается многоступенчато химическими способами.

На первом этапе, протекающем в цитоплазме без участия кислорода, молекула глюкозы распадается на два фрагмента (две молекулы пировиноградной кислоты), и эта стадия называется гликолизом. При этом высвобождается 50 ккал/моль энергии (то есть 7% энергии, заключенной в глюкозе), часть которой рассеивается в виде тепла, а другая расходуется на образование двух молекул АТФ.

Последующее извлечение энергии из глюкозы происходит главным образом в митохондриях – силовых станциях клетки, работу которых можно сравнить с гальваническими элементами. Здесь на каждой стадии отщепляется электрон и ион водорода, и в конечном счете глюкоза разлагается до двуокиси углерода и воды. В митохондрии электроны и ионы водорода вводятся в единую цепь окислительно-восстановительных ферментов (дыхательная цепь), передаваясь от посредника к посреднику, пока они не соединятся с кислородом. И на этом этапе для окисления используется не кислород воздуха, а кислород воды и уксусной кислоты. Кислород воздуха является последним акцептором водорода, завершая весь процесс клеточного дыхания, именно поэтому он так необходим для жизни. Как известно, взаимодействие газообразного кислорода и водорода сопровождается взрывом (мгновенным выделением большого количества энергии). В живых организмах этого не происходит, так как газообразного водорода не образуется, и к моменту связывания с кислородом воздуха запас свободной энергии уменьшается настолько, что реакция образования воды протекает совершенно спокойно (смотри рисунок 1.4.11).

Глюкоза является основным, но не единственным субстратом для выработки энергии в клетке. Вместе с углеводами в наш организм с пищей поступают жиры, белки и другие вещества, которые после расщепления также могут служить источниками энергии, превращаясь в вещества, включающиеся в биохимические реакции, протекающие в клетке.

Фундаментальные исследования в области теории информации привели к появлению понятия информационной энергии (или энергии информационного воздействия), как разности между определенностью и неопределенностью. Здесь же хотелось бы отметить, что клетка потребляет и тратит информационную энергию на ликвидацию неопределенности в каждый момент своего жизненного цикла. Это приводит к реализации жизненного цикла без увеличения энтропии.

Нарушение процессов энергетического обмена под влиянием различных воздействий приводит к сбоям на отдельных стадиях и вследствие этих сбоев к нарушению подсистемы жизнедеятельности клетки и всего организма в целом. Если количество и распространенность этих нарушений превышают компенсаторные возможности гомеостатических механизмов в организме, то система выходит из под управления, клетки перестают работать синхронно. На уровне организма это проявляется в виде различных патологических состояний.

Так, недостаток витамина B₁, участвующего в работе некоторых ферментов, приводит к блокированию окисления пировиноградной кислоты, избыток гормонов щитовидной железы нарушает синтез АТФ и т.д. Смертельные исходы при инфаркте миокарда, отравлении угарным газом или цианистым калием также связаны с блокированием процесса клеточного дыхания путем ингибирования или разобщения последовательных реакций. Через подобные механизмы опосредованно и действие многих бактериальных токсинов.

Таким образом, функционирование клетки, ткани, органа, системы органов или организма как системы поддерживается саморегуляторными механизмами, оптимальное течение которых, в свою очередь, обеспечивается биофизическими, биохимическими, энергетическими и информационными процессами.

Литература

1. Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. – 288 с.
2. Винчестер А. Основы современной биологии / Пер. с англ. М.Д. Гроздовой. – М.: Мир, 1967. – 328 с., ил.
3. Робертис Э. де, Новинский В., Саэс Ф. Биология клетки / Под ред. С.Я. Залкинда; Пер. с англ. А.В. Михеевой, В.И. Самойлова, И.В. Цоглиной, Ю.А. Шаронова. – М.: Мир, 1973. – 488 с.
4. Стратанович Р.Л. Теория информации. – М.: Сов. радио, 1975. – 424 с.
5. Физиология человека: Учебник / Под ред. В.М. Смирнова. – М.: Медицина, 2001. – 608 с., ил.
6. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 928 с., ил.
7. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе: Пер. с англ; Предисл. Ю.Г. Рудного. – М.: Мир, 1987. – 224 с., ил.
8. Юсупов Г.А. Энергоинформационная медицина. Гомеопатия. Электропунктура по Р.Фоллю. – М.: Издательский дом “Московские новости”, 2000 – 331 с., ил.

Энергия во время тренировки.

Статья посвещена тому, как расходуется, распределяется и восстанавливается энергия во время и после тренировки.

Как расходуется энергия во время тренировки?

Начало тренировки

В самом начале тренировки, или когда энергозатраты резко возрастают (спринт), потребность в энергии больше, чем уровень, с которым происходит синтез АТФ с помощью окисления углеводов. Вначале углеводы \»сжигаются\» анаэробно (без участия кислорода), это процесс сопровождается выделением молочной кислоты (лактата). В результате освобождается некоторое количество АТФ – меньше, чем при аэробной реакции (с участием кислорода), но быстрее.

Другим \»быстрым\» источником энергии, идущим на синтез АТФ, является креатин фосфат. Небольшие количества этого вещества содержатся в мышечной ткани. При распаде креатин фосфата освобождается энергия, необходимая для восстановления АДФ до АТФ. Этот процесс протекает очень быстро, и запасов креатин фосфата в организме хватает лишь на 10-15 секунд \»взрывной\» работы, т.е. креатин фосфат является своеобразным буфером, покрывающим краткосрочный дефицит АТФ.

Втягивающий период тренировки

В это время в организме начинает работать аэробный метаболизм углеводов, прекращается использование креатин фосфата и образование лактата. Запасы жирных кислот мобилизуются и становятся доступными как источник энергии для работающих мышц, при этом повышается уровень восстановления АДФ до АТФ за счет окисления жиров.

Основной период тренировки

Между пятой и пятнадцатой минутой после начала тренировки в организме повышенная потребность в АТФ стабилизируется. В течение продолжительной, относительно ровной по интенсивности тренировки синтез АТФ поддерживается за счет окисления углеводов (гликогена и глюкозы) и жирных кислот. Запасы креатин фосфата в это время постепенно восстанавливаются.

При возрастании нагрузки (например, при беге в гору) расход АТФ увеличивается, причем, если это возрастание значительное, организм вновь переходит на анаэробное окисление углеводов с образованием лактата и использование креатин фосфата. Если организм не успевает восстанавливать уровень АТФ, может быстро наступить состояние усталости.

Какие источники энергии используются в процессе тренировки?

Углеводы являются самым важным и самым дефицитным источником энергии для работающих мышц. Они необходимы при любом виде физической активности. В организме человека углеводы хранятся в небольших количествах в виде гликогена в печени и в мышцах. Во время тренировки гликоген расходуется, и вместе с жирными кислотами и глюкозой, циркулирующей в крови, используется как источник мышечной энергии. Соотношение различных используемых источников энергии зависит от типа и продолжительности упражнений.

Несмотря на то, что в жире больше энергии, его утилизация происходит медленнее, и синтез АТФ через окисление жирных кислот поддерживается использованием углеводов и креатин фосфата. Когда запасы углеводов истощаются, организм становится не в состоянии переносить высокие нагрузки. Таким образом, углеводы являются источником энергии, лимитирующим уровень нагрузки во время тренировки.

Факторы, ограничивающие энергозапасы организма во время тренировки.

1. Источники энергии, используемые при различных типах физической активности

слабая интенсивность (бег трусцой): Требуемый уровень восстановления АТФ из АДФ относительно низок, и достигается окислением жиров, глюкозы и гликогена. Когда запасы гликогена исчерпаны, возрастает роль жиров как источника энергии. Поскольку жирные кислоты окисляются довольно медленно, чтобы восполнять расходуемую энергию, возможность долго продолжать подобную тренировку зависит от количества гликогена в организме.
средняя интенсивность (быстрый бег): Когда физическая активность достигает максимального для продолжения процессов аэробного окисления уровня, возникает потребность быстрого восстановления запасов АТФ. Углеводы становятся основным топливом для организма. Однако только окислением углеводов требуемый уровень АТФ поддерживаться не может, поэтому параллельно происходит окисление жиров и образование лактата.
максимальная интенсивность (спринт): Синтез АТФ поддерживается, в основном, использованием креатин фосфата и образование лактата, поскольку метаболизм окисления углеводов и жиров не может поддерживаться с такой большой скоростью.
2. Продолжительность тренировки

Тип источника энергии зависит от продолжительности тренировки. Сначала происходит выброс энергии за счет использования креатин фосфата. Затем организм переходит на преимущественное использование гликогена, что обеспечивает энергией приблизительно на 50-60% синтез АТФ. Остальную часть энергии на синтез АТФ организм получает за счет окисления свободных жирных кислот и глюкозы. Когда запасы гликогена истощаются, основным источником энергии становятся жиры, в то же время из углеводов начинает больше использоваться глюкоза.

3. Тип тренировки

В тех видах спорта, где периоды относительно низких нагрузок сменяются резкими повышениями активности (футбол, хоккей, баскетбол), происходит чередование использования креатин фосфата (во время пиков нагрузки) и гликогена как основных источников энергии для синтеза АТФ. В течение \»спокойной\» фазы в организме восстанавливаются запасы креатин фосфата.

4. Тренированность организма

Чем тренированнее человек, тем выше способность организма к окислительному метаболизму (меньше гликогена превращается в лактозу) и тем экономичнее расходуются запасы энергии. То есть, тренированный человек выполняет какое-либо упражнение с меньшим расходом энергии, чем нетренированный.

5. Диета

Чем выше уровень гликогена в организме перед началом тренировки, тем позднее настанет утомление. Чтобы повысить запасы гликогена, необходимо увеличить потребление пищи, богатой углеводами. Специалисты в области спортивного питания рекомендуют придерживаться таких диет, в которых до 70% энергетической ценности составляли бы углеводы.

Рекомендуемая спортсменам пища, богатая углеводами:
рис
паста (макаронные изделия)
хлеб
зерновые злаки
корнеплоды
Спортсмены должны съедать в день не менее 500 г углеводов. Ниже, в таблице приведено примерное содержание углеводов в различных видах пищи:

Пища Содержание углеводов (г)
Большая порция спагетти 90
Большая порция риса 60
Большая порция картофеля в мундире 45
Банка бобов 45
Два куска белого хлеба 30
500 мл молока 30
Банан 20
Яблоко 10

Из приведенной таблицы видно, что чтобы получить 500 г углеводов, съесть придется довольно много всего, поэтому многие спортсмены предпочитают употреблять специализированные углеводные добавки (глюкозу, спортивные напитки с углеводами).

Олимпийский центр спортивного питания

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!

замечаний Роджерса на слушаниях по бюджету на 24 финансовый год для Бюро по алкоголю, табаку, огнестрельному оружию и взрывчатым веществам (как подготовлено) | Комитет Палаты представителей по ассигнованиям

18 апреля 2023 г.

Заявления

Подкомитет примет решение. Без возражений Председатель имеет право объявить перерыв в любое время.

Нашим свидетелем сегодня утром является Стивен Деттельбах, директор Бюро по алкоголю, табаку, огнестрельному оружию и взрывчатым веществам.

Я начну с того, что узнаю себя во вступительном слове.

Бюджетная заявка на 2024 финансовый год для ATF составляет 1,9 миллиарда долларов, что на 7,4% больше, чем утвержденный уровень на 23 финансовый год.

Основная задача правоохранительных органов ATF — защищать население от насильственных преступлений. И хотя бюджетный запрос ATF пытается заверить нас, что его ресурсы направлены на самые серьезные преступления и самых опасных преступников, некоторые недавние решения говорят о другом.

Многие люди справедливо обеспокоены радикальными, казалось бы, плохо аргументированными новыми правилами, исходящими от ATF в последние месяцы.

В одном случае ATF изменила рабочее определение «винтовки» в Своде федеральных правил таким образом, что пистолеты с прикрепленными стабилизирующими скобами будут подпадать под усиленное федеральное регулирование.

В соответствии с другим правилом, ATF теперь требует, чтобы торговцы оружием сохраняли записи о транзакциях в течение всей их лицензионной деятельности, в отличие от последних 20 лет, и изменило определение «рамки», чтобы расправиться с огнестрельным оружием, изготовленным в частном порядке.

По новым правилам о стабилизирующих скобах, в противном случае законным владельцам оружия может грозить до   10 лет тюрьмы и тысячи долларов штрафа, если они не зарегистрируют пистолеты со стабилизирующими скобами в ATF.

Если этого недостаточно, в бюджете на 24 финансовый год указаны отдельные усилия по отмене защиты 2-й поправки. Он предлагает устранить несколько давних наездников на права на оружие и отменить некоторые меры защиты Второй поправки от постоянного закона.

Это, наряду с агрессивной программой регулирования ATF, свидетельствует о многогранных усилиях по ликвидации свобод, даже не связанных с преступным неправомерным использованием огнестрельного оружия.

Когда дело доходит до защиты американцев от насильственных преступлений, я полностью поддерживаю Министерство юстиции в том, что касается ареста подставных покупателей, судебного преследования покупателей, которые лгут в своих бланках проверки биографических данных, и ужесточения судебных преследований и наказаний за кражу оружия, особенно у торговцев оружием.

Дело в том, что многое можно сделать, чтобы не допустить попадания оружия в руки преступников, не требуя от ветеринара-инвалида регистрации своего адаптированного пистолета или удаления давнего наездника, связанного с малоизвестным огнестрельным оружием. Тем не менее, ясно, куда эта администрация решила направить свои усилия.

Нельзя винить американский народ в том, что он задается вопросом, почему правительство, кажется, больше сосредоточено на том, чтобы сосредоточить свои усилия на законопослушной публике, чем на тяжелой работе по обеспечению соблюдения закона людьми, приверженными его нарушению.

Сложность насилия и сама природа преступного поведения чрезвычайно затрудняют прогнозирование и предотвращение случаев насилия.

Мы в Конгрессе хотим, чтобы финансирование использовалось эффективно и чтобы оно не использовалось для поддержки новых репрессивных правил во имя предотвращения преступности.

Государственный долг Америки вышел из-под контроля, и мы продолжаем расплачиваться за безудержные федеральные расходы. Мы должны изучить все агентства и программы, чтобы найти способы повышения эффективности и экономии, и расставить приоритеты в наших скудных ресурсах для тех усилий ATF, которые оказывают заметное влияние на общественную безопасность.

Сегодня, я уверен, у нас возникнут вопросы о неэффективности ATF, и мы проверим, действительно ли некоторые политики ATF контрпродуктивны.

Наконец, в свете нашей задачи по устранению расточительных государственных расходов, бюджет АТФ выиграет от гораздо большей прозрачности. Все бюджетное обоснование ATF, которое отражает разнообразную миссию агентства, сводится к двум единицам принятия решений, что затрудняет выделение Конгрессом финансирования с какой-либо степенью точности.

Прежде чем мы продолжим, я хотел бы поблагодарить члена рейтинга Картрайта за любые замечания, которые он может сделать.

Нитрат аммония: сделать его более безопасным сегодня для лучшего завтра

Нитрат аммония (AN) является широко используемым химическим соединением, имеющим несколько важных применений. Как удобрение, оно помогает накормить миллиарды. Он также является основным компонентом многих типов взрывчатых веществ для горнодобывающей промышленности, где он смешивается с мазутом и взрывается зарядом взрывчатого вещества. Расширение сельскохозяйственной деятельности в мире в сочетании с растущим спросом на мазут на основе нитрата аммония (ANFO) означает, что ожидается, что рынок нитрата аммония будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) не менее 4% в течение следующих 5 лет. Однако потенциально взрывоопасный характер нитрата аммония (и возможность его неправильного использования) означает, что производители, продавцы и пользователи этого соединения должны учитывать предупреждения о безопасности или рисковать катастрофой.

Как мы можем продолжать пожинать плоды этого универсального соединения, сводя к минимуму риски, связанные с его использованием? В этой статье мы обсудим основные выводы из катастрофического взрыва аммиачной селитры в Бейруте в 2020 году и способы предотвращения дальнейших взрывов.

Аммиачная селитра – рынок на подъеме

Рынок аммиачной селитры движется по восходящей траектории, согласно последним отчетам, объем рынка к 2026 г. повышенный спрос на продукты питания и недвижимость. Между прочим, аммиачная селитра является ценным ресурсом для обеих отраслей.

Аммиачная селитра является популярным удобрением, поскольку азот является ключевым компонентом двух частей смеси: NH ₄ (аммоний) и NO ₃ (нитрат). Мало того, что растения могут получать азот непосредственно из нитратной формы соединения, но фракция аммония также может постепенно превращаться в нитрат почвенными микроорганизмами. Эти свойства делают аммиачную селитру популярным выбором для овощеводов, которые предпочитают легкодоступный источник нитратов для питания растений. Животноводы используют нитрат аммония для удобрения пастбищ и сена, предпочитая его удобрениям на основе мочевины, которые могут улетучиваться из почвы до того, как они будут использованы растениями. Он также хорошо растворяется, что делает его подходящим для использования в ирригационных системах.

Другим преобладающим применением аммиачной селитры является компонент взрывчатых смесей, используемых в горнодобывающей промышленности, разработке карьеров и в гражданском строительстве. Как часть ANFO, на его долю приходится 80% взрывчатых веществ, используемых в Северной Америке. К сожалению, поскольку компоненты ANFO относительно легко достать, существует вероятность их неправильного использования в самодельных взрывных устройствах. Это подчеркивает важность надлежащего контроля за этой формой нитрата аммония для снижения ее потенциальной опасности.

Бейрутская катастрофа – последствия

4 августа 2020 года в столице Ливана Бейруте произошел катастрофический взрыв, в результате которого погибли по меньшей мере 218 человек, более 6000 человек получили ранения. Основной причиной взрыва стало около 2750 тонн аммиачной селитры, хранившейся на складе в порту Бейрута. Это большое количество аммиачной селитры было изъято с заброшенного корабля, конфискованного в 2014 году. Хранившееся удобрение загорелось от искр от пожара на соседнем складе, что привело к взрыву, который нанес огромный материальный ущерб и оставил без крова около 300 000 человек. Два года спустя взрыв продолжает воздействовать на Бейрут, а в июле и августе 2022 года произошло обрушение соседних зернохранилищ.

Помимо человеческих жертв взрыва, экономический ущерб оценивается в более чем 6,7 миллиардов долларов США. Взрыв уничтожил 90% запасов зерна в Ливане, усугубив и без того шаткую ситуацию с продовольственной безопасностью в стране, сталкивающейся с серьезными экономическими проблемами. Окружающая среда, должно быть, также пострадала от такого взрыва, хотя данные отсутствуют. При взрыве аммиачной селитры в окружающую среду были выброшены ядовитые газы, в том числе оксиды азота, аммиак и окись углерода, что привело к химическому загрязнению и причинило дополнительный вред местному населению. Экосистемы также повреждаются этим загрязнением окружающей среды, при этом земноводные и водные организмы несут основную тяжесть отравления нитратами, поскольку продукты разложения попадают в океан.

Эксперты проанализировали взрыв в Бейруте и сравнили его с другими подобными катастрофами с аммиачной селитрой. Как и в случае с несколькими другими разрушительными взрывами, основной причиной взрыва был признан неконтролируемый пожар. Складирование такого большого количества аммиачной селитры в одном месте усилило воздействие взрыва, а городской характер места хранения увеличил количество пострадавших от взрыва. На основании этих анализов были даны рекомендации, в том числе создание Агентства по регулированию химических веществ для контроля за химической безопасностью на национальном уровне в Ливане и совершенствование планирования аварийного реагирования на будущие события.

Взрывоопасная природа нитрата аммония

Большинство взрывов нитрата аммония происходит во время транспортировки или хранения (Рисунок 1) , однако, чтобы полностью понять факторы риска взрыва, важно понимать химический состав нитрата аммония и производственные процессы.

Рисунок 1. Распределение аварий, связанных с аммиачной селитрой, начиная с 20-го века0003

NH ₃ + HNO ₃ → NH ₄ NO ₃

Аммиак обычно получают из атмосферного азота, а азотную кислоту получают путем сжигания аммиака. Эти два исходных продукта обычно не хранят рядом друг с другом. Производство происходит в водном растворе, поскольку в результате реакции выделяется значительное количество тепла. Последующий процесс испарения стал причиной нескольких взрывов. Другие источники взрывов, связанные с производственным процессом, включают включение примесей, которые могут снизить стабильность нитрата аммония. Без надлежащего контроля температуры нитрат аммония также может поглощать воду или изменять форму кристаллов, что приводит к образованию агломератов, что делает его непригодным для использования.

Несмотря на десятилетия изучения реакций нитрата аммония, точные механизмы разложения и взрыва до конца не изучены. Эта загадка частично связана с химической сложностью реакции, а также с различными условиями окружающей среды и потенциальными загрязнителями. В качестве основной реакции детонации предполагается следующая реакция: 002 Одной из причин взрывоопасности нитрата аммония является то, что он содержит в одной и той же молекуле и топливо в виде иона аммония, и сильный кислородообразующий агент, нитрат. Когда происходит разложение, выделяется тепло, которое инициирует детонацию, а поскольку источник кислорода уже присутствует, горение быстро ускоряется. Результатом является производство закиси азота, кислорода, воды и большого количества тепла и кинетической энергии. Эти продукты вызывают расширение в объеме, в 1000 раз превышающем первоначальный объем аммиачной селитры, что приводит к катастрофическим разрушениям окружающей среды от взрыва.

Несколько процессов, добавок и альтернатив нитрату аммония были протестированы в попытках минимизировать опасность случайных взрывов, а также общего неправильного использования (Таблица 1) . Несмотря на это, идеального решения не существует, и требуется дополнительная работа для разработки безопасной и доступной альтернативы. Подготовленный CAS аналитический отчет, посвященный изучению уроков, извлеченных из взрывов нитрата аммония, подчеркивает, что «недостаточно производить удобрения, которые не взрываются случайно; также важно сделать такие, которые нельзя легко взорвать».

Таблица 1. Перечень альтернативных азотных удобрений

Удобрение	Комментарий
Аммиак безводный	Газ под давлением, вещество, регулируемое Планом управления рисками (RMP), с пороговым значением 10 000 фунтов, регулируемое как опасный груз для перевозки.
аммиачная вода	Летучее вещество, регулируемое RMP, с пороговым значением 20 000 фунтов
Мочевина	Высокое содержание азота, летучие
Сульфат аммония	Нелетучий, с низким содержанием азота
Диаммонийфосфат	Содержит фосфор
Моноаммонийфосфат	Содержит фосфор
Нитрат калия	Содержит калий, стабильный
Нитрат натрия	Стабильный
Цианамид кальция	Содержит кальций
Нитрат кальция	Содержит кальций

Рассматривались также альтернативные азотные удобрения (табл. 1). Однако альтернативой с самым высоким содержанием азота является газ при комнатной температуре, а токсичность запрещает его использование. Смешивание удобрений с высоким содержанием азота с другими макроэлементами может дать эффективное удобрение, снижая при этом риск взрыва.

Осторожное обращение с нитратом аммония

В некоторых странах уже существует множество строгих правил и требований по безопасному обращению с нитратом аммония и его хранению. В США основные положения были изданы в 2001 г. Управлением по охране труда и технике безопасности (OSHA), а дополнительные указания можно найти в консультативном документе, выпущенном в 2015 г. OSHA в сотрудничестве с Агентством по охране окружающей среды (EPA) и Бюро алкоголя, табака, огнестрельного оружия и взрывчатых веществ (ATF). Этот бюллетень был выпущен в рамках текущей правительственной инициативы по улучшению управления рисками, связанными с аммиачной селитрой, и обеспечению безопасности, а также для защиты окружающей среды.

В отчете CAS Insight Report о безопасности нитрата аммония подчеркивается, что его безопасное хранение требует тщательного рассмотрения нескольких переменных (рис. 2) . Правила OSHA предусматривают, что в складских помещениях требуется надлежащая вентиляция, что является ключом к предотвращению накопления токсичных газов и горячих газов, а также их агломерации. Другие ключевые факторы безопасности, учитываемые в законодательстве, включают использование негорючих материалов в местах хранения, поддержание температуры ниже 130°F, ограничение количества аммиачной селитры, хранящейся в одном месте, и обеспечение надлежащих мер пожаротушения.

Законодательство и руководящие принципы имеют жизненно важное значение для контроля над опасными веществами, такими как твердая нитрат аммония, но они могут повысить безопасность только в том случае, если они будут соблюдаться. Повышение осведомленности об опасностях аммиачной селитры и важности соблюдения существующих правил поможет предотвратить или, по крайней мере, значительно ограничить будущие катастрофические события.