1 аммиак оксиды азота азотная кислота круговорот азота в природе

Круговорот азота

Круговорот азота

Азот является одним из элементов, в котором все живые существа в мире нуждаются для производства собственных белков.

Цикл азота, связанный с живыми существами, можно разделить на четыре части:

  • фиксация атмосферного азота,
  • ассимиляция азота в растениях,
  • преобразование органических соединений азота,
  • превращение органических соединений азота в неорганические.

Азот и азотсодержащие соединения интегрированы в азотный цикл. Азот является одним из элементов, который необходим всем живым существам на Земле для выработки собственных белков.

Азот в достаточном количестве присутствует в атмосфере. Однако молекулярный азот настолько инертен, что не может быть напрямую поглощен живыми организмами. Растения живут в симбиозе с клубеньковыми бактериями, которые способны превращать атмосферный азот в азотсодержащие соли.

Растения могут расти благодаря этому симбиозу на бедных азотом почвах. Наиболее важным примером так называемой биологической фиксации являются сине-зеленые водоросли в воде. Они превращают молекулярный азот в аммиак.

Во время грозы энергия электрических разрядов приводит к образованию оксидов азота в воздухе. Поскольку в воздухе всегда присутствует водяной пар, эти оксиды растворяются в воде до соответствующих кислот. Поэтому дождь всегда содержит небольшие дозы азотной кислоты. Если осадки со следами азотной кислоты достигают почвы, образуются соли азотной кислоты – нитраты. Этот процесс также называется атмосферной фиксацией.

Однако нитраты и нитриты вырабатываются в почве главным образом почвенными бактериями, которые производят их в процессе обмена веществ, например, путем разложения мертвого органического (белоксодержащего) вещества. Белки сначала превращаются в соединения аммония, а затем в нитриты и нитраты.

Нитраты особенно хорошо усваиваются в растворенном виде растениями и используется для строительства белков. Этот процесс называется ассимиляцией. Меньшая часть нитратов далее разлагается до молекулярного азота (денитрификация), который попадает в атмосферу.

Азотный цикл подразделяется на четыре раздела:

Фиксация атмосферного азота

Только определенные бактерии имеют соответствующие ферменты для преобразования молекулярного азота воздуха в аммиак (ионы аммония). На втором этапе аммиак затем окисляется другими видами бактерий до нитритов и нитратов. Окисление в нитрит и нитрат-ионы называется нитрификацией.

Ассимиляция азота у растений

Большинство высших растений также поглощают растворенные ионы с водой из почвы, например, ионы аммония, нитрита и нитрата. Азот в этих ионах необходим, помимо прочего, для накопления аминокислот.

Преобразование органических соединений азота

Животные поглощают белки растений или других животных с пищей, расщепляют их в процессе обмена веществ и превращают их в собственные органические соединения азота.

Превращение органических соединений азота в неорганические

В экскрементах животных органических соединений азота, которые разлагаются бактериями. Микроорганизмы преобразуют белки и другие азотсодержащие соединения в соединения аммония (аммонификация) и другие неорганические соединения с помощью кислорода. Этот процесс называется распадом. Ионы аммония превращаются в нитриты и нитраты в результате нитрификации. Однако при этом процессе часть аммонийного азота превращается в закись азота N2O, которая улетучивается в атмосферу. Как и углекислый газ, этот газ является парниковым газом.

Благодаря промышленной фиксации азота, синтезу аммиака с помощью процесса Хабера-Боша и его дальнейшей переработке в азотные удобрения для сельского хозяйства человек оказывает значительное влияние на природный азотный цикл.

Другая проблема заключается в том, что, в отличие от ионов аммония, нитрат как анион не связывается с такими компонентами почвы, как гуминовые кислоты. В результате его можно легко смыть в более глубокие слои почвы или в грунтовые воды.

Источник

Круговорот азота в природе – схема и описание

Азот – один из жизненно важных элементов. Азот не фиксируется в организме в свободном виде. Поэтому в круговороте азота в природе помогают бактерии.

Общее описание

Азот – седьмой элемент периодической таблицы Менделеева. Проявляет две валентности – III и V. В природе это двухатомный газ (N2), плохо растворимый в воде. За счёт прочной тройной связи между атомами азот является малоактивным веществом, вступающим в реакции только при нагревании или под действием катализатора.

Рис. 1. Строение молекулы азота.

Элемент присутствует в почве, воде, живых организмах в составе сложных веществ. Свободный азот относительно стабилен в атмосфере, его содержание – 78 % от общего объёма газов. Азот может принимать жидкую и твёрдую формы.

Элемент входит в состав аминокислот и белков, нуклеиновых кислот. Без азота невозможно построение ДНК.

Круговорот

Схему круговорота азота в природе условно можно разделить на две части – грунтовую и атмосферную. Круговорот азота через почву осуществляется следующим образом:

  • в результате гниения органических веществ (растений, животных) азот превращается в аммиак (NH3);
  • под действием бактерий аммиак окисляется до азотной кислоты (HNO3);
  • азотная кислота вступает в реакцию с элементами почвы, образуя кислые соли (нитраты) – СаСО3, Ca(NO3)2;
  • нитраты поглощают растения.

В атмосферу азот также попадает в результате гниения или при горении органических веществ, например, дров или торфа. Под действием разрядов молнии азот соединяется с кислородом, образуя оксид азота (II) – NO, а затем оксид азота (IV) – NO2.

Оксиды реагируют с водой, образуя азотную кислоту. Она попадает в почву вместе с дождями, где образуются нитраты.

Кроме того, свободный азот способны усваивать азотфиксирующие бактерии и некоторые виды сине-зеленых водорослей. Азотфиксирующие бактерии (азотфиксаторы) находятся в симбиозе с растениями. Например, клубеньковые бактерии живут на корнях бобовых растений. Азотфиксаторы могут усваивать азот в присутствии или в отсутствии кислорода, т.е. могут являться аэробами или анаэробами. Они также синтезируют нитраты.

Рис. 2. Азотфиксирующие бактерии на клубнях.

Растения могут усваивать азот только в составе солей азотной кислоты. Вместе с листьями азот попадает сначала в организм травоядных животных (консументов первого порядка), а затем – хищных животных (консументов второго порядка). Обратно азот возвращается при гниении и в составе мочевины (CH4N2O).

Рис. 3. Схема круговорота азота в природе.

Часть нитратов окисляется специальными денитрифицирующими бактериями до свободного азота, который возвращается в атмосферу. Процесс восстановления свободного азота из сложных соединений называется денитрификацией.

Что мы узнали?

Рассмотрели описание круговорота азота в природе. Азот – важный элемент, необходимый живым организмам для постройки тканей и синтеза ДНК. Свободный азот плохо вступает в реакции за счёт прочных тройных связей. Поэтому в усвоении азота помогают бактерии, синтезируя аммиак, азотную кислоту, нитраты. В составе солей азот попадает в растения и далее по пищевой цепочке в организмы травоядных и хищных животных. Новый цикл начинается при отмирании и разложении живых организмов.

Источник



Оксиды азота. Азотная кислота

Все оксиды азота, кроме N2O, ядовитые вещества.

Оксид азота (I) N2O – это бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом, хорошо растворимый в воде, но не взаимодействует с ней. При достаточно высокой температуре разлагается по уравнению:

В смеси с кислородом N2O используется в медицине для наркоза («веселящий» газ).

Наиболее важными являются оксиды азота (II) и (IV).

Оксид азота (II) NO – бесцветный газ, не имеет запаха. В воде малорастворим, относится, как и N2O, к несолеобразующим оксидам. Оксид азота (II) NO образуется из азота и кислорода при сильных электрических разрядах (например, во время грозы в воздухе) или при высокой температуре:

В лаборатории оксид азота (II) получают, например, при взаимодействии меди и разбавленной азотной кислоты:

Оксид азота (II) в промышленности получают каталитическим окислением аммиака и используют для получения азотной кислоты:

Оксид азота (II) на воздухе легко окисляется до оксида азота (IV):

Оксид азота (IV) NO2 – ядовитый газ бурого цвета, имеет характерный запах. Хорошо растворяется в воде. Оксид азота (IV) является смешанным оксидом, которому соответствуют две кислоты: азотистая HNO2 и азотная HNO3. Поэтому взаимодействие с водой происходит по уравнению:

При взаимодействии NO2 с водой в присутствии кислорода (на воздухе) образуется только азотная кислота:

При растворении NO2 в щелочи, например NaOH, образуются две соли (нитрат и нитрит) и вода:

В избытке кислорода образуется только нитрат натрия:

Ниже 22 0 С молекулы оксида азота (IV) NO2 легко соединяются попарно и образуют бесцветную жидкость состава N2O4, которая при охлаждении до – 10,2 0 С превращается в бесцветные кристаллы.

В лаборатории NO2 можно получить при взаимодействии, например, меди с концентрированной азотной кислотой:

В промышленности NO2 получают путем окисления NO кислородом и далее используют для получения азотной кислоты.

Оксид азота (III) N2O3 – это темно-синяя жидкость, является кислотным оксидом. При взаимодействии с водой образуется азотистая кислота:

Оксид азота (V) N2O5 – бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде с образованием азотной кислоты:

Азотная кислота

Физические свойства

Азотная кислота HNO3 – бесцветная жидкость, имеет резкий запах, легко испаряется, кипит при температуре 83 0 С. При попадании на кожу азотная кислота может вызвать сильные ожоги (на коже образуется характерное желтое пятно, его сразу же следует промыть большим количеством воды, а затем нейтрализовать содой). С водой азотная кислота смешивается в любых соотношениях.

Обычно применяемая в лаборатории концентрированная азотная кислота содержит 63% HNO3. При хранении довольно легко, особенно на свету разлагается по уравнению:

Выделяющийся газ NO2 окрашивает азотную кислоту в бурый цвет.

Химические свойства

Кислотно – основные свойства

Азотная кислота – одна из наиболее сильных кислот. В водных растворах она полностью диссоциирована на ионы:

Как и все кислоты, она реагирует:

в) с солями более слабых кислот:

Окислительно – восстановительные свойства

Азотная кислота является одним из сильнейших окислителей. Ее окислительно-восстановительные свойства обусловлены присутствием в молекуле HNO3 атома азота в высшей степени окисления N +5 в составе кислотного остатка NO3 — . Окислительные свойства кислотного остатка NO3 — значительно сильнее, чем ионов водорода Н + , поэтому азотная кислота взаимодействует практически со всеми металлами, кроме золота и платины, находящимися в конце ряда напряжений. Так как окислителем в HNO3 являются ионы NO3 — , а не ионы Н + , то при взаимодействии HNO3 с металлами практически никогда не выделяется водород. Нитрат-ионы NO3 — при взаимодействии HNO3 с металлами восстанавливаются тем полнее, чем более разбавлена кислота и чем более активен металл. На следующей схеме показано, какие продукты могут образоваться при восстановлении HNO3:

Концентрированная HNO3 при взаимодействии с наиболее активными металлами (до Al в ряду напряжений) восстанавливается до N2O. Например:

Концентрированная HNO3 при взаимодействии с менее активными металлами (Ni, Cu, Ag, Hg) восстанавливается до NO2. Например:

Аналогично концентрированная азотная кислота реагирует с некоторыми неметаллами. Неметалл при этом окисляется до оксокислоты. Например:

Следует отметить, что концентрированная HNO3 пассивирует такие металлы, как Fe, Al, Cr. Сущность пассивирования заключается в образовании на поверхности металла тонкой, но очень плотной оксидной плёнки, предохраняющей металл от дальнейшего взаимодействия с кислотой; например:

Разбавленная HNO3 реагирует с наиболее активными металлами (до Al) с образованием аммиака или нитрата аммония NH4NO3:

При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с менее активными металлами образуется оксид азота (II) NO:

Таким же образом разбавленная HNO3 взаимодействует с некоторыми неметаллами:

Получение

В лаборатории азотную кислоту получают при взаимодействии безводных нитратов с концентрированной серной кислотой:

Источник

1 аммиак оксиды азота азотная кислота круговорот азота в природе

Для того чтобы дать описание и схему круговорота азота в природе, нужно помнить, что этот элемент — важная часть белков и ДНК. Без него жизни, какой её знает человечество, могло и не быть. Но биологические существа способны усвоить его только в определённом виде. В результате различных геологических процессов этот элемент принимает ту форму, которой могут воспользоваться организмы. Обмен элементами между живыми существами, воздухом, водой и земной корой получил название биогеохимических циклов.

Таким образом, микроэлементы, являющиеся частью биологического организма, возвращаются в природу. В этом процессе частицы постоянно перемещаются между воздухом, водой и живыми организмами, в противном случае жизнь давно бы истратила свои ресурсы.

N2 входит в состав всего живого. Это один из самых популярных в природе элементов. Атмосфера земли на 78% состоит из N2. Он также содержится в воде и почве и входит в состав белков.

Этот элемент включается в синтез важнейших органических молекул, белков и нуклеиновых кислот. Азот в виде газа, содержащийся в атмосфере, довольно инертен и немногие организмы способны получать его из воздуха. Растения могут поглощать лишь связанный микроэлемент, то есть в составе химических соединений.

Молекулярный азот — очень стойкое соединение. Для его разрушения необходимо большое количество энергии.

Связывание или фиксация происходит тремя способами:

  1. За счёт электрических разрядов молний. Они расщепляют молекулы, позволяя вступать в соединения с кислородом. Образованный таким способом оксид азота растворяется в дождевой воде и поступает в почву, откуда его поглощают растения. Именно вспышки молний играют важную роль в развитии жизни на нашей планете.
  2. Человек — ещё один источник. Человеческая деятельность значительно увеличила его количество в природе. Сегодня треть этого связанного азота попадает в биосферу, благодаря широкому применению искусственных удобрений, содержащих нитраты. В промышленности связывание этого элемента с водородом происходит при температуре от 400 до 600 градусов по Цельсию и давлении до 1 тысячи атмосфер.
  3. В природе основными азотфиксаторами являются бактерии, особенно те из них, которые образуют симбиоз с корнями бобовых растений. Горох, фасоль, соя, клевер — все они относятся к данному типу. Благодаря симбиозу, они могут жить на очень бедных почвах, обогащая их. У этих растений есть механизм, который позволяет им совместно с клубеньковыми бактериями усваивать вещество из воздуха.

Для того чтобы понять, какие организмы принимают участие в круговороте азота, надо вспомнить класс биологии. Существуют важнейшие азотфиксаторы цианобактерии. Они играют важную роль в водных экосистемах. N2 также свободно фиксируется свободноживущими почвенными бактериями. При помощи специального фермента бактерии фиксируют атмосферный азот, синтезируя аммиак и нитраты. Получается взаимовыгодное существование. Микроорганизмы обеспечивают растения азотом, а растения питают бактерии сахарами.

Большинство видов растений получает нитраты из почвы. Растительные белки становятся частью травоядных животных, а затем хищников. В круговороте бактерии играют важнейшую роль, разлагая сложные азотсодержащие соединения, чтобы их усвоили растения. В условиях недостатка кислорода некоторые бактерии разлагают органические вещества до получения газообразного азота. Он возвращается в атмосферу и весь цикл повторяется вновь.

Этапы круговорота атмосферного азота

Для того чтобы кратко описать и понять этот процесс, нужно представить биосферу, как два соединяющихся сосуда разных размеров. В большом находится вещество из воздуха и воды, в маленьком — элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. В трубке, которая их соединяет — переходящий в разные состояния азот. Так в живой природе происходит его поступление в организм.

Процесс круговорота очень медленный. Он имеет определённую последовательность:

  • Поглощение вещества бактериями биосферы.
  • Переход из свободного состояния в связанный.
  • Усвоение растениями его соединений.
  • Поглощение элемента животными.
  • Восстановление концентрации микроорганизмами.

Азот в живой природе

Роль азота в природе ещё не изучена до конца. Любая экологическая система усваивает небольшое количество вещества. Поэтому при производстве удобрений нарушается баланс между газом из органических соединений, вернувшимся в атмосферу, и элементами из воздушной среды.

Было отмечено, что его состояние может переходить из техногенного потока в природный. Лишнее количество газа накапливается в природе и вызывает отрицательные последствия. Выявлена закономерная связь между сельским хозяйством, например, применением различных добавок, и загрязнением окружающей среды.

Приблизительно 36% азота, который проникает в землю с удобрениями, просачивается в сточные воды. В них оказывается большое количество нитратов азота, которые, попадая в реки и озёра, вызывают усиленное размножение растений.

Этот процесс получил название эвтрофикация, то есть загрязнение водных ресурсов водорослями. Это одно из самых важных экологических последствий в применении этого вещества. Молекулы служат питательной средой для водяных растений. Путём накапливания они разрастаются очень быстро, затемняют водоём и не дают развиваться другим растениям. Со временем водоросли отмирают. Для их разложения необходимо очень большое количество воздуха.

Водный фонд становится бедным на наличие кислорода. Из неё уходят все возможные живые организмы, такие как ракообразные и рыба. Вода заболачиваются, превращаясь со временем в болото, и пересыхает.

Ещё одной причиной загрязнения являются фермы. Есть три фактора:

  1. Навоз оставляют на замёрзшей земле.
  2. Избыточное количество химических веществ.
  3. Не заделывают удобрения в почву.

При этом в воздух попадает аммиак. На расстоянии двух километров от ферм наблюдается его распространение и загрязнение воздуха. В результате близлежащие водоёмы оказываются загрязнены. Для предотвращения этого ниже по склону устраиваются пруды. А площадки откорма скота обязательно проектируются с учётом отметки грунтовых вод.

Последствием нарушения баланса азота в атмосфере является увеличение количества нитратов в продуктах питания. В культурах, которые выращивают в сельском хозяйстве, могут содержаться большие дозы нитратного азота. Его образование возможно при неправильной транспортировке, а также при помощи бактерий. При попадании в организм и взаимодействии с гемоглобином они нарушают проникновение кислорода в кровь. Это серьёзно отражается на здоровье человека.

Окислы также входят в состав азотного соединения. Соединения образуются и оказываются в атмосфере путём сжигания газа, выделяются при использовании автомобиля или турбинных самолётов. Они не причиняют вреда только в том случае, если не окисляются озоном до двуокиси азота. Нахождение большой концентрации в организме приводит к тяжёлым заболеваниям.

Для предотвращения чудовищных последствий этой проблемы необходимо тщательно изучать круговорот азота. Нужно найти способы соблюдения баланса между экосистемой и человеком. Можно заметить, что в современном мире при описании круговорота элементов возникают определённые затруднения, так как не все его процессы до конца изучены.

Влияние человека на круговорот

Деятельность людей имеет непосредственное отношение к этому. Промышленность является самым интенсивным вмешательством в этот процесс. Главным источником распространения лишнего объёма газа в атмосфере считается сельское хозяйство. Выращиваемые культуры поглощают множество питательных веществ, тем самым обедняя её. Картофель, свёкла, зерновые, каждый год потребляют до 200 кг вещества с одного гектара земли.

Если применение органических удобрений недостаточно или полностью отсутствуют бобовые растения, то при исчерпании резервных сил и вымывании полезных элементов из почвы ухудшается ее состояние и плодородие. И наоборот. Чрезмерное накопление удобрений приводит к увеличению количества вещества для наземных растений и уменьшению свободного азота, попадающего в атмосферу.

Источник

Круговорот азота в природе

Азот – седьмой элемент периодической таблицы Менделеева. Проявляет две валентности – III и V. В природе это двухатомный газ (N2), плохо растворимый в воде. За счёт прочной тройной связи между атомами азот является малоактивным веществом, вступающим в реакции только при нагревании или под действием катализатора.

Строение молекулы азота

Рис. 1. Строение молекулы азота.

Элемент присутствует в почве, воде, живых организмах в составе сложных веществ. Свободный азот относительно стабилен в атмосфере, его содержание – 78 % от общего объёма газов. Азот может принимать жидкую и твёрдую формы.

Элемент входит в состав аминокислот и белков, нуклеиновых кислот. Без азота невозможно построение ДНК.

Круговорот

Схему круговорота азота в природе условно можно разделить на две части – грунтовую и атмосферную. Круговорот азота через почву осуществляется следующим образом:

  • в результате гниения органических веществ (растений, животных) азот превращается в аммиак (NH3);
  • под действием бактерий аммиак окисляется до азотной кислоты (HNO3);
  • азотная кислота вступает в реакцию с элементами почвы, образуя кислые соли (нитраты) – СаСО3, Ca(NO3)2;
  • нитраты поглощают растения.

В атмосферу азот также попадает в результате гниения или при горении органических веществ, например, дров или торфа. Под действием разрядов молнии азот соединяется с кислородом, образуя оксид азота (II) – NO, а затем оксид азота (IV) – NO2.

Кроме того, свободный азот способны усваивать азотфиксирующие бактерии и некоторые виды сине-зеленых водорослей. Азотфиксирующие бактерии (азотфиксаторы) находятся в симбиозе с растениями. Например, клубеньковые бактерии живут на корнях бобовых растений. Азотфиксаторы могут усваивать азот в присутствии или в отсутствии кислорода, т.е. могут являться аэробами или анаэробами. Они также синтезируют нитраты.

Азотфиксирующие бактерии на клубнях

Рис. 2. Азотфиксирующие бактерии на клубнях.

Растения могут усваивать азот только в составе солей азотной кислоты. Вместе с листьями азот попадает сначала в организм травоядных животных (консументов первого порядка), а затем – хищных животных (консументов второго порядка). Обратно азот возвращается при гниении и в составе мочевины (CH4N2O).

Схема круговорота азота в природе

Рис. 3. Схема круговорота азота в природе.

Часть нитратов окисляется специальными денитрифицирующими бактериями до свободного азота, который возвращается в атмосферу. Процесс восстановления свободного азота из сложных соединений называется денитрификацией.

Что мы узнали?

Рассмотрели описание круговорота азота в природе. Азот – важный элемент, необходимый живым организмам для постройки тканей и синтеза ДНК. Свободный азот плохо вступает в реакции за счёт прочных тройных связей. Поэтому в усвоении азота помогают бактерии, синтезируя аммиак, азотную кислоту, нитраты. В составе солей азот попадает в растения и далее по пищевой цепочке в организмы травоядных и хищных животных. Новый цикл начинается при отмирании и разложении живых организмов.

Источник

Adblock
detector