Cykl azotu w przyrodzie. Właściwości azotu. Rola azotu w przyrodzie

Jednym z najczęstszych pierwiastków chemicznych w środowisku jest azot. Ilość azotu w atmosferze jest duża - cztery piąte atmosfery składa się z tego pierwiastka chemicznego. Większość pierwiastków występuje w postaci wolnej, w której dwa atomy tworzą cząsteczkę N2. Ze względu na dość silne wiązanie między atomami w cząsteczce, nie jest możliwe bezpośrednie użycie takiego związku.
Aby żywe organizmy mogły w pełni przyswoić ten pierwiastek chemiczny, musi on zostać przeniesiony do stanu "związanego". W tym stanie azot jest naładowanym jonem azotanowym NO3-, w którym może być wchłaniany przez rośliny.

Cykl azotowy w naturze jest niemożliwy bez procesu "wiązania", ponieważ jest to rozszczepienie cząsteczki N2, które umożliwia wspieranie różnych procesów życiowych na naszej planecie.

Charakterystyka azotu

Azot jest bezbarwnym, nietoksycznym gazem, który najczęściej występuje w naturze w stanie wolnym (niezwiązanym). Jest to główna część atmosfery - prawie 80% jej zajmuje materia molekularna. W swojej postaci molekularnej azot jest bezużyteczny dla natury żywej - w normalnych warunkach jego cząsteczki reagują chemicznie tylko z litu. Ale znaczenie azotu w naturze biosfery trudno jest przecenić. Substancja ta jest integralną częścią każdej, nawet najprostszej cząsteczki białka. Ale to białko jest istotnym elementem wszystkich żywych organizmów.

Jak to jest w cyklu?

Cykl azotu w naturze jest bowiem łańcuchem zamkniętych, połączonych ze sobą ścieżek, przez które krąży azot w biosferze Ziemi. W naturze różne drobnoustroje są głównym dostawcą tego pokrewnego pierwiastka. To dzięki mikroskopijnym pracownikom od 90 do 140 milionów ton jonów azotu wchodzi w niezbędny stan biosfery.

Obecność azotu w naturze jest w dużej mierze spowodowana żywotną aktywnością bakterii i alg. Cykl N ₂ pochodzi z działalności różnych mikroorganizmów, które ekstrahują azot z rozkładających się odpadów. Jedna część pierwiastka jest przekształcana w cząsteczki niezbędne do istnienia tych mikroorganizmów. Druga część jest uwalniana w postaci jonów amonowych i cząsteczek amoniaku. Różne rodzaje bakterii przekształcają azot z tych substancji w formę azotanową. Związki azotowe w postaci nawozów są pochłaniane przez rośliny, a przez nie przez zwierzęta. Po śmierci organizmu pierwiastek śladowy powraca do gleby, aby ponownie przepracować cykl azotu w przyrodzie. Przepływ azotu przedstawiono poniżej.

W trakcie cyklu N ₂ można włączyć do osadów nieorganicznych lub uwolnić w wyniku działania niektórych bakterii. Ponadto erupcje wulkaniczne praca gejzerów zwiększa proporcję tej substancji w ziemskiej atmosferze.

Wykorzystanie azotu w rolnictwie

Nawożąc ziemię związkami azotu w ilości - kilogram nawozu na hektar ziemi, można zwiększyć plon zboża o kilka procent.
W rolnictwie, w postaci plonu, azot jest przewożony w ilości 1 miliona ton, a nawozy azotowe są dwa razy mniejsze. Pomimo wysokiej opłacalności stosowania nawozów mineralnych, potrzeby roślin w tej substancji są pokrywane sztucznie tylko o 20-25%. Resztę jej ilości ekstrahuje się z gleby w wyniku utrwalenia biologicznego (nawozy naturalne). Dalszy wzrost wydajności zależeć będzie tylko od racjonalnego wykorzystania obornika, zwiększenia produkcji nawozów mineralnych i efektywnego wykorzystania związanego "azotu" (produkowanego przez mikroorganizmy).

Wykorzystanie azotu w przemyśle

Azot jest stosowany w przemyśle. Większość zsyntetyzowanych substancji stanowiła produkcja amoniaku, systemów wybuchowych, różnych barwników. Jest on stosowany w przemyśle wytwórczym - na przykład przy przetwarzaniu koksu. Właściwości azotu są szeroko znane i brane pod uwagę przy produkcji różnych dodatków do żywności. Ciekły azot jest doskonałym czynnikiem chłodniczym i jest szeroko stosowany do zamrażania żywności. Ale nadal głównym sposobem jego wykorzystania jest produkcja nawozów mineralnych.

Najbardziej znane bakterie, które przekształcają azot znajdują się w bulwach roślin strączkowych. Korzystne właściwości azotu pomagają poprawić żyzność gleby: na polu najpierw sieją soczewicę, groch lub fasolę, a następnie rośliny są zaorane w ziemię. W tym miejscu uprawia się inne rośliny, które mogą wykorzystywać azot jako naturalny nawóz.

Nawozy mineralne

Ale naturalny azot, odpowiedni jako nawóz, nie był wystarczający do utrzymania plonów. A ludzie zaczęli stosować nawozy mineralne, w tym związany azot. Technologia wiążąca azot na skalę przemysłową została odkryta przez niemieckich naukowców wojskowych w przededniu pierwszej wojny światowej. Następnie opracowano program produkcji amoniaku dla potrzeb przemysłu obronnego. Po udoskonaleniu technologii naukowcy opracowali niezawodny system produkcji azotu stałego dla rolnictwa. Teraz rolnicy zużywają ponad 80 milionów ton stałego azotu do uprawy roślin spożywczych.

Naturalny związany azot

Zaskakująco, pewna ilość atmosferycznego azotu jest związana podczas burzy. Błyski piorunów zdarzają się znacznie częściej, niż się powszechnie uważa. W ciągu 10 sekund około pięciuset błyskawic na świecie. Zrzut prądu elektrycznego ociepla atmosferę wokół siebie, azot łączy się z tlenem. Występuje reakcja spalania azotu, na której powstają różne rodzaje związków azotu z tlenem. Jest to raczej piękna forma wiązania azotu, ale uwalnia tylko około 10 milionów ton rocznie.

Sztuczny azot związany

Jak napisano powyżej, głównym źródłem azotu są nawozy mineralne, które są szeroko stosowane w rolnictwie w większości krajów świata. Spalanie wszelkiego rodzaju paliw kopalnych (węgiel, gaz, pochodne ropy) również prowadzi do wiązania wolnego azotu. Oprócz bezpośredniego spalania, podczas pracy silników i generatorów elektrycznych, powstaje również ciepło, które jest niezbędne do reakcji azotu z tlenem. Ogólnie rzecz biorąc, około 20 milionów ton azotu odpowiednich dla biosfery powstaje w ciągu roku.

Wniosek

Jak przebiega cykl azotu w przyrodzie? Schemat tego ruchu można przedstawić wizualnie. Na przykład można sobie wyobrazić, że cała biosfera to dwa połączone ze sobą pojemniki. Duża pojemność to obecność azotu w naturze, głównie w hydrosferze i atmosferze. Bardzo mały zawiera azot, który jest częścią życia. Wąskie przejście łączy oba pojemniki, w których azot w taki czy inny sposób wchodzi w stan związany. W środowisku naturalnym przez takie kanały azot wchodzi do żywych organizmów i staje się częścią przyroda nieożywiona po jego śmierci.

Przez stosunkowo krótki okres czasu działalność człowieka zaczął wpływać na poziom N ₂ w środowisku naturalnym. Rola azotu w naturze nie jest jeszcze w pełni zrozumiała. Jest już jasne, że każdy system ekologiczny jest w stanie przyswoić tylko pewną ilość tej substancji. Nadmiar azotu w jakimkolwiek ekosystemie prowadzi do nadmiernego wzrostu roślin, zanieczyszczenia rzek i zbiorników wodnych. Problem ten nazywa się eutrofizacją - zanieczyszczeniem glonów. Kiedy pojawia się ten problem, algi zaciemniają zbiornik, wypierając z niego konkurencyjne formy życia. Po śmierci dużej ilości glonów potrzebny będzie cały tlen zawarty w wodzie, tak aby resztki roślin mogły się rozkładać. Ryby, skorupiaki i inne zwierzęta opuszczają akweny wodne ubogie w tlen. Woda staje się bagna i po kilku latach zostaje pokryta błotem. Jezioro lub staw zamieniają się w martwe bagno.

Dalsze badania nad cyklem azotu w przyrodzie pomogą zapobiec skutkom takich problemów i utrzymają równowagę między działalnością człowieka a naturalnymi ekosystemami.