Reakcje chemiczne zachodzące w trakcie biogeochemicznego cyklu azotu.

W otaczającej nas materii obserwujemy ciągłe zmiany. Nieustannie przebiegają najrozmaitsze procesy chemiczne zarówno w materii ożywionej jak i nieożywionej, przy czym między obu rodzajami materii istnieje stały nierozerwalny związek.
Cykl obiegu azotu zdominowany jest przez reakcje zachodzące przy współudziale mikroorganizmów. Wszystkie reakcje tego cyklu możemy przedstawić na prostym schemacie:
aminokwasy białka
Azot, który wchodzi w skład białek, jest jednym z podstawowych elementów środowiska. Jednak ani większość roślin ani zwierzęta nie mogą pobierać wolnego azotu i przerabiać go na związki niezbędne do życia.
Rośliny pobierają azot z gleby za pomocą korzeni w postaci roztworów soli azotowych, jonów azotanowych NO3-. Proces przemiany jonów amonowych i amoniaku w azotany nazywamy nitryfikacją:


Zdolność pobierania wolnego azotu wprost z atmosfery posiadają jedynie rośliny motylkowe takie jak łubin, groch, koniczyna. Na korzeniach tych roślin znajdują się bakterie brodawkowe, dzięki którym wolny azot jest wchłaniany przez rośliny. Istnieją także inne rodzaje bakterii, tzw. Azotobacter, które przerabiają wolny azot na związki białkowe.
Azot, występujący w wodzie w solach azotanowych i amonowych, jest także pobierany przez rośliny jako niezbędny pokarm w procesie asymilacji zwanym także biosyntezą. Proces ten można przedstawić w sposób uproszczony:

NH3 + CO2 + rośliny zielone + światło słoneczne białko
Organizmy zwierzęce nie są zdolne do wykorzystywania azotu z atmosfery i nie mogą wywarzać białka ze związków organicznych. Białka pobierają od roślin lub innych zwierząt.

W komórkach roślinnych zachodzi wiele skomplikowanych procesów, podczas których azot w formie związków mineralnych przechodzi w postać skomplikowanych związków organicznych, głównie białek. Gdy szczątki roślin i zwierząt ulegają rozkładowi, bardziej złożone cząsteczki są wykorzystywane przez inne organizmy lub rozkładają się na związki prostsze lub jony. Proces amonifikacji, w którym cząsteczki azotu przekształcają się w amoniak lub jony amonowe przebiega wg schematu:

mocznik
Powstały amoniak staje się po raz kolejny źródłem pokarmu dla roślin i bierze udział w procesie asymilacji.
Innym procesem, związanym z odzyskiwaniem diazotu z azotanów jest denitryfikacja. Proces ten przebiega zarówno w warunkach niedoboru powietrza np. w glebie, ale także
w warunkach tlenowych. W warunkach beztlenowych mikroorganizmy wykorzystują azotany jako źródło w procesie oddychania:

Proces ten nie zawsze prowadzi jednak do powstania wolnego diazotu. Podczas redukcji mogą powstawać także produkty pośrednie, głównie tlenek azotu(I) N2O:

Oprócz reakcji inicjowanych biologicznie mamy do czynienia z wieloma innymi reakcjami. Ocenia się, że duża część z nich związana jest z atmosferą i przemianami azotu związanego
w tlenkach.
Istotnym źródłem tlenków azotu są wyładowania atmosferyczne. W wyniku wysokiej temperatury powstają tlenki azotu(II) oraz tlenki azotu(IV):

Powstałe tlenki stopniowo przenikają do coraz niższych warstw atmosfery. Promieniowanie nadfioletowe posiada dostateczną energię, aby nastąpił proces fotolizy tlenku azotu(I) N2O.
Fotoliza ta zachodzi jedynie powyżej wysokości 20km.

Tlenek azotu(II) może również powstawać podczas oddziaływania tlenku azotu (I) ze wzbudzonymi atomami tlenu oraz pod wpływem promieniowania nadfioletowego:

Część powstałego w tych procesach tlenku azotu(II) NO reaguje z tlenem lub ozonem, tworząc tlenek azotu(IV) NO2, który z kolei reaguje z wodą dając kwas azotowy(V):

Powstały kwas azotowy opada wraz z deszczem na ziemie i zostaje związany z amoniakiem dając azotan(V) amonu:

Azotan(V) amonu jest jednym z głównych składników nawozów sztucznych.
Kwas azotowy(V) wzbogaca także glebę w azot łącząc się z węglanem wapnia dając tym samym saletrę wapniową.

Podczas wyładowań atmosferycznych powstają także małe ilości amoniaku, który opadając na ziemię staje się pokarmem dla roślin i bierze udział w procesie fotosyntezy.
Tlenek azotu(IV) NO2 pełni także bardzo ważną funkcje związaną z produkcją tlenu atomowego. Promienie słoneczne dostarczają dostatecznie dużo energii, aby zerwać wiązanie
w tlenku azotu(IV). Reakcja przebiega w sposób następujący:

Tlen atomowy ma szerokie zastosowanie i jest niezbędny przy tworzeniu się wolnych hydroksyli oraz organicznych wolnych rodników. Tlen atomowy bierze także udział przy tworzeniu ozonu.

M to cząsteczka absorbująca energię. Może być nią np. azot N2.
Azot to podstawa wszelkiego rodzaju nawozów. Głównym składnikiem nawozów jest azotan(V) amonu. Produkcja tego związku rozpoczyna się od połączenia diazotu i diwodoru dającego amoniak:

Reakcja ta przebiega w temperaturze 400-540 C oraz przy ciśnieniu od 80 do 350 atmosfer.






Kolejnym etapem jest tworzenie tlenków azotu, które w konsekwencji dają kwas azotowy(V):

Dotychczas nie odnaleziono katalizatora, który umożliwiałby bezpośrednią przemianę tlenku azotu (II) NO w kwas azotowy(V).
Po otrzymaniu kwasu zobojętnia się go amoniakiem otrzymuje potrzebny azotan(V) amonu NH4NO3.



Do tej pracy sa jeszcze reakcje. Gdyby ktos byl zainteresowany [email protected]