18.7: Matukio, Maandalizi, na Mali ya Nitrogen

Malengo ya kujifunza

• Eleza mali, maandalizi, na matumizi ya nitrojeni

Nitrojeni safi zaidi hutoka kwa kunereka sehemu ya hewa ya kioevu. Anga ina nitrojeni 78% kwa kiasi. Hii inamaanisha kuna zaidi ya tani milioni 20 za nitrojeni juu ya kila maili mraba ya uso wa dunia. Nitrojeni ni sehemu ya protini na ya nyenzo za maumbile (DNA/RNA) ya mimea na wanyama wote.

Chini ya hali ya kawaida, nitrojeni ni gesi isiyo na rangi, isiyo na harufu, na isiyoharibika. Ni chemsha saa 77 K na kufungia saa 63 K. nitrojeni ya maji ni baridi sana kwa sababu ni gharama nafuu na ina kiwango cha chini cha kuchemsha. Nitrojeni ni unreactive sana kwa sababu ya dhamana kali sana mara tatu kati ya atomi nitrojeni. Athari za kawaida tu kwenye joto la kawaida hutokea kwa lithiamu kuunda Li ₃ N, na complexes fulani za chuma za mpito, na kwa hidrojeni au oksijeni katika bakteria ya kurekebisha nitrojeni. Ukosefu wa jumla wa reactivity ya nitrojeni hufanya uwezo wa ajabu wa bakteria fulani kuunganisha misombo ya nitrojeni kwa kutumia gesi ya nitrojeni ya anga kama chanzo kimoja cha matukio ya kusisimua zaidi ya kemikali kwenye sayari yetu. Utaratibu huu ni aina moja ya fixation ya nitrojeni. Katika kesi hiyo, fixation ya nitrojeni ni mchakato ambapo viumbe hubadilisha nitrojeni ya anga kuwa kemikali muhimu kwa biolojia. Nitrojeni fixation pia hutokea wakati umeme unapita katika hewa, na kusababisha nitrojeni Masi kuguswa na oksijeni kuunda oksidi nitrojeni, ambayo ni kisha kufanyika chini ya udongo.

nitrojeni fixation

Viumbe hai vyote vinahitaji misombo ya nitrojeni kwa ajili ya kuishi. Kwa bahati mbaya, wengi wa viumbe hawa hawawezi kunyonya nitrojeni kutoka chanzo chake tele zaidi-anga. Nitrojeni ya anga ina molekuli ya N ₂, ambazo hazipatikani sana kutokana na dhamana yenye nguvu ya nitrojeni-nitrojeni mara tatu. Hata hivyo, viumbe wachache wanaweza kushinda tatizo hili kwa njia ya mchakato unaojulikana kama nitrojeni kuwabainishia, mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{1}\).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Viumbe hai vyote vinahitaji nitrojeni. Microorganisms chache zinaweza kutengeneza nitrojeni ya anga kwa kutumia fixation ya nitrojeni. (mikopo “mizizi”: mabadiliko ya kazi na Idara ya Kilimo ya Marekani; mikopo “mizizi ya mizizi”: mabadiliko ya kazi na Louisa Howard)

Chati ya mtiririko inavyoonyeshwa. Ng'ombe, nyasi, na mti huonyeshwa katikati ya mchoro. Mishale inayoelekea chini inaongoza kutoka kwao kwa maneno, “Waharibifu (bakteria ya aerobic na anaerobic na fungi).” Mshale unaoelekea chini unasababisha mfano wa kufungua nafasi na atomi moja ya bluu iliyounganishwa na atomi nne nyeupe. Mfano huo umeandikwa, “Ammoniamu (N H subscript 4).” Mshale unaoelekea kulia unaongoza kutoka molekuli hii hadi molekuli nyingine ambayo inaundwa na atomu ya buluu iliyoambatana na atomi mbili nyekundu. Mfano huo umeandikwa, “Nitrites (N O subscript 2 superscript hasi ishara).” Chini ya mshale huu ni picha ya mduara na miundo miwili yenye umbo la fimbo. Ni kinachoitwa, “Nitrifying bakteria.” Juu ya studio ya nitriti ni mshale unaoelekea juu unaoongoza kwenye atomu ya buluu single-bonded hadi atomi tatu nyekundu. Mfano huo umeandikwa, “Nitrati (N O subscript 3 superscript hasi ishara).” Karibu na mshale huu ni picha ya mduara na miundo miwili yenye umbo la fimbo iliyoandikwa, “Bakteria ya Nitrifying.” Lebo ya nitrati ina mshale wa vichwa viwili, unaoelekea juu unaoongoza kwenye picha mbili: moja ya mizizi ya mti ambayo inaitwa, “Assimilation,” na moja inayoongoza kwenye picha ya mduara wenye miundo minne yenye umbo la mviringo iliyoandikwa, “Bakteria ya Denitrifying.” Mshale unaoelekea kushoto unaongoza kutoka kwa bakteria hii hadi kwenye molekuli iliyoundwa na atomi mbili zilizounganishwa mara tatu pamoja na kinachoitwa, “Nitrojeni ya anga (N Subscript 2).” Molekuli hii imeshikamana na mshale unaoelekea chini, unaoongozwa na picha inayoonyesha filaments za njano kwenye background nyeusi na picha ya mduara wenye miundo minne yenye umbo la fimbo iliyoandikwa, “Bakteria ya udongo wa nitrojeni.” Mshale unaongoza kutoka kwenye picha ya mizizi ya mmea hadi kwenye filaments za njano na kisha kwenye picha ya mduara na miundo minne yenye umbo la mviringo iliyoandikwa, “Bakteria ya kurekebisha nitrojeni kwenye vidonda vya mizizi.”

Marekebisho ya nitrojeni ni mchakato ambapo viumbe hubadilisha nitrojeni ya anga kuwa kemikali muhimu kibiolojia. Hadi sasa, aina pekee inayojulikana ya viumbe vya kibaiolojia inayoweza kutengeneza nitrojeni ni microorganisms. Viumbe hivi huajiri enzymes zinazoitwa nitrogenasi, ambazo zina chuma na molybdenum Wengi wa microorganisms hizi huishi katika uhusiano wa symbiotic na mimea, na mfano unaojulikana zaidi kuwa uwepo wa rhizobia katika vidonda vya mizizi ya kunde.

Kiasi kikubwa cha nitrojeni ya anga ni muhimu kwa ajili ya kufanya amonia-nyenzo kuu kuanzia kutumika kwa ajili ya maandalizi ya kiasi kikubwa cha misombo nyingine zenye nitrojeni. Matumizi mengine mengi kwa nitrojeni ya msingi hutegemea kutokuwa na shughuli zake. Inasaidia wakati mchakato wa kemikali unahitaji anga ya inert. Vyakula vya makopo na nyama za chakula cha mchana haziwezi kuoksidisha katika anga safi ya nitrojeni, hivyo huhifadhi ladha na rangi bora, na huharibu kwa kasi kidogo, wakati wa kufungwa kwa nitrojeni badala ya hewa. Teknolojia hii inaruhusu mazao safi kuwa inapatikana kila mwaka, bila kujali msimu wa kukua.

Kuna misombo na nitrojeni katika majimbo yake yote ya oxidation kutoka 3 hadi 5+. Sehemu kubwa ya kemia ya nitrojeni inahusisha athari za kupunguza oksidi. Baadhi ya metali hai (kama vile metali za alkali na metali za dunia za alkali) zinaweza kupunguza nitrojeni kuunda nitridi za chuma. Katika salio la sehemu hii, tutachunguza kemia ya nitrojeni-oksijeni.

Kuna sifa nzuri za oksidi za nitrojeni ambazo nitrojeni huonyesha kila moja ya namba zake nzuri za oxidation kutoka 1+hadi 5+. Wakati nitrati ya amonia inapokanzwa kwa makini, oksidi ya nitrojeni (oksidi ya dinitrojeni) na fomu ya mvuke wa maji. Kupokanzwa nguvu huzalisha gesi ya nitrojeni, gesi ya oksijeni, na mvuke wa maji Hakuna mtu anayepaswa kujaribu majibu haya-inaweza kulipuka sana. Katika 1947, kulikuwa na mlipuko mkubwa wa nitrati ya amonia huko Texas City, Texas, na, mwaka 2013, kulikuwa na mlipuko mwingine mkubwa huko Magharibi, Texas. Katika miaka 100 iliyopita, kulikuwa na karibu 30 majanga kama hayo duniani kote, na kusababisha hasara ya maisha mengi. Katika mmenyuko huu wa kupunguza oxidation, nitrojeni katika ion nitrate huchanganya nitrojeni katika ion ya amonia. Oxydi ya nitrous, iliyoonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{2}\), ni gesi isiyo rangi yenye harufu nzuri, yenye kupendeza na ladha tamu. Inapata maombi kama anesthetic kwa shughuli ndogo, hasa katika meno ya meno, chini ya jina “gesi ya kucheka.”

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Oxydi ya nitrous, N ₂ O, ni anesthetic ambayo ina miundo hii ya Masi (kushoto) na resonance (kulia).

Mazao ya chini ya oksidi ya nitriki, NO, fomu wakati inapokanzwa nitrojeni na oksijeni pamoja. NO pia huunda wakati umeme unapita kupitia hewa wakati wa mvua. Kuungua amonia ni njia ya kibiashara ya kuandaa oksidi ya nitriki. Katika maabara, kupunguza asidi ya nitriki ni njia bora ya kuandaa oksidi ya nitriki. Wakati shaba inakabiliwa na asidi ya nitriki iliyosababishwa, oksidi ya nitriki ni bidhaa kuu ya kupunguza:

\[\ce{3Cu}(s)+\ce{8HNO3}(aq)⟶\ce{2NO}(g)+\ce{3Cu(NO3)2}(aq)+\ce{4H2O}(l) \nonumber \]

Oxydi ya nitriki ya gesi ni imara zaidi ya oksidi za nitrojeni na ni molekuli rahisi inayojulikana ya thermally imara na elektroni isiyoharibika. Ni moja ya uchafuzi wa hewa unaozalishwa na inji za mwako ndani, kutokana na mmenyuko wa nitrojeni ya anga na oksijeni wakati wa mchakato wa mwako.

Kwa joto la kawaida, oksidi ya nitriki ni gesi isiyo rangi yenye molekuli ya diatomic. Kama ilivyo mara nyingi kwa molekuli zilizo na elektroni isiyopungukiwa, molekuli mbili huchanganya ili kuunda dimer kwa kuunganisha elektroni zao zisizoharibika ili kuunda dhamana. Liquid na imara NO zote mbili zina N ₂ O ₂ dimers, kama ile inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Dutu nyingi zilizo na elektroni zisizo na rangi zinaonyesha rangi kwa kunyonya mwanga unaoonekana; hata hivyo, NO haina rangi kwa sababu ngozi ya mwanga haipo katika eneo linaloonekana la wigo.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Hii inaonyesha usawa kati ya NO na N ₂ O ₂. Molekuli, N ₂ O ₂, inachukua mwanga.

Baridi mchanganyiko wa sehemu sawa oksidi ya nitriki na dioksidi ya nitrojeni hadi -21 °C hutoa trioksidi ya dinitrojeni, kiowevu cha buluu kilicho na molekuli ya N ₂ O ₃ (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Trioxide ya dinitrojeni ipo tu katika majimbo ya kioevu na imara. Wakati hasira, inarudi kwenye mchanganyiko wa NO na NO ₂.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Dinitrojeni trioxide, N ₂ O ₃, ipo tu katika majimbo ya kioevu au imara na ina miundo hii ya Masi (kushoto) na resonance (kulia).

Inawezekana kuandaa dioksidi ya nitrojeni katika maabara kwa kupokanzwa nitrati ya chuma nzito, au kwa kupunguza asidi ya nitriki iliyojilimbikizia na chuma cha shaba, kama inavyoonekana kwenye Mchoro\(\PageIndex{5}\). Kwa kibiashara, inawezekana kuandaa dioksidi ya nitrojeni kwa oksidi ya nitriki na hewa.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): mmenyuko wa chuma cha shaba na HNO ₃ iliyojilimbikizia hutoa suluhisho la Cu (NO ₃) ₂ na mafusho ya kahawia ya NO ₂. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mark Ott)

Molekuli ya dioksidi ya nitrojeni (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)) ina elektroni isiyo na uharibifu, ambayo inawajibika kwa rangi yake na paramagnetism. Pia ni wajibu wa dimerization ya NO ₂. Kwa shinikizo la chini au kwa joto la juu, dioksidi ya nitrojeni ina rangi ya kahawia ambayo ni kutokana na kuwepo kwa molekuli ya NO ₂. Kwa joto la chini, rangi karibu kabisa hupotea kama tetraoxide ya dinitrojeni, N ₂ O ₄, fomu. Kwa joto la kawaida, usawa upo:

\[\ce{2NO2}(g)⇌\ce{N2O4}(g) \hspace{20px} K_P=6.86 \nonumber \]

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Miundo ya Masi na resonance ya dioksidi ya nitrojeni (NO ₂, kushoto) na tetraoxide ya dinitrojeni (N ₂ O ₄, kulia) huonyeshwa.

Dinitrogen pentaoxide, N ₂ O ₅ (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)), ni imara nyeupe ambayo hutengenezwa na upungufu wa maji mwilini wa asidi ya nitriki na fosforasi (V) oksidi (tetraphosphorus decosidi):

\[\ce{P4O10}(s)+\ce{4HNO3}(l)⟶\ce{4HPO3}(s)+\ce{2N2O5}(s) \nonumber \]

Ni imara juu ya joto la kawaida, kuharibika kwa N ₂ O ₄ na O ₂.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Picha hii inaonyesha muundo wa Masi na muundo mmoja wa resonance ya molekuli ya pentaoxide ya dinitrogen, N ₂ O _5.

Oksidi za nitrojeni (III), nitrojeni (IV), na nitrojeni (V) huguswa na maji na kuunda oxyacids yenye nitrojeni. Nitrojeni (III) oksidi, N ₂ O ₃, ni anhydride ya asidi nitrous; HNO ₂ huunda wakati N ₂ O ₃ humenyuka na maji. Hakuna oxyacids imara iliyo na nitrojeni yenye hali ya oxidation ya 4+; kwa hiyo, oksidi ya nitrojeni (IV), NO ₂, haipatikani kwa njia moja wakati inakabiliwa na maji. Katika maji baridi, mchanganyiko wa aina ya HNO ₂ na HNO ₃. Katika joto la juu, HNO ₃ na NO itaunda. Nitrojeni (V) oksidi, N ₂ O ₅, ni anhydride ya asidi ya nitriki; HNO ₃ huzalishwa wakati N ₂ O ₅ inakabiliwa na maji:

\[\ce{N2O5}(s)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{2HNO3}(aq) \nonumber \]

Oksidi za nitrojeni zinaonyesha tabia kubwa ya kupunguza oxidation. Oxydi ya nitrous inafanana na oksijeni katika tabia yake wakati inapokanzwa na vitu vinavyowaka. N ₂ O ni wakala wenye nguvu ya oksidi ambayo hutengana wakati wa joto ili kuunda nitrojeni na oksijeni. Kwa sababu theluthi moja ya gesi iliyotolewa ni oksijeni, oksidi ya nitrous inasaidia mwako bora kuliko hewa (oksijeni moja ya tano). Splinter inang'aa hupasuka ndani ya moto wakati unapoingia ndani ya chupa ya gesi hii. Oxydi ya nitriki hufanya wote kama wakala wa oxidizing na kama wakala wa kupunguza. Kwa mfano:

\[\textrm{oxidizing agent: }\ce{P4}(s)+\ce{6NO}(g)⟶\ce{P4O6}(s)+\ce{3N2}(g) \nonumber \]

\[\textrm{reducing agent: }\ce{Cl2}(g)+\ce{2NO}(g)⟶\ce{2ClNO}(g) \nonumber \]

Nitrojeni dioksidi (au tetraoxide ya dinitrojeni) ni wakala mzuri wa oksidi. Kwa mfano:

\[\ce{NO2}(g)+\ce{CO}(g)⟶\ce{NO}(g)+\ce{CO2}(g) \nonumber \]

\[\ce{NO2}(g)+\ce{2HCl}(aq)⟶\ce{NO}(g)+\ce{Cl2}(g)+\ce{H2O}(l) \nonumber \]

Muhtasari

Nitrogen maonyesho oxidation majimbo kuanzia 3 hadi 5+. Kwa sababu ya utulivu wa dhamana ya NN mara tatu, inahitaji nishati kubwa ya kufanya misombo kutoka nitrojeni ya Masi. Metali zinazofanya kazi kama vile metali za alkali na metali za dunia za alkali zinaweza kupunguza nitrojeni kuunda nitridi za chuma. Oksidi za nitrojeni na hidridi za nitrojeni pia ni vitu muhimu.

faharasa

nitrojeni fixation

malezi ya misombo nitrojeni kutoka nitrojeni Masi