Азот: так важен, так необходим

Линейка органо-минеральных и биостимулирующих удобрений ФИТОФЕРТ ЭНЕРДЖИ помогает выращивать профессионалам и любителям качественные плоды,
овощи и декоративные культуры, используя комплексные продукты
по доступным ценам, как в открытом,
так и в защищенном грунте.

Подпишитесь на наши новости и статьи

Азот является незаменимым элементом для питания любого растения. Не зря его называют «кормильцем человечества», поскольку именно азот — ключевой компонент белка, который, в свою очередь, является основной жизни на нашей планете. Поэтому переоценить его значение в системе применения удобрений сложно.

Азот входит в состав всех простых и сложных белков, которые являются главной составной частью протоплазмы растительных клеток. Он также находится в составе нуклеиновых кислот (рибонуклеиновая — РНК и дезоксирибонуклеиновая — ДНК), играющих исключительно важную роль в обмене веществ в организме.

Азот содержится в хлорофилле, фосфатидах, алкалоидах и входит в состав многих других органических веществ растительных клеток. При недостаточном снабжении растений азотом они плохо растут и развиваются, листья приобретают светло-зеленую окраску. Синтез структурных — сложных и ферментных — белков затормаживается или вовсе приостанавливается, как это имеет место, когда в почве находится слишком мало азота в подвижном состоянии.

Поэтому вопрос внесения различных форм биологически активного азота, его применение и циркуляция в различных системах сельского хозяйства является предметом тщательного изучения специалистами, учеными-почвоведами, специалистами по физиологии растений, микробиологов и экологов.

Поведение азота в почве достаточно сложно, и для достижения высокой эффективности внесенных удобрений необходимо понимание процессов его трансформаций. Содержание азота также определяется естественными биологическими процессами в почве, такими как фиксация азота, аммонификация, нитрификация и денитрификация. Магнитуда и размах данных процессов зависит от физиологической активности микроорганизмов, живущих в данной почве. Следует принимать во внимание и тот факт, что на форму почвенного азота независимо от того, удерживается ли он почвой или нет, и остается ли в почве в доступной для растений форме, влияют множество других факторов. К ним относятся различные факторы окружающей среды, такие как влажность почвы, температура, рН почвенного раствора, содержание углеводов, углекислого газа, концентрация кислорода в почвенной атмосфере и др.

Фиксация азота представляет собой процесс трансформации атмосферного азота (N₂) в органическую форму аммония (-NH₂). Фиксация происходит благодаря свободно живущим в почвенной среде некоторым видам бактерий, таким как Clostridium и Azotobacter, сине-зеленым водорослям и симбиозу определенных бактерий и растений-хозяев. Симбиотические бактерии, такие как различные виды Rhizobia, получают углеводы от растения-хозяина. В этом симбиозе оба организма извлекают выгоду от взаимосвязи, в результате микроорганизмы поставляют растению-хозяину очень необходимый восстановленный азот — аммоний, в то время как растение поставляет микроорганизмам Rhizobia углеводы. Данные симбиотические отношения дают растению-хозяину и другие преимущества, которые заключаются в том, что микроорганизмы помогают поглощать связанный азот и нитраты корнями, так как денитроген восстанавливается до аммония (NH₃), который уже может быть потреблен растением. Кроме того, данный аммоний представляет собой восстановленную форму, тогда как нитрат, поглощенный растением, представляет собой окисленную форму и требует у растения дополнительной энергии для своей трансформации в аммоний.

Разложение азота до аммонийной формы также может происходить в результате процесса, известного как аммонификация. Этот процесс, при котором органические остатки расщепляются на более простые соединения с большей частью азота, выделяемого в виде аммония, и осуществляется он при помощи аммонифицирующих бактерий. Аммоний, который растворяется в почвенном растворе в виде иона аммония (NH₄ + ), может испаряться в атмосферу; может связываться с катионом в почве; может абсорбироваться и ассимилироваться в органические части растения или может окисляться до нитратов другими почвенными микробами.

В почве процесс окисления аммония до нитрита и нитрата называется нитрификацией и осуществляется несколькими нитрифицирующими бактериями и некоторыми грибами. Общий процесс окисления происходит, по меньшей мере, в два этапа, каждый из которых связан со специфическими микроорганизмами. На первой стадии такие микробы, как Nitrosomonas, последовательно добавляют электроны к азоту, сначала образуя гидроксиламин (NH₄OH), а затем нитрит (N0₂ — ). Этот нитрит действует как субстрат для другой группы бактерий, типичных Nitrobacter, которые получают атом кислорода из воды и окисляют нитрит до нитрата (N0₃ — ). Образующийся таким образом нитрат является наиболее легкой формой, которая усваивается большинством растений.

Нитраты, не использованные растениями, могут испаряться из почвы путем перехода в газообразное состояние или оксида азота (N₂0) в результате процесса денитрификации. Некоторые денитрифицирующие бактерии могут производить эти газы, которые затем возвращаются в атмосферу. При данном типе трансформации организмы используют азот, а не кислород в качестве акцептора электронов, и, таким образом, этот процесс лучше всего протекает в анаэробных условиях. Денитрификация также может быть достигнута путем поглощения и разложения в растениях.

Независимо от процесса, при помощи которого образуется нитратный азот, в большинстве случаев он легко поглощается корнями растений. Но на данный процесс поглощения в значительной степени влияют физиологическое состояние и возраст конкретных видов растений.

Предпочтения растений к форме азота

Исследования в области питания, о нитратах и об аммонии, показывают, что в зависимости от вида растений, почвенных условий и др. предпочтительной для поглощения может быть любая форма. Несмотря на то, что имеется обширное количество литературы, в которой показано предпочтение аммонийной формы перед нитратной, на сегодняшний день наиболее преобладающей формой азота, используемой растениями, является нитрат.

Аммоний является преобладающим источником азота для растений в анаэробных условиях, например, при выращивании риса. Преимущественное поглощение растениями нитратного азота связано с тем, что в почве нитраты находятся в почвенном растворе, легко передвигаются с током воды и могут быть легко абсорбированы корнями. Для поглощения же аммония необходим контакт корневого волоска с почвенным поглощающим комплексом, удерживающим NH4+ в обменном состоянии.

Различен и механизм поглощения разных форм азота: аммоний поглощается растениями путем активного транспорта с помощью транспортных белков-переносчиков, поглощение нитратов происходит с помощью электрического потенциала, создаваемого протонами.

Поглощенные нитраты внутри растения восстанавливаются до аммония, поскольку в азотный метаболизм может вовлекаться азот только в виде NH4+. На это дополнительно затрачивается энергия, запасенная в результате процесса фотосинтеза. Таким образом, для растения энергетически «выгоднее» поглощение аммонийного азота. Восстановление нитратов начинается уже в корнях растений (количество зависит от вида растения), но основная их часть восстанавливается в стебле.

Аммоний, как поглощенный растением из почвенного раствора, так и восстановленный уже внутри самого растения из нитратов, далее связывается с органическими кислотами с образованием аминокислот, часть из которых используется растением для построения белков, а также для синтеза других азотсодержащих соединений, в том числе и хлорофилла.

Разные растения для оптимального роста и развития требуют индивидуального соотношения между аммонийным и нитратным азотом. В общих чертах, растения, предпочитающие кислые почвы, лучше усваивают аммонийный азот, тогда как предпочитающие почвы с высокими значениями рН – нитратный.

Например, для большинства овощных культур количество аммонийного азота не должно превышать 15% общей потребности в азоте (что должно быть учтено особенно при выращивании культур на гидропонике). Для большинства однодольных культур преимущество также имеет нитратный азот.

Баланс между формами азота очень важно соблюдать при выращивании рассады. Так, замечено, что аммонийный азот способствует развитию надземной биомассы, в особенности листьев, тогда как нитратное питание обеспечивает лучший баланс между надземной и подземной частями растения (что важно для последующего приживаемости рассады в поле).

Процесс поглощения аммония требует гораздо больше кислорода, чем поглощение нитрата.

При более высоких температурах дыхание растения увеличивается, быстрее потребляется сахар, делая его менее доступными для метаболизма аммония в корнях. В то же время при высоких температурах растворимость кислорода в воде снижается, что делает его менее доступным.

Поэтому практический вывод состоит в том, что при более высоких температурах рекомендуется применять более низкое соотношение аммоний/нитрат.

При более низких температурах лучше использовать аммонийное питание, потому что кислород и сахара более доступны для корней растений. Кроме того, поскольку перенос нитратов в листья ограничен при низких температурах, то трансформация нитрата будет задерживать рост растения.

Влияние формы азота на рН почвы

Когда растение поглощает аммоний (NH4 +), он выпускает протон (H +) в почвенный раствор. Увеличение концентрации протонов вокруг корней уменьшает значение рН в корневой зоне.

Соответственно, когда растение поглощает нитрат (NO3-), он высвобождает бикарбонат (HCO3-), что увеличивает рН вокруг корней. Из этого мы можем заключить, что поглощение нитрата увеличивает рН вокруг корней, а поглощение аммония уменьшает его.

Это явление особенно важно в почвенных средах, где корни могут легко влиять на рН, поскольку их объем относительно велик по сравнению с объемом среды. Чтобы предотвратить быстрое изменение рН среды, мы должны поддерживать соответствующее соотношение аммоний/нитрат в зависимости от сорта, температуры и стадии роста растения.

Следует отметить, что при определенных условиях рН может реагировать не так, как ожидалось, из-за процесса нитрификации (превращение аммиака в нитрат бактериями в почве). Нитрификация является очень быстрым процессом, и добавленный аммоний может быстро трансформирван и поглощен как нитрат, тем самым увеличивая рН в корневой зоне, а не уменьшая его.

Аммоний — катион (ион положительного заряда), поэтому он конкурирует с другими катионами (калий, кальций, магний) для поглощения корнями. Несбалансированное внесение удобрений со слишком высоким содержанием аммония может привести к дефициту кальция и магния. Однако эта конкуренция не влияет на потребление калия.

Как мы упоминали выше, соотношение аммония/нитрата может изменять рН в корневой зоне, и эти изменения, в свою очередь, могут влиять на растворимость и доступность других питательных веществ.

Выводы

Выбор источника минерального азота не должен делаться категорически в пользу одного из них.
Наилучшие условия для азотного питания растений складываются в присутствии обоих ионов: NO3- и NH4+ (последнего – в количестве 5-25%).
Тем не менее, в течение более холодных сезонов, доля аммонийного азота может быть повышена от 25% до 30%, т.к. поглощение нитрата в это время является относительно неэффективным.
Длительное использование аммонийного азота должно сопровождаться измерениями рН почвы, так как он может привести к снижению рН, особенно на легких песчаных почвах с низким содержанием кальция, который может, в свою очередь, изменить скорость поглощения других питательных веществ.

Форма азота в удобрениях

Совместное применение азотных удобрений различных форм позволяет очень точно рассчитать программу внесения азота для растений.

В удобрениях азот представлен в основном в трех формах: в виде солей аммония, в виде нитратного азота и в виде мочевины. Каждая из форм имеет свои преимущества и свои недостатки, которые должны быть учтены при планировании системы применения удобрений.

Основными преимуществами нитрат-содержащих удобрений по сравнению с аммоний-содержащими можно назвать следующие:

Высокая подвижность нитратного азота в почве создает условия для его эффективного поглощения растениями.
Нет необходимости немедленной заделки нитрат-содержащих удобрений в почву, поскольку нитраты не летучи и легко мигрируют по профилю почвы с током воды.
Нитраты проявляют синергетические свойства по отношению к таким катионам, как K+, Ca2+ и Mg2+ (угнетая при этом поглощение фосфатов), тогда как аммоний конкурирует с ними при поглощении растениями. К слову, это касается не только нитратов, но и других анионов.

В этой статье мы рассмотрим характеристики азота в химии, узнаем, какие степени окисления может иметь азот и поговорим о важнейших соединениях, в состав которых входит этот химический элемент.

29 декабря 2021

· Обновлено 6 декабря 2024

Азот — это двухатомный газ с химической формулой N₂, без цвета, вкуса и запаха. Основной компонент воздуха (78% объёма). Химически инертен, но реагирует с комплексными соединениями переходных металлов.

Пример: аммиак (NH₃) образуется при реакции азота с водородом.

Азот (N₂) — первый представитель V группы главной подгруппы и 2 периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Если рассматривать местоположение азота в длиннопериодной таблице Менделеева, то там он занимает лидирующее место в 15 группе. Для представителей этой группы было предложено название пниктогены (от греческого корня πνῑ́γω — удушливый, плохо пахнущий). Явно это относится к водородным соединениям представителей данной группы.

Электронное строение азота

Рассмотрим строение атома и электронную конфигурацию азота, а затем сделаем некоторые заключения.

Атомный или порядковый номер азота равен 7, что соответствует количеству электронов и протонов в ядре. Молярная масса равна 14,00728 г/моль, а количество нейтронов в атоме этого изотопа равно семи.

Теперь перейдем к электронному строению. В основном состоянии электронная формула азота: 1s 2 2s 2 2p 3 , в сокращенном виде — [He]2s 2 2p 3 . На внешнем энергетическом уровне 5 валентных электронов, среди которых 3 неспаренных p-электрона.

Исходя из такой конфигурации, азот может образовывать только 3 связи по обменному механизму и еще одну по донорно-акцепторному механизму. Это связано с тем, что на втором подуровне у азота больше нет вакантных орбиталей, куда могли бы распариться электроны с 2s-подуровня. Отсюда вытекает максимальная валентность азота IV.

Валентности азота V нет!

Валентность азота — это способность атома азота образовывать химические связи с другими атомами, определяемая числом неспаренных электронов в валентной оболочке. В большинстве соединений валентность азота равна трем.

Примеры:
NH3 (аммиак)
NCl3 (трихлорид азота)

Для азота характерен весь спектр возможных степеней окисления от −3 до +5.

Давайте рассмотрим шкалу, где отражены соединения азота в различных веществах.

Строение молекулы азота

Азот — двухатомная молекула, атомы которой связаны между собой прочной тройной связью. Длина связи — 0,110 нм.

Почему именно тройная связь и из чего она состоит?

Напомним, что у каждого атома в молекуле азота 3 неспаренных электрона, которые и образуют впоследствии тройную связь, которая, в свою очередь, состоит из одной сигма-связи и двух пи-связей.

Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!

Получи больше пользы от Skysmart:

Подтяни оценки на курсах по химии.
Выбирай из 550+ репетиторов по химии.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.

Физические свойства азота

Азот как простое вещество — бесцветный газ, который не имеет запаха и плохо растворяется в воде. По своей молярной массе азот легче, чем воздух. Благодаря наличию тройной неполярной связи и относительно маленьким радиусам атомов азот имеет низкие температуры кипения и плавления: t_пл = −210 °С и t_кип = −196 °С. Аллотропных модификаций азот не имеет. Несмотря на то, что основное состояние азота — газообразное, он бывает еще и жидким. Например, 1 литр жидкого азота при нагревании до 20 °С превращается в 700 литров газообразного азота. Более подробную информацию можно узнать в нашем видео:

Химические свойства азота

Азот химически малоактивен из-за наличия все той же тройной связи. Она же обуславливает малую термическую устойчивость соединений азота при нагревании. В химических реакциях азот может проявлять себя и как окислитель, и как восстановитель благодаря широкому спектру возможных степеней окисления.

Как восстановитель азот реагирует:

Эти реакции проходят при температуре выше 1000 градусов Цельсия либо в электрическом заряде.

Как окислитель азот реагирует:

с металлами
N₂ + 6Li = 2Li₃N азот реагирует при обычных условиях только с литием, а с щелочноземельными металлами — только при нагревании;
с водородом
N₂ +3H₂ = 2NH₃ реакция протекает обратимо в присутствии металлического железа в качестве катализатора.

Рассмотрим способы получения азота. В промышленности его получают фракционной перегонкой жидкого воздуха, а вот в лаборатории азот получают иначе. Вот лишь некоторые способы:

реакция взаимодействия хлорида аммония и нитрита натрия
NaNO₂ + NH₄Cl = N₂ + NaCl + 2H₂O
разложение некоторых солей аммония (на примере нитрита аммония)
NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O

Азот — основной компонент любого белка в организме человека. Давайте рассмотрим способы получения исходных компонентов для синтеза собственных белков.

Важнейшие соединения азота

Аммиак

В первую очередь поговорим о водородном соединении азота — аммиаке. Аммиак — бесцветный газ с характерным резким запахом. Давайте рассмотрим строение молекулы аммиака:

Аммиак имеет форму тригональной пирамиды. Этот газ очень ядовит и способен вызывать химический ожог глаз, а пары сильно раздражают слизистые оболочки органов дыхания. В то же время аммиак обладает достаточно высокой растворимостью в воде из-за образования водородных связей с молекулами воды. Вас когда-нибудь приводили в чувства после потери сознания ваткой, смоченной чем-то гадко пахнущим? Поздравляю, это было ваше первое знакомство с раствором аммиака в воде.

Поговорим теперь о химических свойствах этого газа.

В отличие от самого азота, аммиак является крайне реакционноспособным соединением. Так как азот находится в аммиаке в своей низшей степени окисления (−3), то аммиак проявляет только восстановительные свойства.

Например, аммиак реагирует с кислородом (при нагревании):

Как видно из уравнений, аммиак вступает в реакции окисления, а продукты его окисления напрямую зависят от силы окислителя и условий проведения реакций.

Со сложными веществами — окислителями аммиак реагирует следующим образом:

С кислотами аммиак реагирует благодаря своим оснóвным свойствам, что приводит к образованию различных солей:

А теперь рассмотрим получение аммиака. Различают два типа способов: промышленный и лабораторный.

Промышленный способ — синтез из простых веществ:
Лабораторный способ: В данном способе аммиак собирают в перевернутую вверх дном колбу, так как аммиак легче воздуха.

Азотная кислота

Азотная кислота — одна из важнейших неорганических кислот. Это летучая бесцветная жидкость с резким запахом, которая способна смешиваться с водой в любых пропорциях.

Получают ее в промышленности в несколько этапов. Рассмотрим подробнее каждый из них:

Окисление аммиака кислородом воздуха на платиновом катализаторе
4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O
Окисление оксида азота (II)
2NO + O₂ = 2NO₂
Поглощение образующегося оксида азота (IV) водой в избытке воздуха
4NO₂ + O₂ + 2H₂O = 4HNO₃

Для азотной кислоты характерны особые химические свойства исходя из ее концентрации.

Например, с металлами данная кислота никогда не будет реагировать с выделением газообразного водорода. Рассмотрим таблицу с примерами металлов с различными концентрациями азотной кислоты:

Также азотная кислота как сильный окислитель способна окислять некоторые неметаллы до их кислот. Давайте рассмотрим примеры:

Азотная кислота в соотношении 1:3 с соляной кислотой образуют смесь под названием царская водка. Это желтовато-оранжевая дымящаяся жидкость, которая получила свое название от алхимиков благодаря способности растворять «царские» металлы — золото и платину.

Оксиды азота

В отличие от других химических элементов, азот образует большое число оксидов: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ и N₂O₅, каждый из которых является кислотным. В таблице показали, какой оксид какой кислоте соответствует:

Оксид азота (I) N₂O. Несолеобразующий оксид, представляет собой бесцветный газ с приятным запахом и сладковатым привкусом. По своей молярной массе тяжелее воздуха и растворим в воде. У этого оксида есть и другие названия, самое распространенное из них — закись азота. Оксид азота (I) применяли в медицине в качестве наркоза более 200 лет назад. При вдыхании этого газа человека охватывает радость и безудержный смех, отчего оксид получил еще одно название — веселящий газ.

Оксид азота (II) NO. Несолеобразующий оксид, который при нормальный условиях является бесцветным газом, плохо растворяется в воде и в больших концентрациях ядовит для человека.

Оксид азота (III) N₂O₃. Соединение очень неустойчивое и существует только при низких температурах. В твердом и жидком состоянии оксид азота (III) окрашен в ярко-синий цвет. При температуре выше 0 градусов разлагается до оксида азота (II) и оксида азота (IV).

Оксиды азота (IV) NO₂ и N₂O₄. Твердый оксид азота (IV) бесцветный, так как состоит из молекул N2O4. При нагревании появляется коричневая окраска, которая усиливается с повышением температуры по мере увеличения NO₂ в смеси. Эти оксиды хорошо растворимы в воде и взаимодействуют с ней.

Оксид азота (V) N₂O₅. Азотный ангидрид, который образуется в виде летучих бесцветных гигроскопичных кристаллов. Это крайне неустойчивое вещество, которое распадается в течение нескольких часов. При нагревании распадается со взрывом на оксид азота (IV) и газообразный кислород.

Вопросы для самопроверки

Какую связь образуют между собой атомы азота?
1. Одинарную.
2. Двойную.
3. Тройную.
1. −3 и +5,
2. −5 и +3,
3. 0 и +4,
4. −3 и +3.
1. V,
2. III,
3. IV,
4. II.
1. Только окислитель.
2. Только восстановитель.
3. И окислитель, и восстановитель.
4. Не участвует в реакциях с изменением степеней окисления.
1. NO,
2. N₂O₃,
3. N₂O,
4. N₂O₄.