Dusík: tak důležitý, tak nezbytný

Řada organo-minerálních a biostimulačních hnojiv FITOFERT ENERGY pomáhá profesionálům i amatérům pěstovat vysoce kvalitní ovoce,
zeleniny a okrasných plodin využívajících komplexní produkty
za přijatelné ceny, jako v otevřeném prostoru,
a v chráněném terénu.

Přihlaste se k odběru našich novinek a článků

Dusík je nezbytný prvek pro výživu každé rostliny. Ne nadarmo se mu říká „živitel lidstva“, protože dusík je klíčovou složkou bílkovin, které jsou zase hlavním zdrojem života na naší planetě. Proto je obtížné přeceňovat jeho význam v systému aplikace hnojiv.

Dusík je součástí všech jednoduchých i složitých bílkovin, které jsou hlavní složkou protoplazmy rostlinných buněk. Nachází se také v nukleových kyselinách (ribonukleová kyselina – RNA a deoxyribonukleová kyselina – DNA), které hrají mimořádně důležitou roli v metabolismu v těle.

Dusík se nachází v chlorofylu, fosfatidech, alkaloidech a je součástí mnoha dalších organických látek rostlinných buněk. Pokud jsou rostliny nedostatečně zásobovány dusíkem, špatně rostou a vyvíjejí se a listy mají světle zelenou barvu. Syntéza strukturních – komplexních a enzymatických – proteinů je inhibována nebo zcela zastavena, jako je tomu v případě, kdy je v půdě příliš málo mobilního dusíku.

Proto je problematika zavádění různých forem biologicky aktivního dusíku, jeho využití a cirkulace v různých zemědělských systémech předmětem pečlivého studia specialistů, půdologů, rostlinných fyziologů, mikrobiologů a ekologů.

Chování dusíku v půdě je poměrně složité a pro dosažení vysoké účinnosti aplikovaných hnojiv je nutné porozumět procesům jeho přeměny. Obsah dusíku je také dán přirozenými biologickými procesy v půdě, jako je fixace dusíku, amonifikace, nitrifikace a denitrifikace. Velikost a rozsah těchto procesů závisí na fyziologické aktivitě mikroorganismů žijících v dané půdě. Je třeba také vzít v úvahu, že formu půdního dusíku, ať už je půdou zadržen nebo ne, a zda zůstává v půdě ve formě dostupné pro rostliny, je ovlivněna mnoha dalšími faktory. Patří mezi ně různé faktory prostředí, jako je vlhkost půdy, teplota, pH půdního roztoku, obsah sacharidů, oxid uhličitý, koncentrace kyslíku v půdní atmosféře atd.

Fixace dusíku je proces přeměny atmosférického dusíku (N₂) na organickou amonnou formu (-NH₂). K fixaci dochází vlivem určitých druhů bakterií volně žijících v půdním prostředí, jako např Clostridium и Azotobacter, modrozelené řasy a symbióza určitých bakterií a hostitelských rostlin. Symbiotické bakterie, jako jsou různé druhy Rhizobia, přijímat sacharidy z hostitelské rostliny. V této symbióze těží ze vztahu oba organismy, mikroorganismy dodávají hostitelské rostlině tolik potřebný redukovaný dusík – amonium, zatímco rostlina dodává mikroorganismům; Rhizobia sacharidy. Tento symbiotický vztah poskytuje hostitelské rostlině další výhody v tom, že mikroorganismy pomáhají přijímat fixovaný dusík a dusičnany do kořenů, protože dusík je redukován na amonium (NH₃), které již může rostlina spotřebovat. Kromě toho je toto amonium redukovanou formou, zatímco dusičnan absorbovaný rostlinou je oxidovaná forma a vyžaduje další energii z rostliny, aby se přeměnila na amonium.

K rozkladu dusíku na amonnou formu může také dojít prostřednictvím procesu známého jako amonifikace. Jedná se o proces, při kterém se organické zbytky rozkládají na jednodušší sloučeniny, přičemž většina dusíku se uvolňuje jako amonium, a provádí se pomocí amonifikačních bakterií. Amonium, které se rozpouští v půdním roztoku jako amonný iont (NH₄ + ), se mohou vypařovat do atmosféry; může se vázat na kation v půdě; mohou být absorbovány a asimilovány do organických částí rostliny nebo mohou být oxidovány na dusičnany jinými půdními mikroby.

V půdě se nazývá proces oxidace amonia na dusitany a dusičnany nitrifikace a je prováděna několika nitrifikačními bakteriemi a některými houbami. Celkový oxidační proces probíhá minimálně ve dvou stupních, z nichž každý je spojen se specifickými mikroorganismy. V první fázi se mikroby jako např Nitrosomonas, postupně přidávat elektrony k dusíku, nejprve vytvořit hydroxylamin (NH₄OH) a poté dusitan (N0₂ — ). Tento dusitan působí jako substrát pro další skupinu bakterií, typické nitrobacta, které přijímají atom kyslíku z vody a oxidují dusitany na dusičnany (N0₃ — ). Takto vzniklý dusičnan je nejlehčí formou, kterou absorbuje většina rostlin.

Dusičnany, které rostliny nepoužívají, se mohou z půdy vypařovat tím, že se stanou plynem nebo oxidem dusíku (N₂0) jako výsledek procesu denitrifikace. Některé denitrifikační bakterie mohou produkovat tyto plyny, které se pak uvolňují zpět do atmosféry. Při tomto typu transformace používají organismy jako akceptor elektronů spíše dusík než kyslík, a proto proces probíhá nejlépe za anaerobních podmínek. Denitrifikaci lze také dosáhnout absorpcí a rozkladem v rostlinách.

Bez ohledu na proces, při kterém vzniká dusičnanový dusík, je ve většině případů snadno přijímán kořeny rostlin. Tento proces absorpce je však do značné míry ovlivněn fyziologickým stavem a stářím konkrétních rostlinných druhů.

Preference rostlin pro formu dusíku

Nutriční výzkum dusičnanů a amonia ukazuje, že v závislosti na rostlinném druhu, půdních podmínkách atd. může být pro absorpci výhodnější kterákoli forma. Ačkoli existuje rozsáhlá literatura ukazující preferenci amonné formy před dusičnanovou formou, zdaleka převládající formou dusíku využívanou rostlinami je dusičnan.

Amonium je převládajícím zdrojem dusíku pro rostliny v anaerobních podmínkách, například při pěstování rýže. Převládající absorpce dusičnanového dusíku rostlinami je způsobena tím, že v půdě jsou dusičnany v půdním roztoku, snadno se pohybují proudem vody a mohou být snadno absorbovány kořeny. Pro absorpci amonia je nutný kontakt kořenového vlásku s půdním absorpčním komplexem, který zadržuje NH4+ ve výměnném stavu.

Rozdílný je i mechanismus absorpce různých forem dusíku: amonium je absorbováno rostlinami aktivním transportem pomocí transportních nosných proteinů, dusičnany jsou absorbovány pomocí elektrického potenciálu vytvářeného protony.

Dusičnany absorbované uvnitř rostliny jsou redukovány na amonium, protože metabolismus dusíku může zahrnovat pouze dusík ve formě NH4+. Tím se navíc spotřebovává energie uložená v důsledku procesu fotosyntézy. Absorpce amonného dusíku je tedy pro rostlinu energeticky „výnosnější“. Redukce dusičnanů začíná již v kořenech rostlin (množství závisí na druhu rostliny), ale hlavní část se obnovuje ve stonku.

Amonium, jak absorbované rostlinou z půdního roztoku, tak redukované v rostlině samotné z dusičnanů, je poté kombinováno s organickými kyselinami za vzniku aminokyselin, z nichž některé jsou rostlinou využívány k tvorbě proteinů a také k syntéze další sloučeniny obsahující dusík, včetně chlorofylu.

Různé rostliny vyžadují pro optimální růst a vývoj individuální poměr mezi amonným a dusičnanovým dusíkem. Obecně platí, že rostliny, které preferují kyselé půdy, lépe asimilují amonný dusík, zatímco rostliny, které preferují půdy s vysokými hodnotami pH, jsou lepší v asimilaci dusičnanového dusíku.

Například u většiny zeleninových plodin by množství amonného dusíku nemělo překročit 15 % celkové potřeby dusíku (což je třeba vzít v úvahu zejména při hydroponickém pěstování plodin). U většiny jednoděložných plodin má výhodu také dusičnanový dusík.

Při pěstování sazenic je velmi důležité udržovat rovnováhu mezi formami dusíku. Bylo tedy zjištěno, že amonný dusík podporuje rozvoj nadzemní biomasy, zejména listů, zatímco výživa dusičnany zajišťuje lepší rovnováhu mezi nadzemní a podzemní částí rostliny (což je důležité pro následné přežití sazenic v rostlině). pole).

Absorpční proces amonia vyžaduje mnohem více kyslíku než absorpce dusičnanů.

Při vyšších teplotách se zvyšuje dýchání rostlin a cukr se rychleji spotřebovává, takže je méně dostupný pro metabolismus amonia v kořenech. Zároveň při vysokých teplotách klesá rozpustnost kyslíku ve vodě, a tím je méně dostupný.

Praktickým závěrem proto je, že při vyšších teplotách se doporučuje nižší poměr amonium/dusičnan.

Při nižších teplotách je lepší používat amonnou výživu, protože kyslík a cukry jsou pro kořeny rostlin dostupnější. Navíc, protože transport dusičnanů do listů je při nízkých teplotách omezený, transformace dusičnanů zpomalí růst rostlin.

Vliv formy dusíku na pH půdy

Když rostlina absorbuje amonium (NH4+), uvolňuje proton (H+) do půdního roztoku. Zvýšení koncentrace protonů kolem kořenů snižuje hodnotu pH v kořenové zóně.

V souladu s tím, když rostlina absorbuje dusičnany (NO3-), uvolňuje hydrogenuhličitan (HCO3-), který zvyšuje pH kolem kořenů. Z toho můžeme usoudit, že příjem dusičnanů zvyšuje pH kolem kořenů a příjem amonia ho snižuje.

Tento jev je zvláště důležitý v půdním prostředí, kde kořeny mohou snadno ovlivnit pH, protože jejich objem je relativně velký v porovnání s objemem média. Aby se pH prostředí rychle neměnilo, musíme udržovat vhodný poměr amonium/dusičnan v závislosti na odrůdě, teplotě a růstové fázi rostliny.

Je třeba poznamenat, že za určitých podmínek nemusí pH reagovat podle očekávání v důsledku procesu nitrifikace (přeměna amoniaku na dusičnany působením bakterií v půdě). Nitrifikace je velmi rychlý proces a přidané amonium se může rychle přeměnit a absorbovat jako dusičnany, čímž se pH v kořenové zóně spíše zvýší než sníží.

Amonium je kationt (kladně nabitý iont), takže soutěží s jinými kationty (draslík, vápník, hořčík) o absorpci kořeny. Nevyvážená aplikace hnojiv s příliš velkým množstvím amonia může vést k nedostatku vápníku a hořčíku. Tato konkurence však neovlivňuje příjem draslíku.

Jak jsme uvedli výše, poměr amonium/dusičnan může změnit pH v kořenové zóně a tyto změny zase mohou ovlivnit rozpustnost a dostupnost dalších živin.

Závěry

1. Volba zdroje minerálního dusíku by neměla být prováděna kategoricky ve prospěch jednoho z nich.
2. Nejlepší podmínky pro výživu rostlin dusíkem jsou v přítomnosti obou iontů: NO3- a NH4+ (poslední v množství 5-25%).
3. Během chladnějších období však může být podíl amoniakálního dusíku zvýšen z 25 % na 30 %, protože Absorpce dusičnanů je v tuto chvíli poměrně neúčinná.
4. Dlouhodobé používání amonného dusíku by mělo být doprovázeno měřením pH půdy, protože může mít za následek snížení pH, zejména v lehkých písčitých půdách s nízkým obsahem vápníku, což může následně změnit rychlost příjmu dalších živin.

Forma dusíku v hnojivech

Kombinované použití dusíkatých hnojiv různých forem umožňuje velmi přesně vypočítat program aplikace dusíku pro rostliny.

V hnojivech je dusík přítomen především ve třech formách: ve formě amonných solí, ve formě dusičnanového dusíku a ve formě močoviny. Každá forma má své výhody a nevýhody, které je třeba vzít v úvahu při plánování systému aplikace hnojiv.

Hlavní výhody hnojiv obsahujících dusičnany ve srovnání s hnojivy obsahujícími amonium jsou následující:

1. Vysoká mobilita dusičnanového dusíku v půdě vytváří podmínky pro jeho efektivní absorpci rostlinami.
2. Není nutné okamžitě zapracovávat hnojiva obsahující dusičnany do půdy, protože dusičnany nejsou těkavé a snadno migrují podél půdního profilu s proudem vody.
3. Dusičnany vykazují synergické vlastnosti ve vztahu ke kationtům, jako je K+, Ca2+ a Mg2+ (zatímco inhibují absorpci fosfátů), zatímco amonium s nimi soutěží o absorpci rostlinami. To se mimochodem netýká jen dusičnanů, ale i jiných aniontů.

V tomto článku se podíváme na charakteristiku dusíku v chemii, zjistíme, jaké oxidační stavy může dusík mít a povíme si o nejdůležitějších sloučeninách, které tento chemický prvek obsahují.

29 2021 декабря

· Aktualizováno 6. prosince 2024

Dusík je dvouatomový plyn s chemickým vzorcem N₂, bezbarvý, bez chuti a zápachu. Hlavní složkou je vzduch (78 % objemu). Chemicky inertní, ale reaguje s komplexními sloučeninami přechodných kovů.

• Příklad: Amoniak (NH3) vzniká při reakci dusíku s vodíkem.

Dusík (N.₂) – první zástupce skupiny V hlavní podskupiny a periody 2 periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejeva. Pokud vezmeme v úvahu umístění dusíku v dlouhodobé periodické tabulce, pak zaujímá přední místo ve skupině 15. Pro zástupce této skupiny bylo navrženo jméno pniktogeny (z řeckého kořene πνῑ́γω – dusivé, páchnoucí). To jednoznačně platí pro vodíkové sloučeniny zástupců této skupiny.

Elektronová struktura dusíku

Podívejme se na atomovou strukturu a elektronovou konfiguraci dusíku a pak vyvodíme nějaké závěry.

Atomové nebo atomové číslo dusíku je 7, což odpovídá počtu elektronů a protonů v jádře. Molární hmotnost je 14,00728 g/mol a počet neutronů v atomu tohoto izotopu je sedm.

Nyní přejdeme k elektronické struktuře. V základním stavu je elektronový vzorec dusíku: 1s 2 2s 2 2p 3, ve zkrácené formě – [He]2s 2 2p 3. Vnější energetická hladina má 5 valenčních elektronů, včetně 3 nepárových p-elektronů.

Na základě této konfigurace může dusík vytvořit pouze 3 vazby prostřednictvím výměnného mechanismu a ještě jednu prostřednictvím mechanismu donor-akceptor. To je způsobeno skutečností, že na druhé podúrovni už dusík nemá volné orbitaly, do kterých by se mohly vypařovat elektrony z podúrovně 2s. To znamená maximální valenci dusíku IV.

Neexistuje žádná valence dusíku V!

Dusíková valence je schopnost atomu dusíku tvořit chemické vazby s jinými atomy, určená počtem nepárových elektronů ve valenčním obalu. Ve většině sloučenin je valence dusíku tři.

• Příklady:
• NH3 (amoniak)
• NCl3 (chlorid dusitý)

Dusík se vyznačuje celým spektrem možných oxidačních stavů od -3 do +5.

Podívejme se na stupnici, která ukazuje sloučeniny dusíku v různých látkách.

Struktura molekuly dusíku

Dusík je dvouatomová molekula, jejíž atomy jsou spojeny silnou trojnou vazbou. Délka vazby je 0,110 nm.

Proč trojitá vazba a z čeho se skládá?

Připomeňme, že každý atom v molekule dusíku má 3 nepárové elektrony, které následně tvoří trojnou vazbu, která se zase skládá z jedné vazby sigma a dvou vazeb pí.

Jaké povolání vám vyhovuje? Zjistěte to za 10 minut!

Získejte další výhody od Skysmart:

• Zlepšete své známky v kurzech chemie.
• Vyberte si z 550+ lektorů chemie.
• Přihlaste se do bezplatných kurzů pro děti.

Fyzikální vlastnosti dusíku

Dusík jako jednoduchá látka je bezbarvý plyn, který je bez zápachu a špatně rozpustný ve vodě. Dusík je v molární hmotnosti lehčí než vzduch. Díky přítomnosti trojité nepolární vazby a relativně malým atomovým poloměrům má dusík nízké body varu a tání: t_pl = -210 °С a t_žok = -196 °C. Dusík nemá žádné alotropní modifikace. Navzdory skutečnosti, že hlavní skupenství dusíku je plynné, může být také kapalné. Například 1 litr kapalného dusíku se při zahřátí na 20 °C změní na 700 litrů plynného dusíku. Podrobnější informace najdete v našem videu:

Chemické vlastnosti dusíku

Dusík je chemicky neaktivní kvůli přítomnosti stejné trojné vazby. Určuje také nízkou tepelnou stabilitu sloučenin dusíku při zahřívání. V chemických reakcích může dusík působit jak jako oxidační činidlo, tak jako redukční činidlo díky široké škále možných oxidačních stavů.

Jak reaguje dusík redukčního činidla:

Tyto reakce probíhají při teplotách nad 1000 stupňů Celsia nebo pod elektrickým nábojem.

Jak reaguje oxidační činidlo dusík:

• s kovy
  N₂ + 6Li = 2Li₃N dusík reaguje za normálních podmínek pouze s lithiem a s kovy alkalických zemin pouze při zahřátí;
• s vodíkem
  N₂ + 3H₂ = 2NH₃ reakce probíhá reverzibilně v přítomnosti kovového železa jako katalyzátoru.

Podívejme se na způsoby, jak dusík získat. V průmyslu se získává frakční destilací kapalného vzduchu, ale v laboratoři se dusík získává jinak. Zde je jen několik způsobů:

• reakce mezi chloridem amonným a dusitanem sodným
  Starší bratr₂ +NH₄Cl = N₂ + NaCl + 2H₂O
• rozklad některých amonných solí (na příkladu dusitanu amonného)
  NH₄NE₂ = N₂ + 2H₂O

Dusík je hlavní složkou jakékoli bílkoviny v lidském těle. Podívejme se na způsoby, jak získat výchozí složky pro syntézu vlastních bílkovin.

Nejdůležitější sloučeniny dusíku

Amoniak

Nejprve si povíme něco o vodíkové sloučenině dusíku – čpavku. Amoniak je bezbarvý plyn s charakteristickým štiplavým zápachem. Podívejme se na strukturu molekuly amoniaku:

Amoniak má tvar trigonální pyramidy. Tento plyn je velmi toxický a může způsobit chemické poleptání očí a výpary silně dráždí sliznice dýchacího ústrojí. Amoniak má zároveň poměrně vysokou rozpustnost ve vodě díky tvorbě vodíkových vazeb s molekulami vody. Přivedl vás někdy po ztrátě vědomí k rozumu vatový tampon namočený v něčem páchnoucím? Gratulujeme, byla to vaše první zkušenost s amoniakem ve vodě.

Pojďme si nyní říci něco o chemických vlastnostech tohoto plynu.

Na rozdíl od samotného dusíku je amoniak extrémně reaktivní sloučenina. Protože dusík je v amoniaku v nejnižším oxidačním stavu (-3), vykazuje amoniak pouze redukční vlastnosti.

Například amoniak reaguje s kyslíkem (při zahřátí):

Jak je vidět z rovnic, amoniak vstupuje do oxidačních reakcí a produkty jeho oxidace přímo závisí na síle oxidačního činidla a reakčních podmínkách.

Amoniak reaguje se složitými látkami – oxidačními činidly takto:

Amoniak reaguje s kyselinami díky svým základním vlastnostem, což vede k tvorbě různých solí:

Nyní se podíváme na výrobu čpavku. Existují dva typy metod: průmyslové a laboratorní.

1. Průmyslová metoda – syntéza z jednoduchých látek:
2. Laboratorní metoda: Při této metodě se čpavek shromažďuje v baňce obrácené dnem vzhůru, protože čpavek je lehčí než vzduch.

Kyselina dusičná

Kyselina dusičná – jedna z nejdůležitějších anorganických kyselin. Je to těkavá, bezbarvá kapalina se štiplavým zápachem, kterou lze smíchat s vodou v libovolném poměru.

V průmyslu se získává v několika fázích. Podívejme se blíže na každý z nich:

1. Oxidace amoniaku vzdušným kyslíkem na platinovém katalyzátoru
   4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O
2. Oxidace oxidu dusnatého (II)
   2NO+O₂ = 2 NE₂
3. Absorpce vzniklého oxidu dusíku (IV) vodou v přebytku vzduchu
   4NO₂ + O.₂ + 2H₂O = 4HNO₃

Kyselina dusičná má speciální chemické vlastnosti založené na její koncentraci.

Tato kyselina například nikdy nereaguje s kovy a uvolňuje plynný vodík. Zvažte tabulku s příklady kovů s různými koncentracemi kyseliny dusičné:

Také kyselina dusičná, jako silné oxidační činidlo, je schopna oxidovat některé nekovy na jejich kyseliny. Podívejme se na příklady:

Kyselina dusičná v poměru 1:3 s kyselinou chlorovodíkovou tvoří směs tzv aqua regia. Jedná se o žlutooranžovou dýmavou kapalinu, která dostala své jméno od alchymistů díky své schopnosti rozpouštět „královské“ kovy – zlato a platinu.

Oxidy dusíku

Na rozdíl od jiných chemických prvků tvoří dusík velké množství oxidů: N₂O,NE,N₂O₃, NE₂, N₂O₄ a N₂O₅, z nichž každý je kyselý. Tabulka ukazuje, který oxid odpovídá které kyselině:

Oxid dusnatý (I)N₂O. Nesolnotvorný oxid, je to bezbarvý plyn s příjemnou vůní a nasládlou chutí. Jeho molární hmotnost je těžší než vzduch a rozpustná ve vodě. Tento oxid má další názvy, z nichž nejběžnější je oxid dusičitý. Oxid dusnatý (I) byl používán v lékařství jako anestetikum před více než 200 lety. Při vdechování tohoto plynu člověka přepadne radost a neovladatelný smích, a proto dostal oxid jiný název – rajský plyn.

Oxid dusnatý (II) NO. Nesolnotvorný oxid, který je za normálních podmínek bezbarvým plynem, je špatně rozpustný ve vodě a ve vysokých koncentracích je pro člověka jedovatý.

Oxid dusnatý (III) N₂O₃. Směs je velmi nestabilní a existuje pouze při nízkých teplotách. V pevném a kapalném skupenství je oxid dusíku (III) jasně modrý. Při teplotách nad 0 stupňů se rozkládá na oxid dusnatý (II) a oxid dusnatý (IV).

Oxidy dusíku (IV) NO₂ a N₂O₄. Pevný oxid dusnatý (IV) je bezbarvý, protože se skládá z molekul N2O4. Při zahřátí se objeví hnědá barva, která se zintenzivňuje s rostoucí teplotou, jak se zvyšuje NO₂ ve směsi. Tyto oxidy jsou vysoce rozpustné ve vodě a reagují s ní.

Oxid dusnatý (V)N₂O₅. Anhydrid dusnatý, který se tvoří ve formě těkavých, bezbarvých, hygroskopických krystalů. Jedná se o extrémně nestabilní látku, která se rozpadá během několika hodin. Při zahřátí se explozivně rozkládá na oxid dusíku (IV) a plynný kyslík.

Samotestovací otázky

1. Jakou vazbu mezi sebou tvoří atomy dusíku?
   1. Singl.
   2. Dvojnásobek.
   3. Trojnásobný.
   1. −3 a +5,
   2. −5 a +3,
   3. 0 a +4,
   4. −3 a +3.
   1. V,
   2. III,
   3. IV,
   4. II.
   1. Pouze oxidační činidlo.
   2. Pouze redukční činidlo.
   3. Jak oxidační činidlo, tak redukční činidlo.
   4. Neúčastní se reakcí se změnami oxidačních stavů.
   1. NE,
   2. N₂O₃,
   3. N₂O,
   4. N₂O₄.