Nitơ có ở đâu

I. Vị trí và cấu hình electron nguyên tử

Nitơ ở ô thứ 7, nhóm VA, chu kì 2 của bảng tuần hoàn.

Cấu hình electron nguyên tử của nitơ là 1s22s22p3.

Ba electron ở phân lớp 2p có thể tạo được ba liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác.

Phân tử nitơ gồm hai nguyên tử, giữa chúng hình thành một liên kết ba: $N \equiv N$.

II. Tính chất vật lí

Ở điều kiện thường, nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị, hơi nhẹ hơn không khí, hóa lỏng ở -196 oC. Khí nitơ tan rất ít trong nước. Nitơ không duy trì sự cháy và sự hô hấp.

III. Tính chất hóa học

Liên kết ba trong phân tử nitơ rất bền.

Ở nhiệt độ cao nitơ có thể tác dụng được với nhiều chất.

Trong các hợp chất cộng hóa trị của nitơ với những nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn (như hiđro, kimloại,...), nguyên tố nitơ có số oxi hóa - 3. Còn trong các hợp chất cộng hóa trị của nitơ với những nguyên tố có độ âm điện lớn hơn (oxi, flo), nguyên tố nitơ có số oxi hóa từ +1 đến +5.

Khi tham gia phản ứng oxi hóa - khử, số oxi hóa của nitơ có thể giảm hoặc tăng, do đó nó thể hiện tính oxi hóa hoặc tính khử. Tuy nhiên, tính oxi hóa vẫn là tính chất chủ yếu của nitơ.

1. Tính oxi hóa

a. Tác dụng với kim loại

Ở nhiệt độ cao, nitơ tác dụng được với một số kim loại hoạt động như Ca, Mg, Al,... tạo thành nitrua kim loại.

b. Tác dụng với hiđro

Ở nhiệt độ cao, áp suất cao và có mặt chất xúc tác, nitơ tác dụng trực tiếp với hiđro, tạo ra khí amoniac.

Trong những phản ứng nêu trên, số oxi hóa của nguyên tố nitơ giảm từ 0 đến -3, nitơ thể hiện tính oxi hóa.

2. Tính khử

Ở nhiệt độ khoảng 3000oC (hoặc nhiệt độ của lò hồ quang điện), nitơ kết hợp trực tiếp với oxi, tạo ra khí nitơ monooxit NO.

Ở điều kiện thường, khí NO không màu kết hợp ngay với oxi của không khí, tạo ra khí nitơ đioxit NO2 màu nâu đỏ.

Ngoài các oxit trên, còn có các oxit khác của nitơ như N2O, N2O3, N2O5, chúng không điều chế được bằng tác dụng trực tiếp giữa nitơ và oxi.

IV. Ứng dụng

Nguyên tố nitơ là một trong những thành phần dinh dưỡng chính của thực vật.

Trong công nghiệp, phần lớn lượng nitơ sản xuất ra được dùng để tổng hợp khí amoniac, từ đó sản xuất ra axit nitric, phân đạm, ...

Nhiều ngành công nghiệp như luyện kim, thực phẩm, điện tử, ... sử dụng nitơ làm môi trường trơ. Nitơ lỏng được dùng để bảo quản máu và các mẫu vật sinh học khác.

V. Trạng thái tự nhiên

Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở dạng tự do (chiếm 78,16% thể tích của không khí) và dạng hợp chất. Nitơ thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị: ${}_7^{14}N$ (99,63%) và ${}_7^{15}N$  (0,37%).

Ở dạng hợp chất, nitơ có nhiều trong khoáng chất natri nitrat NaNO3, với tên gọi là diêm tiêu natri.

VI. Điều chế

1. Trong công nghiệp

Nitơ được sản xuất bằng phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng. Sau khi đã loại bỏ CO2 và hơi nước, không khí được hóa lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ rất thấp. Nâng nhiệt độ không khí lỏng đến -196 oC thì nitơ sôi và được lấy ra, còn lại là oxi lỏng, vì oxi lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn (-183 oC). Khí nitơ được vận chuyển trong các bình thép, nén dưới áp suất 150 atm.

2. Trong phòng thí nghiệm

Một lượng nhỏ nitơ tinh khiết được điều chế bằng cách đun nóng nhẹ dung dịch bão hoà muối amoni nitrit:

$N{H_4}N{O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}{\text{ }}{{\text{N}}_2} \uparrow {\text{ }} + {\text{ }}2{H_2}O$

Muối này kém bền, có thể được thay thế bằng dung dịch bão hoà của amoni clorua và natri nitrit:

$N{H_4}Cl{\text{ }} + {\text{ }}NaN{O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}{N_2} \uparrow {\text{ }} + {\text{ }}NaCl{\text{ }} + {\text{ }}2{H_2}O$

- Nitơ là một nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu của thực vật. Nitơ được rễ cây hấp thụ từ môi trường ở dạng NH4+ và NO3-. Trong cây NO3- được khử thành NH4+.

- Nitơ có vai trò quan trọng đối với đời sống của thực vật:

• Vai trò chung: Đảm bảo cho cây sinh trưởng và phát triển tốt
• Vai trò cấu trúc:
  • Tham gia cấu tạo nên các phân tử protein, enzim, coenzim, axit nucleic, diệp lục, ATP …
  • Nito có trong các chất điều hòa sinh trưởng.
  • Dấu hiệu khi cây thiếu nguyên tố Nitơ là cây sinh trưởng kém, xuất hiện màu vàng nhạt trên lá.
• Vai trò điều tiết:
• Tham gia điều tiết các quá trình trao đổi chất và trạng thái ngậm nước của tế bào → ảnh hưởng đến mức độ hoạt động của tế bào.

 → Nitơ có vai trò quyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng

- Ví dụ: cây trồng thiếu đạm (N)

II. Quá trình đồng hóa Nitơ ở thực vật 

- Rễ cây hấp thụ nitơ ở dạng NH4+ (dạng khử) và NO3- (dạng oxi hóa) từ đất nhưng nitơ trong các hợp chất hữu cơ cấu trúc nên mô, tế bào thì chỉ tồn tại ở dạng khử.

 → Vì vậy, sự đồng hóa nitơ trong mô thực vật gồm 2 quá trình: khử nitrat và đồng hóa amôn.

1. Quá trình khử nitrat

- Là quá trình chuyển hoá NO3- thành NH4+, có sự tham gia của Mo và Fe (hoạt hóa các enzim tham gia vào quá trình khử).

- Được thực hiện ở mô rễ và mô lá theo sơ đồ:

NO3- (nitrat) → NO2- (nitrit) → NH4+ (amoni)

- Các bước khử có sự tham gia của các enzim khử  -reductaza

NO3-­­ + NAD(P)H + H+ +2e- → NO2- + NAD(P)+ + H2O

NO2- + 6 Feredoxin khử + 8H+ + 6e- → NH4+ + 2H2O

- Điều kiện cho quá trình khử nitrat:

• Có các enzim đặc hiệu xúc tác cho các phản ứng
• Có các lực khử mạnh

- Ý nghĩa: Hạn chế tích lũy nitrat trong mô thực vật.

2. Quá trình đồng hoá NH4+ trong mô thực vật:

- Quá trình đồng hóa NH4+ diễn ra theo 3 con đường:

Amin hoá trực tiếp các axit xêtô:

• Axit xêto + NH4+ → Axit amin.
• Ví dụ: Axit α-xetoglutaric + NH4+ → Axit glutamic

Chuyển vị amin:

• Axit amin + axit xêto  → a. amin mới + a. xêto mới
• Ví dụ: Axit glutamic + Axit piruvic → Alanin + Axit α-xetoglutaric

Hình thành amit: là con đường liên kết phân tử NH3 với axit amin đicacboxilic.

• Axit amin đicacboxilic + NH4+ → amit
• Ví dụ: Axit glutamic + NH4+ → Glutamin

- Ý nghĩa của sự hình thành amit: Sự hình thành amit có ý nghĩa sinh học quan trọng

• Đó là cách giải độc NH3 tốt nhất (NH3 tích luỹ lại sẽ gây độc cho tế bào)
• Amit là nguồn dự trữ NH3 cho quá trình tổng hợp a. amin khi cần thiết. 

III. Nguồn cung cấp Nitơ tự nhiên cho cây

IV. Quá trình chuyển hóa Nitơ trong đất và cố định Nitơ

1. Quá trình chuyển hóa nitơ trong đất

- Con đường chuyển hóa nitơ hữu (trong xác sinh vật) trong đất thành dạng nitơ khoáng (NO3- và NH4+) gồm 2 giai đoạn:

*Quá trình amôn hóa: Các axit amin nằm trong các hợp chất mùn, trong xác bã động vật, thực vật sẽ bị vi sinh vật (Vi khuẩn amôn hóa) trong đất phân giải tạo thành NH4+ theo sơ đồ:

- Quá trình amôn hóa diễn ra như sau:

• Chất hữu cơ trong đất → RNH2 + CO2 + phụ phẩm
• RNH2 + H2O → NH3 + ROH
• NH3 + H2O  → NH4+ + OH-

*Quá trình nitrat hóa: khí NH3 được tạo thành do vi sinh vật phân giải các hợp chất hữu cơ sẽ bị vi khuẩn hiếu khí (vi khuẩn nitrat hóa) như Nitrosomonas oxy hóa thành HNO2 và Nitrosobacter tiếp tục oxi hóa HNO2 thành HNO3 theo sơ đồ:

- Quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

• 2NH3 + 3O2 → 2 HNO2 + H2O
• 2 HNO2 + O2 → 2 HNO3

* Lưu ý: Trong điều kiện môi trường đất kị khí, xảy ra quá trình chuyển hóa nitrat thành nitơ phân tử (NO3- → N2) gọi là quá trình phản nitrat hóa:

=> Hậu quả: gây mất mát nitơ dinh dưỡng trong đất

2. Quá trình cố định nitơ phân tử

- Khái niệm: Quá trình cố định nitơ là quá trình liên kết N2 với H2 thành NH3.

=> Ý nghĩa: có vai trò quan trọng trong việc bù đắp lượng nitơ mất đi do cây trồng sử dụng trong quá trình sinh trưởng và phát triển.

- Cố định nitơ phân tử diễn ra theo 2 con đường: Con đường vật lý – hóa học và con đường sinh học.

* Con đường vật lý hóa học: xảy ra trong điều kiện có sấm sét, tia lửa điện,...

* Con đường sinh học:

- Là con đương cố định nitơ phân tử nhờ các vi sinh vật thực hiện.

- Vi sinh vật cố định nitơ gồm 2 nhóm:

• Nhóm vi sinh vật sống tự do: vi khuẩn lam, Azotobacter, Clotridium, Anabeana, Nostoc,...
• Nhóm vi sinh vật sống cộng sinh với thực vật: Các vi khuẩn thuộc chi Rhizobium trong nốt sần rễ cây họ Đậu, Anabeana azollae trong bèo hoa dâu,...

- Các VSV cố định nitơ có enzim nitrogenaza có khả năng bẻ gẫy 3 liên kết trong phân tử N2 để N liên kết với H tạo ra NH3. Trong môi trường nước, NH3 chuyển thành NH4+.

- Quá trình cố định nitơ phân tử có thể tóm tắt:

- Cơ sở khoa học: Vi khuẩn cố định nitơ có khả năng tuyệt vời như vậy là do trong cơ thể chúng có chứa 1 loại enzim đọc nhất vô nhị là Nitrogenaza. Enzim nay có khả năng bẻ gẫy ba liên kết cộng hóa trị giữa 2 nguyên tử nitơ để liên kết với H2 tạo thành NH3, trong môi trường nước NH3 chuyển thành NH4+

- Điều kiện để quá trình cố định nitơ diễn ra:

• Có các lực khử mạnh với thế năng khử cao (NAD, FADP).
• Được cung cấp năng lượng ATP
• Có sự tham gia của enzim Nitrogenaza
• Thực hiện trong điều kiện kị khí

- Ý nghĩa: có tầm quan trọng trong cải tạo đất nghèo dinh dưỡng, hàng năm các loại vi sinh vật cố định nitơ có khả năng tổng hợp khoảng 100-400 kg nitơ/ha.

V. Phân bón với năng suất cây trồng và môi trường

1. Bón phân hợp lí và năng suất cây trồng

- Để cây trồng có năng suất cao cần phải bón phân hợp lí bằng cách:

• Đúng loại: Bón đúng loại phân;
• Đúng lượng: Bón đủ liều lượng cần bón, và tỉ lệ các thành phần dinh dưỡng;
• Đúng lúc: Bón đúng nhu cầu của giống, loài cây trồng, phù hợp với thời kì sinh trưởng và phát triển của cây, phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng, đất đai, điều kiện thời tiết, mùa vụ;
• Đúng cách: Bón đúng cách.

2. Các phương pháp bón phân

- Bón phân qua rễ (bón vào đất):

• Rễ cây có khả năng hấp thụ các ion khoáng từ đất.
• Bón phân vào đất có 2 cách: Bón lót (bón trước khi trồng cây) và Bón thúc (bón sau khi trồng cây).

- Bón phân qua lá (phun lên lá):

• Lá cũng có thể hấp thụ các ion khoáng qua khí khổng.
• Dung dịch phân bón qua lá phải có nồng độ ion khoáng thấp, chỉ bón qua lá khi trời không mưa và năng không gay gắt.

3. Phân bón và môi trường

- Bón phân hợp lí sẽ tăng năng suất cây trồng và không gây ô nhiễm môi trường. 

- Khi lượng phân bón bón cho cây vượt quá mức tối ưu, cây sẽ không hấp thụ hết. Lượng phân bón dư thừa sẽ gây ra các ảnh hưởng xấu như thay đổi tính chất lí hóa của đất, ô nhiễm nông sản, ô nhiễm môi trường.

Nguồn: hoc24.vn