Проблема, страница 217 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 28. Современное химическое производство. Глово 7. Химия в нашей жизни - страница 217.

Условие.

Проблема.

Почему перед человечеством чрезвычайно остро стоит проблема синтеза соединений азота? Дайте аргументированный ответ.

Решение.

Решение 2.

Проблема синтеза соединений азота стоит перед человечеством чрезвычайно остро из-за фундаментальной дилеммы: несмотря на то, что атмосферный воздух на 78% состоит из азота ($N_2$), в этой форме он практически недоступен для большинства живых организмов, включая растения. Молекула азота $N_2$ чрезвычайно инертна из-за очень прочной тройной связи между атомами, для разрыва которой требуется огромное количество энергии.

В то же время азот является абсолютно незаменимым элементом для жизни. Он входит в состав аминокислот, из которых строятся белки; нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), являющихся носителями генетической информации; АТФ — главного источника энергии в клетках, а также многих других жизненно важных соединений. Растения могут усваивать азот только в связанной форме, то есть в виде соединений, таких как аммиак ($NH_3$) или нитрат-ионы ($NO_3^−$). В природе этот процесс, называемый азотфиксацией, осуществляется в основном почвенными бактериями и во время грозовых разрядов, но его масштабы крайне ограничены.

Стремительный рост населения Земли в XX веке вызвал необходимость резкого увеличения производства продуктов питания. Интенсивное сельское хозяйство быстро истощало естественные запасы связанного азота в почве, и его недостаток стал главным фактором, ограничивающим урожайность. Возникла угроза глобального голода. Решением этой проблемы стал промышленный синтез аммиака из атмосферного азота и водорода, известный как процесс Габера-Боша (начало XX века): $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Этот процесс позволил производить азотные удобрения в огромных количествах, что привело к "зеленой революции" и обеспечило продовольствием миллиарды людей. По оценкам, около половины атомов азота в телах современных людей прошли через заводы, работающие по процессу Габера-Боша.

Однако это решение породило новые, не менее острые проблемы, которые и делают вопрос синтеза соединений азота актуальным сегодня. Во-первых, процесс Габера-Боша требует очень высоких температур (400–500 °C) и давления (150–350 атмосфер), что делает его одним из самых энергоемких промышленных процессов в мире. На него уходит 1–2% всей мировой годовой выработки энергии, получаемой в основном за счет сжигания ископаемого топлива. Это ведет к значительным выбросам углекислого газа ($CO_2$) и усугубляет проблему изменения климата. Во-вторых, массовое применение азотных удобрений имеет серьезные негативные последствия для окружающей среды. Излишки удобрений, не усвоенные растениями, вымываются из почвы и попадают в водоемы. Это вызывает эвтрофикацию — бурное размножение водорослей, которое приводит к истощению кислорода в воде, гибели рыбы и других организмов, создавая так называемые "мертвые зоны". Кроме того, в почве под действием микроорганизмов из азотных удобрений образуется закись азота ($N_2O$) — мощный парниковый газ, который примерно в 300 раз активнее $CO_2$.

Таким образом, человечество оказалось в зависимости от промышленного синтеза азотных соединений для своего пропитания, но существующий метод их получения является экологически неустойчивым и ресурсозатратным. Поэтому проблема стоит остро: необходимо найти новые, более эффективные и экологически чистые способы фиксации атмосферного азота, чтобы обеспечить продовольственную безопасность для растущего населения планеты, не разрушая при этом окружающую среду.

Ответ: Проблема синтеза соединений азота стоит чрезвычайно остро, потому что азот является незаменимым элементом для всех форм жизни (входит в состав белков, ДНК), но его атмосферная форма ($N_2$) инертна и недоступна для большинства организмов. Стремительный рост населения требует огромного количества продовольствия, производство которого невозможно без азотных удобрений, получаемых промышленным путем (процесс Габера-Боша). Этот процесс, с одной стороны, спас человечество от голода, но с другой — является крайне энергозатратным (способствуя изменению климата) и приводит к серьезным экологическим проблемам, таким как загрязнение водоемов (эвтрофикация) и выброс мощных парниковых газов. Человечество зависит от синтетического азота, но его производство и использование в текущем виде наносят огромный вред планете.