Номер 3, страница 23, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Как осуществляется круговорот азота в природе? Напишите соответствующие реакции.

Решение

Круговорот азота в природе — это биогеохимический цикл, который описывает превращения азотсодержащих веществ. Атмосферный азот ($N_2$), составляющий около 78% воздуха, находится в форме, недоступной для большинства живых организмов. Круговорот азота включает в себя несколько ключевых процессов, которые переводят азот в усвояемые формы и возвращают его обратно в атмосферу.

Основные стадии круговорота азота:

1. Азотфиксация

Это процесс преобразования молекулярного азота ($N_2$) из атмосферы в аммиак ($NH_3$) или ионы аммония ($NH_4^+$). Азотфиксация может происходить тремя путями:

Атмосферная фиксация: Происходит во время грозы под действием электрических разрядов (молний), которые обладают достаточной энергией для разрыва прочной тройной связи в молекуле азота.

$N_2 + O_2 \xrightarrow{гроза} 2NO$

$2No + O_2 \rightarrow 2NO_2$

Оксид азота(IV) реагирует с водой, образуя азотную и азотистую кислоты, которые с дождем попадают в почву.

$2NO_2 + H_2o \rightarrow HNO_3 + HNO_2$

Промышленная фиксация: Осуществляется человеком для производства удобрений (процесс Габера-Боша).

$N_2 + 3H_2 \xrightarrow{кат., p, t} 2NH_3$

Биологическая фиксация: Наиболее значимый путь. Осуществляется специальными микроорганизмами (азотфиксирующие бактерии, например, Rhizobium на корнях бобовых, и цианобактерии), которые переводят $N_2$ в аммиак.

2. Нитрификация

Это процесс окисления аммиака или ионов аммония до нитратов ($NO_3^−$), который происходит в почве с участием нитрифицирующих бактерий. Процесс идет в две стадии:

1) Окисление аммония до нитрит-ионов ($NO_2^−$) бактериями (например, рода Nitrosomonas).

$2NH_4^+ + 3O_2 \rightarrow 2NO_2^- + 4H^+ + 2H_2O$

2) Окисление нитрит-ионов до нитрат-ионов ($NO_3^−$) бактериями (например, рода Nitrobacter).

$2NO_2^- + O_2 \rightarrow 2NO_3^-$

Нитраты являются основной формой азота, усваиваемой растениями.

3. Ассимиляция

Растения поглощают из почвы нитраты ($NO_3^−$) и ионы аммония ($NH_4^+$) и используют их для синтеза органических соединений, таких как аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты. Животные получают азот, поедая растения или других животных.

4. Аммонификация

Это процесс разложения органических азотсодержащих соединений (в мертвых организмах, отходах жизнедеятельности) до аммиака ($NH_3$) или ионов аммония ($NH_4^+$). Этот процесс осуществляется бактериями-редуцентами и грибами. Например, разложение мочевины:

$CO(NH_2)_2 + H_2o \rightarrow 2NH_3 + CO_2$

5. Денитрификация

Это процесс восстановления нитратов до газообразного азота ($N_2$), который возвращается в атмосферу, замыкая цикл. Процесс происходит в анаэробных (бескислородных) условиях с участием денитрифицирующих бактерий (например, рода Pseudomonas). Упрощенно этот биохимический процесс, в котором органические вещества служат восстановителем, можно представить уравнением (где C - углерод органических веществ):

$4HNO_3 + 5C \rightarrow 2N_2\uparrow + 5CO_2\uparrow + 2H_2O$

Ответ:

Круговорот азота — это совокупность процессов превращения азота в природе, включающая азотфиксацию (связывание атмосферного $N_2$), нитрификацию (окисление аммиака до нитратов), ассимиляцию (потребление растениями и животными), аммонификацию (разложение органики до аммиака) и денитрификацию (возвращение $N_2$ в атмосферу).

Ключевые реакции:

Азотфиксация (атмосферная): $N_2 + O_2 \rightarrow 2NO$; $2No + O_2 \rightarrow 2NO_2$; $2NO_2 + H_2o \rightarrow HNO_3 + HNO_2$.

Нитрификация: $2NH_4^+ + 3O_2 \rightarrow 2NO_2^- + 4H^+ + 2H_2O$; $2NO_2^- + O_2 \rightarrow 2NO_3^-$.

Аммонификация (пример): $CO(NH_2)_2 + H_2o \rightarrow 2NH_3 + CO_2$.

Денитрификация (упрощенно): $4HNO_3 + 5C \rightarrow 2N_2 + 5CO_2 + 2H_2O$.