Нитратный азот это что
Азот – один из самых необходимых для растений химический элемент. Присутствует повсеместно в свободном или связанном состоянии. Азотные удобрения выпускаются в различных формах и применяются для основного и предпосевного внесения – как поверхностного, так и на подкормку. Только 1 % азота почвы находится в легко усваиваемых растениями минеральных формах, поэтому применение азотных удобрений – важное условие для сохранения и повышения плодородности сельскохозяйственных земель.
Содержание:
Многие известные научные открытия были сделаны двумя учеными, которые работали независимо друг от друга, и такие случаи довольно многочисленны. Однако в том, что касается открытия элемента азота, приоритет пришлось отдавать одному из трех известных химиков. Все они выделили азот из воздуха, используя немного различающиеся методики получения, и сделали это практически в одно и то же время, в конце XVIII века.
Англичанин Генри Кавендиш пропускал воздух над раскаленным углем, сжигая кислород, а затем фильтровал его через раствор щелочи, чтобы избавиться от примеси углекислого газа. В итоге он получил газ, не поддерживающий дыхание и горение, и названный им «мефитическим воздухом». Джозеф Пристли поместил в закрытый сосуд горящую свечу и описал образование аналогичного газа, который назвал «флогистированным воздухом». Однако их соотечественник Даниэль Резерфорд оказался более предприимчивым и менее медлительным: получив свой «удушливый воздух», он тут же опубликовал открытие и описал методику получения вещества. В результате все современные школьники знают, что азот был открыт Резерфордом, а заслуги талантливых химиков Кавендиша и Пристли, увы, оказались частично преданы забвению.
Что же касается названия элемента, то его предложил француз Антуан Лоран Лавуазье, и этот термин в полной мере отражает суть наблюдений всех трех ученых, которые впервые изучали его свойства. Слово состоит из двух частей: приставки «а», означающей отрицание, и корня слова «зое», которое переводится с греческого как «жизнь». Безжизненный, не дающий жизнь – вот что «азот» значит в смысловом переводе.
Известный ученый и был прав, и ошибался одновременно. Пусть газообразный азот и не поддерживает дыхания, однако он образует множество органических веществ, из которых построены компоненты живых клеток, в первую очередь, молекулы белка. Это определяет абсолютную незаменимость азота для жизни на Земле и делает его одним из главных макроэлементов живой клетки, наряду с кислородом, водородом и углеродом. [7]
Физические и химические свойства
Азот – химический элемент V группы системы Менделеева. Атомный номер – 7, атомная масса – 14,0067. Природный азот составлен из двух стабильных изотопов. [6]
Азот – бесцветный газ, не имеющий запаха.
В воде малорастворим, легче воздуха. Молекулярный азот химически малоактивен. При комнатной температуре взаимодействует только с литием. При нагревании реагирует с кальцием, магнием, титаном. Реакция взаимодействия с водородом проходит под воздействием высоких температур, высокого давления и в присутствии катализатора, с кислородом – при температуре 3000–4000°С.
Наибольшее значение из соединений с водородом имеет аммиак – газ без цвета с характерным запахом нашатырного спирта.
С кислородом азот образует ряд оксидов: закись азота N2O, окись азота NO, диоксид азота NO2, азотистый ангидрид N2O3. [3]
Содержание в природе
Крупные залежи натриевой селитры NaNO3 находятся в Чили на берегу Тихого океана. Это единственное в мире крупное месторождение, содержащее неорганическое соединение азота.
Элемент входит в состав всех живых организмов. Его содержание обнаруживается в каменном угле (1,0–2,5 %), нефти (0,2–1,7 %). Азот не поддерживает дыхание и горение, однако значение азота в жизнедеятельности растений и животных огромно. В белках его содержится до 17 %. Более того, без азотной составляющей белки не существуют. [3]
Круговорот азота в природе
Содержание азота в различных типах почв
На долю органических соединений – белков, аминов, амидов, аминокислот и прочих – приходится 93–95 % почвенного азота. Однако органический азот практически недоступен растениям и становится усваиваемым ими только после минерализации.
Минеральный азот, входящий в состав нитратных и аммиачных форм, накапливается в почве в результате процессов аммонификации и нитрификации, которые осуществляют различные группы микроорганизмов.
Разложение азотистых органических соединений в различных типах почв проходит по единой схеме:
белки → гуминовые вещества → аминокислоты → амиды → аммиак → нитриты → нитраты
Скорость минерализации основного запасного фонда азота – органических веществ почвы – зависит от многих факторов: влажности почвы, температурного режима, кислотности, характера органического вещества. Поэтому количество образующихся минеральных форм азота постоянно пребывает в динамичном состоянии. Максимальное количество накапливается в весенний период, наиболее благоприятный по режиму температуры и влажности для нитрификации. Однако нитраты – подвижные соединения, и они могут вымываться из почвы или подвергаться биологической денитрификации (образованию газообразных форм). В результате почва теряет часть азота.
Валовое содержание азота в почве сильно варьирует и зависит от типа почвы, гранулометрического состава, запасов органики, режима увлажнения и степени окультуренности почвы.
Содержание общего азота тем больше, чем больше содержание гумуса. Кроме того, содержание доступного элемента значительно возрастает при окультуривании почвы.
Дерново-подзолистые почвы
Содержание и запасы азота в метровом слое данных почв суглинистого состава в 2–2,5 раза больше, чем в песчаных. Кроме того, содержание азота снижается в нижележащих горизонтах.
Содержание и запасы азота в дерново-подзолистых почвах, согласно данным: [2]
Глубина взятия образца,
Гумус,
Общий азот,
Запасы общего азота,
Фиксированный аммоний
Среднесуглинистая почва на моренном суглинке
Азот (N)
Функции Азота
Азот необходим для формирования аминокислот, белков и хлорофилла. Азот играет важную роль в развитии растений. Азот имеет гораздо большее влияние на растения, чем большинство других важных элементов. Избыток или недостаток Азота существенно влияет на рост растений и качество урожая.
Симптомы дефицита Азота
Дефицит Азота проявляется осветлением листьев растения. Так как N достаточно подвижный элемент, то первые симптомы дефицита Азота появляются сразу на старых листьях, которые становятся светло-зеленого цвета. Когда дефицит усиливается, листья желтеют и отмирают. Дефицит Азота приводит к сокращению периода вегетации, наблюдается мелколистность, уменьшение кустистости.
Симптомы дефицита Азота быстро развиваются, но могут так же быстро и корректироваться, добавлением нужной формы N, регулировкой концентрации.
Тяжелые последствия может нанести длительная нехватка N в период активного роста.
Дефицит Серы можно спутать с дефицитом Азота. Но при дефиците Серы, симптомы появляются на всем растении, а при дефиците Азота сначала на старых листьях и только потом распространяются на все растение.
Симптомы отравления Азотом
Избыток Азота так же опасен, как и дефицит, особенно для плодовых культур.
Избыток Азота сопровождается усиленным ростом: растения пышные с темно-зеленой листвой. Такие листья больше подвержены болезням и атакам насекомых и очень чувствительны к изменениям окружающей среды.
Излишки N в плодовых культурах не только ухудшают обильность цветения и развитие плодов, но и снижают качество урожая. Нельзя повлиять на качество плодов элементами F и B пока Азот в избытке.
Избыток N наносит больше ущерба растению, чем дефицит.
Формы Азота
Контролируя их соотношение в растворе, можно добиться некоторого стабильного значения pH.
Влияние Азота на pH в корневой зоне
В клетках корней должен поддерживаться электрический баланс, поэтому для каждого положительно заряженного иона, который притягивается, должен быть освобожден положительно заряженный ион, то же самое верно и для отрицательно заряженных ионов.
Из этого следует, что поглощение нитратов увеличивает рН вокруг корней,
в то время как поглощение аммония уменьшает ее.
Это явление особенно важно в гидропонике, где корни могут легко повлиять на рН среды, поскольку их объем относительно велик по сравнению с объемом питательной среды.
Для предотвращения скачков рН раствора и нужно правильное соотношение аммония / нитратов, которое зависит от сорта, температуры и стадии роста.
Следует отметить, что при определенных условиях, рН «реагирует» не так, как ожидалось в связи с нитрификацией. Нитрификация очень быстрый процесс, и добавка аммония может быть быстро преобразована и поглощена в виде нитратов, тем самым увеличивая рН в корневой зоне, а не уменьшая его.
Влияние Азота на поглощение других элементов
Для питания растения нитратным Азотом важное значение играет достаточное наличие молибдена и фосфора. Дефицит молибдена замедляет восстановление нитратов, снижается ассимиляция нитратного азота.
Так как соотношение аммония / нитратов может изменить рН вокруг корней, то изменение pH может повлиять на растворимость и доступность других питательных веществ.
Соотношение нитратного и аммонийного Азота
Процент аммонийного азота NH4 + в питательном растворе не должен превышать 50% от общей концентрации N.
Соотношение Азотов зависит от вида растений, стадии роста растений, температуры питательного раствора, рН в корневой зоне и других факторов.
Если ион NH4 + является основным источником Азота в питательном растворе, то его влияние на рост томатов, например, может быть существенным в зависимости от интенсивности освещения. При низком освещении эффекта почти нет, а при высокой интенсивности света отмечено снижение роста растений на 30%, проявляются симптомы: скручивание листьев, увядание, хлороз старых листьев.
Соотношение Азотов в зависимости от вида растений и стадии роста
Сахара должны транспортироваться вниз от листьев к корням, чтобы «встретиться» с аммонием.
При выращивании плодов и растений, в которых наибольший рост происходит в листьях (например, китайская капуста, салат, шпинат), сахара потребляются быстрее около их места производства и гораздо менее доступны для транспортировки к корням. Таким образом, аммоний не сможет эффективно метаболизироваться и предпочтительно использовать меньше аммония по отношению к нитратам. В зимнее время аммония также нужно давать меньше, так как при недостатке света растение образует мало сахаров.
Соотношение Азотов в зависимости от температуры в прикорневой зоне
Метаболизм аммония требует гораздо больше кислорода, чем метаболизм нитратов. Аммоний метаболизируется в корнях, где он вступает в реакцию с сахарами. Эти сахара должны быть доставлены в корни из листьев.
С другой стороны нитраты транспортируются в листья, где они преобразовываются в аммоний, а затем вступает в реакцию с сахарами.
При более высоких температурах дыхание растения увеличивается, потребляется сахар быстрее, что делает его менее доступным для обмена веществ с аммонием в корнях. В то же время, при высоких температурах, растворимость кислорода в воде уменьшается, что делает его так же менее доступным.
Таким образом, при более высоких температурах целесообразно использование более низкого содержания аммония в растворе.
При более низких температурах питание аммонием является более оптимальным, потому что кислород и сахара более доступны на корневом уровне. Кроме того, поскольку транспорт нитратов в листьях снижен при низких температурах, использование нитрата в растворе приведет к задержке роста растений.
Токсичность аммония
Аммоний может быть токсичными для растений, если он является основным источником Азота в растворе. При отравлении аммонием замедляется рост и развитие, повреждаются стебли и листья, листья становятся чашеобразными. Разрушается сосудистая ткань (NH4 + нарушает работу Ca, который требуется для поддержания целостности клеточной оболочки). Отравление Аммонием может в конечном итоге привести к гибели растения. Если стебель пострадавших растений разрезать чуть выше корневой линии, то хорошо видна разлагающаяся сосудистая ткань.
Аммиачный азот обычно не накапливается в растении в больших количествах. Это наблюдается только при недостатке углеводов; в таких условиях растение не может его переработать в безвредные органические вещества — аспарагин и глютамин.
Чрезмерная доза аммиачного азота в питательном растворе и недостаточность освещения, которая снижает интенсивность фотосинтеза, могут привести к повреждению листовой паренхимы из-за скопления аммиака.
Влияние концентрации Азота на корни
Концентрация Азота в питательном растворе
Большинство формул требуют общей концентрации N в питательном растворе в диапазоне от 100 до 200 мг / л (ppm).
Если аммонийный Азот NH4 + входит в состав, то соотношение нитратного к аммонийному к должно быть примерно три или четыре к одному.
Мочевина, CO(NH2)2, не рекомендуется в качестве источника Азота для гидропонных растворов, так как ее гидролиз производит NH4, который может быть нежелательным катионом в питательном растворе. Молекулы мочевины могут непосредственно поглощаться корнями растений, хотя ее присутствие в растениях может быть не желательно.
Источники:
Чесноков В. А. «Выращивание растений без почвы», 1960.
J. Benton Jones «Hydroponics. A Practical Guide for the Soilless Grower. Second Edition», 2005.
Guy Sela «Ammonium-Nitrate Ratio in Plant Nutrition», 2010.
Ионы аммония в стоках: откуда берутся, ПДК, нитритный контроль
Азот и его соединения
Чистый азот – химически инертный элемент. Однако, из-за своей распространённости в природе часто встречается в различных органических и неорганических соединениях – аммиак, соли, оксиды – NO, N2O, NO2, N2O5, N2O3.
Общий азот
Общий азот – это сумма органических (белковых, мочевинных) и минеральных (аммонийной, нитратной, нитритной) форм азота. Из-за большого разнообразия азотсодержащих соединений, они могут присутствовать в воде в различных формах: истинные растворы, коллоидные частицы, взвеси. Зачастую, поверхностные водоёмы содержат все возможные виды азотсодержащих соединений. В результате природного воздействия эти соединения постоянно трансформируются друг в друга.
Аммонийный
Нитратный и нитритный
Нитраты и нитриты – это соли азотной и азотистой кислоты. В поверхностных водах они образуются в процессе окисления аммонийного азота.
Как нитраты, так и нитриты, а также соответствующий им оксид азота (IV), являются канцерогенами и высокотоксичными веществами, вызывающими поражения печени, почек, сердца, лёгких, нервной системы, щитовидной железы и желудочно-кишечного тракта.
Сточные и природные воды
Сточными называют воды, свойства которых были изменены антропогенным воздействием. Осадки (дождевые, талые) также относятся к сточным водам. Существуют различные способы классификации сточных вод: по источнику происхождения, по составу или концентрации загрязняющих веществ, по свойствам загрязнителей.
К природным водам относят: моря, океаны, ледники, реки, озёра, почвенную и атмосферную влагу.
Несмотря на принятое деление вод на сточные и природные, в действительности они неотделимы друг от друга, поскольку являются сложной системой, находящейся в динамическом равновесии.
Аммонийный азот в стоках
Откуда азот попадает в стоки?
В сточные воды азот попадает вместе с продуктами жизнедеятельности людей, пищевым мусором, навозом, отходами производств (металлургических, химических, микробиологических, медицинских, фармацевтических, лесо- и коксохимических). Азот находит широкое применение в промышленности – в чистом газообразном виде (для прямого синтеза аммиака, применяемого затем в ряде химических процессов), в виде соединений: кислоты – в военной, металлургической, ювелирной промышленности и для производства минеральных удобрений (селитр); оксиды – в медицине, кондитерском деле, а также в ряде других сфер.
Нормы содержания и ПДК
Нормы содержания и ПДК азота в водах регламентируется в нормативно-технической документации, к примеру, в ГН 2.1.5.1315-03. Для аммонийного и минерального азота показатели ПДК составляют:
Вред NH4 + человеку и природе
Опасен аммонийный азот тем, что и его ион, и восстановленная форма (аммиак NH3) способны вступать в реакцию с белками, вызывая их денатурацию. Например, такой белок как гемоглобин, в результате действия этого токсина теряет способность переносить кислород. При регулярном поступлении в организм живого существа ионов аммония и аммиака проявляются: ацидоз и нарушение кислотно-щелочного баланса, поражения печени, нарушения в работе центральной нервной и сосудистой систем. Тем не менее, некоторое наличие аммиака и аммоний-ионов желательно в природных водах в небольшой концентрации, поскольку они являются участниками биологического круговорота веществ – азотного цикла.
Норматив платы за сброс
Нормативы плат за сброс в сточные воды азотсодержащих загрязняющих веществ зависят от вида сбросов. По состоянию на 2021 год, постановлением Правительства РФ №913 «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах» установлены следующие тарифы:
Точный тариф платы за сброс определяется в зависимости от применения коэффициента, определяемого как обратная сумма допустимого увеличения содержания загрязняющего вещества при сбросе сточных вод к его фоновому показателю.
Обзор методик, правил и ГОСТов
Для определения соединений азота в сточных водах применяются различные методики. Для аммонийного азота – это фотометрический и некоторые более современные методы определения концентрации.
Методы определения аммония в водах
Для быстрого определения аммонийного и других видов азота в сточных и природных водах используются фотометрические и колориметрические методы. Стоит заметить, что оба этих метода не являются высокоселективными и обладают заметной погрешностью. При заборе воды в очистных сооружениях измеряют показатель «общий азот». Методика определения – каталитическое окисление различных форм азота до его оксидов. Для измерения аммонийной формы азота применяются ионоселективные электроды в составе многопараметрических датчиков. Принцип работы таких электродов основан на применении ионоселективных полимерных смол в качестве мембран для ионообменных фильтров, изготавливаемых из ПВХ.
Визуальная колориметрия
Под визуальной колориметрией понимают процесс сравнения окраски пробы воды после действия на неё реактивом Несслера и сопутствующими ему вспомогательными реактивами. В качестве определяющей нормы используются различные образцы, которые зачастую не могут обеспечить достаточной точности результата анализа. Несмотря на ряд недостатков этот метод востребован в качестве экспресс-анализа проб воды. Особенно, в тех случаях, когда невозможно провести более сложное исследование.
Фотометрическая колориметрия
Логичным развитием метода визуальной колориметрии стало применение электронных устройств – фотометров и спектрофотометров, способных более точно определять цветность проб. В основе работы устройств положены физико-химические явления поглощения, рассеивания, отражения электромагнитных волн в области видимого и невидимого спектра. Применение таких приборов даёт высокоточные результаты анализа. Несмотря на сложность спектрофотометров, с ними может работать неспециалист. Достоинство современных приборов – высокий уровень автоматизации процессов.
Обзор фотометрических анализаторов
Фотометрами принято называть приборы, предназначенные для измерения каких-либо световых величин. К фотометрам относятся: люксометры, яркомеры и интегрирующие фотометры, измеряющие световой поток. Свойства фотометрических величин зависят от химического состава исследуемой среды, что обуславливает возможность применения этих приборов для анализа вод.
В практике химических исследований применяются самые разные приборы, однако, лидирующие позиции на рынке в XXI веке занимают спектрофотометры. Их принцип действия основан на взаимодействии двух световых потоков: взаимодействующего с исследуемым образцом и падающего на исследуемый объект. Эти два потока сравниваются при различных длинах волн падающего света. Результат сравнения – спектры, которые затем подвергаются тщательному изучению.
Поскольку все химические вещества и соединения оказывают влияние на поведение света, спектр изученной пробы позволяет определять наличие и соотношение присутствующих в образце примесей.
Очистка вод от ионов аммонийного азота.
Для очистки вод от аммонийного азота применяются: биологическая фильтрация, аэрация, введение окислителей (озон, хлор, гипохлоритов некоторых щелочных и щелочноземельных металлов), фильтрация при помощи ионообменных смол, а также ряд других способов.
Биологический способ
Свойства и жизненные циклы многих микроорганизмов позволяют очищать сточные воды. Обычно биологическая система очистки представляет собой сложную систему. Называют такие системы активным илом или биоплёнкой. Их состав зависит от конкретного назначения.
Например, для денитрификации – процесса превращения загрязняющих нитратов и нитритов в чистый газообразный азот – применяют активный ил с повышенным содержанием организмов, работающих в бескислородной (анаэробной) среде. В обратном случае – окислении нитритов, органических соединений азота и аммонийного азота до нитратов – используют биоплёнки с повышенным содержанием аэробных микроорганизмов.
Выбрав режим очистки (периодический, проточный, со свободно плавающим илом, с биофильтрами или без них), выбирают технический способ его реализации.
Наиболее распространённые устройство биологической очистки – отстойник для проточной очистки (аэротенк). Аэротенки бескислородной очистки называются «метантенками».
И в периодической, и проточной очистке, процесс разделяется на два основных этапа:
Ускорение процесса отстаивания – актуальная задача технологий водоочистки. Для её решения применяются самые различные методы. Например, в высокотехнологичных современных аэро- и метантенках отстаивание совмещено со процессами ультрафильтрации и мембранным разделением.
Химические способы
К химическим относится широкий спектр различных методов очистки воды, например: фильтрация, аэрация, флотация, сорбция, экстракция, эвапорация, озонация, ионообменная и электрохимическая очистка. В рамках очистки сточных вод от различных видов азотных загрязнений наибольшее применение находят озонация, электрохимическая и ионообменная очистка.
Озонацией называется процесс пропускания через массу воды газа озона (аллотропная модификация кислорода). Из-за нестабильности молекулы озона, он оказывает мощное окислительное воздействие на многие вещества, в том числе и соединения азота. В результате окисления аммонийного азота происходит его превращение в нитраты (больше) и нитриты (меньше). Данный метод наиболее эффективен для очистки вод с повышенным содержанием аммонийной формы азота.
Электрохимическая очистка – процесс восстановления или окисления соединений азота на специальных электродах. В результате прохождения электрохимических реакций, различные формы азота в воде могут переходить друг в друга, что позволяет регулировать содержание как общего, так и отдельных видов азотистых загрязняющих соединений.
Ионообменные процессы протекают по схожему принципу, но, в отличие от электрохимических, они зачастую не требуют подачи электрического тока, ведь электрохимические превращения происходят из-за наличия в полимерных ионообменных материалах функциональных групп – ионитов. Тем не менее, этот метод достаточно сложен, поскольку заряд ионита определяется химической природой выбранного ионообменного материала и не может быть изменён. Также, ионообменные полимеры достаточно дороги в производстве, что накладывает определённые ограничения на их применение.
Перспективное направление развития технологий водоочистки – разработка электродов, покрытых ионообменными полимерами. Их применение позволяет совместить лучшие стороны обоих процессов.
