چرخه اکسیژن و نیتروژن

چرخه اکسیژن و نیتروژن

چرخه اکسیژن

اکسیژن برای بیشتر موجودات زنده حیاتی و لازم است . حیوانات اکسیژن را ازاتمسفر تنفس می کنند ، و گیاهان از طریق برگهایشان آن را جذب می کنند . هردوی این موجودات از طریق مراحل تنفس برای آزاد کردن انرژی موجود در غذایمصرف شده جهت تامین فعالیتهای حیاتی ، از اکسیژن استفاده می کنند. گیاهانو حیوانات همیشه اکسیژن مصرف می کنند ، با این تفاوت که گیاهان فقط در طولشب آن را مصرف می کنند ، در روشنایی روز ، گیاهان فتوسنتزی سریعتر اززمانی که اکسیژن را مصرف می کنند ، ان را ازاد می کنند . این چرخه اکسیژنبین تنفس و فتوسنتز باعث می شود تا میزان اکسیژن در هوا ثابت بماند
چرخه نیتروژن

نیتروژن یک بخش اساسی در ساختمان همه موجودات زنده است. نیتروژن درپروتئین ها، واحدهای ساختاری و شیمیایی همه موجودات زنده ، و در مولکولهایDNA ، که دستورات راهنمای ضروری برای همه فعالیتهای زندگی را حمل میکنند،یافت می شود.
هر چند نیتروژن 80 درصد اتمسفر را تشکیل می دهد ، حیوانات و گیاهان نمیتوانند مستقیماَ از آن استفاده کنند . باکتریهای موجود در خاک در رابطه باچرخه مجدد نیتروژن از طریق تبدیل آن به شکلی که برای موجودات زنده دیگرقابل استفاده باشد ، نقش حیاتی بازی می کنند. هنگامی که گیاهان و حیواناتمی میرند ، باقیمانده اجساد انها بوسیله موجودات ذره بینی موجود در خاک ،تجزیه می شود و ترکیبات نیتروژن درست می شود.

این ترکیبات همچنین توسط رعدوبرق درهواایجاد می شوند.این ترکیبات به هنگامباران در آب حل شده ، و در خاک جذب می شوند . دردرون خاک،باکتریهای نیتراتکننده این ترکیبات نیتروژنی را به نیترات تبدیل می کنند،که توسط گیاهانازطریق ریشه جذب می شوند حیوانات با خوردن گیاهان نیتروژن بدست می آورندباکتریهای تجزیه کننده نیتروژن ،نیتروژن را مستقیماَ از هوا دریافت کرده ونیترات درست می کند.انها ازریشه نخود فرنگی لوبیا و گیاهان دیگر تغذیه میکنند باکتریهای تجزیه کننده نیترات این مراحل را بر عکس انجام می دهند .انها برای تامین انرژی از نیترات استفاده می کنند و نیتروژن را مجددا بههوا باز می گردانند.
تثبیت نیتروژن

79 درصد از هوای پیرامون ما را نیتروژن تشکیل میدهد. این عنصر ، برایایجاد آمینو اسیدها و پروتئینها عنصری ضروری است. نیتروژن به عنوان یکیاز گازهای تشکیلدهنده جو ، خنثی است و بیشتر از آن که این گاز در دسترسگیاهان یا گونههای حیوانات قرار گیرد، باید به صورت ترکیبی شیمیایی تثبیتشود.

عوامل موثر در تثبیت نیتروژن

نیتروژن در طبیعت میتواند به کمک تابش کیهانی ، از بقایای شهابسنگها ،یا بر اثر انرژی فراوان آذرخش که برای اتصال سریع مولکولها ضرورت دارد، بااکسیژن یا هیدروژن آب ترکیب شود. بعضی موجودات زنده دریایی و تعدادی ازمیکرو ارگانیسمها از لحاظ توانایی تثبیت نیتروژن آزاد ، استثنایی هستند وبسیاری از گیاهان خانواده نخود ، بر روی ریشههای خود واجد گروههایی هستندکه میکرو ارگانیسمهایی از جنس ریزوبیوم در آنها قرار دارد. ریزوبیوم ،ترکیبات نیتروژندار محرک رشد را برای گیاهان سبز فراهم میآورد.

اهمیت نیتروژن

نیتروژن شالوده نیترو سلولز (Nitrocelluose) ، جسم پنبهای که از تاثیراسید سولفوریک و اسید نیتریک بر سلولز حاصل میشود و در تهیه مواد منفجره، کلوئیدها و پلاستیکها بکار میرود، نیترو گلیسرین (Nitroglocerine) ،مایع زرد کم رنگی که بر اثر ضربه یا تماس ناگهانی منفجر میشود و در تهیهدینامیت و ژلاتین انفجاری بکار میرود و در پزشکی از آن به عنوان عامل بازکننده رگها استفاده میشود ، ترینیترو تولوئن (TNT یا Tri nitro toluene)، ترکیب متلبور زرد کم رنگی که به عنوان ماده منفجره به کار میرود راتشکیل میدهد.

روز پایان جهان

در پایان قرن نوزدهم ، سر ویلیام کروکز ، شیمیدان بریتانیایی ، تصویری ازروز پایان جهان ترسیم کرد که در آن ، به دلیل فقدان نیتروژن تثبیت شده ،تولید مواد غذایی مقدور نبود. این موضوع مربوط به دورانی بود که ذخایرنیتروژن شیلی ، به عنوان منبع اصلی کودهای شیمیایی و مواد منفجره به مصرفرسید و تمام شد. این ذخایر که از فضولات تعداد کثیری پرندگان دریایی آنقسمت از جهان بوجود آمده است، به شدت مورد بهره برداری قرار گرفت و کروکزپیشبینی میکرد که با تلاشهایی که برای تغذیه جمعیت رو به افزایش کشورهایصنعتی به عمل میآید، ذخایر نیترات آلی شیلی تمام خواهد شد.

تثبیت نیتروژن به کمک کاتالیزور

در اوایل قرن بیستم ، دو شیمی فیزیکدان آلمانی ، "فریتز هابر" (FritzHaber) و "کارل بوش" (Karl Bosch) ، فرایند تثبیت نیتروژن به کمککاتالیزور را ابداع کردند. در روش اصلی ابداعی این دانشمندان ، نیتروژن وهیدروژن جو از محیطی با 900 درجه فارینهایت (500 درجه سانتیگراد) و فشارچند صد اتمسفر در مجاورت کاتالیزور نیکل ، عبور داده شده ، به آمونیاکتبدیل میشد.

در کارخانههای بسیار پیشرفته امروزی ، هیدروژن که پایه اصلی این واکنش راتشکیل میدهد، از گاز طبیعی متان بدست میآید. متان و بخار آب ، گازی رابه وجود میآورند که از لحاظ هیدروژن ، غنی است. آنگاه نیتروژن جو ، مورداستفاده واقع میشود و اکسیژن همراه آن ، بر اثر احتراق جزئی متان بهمنواکسید کربن تبدیل و سپس منواکسید کربن در معرض بخار آب قرار میگیرد وبه دیاکسید کربن تغییر مییابد. ماده اخیر در فرایند جانبی تبدیل آمونیاکبه اوره ، با فرمول CO(NH2)2 ، بکار گرفته میشود

.

باقیمانده منواکسید کربن به متان تبدیل میشود. سپس نیتروژن و هیدروژن دردما و فشار زیاد و در مجاورت کاتالیزوری که از یک اکسید فلزی تشکیل یافتهاست، آمونیاک تشکیل میدهد و آمونیاک بر اثر واکنش با اکسیژن ، اسیدنیتریک تولید میکند. اسید نیتریک حاصل ، بر اثر ترکیب با آمونیاک ،نیترات آمونیم بوجود میآورد. ماده اخیر به عنوان کود ، مصرف فراوانیدارد. از طرف دیگر ، موجود ذرهبینی مستقر در گروگیا و نخودی ، همه عملیاتاخیر را برای گیاه انجام میدهد و نیترات آمونیم در اختیار آن قرار میدهد.

باکتری تثبیت کننده نیتروژن ، به کمک آنزیمی به نام نیتروژناز(Nitrogenase) ، کاری را که از دیدگاه مهندسی شیمی مستلزم وجود گرمای صددرجه و هزاران پوند فشار است، میتواند در دما و فشار معمولی انجام دهد.

شرایط تثبیت نیتروژن

تثبیت نیتروژن مستلزم سرمایهگذاری در زمینه انرژی است. ابتدا هر مولکولنیتروژن باید متلاشی و به دو اتم نیتروژن تبدیل شود و با شش اتم هیدروژندو مولکول آمونیاک (NH3) را بوجود میآورد. برای انجام این دو عمل اخیر ،147 کیلوکالری انرژی خالص ضروری است که از نظر صنعتی به معنی مصرف 6000کیلوکالری انرژی به ازای تثبیت هر کیلوگرم نیتروژن است.

آزمایشهای انجام شده بر روی محصولات کشاورزی ، نشان میدهد که افزایشمحصول به کمک مصرف هر کیلوگرم کود نیتروژندار ، معادل همان مقدار کالریمصرف شده برای تهیه کود ، کالری غذا را افزایش میدهد.

تولیدکنندگان غیر صنعتی نیتروژن تثبیت شده

تولیدکنندگان عمده غیر صنعتی نیتروژن تثبیت شده ، نخودیان یا گیاهان بنشنیهستند که عبارتند از باقلا ، لوبیای روغنی و یونجه. چنین گیاهانی باباکتریهای مستقر در گرههای ریشه خود مشارکت کردهاند. تثبیت نیتروژن بهطریق همزیستی و مشارکت از نوع یاد شده ، به عناصر کمیاب از قبیل مولیبدنیا کبالت ( که تقریبا همان نقش کاتالیزور فلزی اکسیده در تولید صنعتی رابه عهده دارند ) نیاز ویژه دارد. در ترکیب آنزیم نیتروژناز علاوه برباکتریهای همزیست ، باکتریهای مستقلی نظیر آزتو باکتر (Azeto bacter) هموجود دارند که نیتروژن تثبت شده را در اختیار چمنزارها قرار میدهد. درمحیط آبزیان ، کار تثبیت نیتروژن توسط جلبک سبز- آبی انجام میشود.

برچسب: نویسنده: امیرحسین ستوده بیدختی تاريخ: چهارشنبه 24 13 ساعت: 23:58

درباره سایت

آخرین مطالب

امکانات وب

چرخه اکسیژن و نیتروژن

صفحه بندی

آرشیو مطالب

پيوندهای روزانه

لینک دوستان

خبرنامه