Ciência

Fixação de nitrogênio

Aprenda como as bactérias fixadoras de nitrogênio fixam nitrogênio e também como ele beneficia os agricultores na agricultura. Uma visão geral da fixação de nitrogênio. Open University (um parceiro editorial da Britannica) Veja todos os vídeos para este artigo

Fixação de nitrogênio , qualquer processo natural ou industrial que causa nitrogênio livre (N_dois), que é relativamente gás inerte abundante no ar, para combinar quimicamente com outros elementos para formar nitrogênio mais reativo compostos tal como amônia , nitratos ou nitritos.

Em condições normais, o nitrogênio não reage com outros elementos. No entanto, os compostos nitrogenados são encontrados em todos os solos férteis, em todos os seres vivos, em muitos alimentos, em carvão , e em produtos químicos naturais como nitrato de sódio (salitre) e amônia. O nitrogênio também é encontrado no núcleo de todas as células vivas como um dos componentes químicos da GOTA .

ciclo do nitrogênio A fixação do nitrogênio é o processo pelo qual o nitrogênio atmosférico é convertido por um meio natural ou industrial em uma forma de nitrogênio, como a amônia. Na natureza, a maior parte do nitrogênio é colhida da atmosfera por microorganismos para formar amônia, nitritos e nitratos que podem ser usados pelas plantas. Na indústria, a amônia é sintetizada a partir do nitrogênio atmosférico e do hidrogênio pelo método Haber-Bosch, processo que Fritz Haber desenvolveu por volta de 1909 e que logo depois foi adaptado para produção em larga escala por Carl Bosch. A amônia produzida comercialmente é usada para fazer uma ampla variedade de compostos de nitrogênio, incluindo fertilizantes e explosivos. Encyclopædia Britannica, Inc.

Fixação de nitrogênio na natureza

O nitrogênio é fixado, ou combinado, na natureza como óxido nítrico derelâmpagoe raios ultravioleta, mas quantidades mais significativas de nitrogênio são fixadas como amônia, nitritos e nitratos pelos microrganismos do solo. Mais de 90 por cento de toda a fixação de nitrogênio é efetuada por eles. Dois tipos de microrganismos fixadores de nitrogênio são reconhecidos: bactérias de vida livre (não simbióticas), incluindo as cianobactérias (ou algas verde-azuladas) Anabaena e Nostoc e gêneros como Azotobacter , Beijerinckia , e Clostridium ; e bactérias mutualísticas (simbióticas), como Rhizobium , associado com plantas leguminosas , e vários Azospirillum espécie, associada a gramíneas de cereais .

As bactérias simbióticas fixadoras de nitrogênio invadem os pêlos das raízes das plantas hospedeiras, onde se multiplicam e estimulam a formação de nódulos radiculares, aumento de células vegetais e bactérias em íntimo Associação. Dentro dos nódulos, a bactéria converte nitrogênio livre em amônia, que a planta hospedeira utiliza para seu desenvolvimento. Para garantir a formação de nódulos suficiente e o crescimento ideal de leguminosas (por exemplo, alfafa, feijão,trevos, ervilhas e soja), as sementes são geralmente inoculadas com culturas de apropriado Rhizobium espécies, especialmente em solos pobres ou sem a bactéria necessária. ( Veja também ciclo do nitrogênio .)

nódulos de raiz As raízes de uma ervilha-de-inverno austríaca ( Pisum sativum ) com nódulos contendo bactérias fixadoras de nitrogênio ( Rhizobium ) Os nódulos radiculares se desenvolvem como resultado de uma relação simbiótica entre a bactéria rizobiana e os pelos da raiz da planta. John Kaprielian, The National Audubon Society Collection / Photo Researchers

Fixação industrial de nitrogênio

Materiais nitrogenados têm sido usados há muito tempo na agricultura como fertilizantes , e no decorrer do século 19 a importância do nitrogênio fixado para o crescimento das plantas foi cada vez mais compreendida. Consequentemente, a amônia liberada na fabricação de coque de carvão foi recuperada e utilizada como um fertilizante , assim como depósitos de nitrato de sódio (salitre) do Chile. Onde quer que a agricultura intensiva fosse praticada, surgia uma demanda por compostos de nitrogênio para suplementar o suprimento natural do solo. Ao mesmo tempo, a quantidade crescente de salitre do Chile costumava fazer pólvora levou a uma busca mundial por depósitos naturais deste nitrogênio composto . No final do século 19, estava claro que as recuperações da indústria de carbonização do carvão e a importação de nitratos chilenos não poderiam atender às demandas futuras. Além disso, percebeu-se que, no caso de uma grande guerra, uma nação sem o abastecimento chileno logo seria incapaz de fabricar munições em quantidades adequadas.

Durante a primeira década do século 20, esforços intensivos de pesquisa culminaram no desenvolvimento de vários processos comerciais de fixação de nitrogênio. As três abordagens mais produtivas foram a combinação direta de nitrogênio com oxigênio , a reação do nitrogênio com o carboneto de cálcio e a combinação direta do nitrogênio com o hidrogênio. Na primeira abordagem, o ar ou qualquer outra mistura não combinada de oxigênio e nitrogênio é aquecida a uma temperatura muito alta e uma pequena porção da mistura reage para formar o gás óxido nítrico. O óxido nítrico é então quimicamente convertido em nitratos para uso como fertilizantes. Em 1902, geradores elétricos estavam em uso em Cataratas do Niágara , New York, para combinar nitrogênio e oxigênio nas altas temperaturas de um arco elétrico. Este empreendimento fracassou comercialmente, mas em 1904 Christian Birkeland e Samuel Eyde da Noruega usaram um método de arco em uma pequena fábrica que foi a precursora de várias fábricas maiores e comercialmente bem-sucedidas que foram construídas na Noruega e em outros países.

O processo de arco, no entanto, era caro e inerentemente ineficiente no uso de energia, e logo foi abandonado por processos melhores. Um desses métodos usou a reação de nitrogênio com carboneto de cálcio em altas temperaturas para formarcianamida de cálcio, que hidrolisa em amônia e ureia . O processo de cianamida foi utilizado em grande escala por vários países antes e durante a Primeira Guerra Mundial, mas também consumia muita energia e, em 1918, o processo Haber-Bosch o tornou obsoleto.

O Processo Haber-Bosch sintetiza diretamente a amônia a partir do nitrogênio e hidrogênio e é o processo de fixação de nitrogênio mais econômico conhecido. Por volta de 1909, o químico alemão Fritz Haber apurado que o nitrogênio do ar poderia ser combinado com hidrogênio sob pressões extremamente altas e temperaturas moderadamente altas na presença de um ativo catalisador para produzir uma proporção extremamente alta de amônia, que é o ponto de partida para a produção de uma ampla gama de compostos de nitrogênio. Este processo, feito comercialmente viável por Carl Bosch, passou a ser chamado de processo Haber-Bosch ou o sintético processo de amônia. O sucesso da Alemanha neste processo durante a Primeira Guerra Mundial levou a uma rápida expansão da indústria e à construção de fábricas semelhantes em muitos outros países após a guerra. O método Haber-Bosch é agora um dos maiores e mais básicos processos da indústria química em todo o mundo.