l'azoto e le sue specie chimiche

 

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L'azoto è un gas inodore, incolore, non velenoso e non combustibile.

La scarsa affinità dell'azoto per gli altri elementi è dovuta al fatto che nella molecola biatomica di azoto il triplo legame che unisce i due atomi è molto stabile.

L'energia di dissociazione è di 941 kJ per mole, quasi il doppio di quella della molecola di ossigeno.

Dal punto di vista geochimico è praticamente inerte ed è il gas più abbondante dell'atmosfera (78% in volume) (capacità dei comparti dell'azoto).

Tutto questo azoto, come gli altri gas dell'atmosfera primordiale, deriva probabilmente dalla degassazione delle rocce (origine_dell’azoto).

L'azoto è presente in numerosi composti inorganici e composti organici ed è un elemento fondamentale nella biochimica dei viventi (ciclo biologico dell'azoto)

La sua valenza è molto variabile: l'elemento può assumere infatti tutti i numeri di ossidazione da un massimo di +5 a un minimo di -3 (stati_di_ossidazione_dell’azoto).

 

 

 


Origine dell'azoto

Vi sono validi motivi per ritenere che le atmosfere primordiali fossero costituite essenzialmente da vapor acqueo, anidride carbonica e azoto (oltre 4 miliardi di anni fa).

L'azoto è divenuto il componente dominante dell'atmosfera terrestre poiché si è progressivamente accumulato in essa, data la sua inerzia chimica e la sua bassa solubilità in acqua.

Contemporaneamente sono scomparsi i contributi di ammoniaca e metano, si è ridotta la quantità di anidride carbonica e, con l'avvento di organismi fotosintetici, è aumentata la quantità di ossigeno fino a raggiungere i livelli attuali (20%).

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Composti inorganici dell'azoto

I principali composti inorganici sono ossidi, acidi, sali; inoltre un composto importante è l'ammoniaca NH3.

Gli ossidi dell'azoto sono N2O, NO, NO2, N2O3, N2O5.

Di questi, alcuni hanno carattere di anidride (N2O3, N2O5) e con acqua danno gli acidi nitroso HNO2 e nitrico HNO3.

L'acido nitrico è il più importante composto ossigenato dell'azoto.

E' un acido forte ed un ossidante energico.

A causa dell'elevata solubilità_dei_nitrati, lo ione_nitrato è presente nelle acque e nelle soluzioni circolanti nel suolo.

 

 

 


Solubilità dei nitrati

Normalmente i nitrati sono molto più solubili di altri sali.

Riportiamo, come esempio, le solubilità, a 20°C e a 60°C, espresse in g/l, per alcuni sali contenenti cationi molto comuni come Na, K, Ca:

Sale

20°C

60°C

NaCl

35,8

37,1

Na2CO3

21,4

46,4

NaNO3

88,0

124,6

KCl  

34,0

45,5

KNO3

31,6

110,0

CaCl2

75,4

136,8

Ca(NO3)2

129,3

281,5

 

 


Ione nitrato

Lo ione nitrato rappresenta il substrato nutritivo azotato più importante per le piante, i funghi ed alcuni generi di batteri.

Infatti, nella maggior parte dei casi, specialmente dove la nitrificazione è abbondante, esso costituisce la sola sorgente di azoto utilizzabile. Inoltre, possedendo carica negativa, circola nel terreno e raggiunge facilmente le radici a differenza dello ione ammonio che, possedendo invece carica positiva, viene parzialmente bloccato dalle particelle di argilla.

I depositi di nitrati, che sono dovuti solo a mineralizzazione di escrementi, costituiscono il guano.

Questo si forma da depositi di escrementi di uccelli marini e, più che come riserva di azoto, è importante come  riserva di fosfato inorganico che dal mare ritorna alla terraferma, cioè in ciclo; i giganteschi depositi di guano sulle coste del Perù sono correntemente utilizzati dall'uomo per i concimi.

Questo trasferimento di fosforo mediato dagli uccelli sta continuando, ma con una velocità inferiore a quella del passato, perciò questa modalità di ritorno del fosforo alla terraferma è attualmente insufficiente per rimpiazzare il fosforo che dalla terraferma torna al mare.

 

 

 


Argilla

Le argille costituiscono una famiglia di minerali che hanno accompagnato tutta la storia della civiltà (basti pensare al loro uso per costruire vasellame in tutti i paesi del mondo).

Sono silicati che provengono da erosione e decomposizione di rocce ignee.

Per esempio la caolinite Al2(OH)4Si2O5 , può provenire dal feldspato KAlSi3O8 secondo la reazione:

2 KAlSi3O8 + CO2 + 2 H2O ® Al2(OH)4Si2O5 + 4 SiO2 + K2CO3

Hanno la proprietà di assorbire notevoli quantità di acqua (poiché possiedono cavità adeguate o spazi tra gli strati di SiO2) e di scambiare i propri ioni con altri che vengano trasportati al loro interno dall'acqua.

 

 


Ammoniaca

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L'ammoniaca è il più importante dei composti idrogenati dell'azoto. La sua fissazione è basata sulla sintesi diretta da idrogeno e azoto:

N2 + 3 H2 ® 2 NH3

L'ammoniaca si scioglie molto facilmente in acqua, rendendo la soluzione alcalina per la formazione di idrossido d'ammonio NH4OH.

E' di particolare interesse per l'ecologia dei corpi idrici la dipendenza, dal pH del mezzo, delle forme di azoto_ammoniacale_nell’acqua.

 

 

L'ammoniaca è materia prima per preparare urea e acido nitrico.

Da essa derivano sali ammonici come il solfato e il nitrato che, insieme all'urea, sono importanti fertilizzanti.

 

 


pH

Per misurare l'acidità di una soluzione acquosa, cioè la sua concentrazione di ioni H+, (o più correttamente di protoni solvatati, simboleggiati da H3O+), si utilizza il pH, definito come il logaritmo decimale della concentrazione molare degli ioni idrogeno, con segno negativo.

p è l'operatore matematico -lg, perciò                  pH=-lg[H3O+]               pOH=-lg[OH-]

pH=pOH=7 corrisponde alla neutralità

A 25°C è sempre pH+pOH=14.

Le scale non hanno come limiti 0 e 14, che corrispondono semplicemente a soluzioni 1 molari di acido forte (pH=0) e base forte (pH=14). Infatti una soluzione 10 molare di HCl ha infatti pH=-1 e pOH=15.

SCALAPH.bmp (61798 byte)

 

 

 


Azoto ammoniacale nell'acqua

 

E' nota la tossicità dell'ammoniaca per tutti gli organismi viventi.

 

 

Mentre a pH molto alcalino quasi tutto l'azoto ammoniacale è presente nella forma indissociata NH3, fortemente tossica, a pH 7,5 quasi tutto l'azoto ammoniacale è presente come ione ammonio NH4+, forma assai meno tossica.

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Urea

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L'urea è un semplice composto che si può considerare sia organico (è anche un prodotto del metabolismo animale), sia inorganico, tanto che la sua sintesi da cianato di ammonio, effettuata per la prima volta da Woehler nel 1828 è partita appunto da una sostanza inorganica.

L'urea è stata infatti allora ottenuta per riarrangiamento termico di NH4CNO, a sua volta prodotto da NH4Cl e AgCNO:

NH4Cl + AgCNO ® NH4CNO + AgCl ¯

(Il simbolo ¯ significa che quella sostanza precipita essendo poco solubile).

Sotto l'effetto del calore:

NH4CNO ® O=C(NH2)2

Notare che NH4CNO e O=C(NH2)2 sono isomeri, essendo formati dagli stessi atomi, ma legati in modo diverso.

L'urea viene comunemente usata come fertilizzante azotato.

 

 

 

 


Composti organici dell'azoto

L'azoto è un componente di molecole di importanza fondamentale dal punto di vista biologico, come le proteine, e gli acidi_nucleici; inoltre è presente anche in alcune vitamine, negli amminozuccheri e in alcuni lipidi.

Proteine ed acidi nucleici diversi si differenziano per le diverse sequenza e disposizione nello spazio dei monomeri: organismi enormemente diversi per forme e dimensioni sono costruiti e funzionano in base alle diversa combinazione di soli venti amminoacidi e quattro nucleotidi, presenti in tutti gli organismi.

Nel primo caso la combinazione porta alla formazione delle proteine, nel secondo degli acidi nucleici.

La funzione di queste macromolecole e la loro complessità sono legate alla struttura ordinata che i componenti assumono all'interno del polimero.

Questa diversità morfologica e chimica rende possibile l'esistenza dei viventi permettendo le diverse reazioni nei processi che ne sono alla base.

 

 


Proteine

Le proteine sono combinazioni lineari di soli 20 amminoacidi.

Lo scheletro (backbone) della catena è costituito da una sequenza di legami peptidici (-CO-NH-CHR-) conseguente alla policondensazione degli amminoacidi.

 

Nella figura, lungo la linea chiara è possibile individuare il backbone costituito, partendo da sinistra, dalla sequenza -N-C-C-N-C-C-...

 

Rn indicano catene alifatiche o sostituenti diversi.

STRUPRO.bmp (81718 byte)

 

 


Amminoacidi

Gli amminoacidi presenti nelle proteine sono solo 20. Eppure le proteine sono moltissime e con funzioni enormemente diverse tra loro.

Sono tutti raggruppabili nella formula generale H2N-CHR-COOH, in cui R rappresenta un gruppo diverso per ogni amminoacido; soltanto la Prolina si differenzia dagli altri poiché uno dei due H legati ad N è sostituito da un legame con una catena (CH2)3 che si chiude ad anello sul CH.

Possiamo perciò individuare ogni amminoacido dal gruppo R.

In base alle caratteristiche di R (che condizionano la polarità dell'amminoacido) possiamo suddividerli in due classi:

amminoacidi_non_polari e amminoacidi_polari.

 

 

 


Amminoacidi non polari

nome

Alanina

sigla

ala

-R

-CH3

Un clic sul nome permette di vedere la struttura dell'amminoacido

Valina

val

-CH(CH3)2

 

Leucina

leu

-CH2CH(CH3)2

 

Isoleucina

ile

-CH(CH3)CH2CH3

 

Prolina

pro

-CH2CH2CH2-

 

Fenilalanina

phe

-CH2C6H5

 

Triptofano

trp

-CH2-C8H6N

 

Metionina

met

-CH2CH2SCH3

 

 

 


Amminoacidi polari

nome

Glicina

sigla

gly

-R

-H

Un clic sul nome permette di vedere la struttura dell'amminoacido

Serina

ser

-CH2OH

 

Treonina

thr

-CH(OH)CH3

 

Cisteina

cys

-CH2SH

 

Tirosina

tyr

-CH2C6H4OH

 

Asparagina

asn

-CH2CONH2

 

Glutammina

gln

-CH2CH2CONH2

 

Istidina

his

-CH2C3H3N2

 

Lisina

lys

-CH2CH2CH2CH2NH2

 

Arginina

arg

-CH2CH2CH2NHC(NH)NH2

 

acido_aspartico

asp

-CH2COOH

 

acido_glutammico

glu

-CH2CH2COOH

 

 


Alanina

R= -CH3

ala.bmp (43062 byte)

 

 


Valina

R= -CH(CH3)2

VAL.bmp (43062 byte)

 

 


Leucina

R= -CH2CH(CH3)2

LEU.bmp (41750 byte)

 


Isoleucina

R= -CH(CH3)CH2CH3

ILE.bmp (41750 byte)

 

 


Prolina

R= -CH2CH2CH2-

PRO.bmp (43062 byte)

 


Fenilalanina

R= -CH2C6H5

phe.bmp (43062 byte)

 


Triptofano

R= -CH2-C8H6N

trp.bmp (43062 byte)

 


Metionina

R= -CH2CH2SCH3

met.bmp (41750 byte)

 


Glicina

R= -H

gly.bmp (43062 byte)

 


Serina

R= -CH2OH

ser.bmp (41750 byte)

 


Treonina

R= -CH(OH)CH3

thr.bmp (41750 byte)

 


Cisteina

R= -CH2SH

cys.bmp (41750 byte)

 


Tirosina

R= -CH2C6H4OH

tyr.bmp (43062 byte)

 


Asparagina

R= -CH2CONH2

asn.bmp (41750 byte)

 


Glutammina

R= -CH2CH2CONH2

gln.bmp (41750 byte)

 


Istidina

R= -CH2C3H3N2

his.bmp (43062 byte)

 


Lisina

R= -CH2CH2CH2CH2NH2

lys.bmp (41750 byte)

 


Arginina

R= -CH2CH2CH2NHC(NH)NH2

arg.bmp (41750 byte)

 


Acido aspartico

R= -CH2COOH

asp.bmp (41750 byte)

 


Acido glutammico

R= -CH2CH2COOH

glu.bmp (41750 byte)

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Stati di ossidazione dell'azoto

 

 

 

 

 

E' da notare l'abbondanza di forme chimiche in cui si può presentare l'azoto, assumendo tutti i possibili stati di ossidazione, da +5 a -3.

noxazo.bmp (101010 byte)

 

 


Fertilizzanti

I fertilizzanti sono complessi di sostanze naturali o sintetiche, minerali o organiche, che conferiscono maggiore fertilità al terreno.

Se ne migliorano le proprietà chimiche, fisiche, biologiche e meccaniche, si chiamano ammendanti.

Se forniscono elementi chimici nutritivi (in particolare N, P, K), sono chiamati concimi.

 

 


Concimi

Sono fertilizzanti che forniscono elementi chimici nutritivi al terreno.

Si possono utilizzare concimi semplici, con un solo principio nutritivo, come nel caso dei concimi_fosfatici o concimi azotati, oppure concimi_complessi, contenenti due o più elementi nutritivi.

Il titolo dei concimi indica la quantità percentuale di elemento nutritivo che può ritenersi assimilabile da parte delle piante.

Si esprime convenzionalmente in azoto totale per l'azoto, in P2O5 per il fosforo, in K2O per il potassio.

 

 


Concimi fosfatici

Possono contenere diversi componenti_fosfatici e si differenziano, oltre che per il contenuto in fosforo, anche per la loro solubilità.

Vengono assorbiti rapidamente dal terreno mediante processi chimici o chimico-fisici.

Entro il limite di saturazione non subiscono dilavamento, ma oltre questo limite il fosfato non assorbito dalle piante e non trattenuto dal terreno, viene trasportato dall'acqua negli alvei naturali, dove contribuisce all'eutrofizzazione assieme ai composti azotati.

 

 


Componenti fosfatici

I composti del fosforo nei concimi sono acido fosforico H3PO4, fosfato sodico Na3PO4, potassico K3PO4 e monocalcico Ca(H2PO4)2, che sono solubili in acqua;

inoltre fosfato bicalcico Ca2(HPO4)2 che è poco solubile ma nel contesto della rizosfera è abbastanza solubilizzabile; e ancora il fosfato tricalcico Ca3(PO4)2, insolubile, ma utilizzabile comunque in particolari condizioni ambientali.

Si possono raggruppare secondo la tabella seguente:

TIPO

MATERIE PRIME

TITOLO

fosfati organici

farina d'ossa

22-27

fosfati naturali

apatiti e fosforiti

25-28

fosfati metallurgici

scorie processo Thomas

16-18

fosfati chimici

superfosfato minerale

18-20

 

superfosfato arricchito

24-26

 

superfosfato arricchito

34-36

 

superfosfato concentrato

36-38

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Rizosfera

E' quella specifica parte della biosfera in cui vivono ed esplicano la loro attività le radici (il termine "riza", radice, viene dal greco), cioè gli organi delle piante deputati all'assorbimento delle sostanze nutritive dal terreno.

 

In figura una sezione di radice in cui sono visibili i peli radicali, attraverso i quali avviene lo scambio col terreno.

Tuberco3.bmp (46390 byte)

 

 


Concimi complessi

Sono concimi che contengono principi nutritivi diversi in rapporti adatti a soddisfare le esigenze delle piante cui sono destinati; perciò, a parità del numero di elementi nutritivi, i titoli di ciascuno di essi possono essere diversi.

N014.bmp (11638 byte)

Si usano, generalmente, concimi_complessi_binari e concimi_complessi_ternari, che contengono azoto, fosforo e potassio in percentuali varie.

Il loro titolo è espresso con tre numeri (per esempio 15-20-15) che indicano, in sequenza, i titoli di azoto totale, di fosforo espresso come P2O5, di potassio, espresso come K2O.

 

 


Concimi complessi binari

Si possono distinguere in:

- fosfoammonici, a base di fosfato biammonico (NH4)2HPO4, che fornisce sia azoto sia fosforo;

- azopotassici, a base di nitrato di potassio KNO3, che fornisce sia potassio sia azoto;

- fosfopotassici, a base di fosfato bipotassico K2HPO4 o di metafosfato di potassio (KHPO3)4.H2O, che forniscono sia potassio sia fosforo.

 

 


Concimi complessi ternari

Contengono tutti e tre gli elementi nutritivi: azoto, fosforo, potassio.

Si ottengono industrialmente per attacco dei fosfati naturali con acido nitrico;

il prodotto grezzo subisce successivamente neutralizzazione con ammoniaca;

si aggiunge infine potassio sotto forma di cloruro o di solfato, in modo da completare la terna dei nutrienti.

 

 


Fertilità

Viene definita fertilità l'attitudine di un terreno a produrre un raccolto.

La fertilità dipende da vari fattori.

Si possono distinguere diversi tipi di fertilità:

- fertilità biologica, di cui è responsabile una elevata carica di microorganismi presenti nel terreno;

- fertilità chimica, dovuta essenzialmente agli elementi nutritivi presenti, al pH, alla capacità di scambio cationico;

- fertilità fisica, che dipende da tessitura e struttura del terreno.

 

 

 

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