T3.2 Nitrogenkredsløbet

NoteDet skal du kunne
  • finde oxidationstallet for nitrogen i ammonium, nitrogen, nitrit og nitrat
  • beskrive fiksering, nitrifikation og denitrifikation
  • afgøre, om nitrogen bliver oxideret eller reduceret i hver proces
  • afstemme en redoxreaktion fra kredsløbet med oxidationstal
  • forklare, hvorfor der normalt kun er lidt nitrit i jord og vand

Et nitrogenatom kan i løbet af få år sidde i luften, i en kløverplante, i en ko, i gyllen på en mark og i vandet i en fjord. Undervejs skifter det mellem stoffer, hvor det har vidt forskellige oxidationstal. Næsten alle skiftene er redoxreaktioner, og de fleste bliver udført af bakterier.

Siden bygger på oxidationstal og afstemning fra afsnit 8.3 og 8.4 i bogen til C-niveau.

Nitrogen har mange oxidationstal

Figur 1: Nitrogens oxidationstal i fem stoffer fra kredsløbet.

Oxidationstallene findes med reglerne fra afsnit 8.3. Hydrogen har +I, og oxygen har −II. I en ion er summen af oxidationstallene lig med ionens ladning.

Stof Formel Regnestykke Oxidationstal for N
ammonium NH4+ N + 4 · (+1) = +1 −III
nitrogen N2 et grundstof har 0 0
nitrit NO2− N + 2 · (−2) = −1 +III
nitrat NO3− N + 3 · (−2) = −1 +V

Stiger oxidationstallet, er nitrogen blevet oxideret. Falder det, er nitrogen blevet reduceret.

Kredsløbet

Figur 2: Nitrogenkredsløbet. Tallene er nitrogens oxidationstal.
Proces Det sker der Nitrogen bliver
fiksering N2 bliver til ammonium reduceret
nitrifikation ammonium bliver til nitrit og så til nitrat oxideret
denitrifikation nitrat bliver til N2 reduceret

Ved fiksering bliver nitrogen fra luften til ammoniak og ammonium. Det gør bakterier, som lever på rødderne af kløver, ærter og bønner. Det gør også fabrikkerne, der laver kunstgødning.

Planterne bygger nitrogenet ind i proteiner. Når planter og dyr dør, og når dyrene afleverer gødning, nedbryder bakterier proteinerne igen. Nitrogenet bliver til ammonium. Her ændrer oxidationstallet sig ikke, for nitrogen har −III både i proteinernes aminogrupper og i ammonium.

Nitrifikation

Ved nitrifikation oxiderer bakterier i jorden ammonium til nitrat. Det sker i to trin, og begge trin kræver oxygen.

2 NH4+(aq) + 3 O2(g) → 2 NO2−(aq) + 2 H2O(l) + 4 H+(aq)

2 NO2−(aq) + O2(g) → 2 NO3−(aq)

Figur 3: Oxidationstallene i første trin af nitrifikationen.

I første trin stiger nitrogen fra −III til +III. I andet trin stiger det videre til +V. Oxygen er oxidationsmidlet og falder fra 0 til −II.

Det andet trin går hurtigt. Nitrit når derfor næsten ikke at hobe sig op, før det er blevet til nitrat. Normalt er der kun ganske lidt nitrit i jord og vand.

Første trin danner hydroner. Jorden bliver derfor mere sur, når der bliver gødet med ammonium.

NoteEksempel: afstem første trin i nitrifikationen

Ammoniumioner reagerer med oxygen og bliver til nitritioner. Reaktionen sker i sur opløsning. Afstem reaktionsskemaet.

Trin 1: oxidationstal

Nitrogen har −III i NH4+ og +III i NO2−. Oxygen har 0 i O2 og −II efter reaktionen.

Trin 2: stigning og fald

Hvert nitrogenatom stiger 6. Hvert oxygenatom falder 2. Med 2 nitrogenatomer, der stiger 6 hver, bliver stigningen 12. Med 6 oxygenatomer, der falder 2 hver, bliver faldet også 12. Der skal altså 2 NH4+ og 3 O2 til venstre og 2 NO2− til højre.

Trin 3: ladning

\[ \begin{aligned} \text{ladning til venstre} &= 2 \cdot (+1) = +2 \\ \text{ladning til højre} &= 2 \cdot (-1) = -2 \end{aligned} \]

Der mangler 4 plusser til højre. Tilføj 4 H+ til højre.

Trin 4: hydrogen

\[ \begin{aligned} \text{antal H til venstre} &= 2 \cdot 4 = 8 \\ \text{antal H til højre} &= 4 \end{aligned} \]

Der mangler 4 H til højre. Tilføj 2 H2O til højre.

Trin 5: tjek oxygen

\[ \begin{aligned} \text{antal O til venstre} &= 3 \cdot 2 = 6 \\ \text{antal O til højre} &= 2 \cdot 2 + 2 = 6 \end{aligned} \]

Det passer. Skemaet er afstemt:

2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2− + 2 H2O + 4 H+

Denitrifikation

Nogle steder er der ikke oxygen: i vandmættet jord, i vådområder og på bunden af søer og fjorde. Her bruger nogle bakterier nitrat som oxidationsmiddel i stedet for oxygen. De reducerer nitrat til nitrogen, som bobler op og forsvinder ud i luften. Det kaldes denitrifikation.

Bakterierne får energi ved at oxidere organisk stof, fx rester af planter. Skrives det organiske stof forenklet som CH2O, ser reaktionen sådan ud:

5 CH2O + 4 NO3−(aq) + 4 H+(aq) → 5 CO2(g) + 2 N2(g) + 7 H2O(l)

Figur 4: Oxidationstallene ved denitrifikation.

Nitrogen falder fra +V til 0, og carbon stiger fra 0 til +IV.

Denitrifikation fjerner nitrat fra vandet og sender nitrogenet tilbage til luften. Det udnytter man. I rensningsanlæg og i anlagte vådområder langs åerne får bakterierne lov til at arbejde uden oxygen, så nitraten er væk, før vandet når fjorden.

Processen har en bagside. Undervejs dannes der lidt lattergas, N2O, som er en kraftig drivhusgas. Den kan du læse om på siden Tema: Klima i bogen til C-niveau.

NoteKort sagt
  • Nitrogen har oxidationstallet −III i ammonium, 0 i N2, +III i nitrit og +V i nitrat.
  • Ved fiksering bliver N2 reduceret til ammonium.
  • Ved nitrifikation oxiderer bakterier ammonium til nitrit og videre til nitrat. Det kræver oxygen.
  • Nitrit bliver hurtigt til nitrat, så der normalt kun er lidt nitrit i jord og vand.
  • Ved denitrifikation reducerer bakterier nitrat til N2, hvor der ikke er oxygen.

Prøv selv: Oxidationstal: øv reglerne for oxidationstal.

Prøv selv: Afstem redoxreaktioner: øv de fem trin i afstemningen.

Se alle opgaver til emnet “Nitrogenkredsløbet” (T3.2)