Nitrogênio: Desequilíbrio na Natureza

O homem aumentou a oferta nos oceanos de nitrogênio disponível a organismos em quase 50%.
Além disso, tem influenciado gravemente os ciclos desse elemento químico na atmosfera e no solo do planeta.
O aumento tem sérias implicações para as mudanças climáticas,
uma vez que o nitrogênio em excesso aumenta a atividade biológica marinha e a absorção de dióxido de carbono, o que, por sua vez,
leva à produção de mais óxido nitroso, considerado ainda mais prejudicial ao aquecimento global do que o metano ou o próprio dióxido de carbono.
Que o homem tem interferido no ciclo de nitrogênio,
por meio do uso indiscriminado de fertilizantes na agricultura e da queima de combustíveis fósseis, é algo que já se sabia.
Mas os novos estudos são os primeiros a avaliar o impacto da produção antropogênica do elemento químico nos oceanos.
Muito do nitrogênio antropogênico se perde no ar, na água e no solo, causando problemas ambientais e de saúde humana em cascata.
Ao mesmo tempo, a produção de alimentos em algumas partes do mundo é deficiente em nitrogênio,
ressaltando as disparidades na produção de fertilizantes que contêm o elemento químico.
Aperfeiçoar a necessidade desse recurso importante ao homem e, ao mesmo tempo,
minimizar suas conseqüências negativas requerem uma abordagem interdisciplinar e o desenvolvimento de estratégias para diminuir os resíduos
que contenham nitrogênio.

ilustração: Processo Haber Bosch

Processo Haber-Bosch

O processo de Haber Bosch é uma reação entre nitrogênio e hidrogênio para produzir amoníaco. Esta reação é catalisada com o ferro, sob as condições de 250 atmosferas de pressão e uma temperatura de 450ºC:

N_2(g) + 3H_2(g) <–> 2NH_3(g) + energia

O processo foi desenvolvido por Fritz Haber e Carl Bosch em 1909 e patenteado em 1910. Foi usada pela primeira vez, à escala industrial, na Alemanha durante a Primeira Guerra Mundial. Para a produção de munição os alemães dependiam do nitrato de sódio importado do Chile, que era insuficiente e incerto. Por isso passaram a utilizar prontamente o processo de Haber para a produção de amoníaco. A amônia produzida era oxidada para a produção do ácido nítrico pelo processo Oswald e este utilizado para a produção de explosivos de azoto/nitrogênio, usados na produção de munições. Para a produção da amônia, o azoto/nitrogênio é obtido do ar atmosférico, e o hidrogênio como resultado da reação entre a água e o gás natural:

CH_4(g) + H₂O_(g) → CO_(g) + 3H_2(g)

Condições de equilíbrio do processo

A reação entre azoto/nitrogênio e hidrogênio é reversível, portanto, o rendimento na produção do amoníaco depende de algumas condições:

Temperatura: A formação do amoníaco é um processo exotérmico, ou seja, ocorre com libertação de calor. Sendo assim, baixas temperaturas favorecem a produção do NH₃ e o incremento da temperatura tende a deslocar o equilíbrio da reação no sentido inverso, de acordo com o Princípio de Le Chatelier. Por outro lado, a redução da temperatura diminui a velocidade da reação, portanto, uma temperatura intermédia é a ideal para favorecer o processo. Experiências demonstraram que a temperatura ideal é de 450ºC.

Pressão: A elevação da pressão favorece a formação do amoníaco, pois no processo ocorre uma diminuição de volume. Logo, o incremento da pressão aumenta o rendimento de formação do produto, mas por outro lado este incremento deve ser economicamente viável, ou seja, não deve tornar os custos de produção demasiado elevados. A pressão considerada tecnicamente e economicamente viável é de 200 atmosferas.

Catalisador: A catalisadora não afeta o equilíbrio, porém, acelera a velocidade da reação para atingir o equilíbrio. A adição de um catalisador permite que o processo se desenvolva favoravelmente em temperaturas mais baixas. No início, para a reação Haber-Bosch, usava-se o ósmio e urânio como catalisadores. Atualmente, utiliza-se de maneira extensiva o ferro. O processo Haber foi adotado inicialmente para as necessidades militares. Atualmente, metade do total do nitrogênio é usada para a produção de fertilizantes utilizados na agricultura.

A síntese da amônia foi usada na primeira guerra mundial pela Alemanha, por conta disso ele foi à percussora dela, pois com a síntese era possível fabricar bombas, já que a importação da amônia não seria mais possível.

ilustração: Ciclo do Nitrogênio

Nitrogênio...

Fixação Biológica: Algumas bactérias têm a capacidade de capturar moléculas de nitrogênio (N2) e transformá-las em componentes úteis para os restantes seres vivos.
Entre estas, existem bactérias que estabelecem uma relação de simbiose com algumas espécies de plantas (leguminosas) e
bactérias que vivem livres no solo. A simbiose é estabelecida através do consumo de amoníaco por parte das plantas;
amoníaco este que é produzido pelas bactérias que vivem nos caules das mesmas plantas.

Fixação Atmosférica: A fixação atmosférica ocorre através dos relâmpagos, cuja elevada energia separa as moléculas de nitrogênio e permite que os seus átomos se liguem
com moléculas de oxigénio existentes no ar formando monóxido de nitrogênio (NO).
Este é posteriormente dissolvido na água da chuva e depositado no solo.

A fixação atmosférica contribui com cerca de 58% de todo o nitrogênio fixado.


Fixação Industrial: Através de processos industriais (nomeadamente o processo de Haber-Bosch) é possível produzir amoníaco (NH3) a partir de azoto (N2) e hidrogénio (H2).
O amoníaco é produzido principalmente para uso como fertilizante cuja aplicação sustenta cerca de 40% da população mundial.

Combustão de combustíveis fósseis: A combustão decorrente dos motores dos automóveis e de centrais de energia liberta monóxido e dióxido de azoto (NOx).
Estes gases são posteriormente dissolvidos na água da chuva e depositados no solo.

Processo: Ciclo do Nitrogênio

Ciclo do Nitrogênio

O processo pelo qual o nitrogênio ou azoto circula através das plantas e do solo pela ação de organismos vivos é conhecido como ciclo do nitrogênio ou ciclo do azoto. O ciclo do nitrogênio é um dos ciclos mais importantes nos ecossistemas terrestres. O nitrogênio é usado pelos seres vivos para a produção de moléculas complexas necessárias ao seu desenvolvimento tais como aminoácidos,proteínas e ácidos nucleicos.
O principal repositório de nitrogênio é a atmosfera (78% desta é composta por nitrogênio) onde se encontra sob a forma de gás (N2). Outros repositórios consistem em matéria orgânica nos solos e oceanos. Apesar de extremamente abundante na atmosfera o nitrogênio é frequentemente o nutriente limitante do crescimento das plantas.
Isto acontece porque as plantas apenas conseguem usar o nitrogênio sob duas formas sólidas: íon de amônio (NH4+) e ion de nitrato (NO3-), cuja existência não é tão abundante. Estes compostos são obtidos através de vários processos tais como a fixação e nitrificação.
A maioria das plantas obtém o nitrogênio necessário ao seu crescimento através do nitrato,
uma vez que o íon de amônio lhes é tóxico em grandes concentrações.
Os animais recebem o nitrogênio que necessitam através das plantas e de outra matéria orgânica, tal como outros animais (vivos ou mortos).