Reakce dusíku v atmosféře a jeho vliv na životní prostředí

Atmosféra je tvořena převážně dusíkem (78 objemových procent či 75 hmotnostních procent), který s dalšími důležitými látkami, jako je kyslík, reaguje jen v malém množství.

Dusík je všude kolem nás, představuje převládající plyn pozemské atmosféry (78 %) i nepostradatelný stavební kámen živých organismů.

Molekula dusíku je krajně nereaktivní, ostatně proto může plynný dusík sloužit jako levná ochranná atmosféra. Už z toho, že dusíkem je třeba hnojit, lze odvodit, že ač se dusík nachází všude kolem nás, nevyskytuje v podobě, v jaké ho potřebujeme.

Ultrafialové záření a elektrický výboj, tedy blesk, jsou schopny okysličit atmosférický dusík na směs oxidů dusíku, které reagují se srážkovou vodou na kyseliny. Ty se v půdním pokryvu snadno neutralizují za vzniku dusitanů a dusičnanů, které jsou v mnoha různých reakcích dále zpracovávány mikroorganizmy na další látky, zejména dusičnany. V této podobě je přijímají rostliny, jež z nich vytvářejí složité organické molekuly, jako jsou proteiny.

Některé pozemské a několik málo mořských mikroorganizmů včetně bakterií, sinic a řas jsou schopny oxidovat přímo vzdušný dusík a převádět jej na finální produkt, jímž jsou dusičnany. Přirozený pozemský cyklus dusíku je založen zejména na koloběhu mezi půdou, rostlinou, býložravcem, býložravcovým trusem a opět půdou.

Čtěte také: Použití hydroxidu sodného

Reaktivní dusík

Zjednodušeně řečeno jde o dusík, který není v plynné formě. Tvoří jen malou, ale pro život naprosto nezbytnou část globálního dusíkového zásobníku. Univerzálnost dusíku se podobá všestrannosti uhlíku, síry a železa, tedy dobře dostupných biogenních prvků schopných existovat v různých oxidačních vazbách, a tím se podle potřeby účastnit řady oxidačních i redukčních reakcí.

Tyto reakce mohou u dusíku probíhat velice pozvolna nebo - u nitroglycerinu - neobyčejně bouřlivě. Podobně jako je tomu v globálním cyklu uhlíku, má i dusík řadu zásobníků, ale je tu jeden velký rozdíl. Oběh dusíku je rychlý (např. v půdách zůstává průměrná dusíkatá molekula jen 50 let), zatímco uhlík např.

To, že pozemský život měl na svém počátku k dispozici vůbec nějaké sloučeniny dusíku, je výsledkem činnosti blesků a kosmického záření. Přirozený vznik dusičnanů tímto postupem je velmi pomalý.

Dusík je proto ve většině ekosystémů limitujícím prvkem, který musíme dodávat hnojením; podle jedné z teorií stála potřeba doplnit si jídelníček dusíkem možná i za vznikem masožravých roslin. Při současné spotřebě hnojiv by byly jejich přírodní zdroje už dávno vyčerpány, takže jsme závislí na hnojivech syntetických.

Jak popisuje např. John Cornwell v knize Hitlerovi vědci, v první světové válce Británie sevřela Německo námořní blokádou. Do země nemohla mj. proudit dusíkatá hnojiva. Bez schopnosti je vyrábět průmyslově by německé zemědělství nemohlo vůbec zajistit zásobování místního obyvatelstva a nastal by rychlý kolaps.

Čtěte také: Analýza Máje od K.H. Máchy

Haberova-Boschova reakce

Fyzikální chemik Fritz Haber získal r. 1918 Nobelovu cenu za objev, který učinil téměř o dvacet let dříve - za syntézu amoniaku přímo z dusíku a vodíku. Tento proces rozpracoval do průmyslového měřítka jeho kolega Karl Bosch, který za něj a další vysokotlaké experimenty získal společně s Friedrichem Bergiusem Nobelovu cenu v roce 1931. Jde o reakci mezi vodíkem a dusíkem, které se za vysoké teploty i tlaku a v přítomnosti katalyzátoru (obvykle některého z oxidů železa) slučují na amoniak.

Inertnímu dusíku se do této reakce rozhodně nechce. Ačkoliv za vysokého tlaku by podle teoretických modelů reakce probíhat měla, její rychlost je ve skutečnosti neznatelná.

Vznik amoniaku přímou reakcí dusíku s vodíkem se ale rozběhne po přidání katalyzátoru - i když proces stále vyžaduje vysokou teplotu a tlak. Zajímavé je, že ani 100 let od tohoto objevu se ale stále pořádně neví, proč to takhle funguje.

V časopisu Science vědci uvedli, že reakci je kvůli podmínkám obtížné studovat přímo. Zkusili proto proces napodobit v roztoku. Zjistili, že komplex iontů železa s draslíkem dokáže rozbít trojnou vazbu v molekule dusíku za vzniku komplexu železa s dusíkem. Ten pak reagoval s vodíkem, čímž se vytvořil finální produkt - amoniak.

Po zásluze by v každém městě měl stát Haberův a Boschův pomník a jejich narozeniny bychom měli organizovaně oslavovat. Jejich objev má dva úžasné rysy: Na syntetických hnojivech vyráběných převážně touto reakcí závisejí potraviny pro zhruba 40 % světové populace. Navíc objev přišel v pravou chvíli, právě se začaly vyčerpávat zásoby přírodních dusičnanů - chilská guanová ložiska.

Čtěte také: Využití exotermických reakcí v přírodě

Syntetická hnojiva umožnila vyšší výnosy a víc lidí mohlo pracovat v průmyslu. Bez Haberovy-Boschovy reakce by na Zemi bývalo žilo méně lidí, možná ve větší chudobě, a globální změny klimatu a prostředí by byly před námi, zatímco dnes nejen klepou na dveře, ale už vstupují dovnitř.

Dopady lidské činnosti na cyklus dusíku

Množství reaktivního dusíku vyráběného lidmi převyšuje přírodní toky. Obvykle se uvádí, že roční přirozený tok reaktivního dusíku se pohybuje kolem 140 milionů tun a lidská produkce dosahuje 210 milionů tun. Jiné odhady uvádějí pro přirozené roční toky kolem 100-200 milionů tun a přibližně stejné či o něco větší množství pro umělé toky.

Spalováním kyslíku ve spalovacích motorech, dnes zejména v automobilech, se mění „inertní“ vzdušný dusík na oxidy dusíku, a posléze na směs kyselin, která přispívá k okyselení prostředí. Přestože počet automobilů nedávno přesáhl 600 milionů, nikdo toto číslo neoslavoval.

Výroba syntetických hnojiv je navíc energeticky velice náročná - už jenom z toho důvodu, že vycházíme z vodíku.

Důsledky zvýšeného obsahu reaktivního dusíku

• Víc troposférického ozonu: Oxidy dusíku jsou prekurzorem troposférického ozonu.
• Větší ozonová díra?: Zatím o tom víme velice málo, ale existuje podezření, že část oxidů dusíku sice ozon vytváří, ale část jej rovněž likviduje.
• Skleníkový jev: Oxidy dusíku jej zvětšují.
• Eutrofizace a snížení biodiverzity: U nás vnímáme, jak příroda zarůstá nitrofilními kopřivami a bezem. V Kalifornii pozorují zarůstání endemitické vegetace na hadcových stepích. V Českém krasu vidíme zarůstání skalních stěn, které nikdy dřív nebyly porostlé. Pohnojená příroda zastoupená těmi nejběžnějšími rostlinami útočí na výspy blokované sukcese s nejcennějšími „kytkami“.
• Smog: Pozorujeme město a při bočním pohledu vidíme, jak se nad ním vznáší hnědavý opar s fialovým nádechem.

Lesy Skandinávie dostávají desetkrát až dvacetkrát víc reaktivního dusíku než před sto lety. Pobřeží Floridy, Jamajky, východu USA či Evropy jsou dnes zásobována několikanásobně většími zátěžemi dusíku.

Baltické moře začíná být považováno za nejrozsáhlejší „mrtvou zónu“ mezi mělkými moři. Tato mrtvá zóna ve skutečnosti kypí životem, je to však život sinic a medúz, nikoliv ryb a korýšů. Úroveň světového rybolovu od roku 1980 neustále klesá.

Poměrně běžné situaci, kdy toxiny přemnožených řas a nedostatek kyslíku zabíjejí ryby, které pak plavou na hladině v páchnoucí žlutozelené siničné břečce, říkají námořníci na Baltu „rebarborová polévka“.

Snad ze všech korálových útesů světa přicházejí stejné zprávy o odumírání korálů a ohrožení celých ekosystémů. Zpočátku to bylo přičítáno globálnímu oteplení, ale dnes je za hlavního škůdce považován reaktivní dusík, který posunul přesně nastavenou rovnováhu mezi láčkovcem a řasou ve prospěch řasy.

Korálový útes pak dopadne tak, že rychle poroste nitrofilními sinicemi a řasami, které posléze spotřebují kyslík a změní povrch útesu v šedavou břečku, podobnou kachnímu rybníčku na české návsi.

Rychlost změn globálního cyklu dusíku a celkové množství vyráběných dusíkatých látek jsou závratné. Teprve r. 1998 byla v Holandsku svolána první velká dusíková konference (First Nitrogen Conference) a o tři roky později se v New Yorku konala druhá. Z ní vyšlo doporučení založit „Mezinárodní dusíkovou iniciativu“ (INI, 2003 - viz www.initrogen.org).

Pokud se nad celou věcí zamyslím hlouběji, vyjde mi, že jedním ze základních rysů této doby se čím dál více stává plíživost. Globální cykly prvků, poškození ekosystémů, eroze půdy, nadměrný výlov ryb a řada dalších faktorů se každým rokem nepozorovatelně mění a mnohdy zvětšují.

Změny se dějí neustále a jistě bychom je dokázali ustát, kdyby se týkaly jednoho ekosystému, jednoho prvku, jednoho aspektu.

tags: #reakce #dusíku #v #atmosféře

Oblíbené příspěvky:

• Úkolové hry pro děti venku
• První stupeň ohrožení terorismem – co to znamená?
• Slovíčka a tipy pro studium španělštiny
• Návody na kreslení tužkou
• Škola v Přírodě: Zábava a Vzdělání