Bài học

Chu trình nitrogen trong tự nhiên và cố định đạm

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được các giai đoạn chính của chu trình nitrogen trong tự nhiên, phân biệt được cố định đạm sinh học và cố định đạm công nghiệp, và vận dụng được phần trăm khối lượng nitrogen trong phân bón để tính lượng phân bón cần bón cho một diện tích canh tác cụ thể.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em hai phản ứng tạo nitrogen "có ích" từ $N_2$ trơ: phản ứng công nghiệp $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ và phản ứng tự nhiên $N_2 + O_2 \to 2NO$ khi có tia lửa điện. Bài này dùng cả hai phản ứng đó làm hai "cửa ngõ" đưa nitrogen từ khí quyển vào vòng tuần hoàn sinh học, đồng thời cần nhớ lại công thức tính phần trăm khối lượng nguyên tố đã học ở lớp dưới: $\%X = \dfrac{n(X) \times M(X)}{M_{hợp\ chất}} \times 100\%$ .

Khởi động

Cây trồng cần nitrogen để tổng hợp protein, nhưng phần lớn cây không thể hấp thụ trực tiếp khí $N_2$ trong không khí — dù không khí quanh mỗi chiếc lá chứa đầy khí này. Muốn cây "ăn" được nitrogen, tự nhiên và con người phải biến $N_2$ thành một dạng khác trước. Bằng cách nào?

Kiến thức trọng tâm

Cố định đạm (nitrogen fixation) là quá trình chuyển $N_2$ trơ trong khí quyển thành các hợp chất chứa nitrogen mà sinh vật hấp thụ được, chủ yếu là ion ammonium $NH_4^+$ hoặc nitrate $NO_3^-$ . Có ba con đường cố định đạm chính.

Cố định đạm sinh học: một số vi khuẩn — tiêu biểu là vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần rễ cây họ đậu (lạc, đậu tương, đậu xanh) — có enzyme nitrogenase, chuyển hoá trực tiếp $N_2$ trong không khí thành $NH_4^+$ ngay trong đất mà không cần nhiệt độ hay áp suất cao. Đây là lí do trong luân canh nông nghiệp, người ta thường trồng xen cây họ đậu để cải tạo đất, bổ sung đạm tự nhiên.

Cố định đạm do sấm sét: đúng như bài trước, năng lượng cực lớn của tia lửa điện tạo $NO$ rồi $NO_2$ từ $N_2$ và $O_2$ ; khí $NO_2$ tan trong hơi nước khí quyển tạo thành acid nitric loãng, theo mưa rơi xuống đất và cung cấp một lượng nhỏ nitrate cho cây trồng.

Cố định đạm công nghiệp: quy trình Haber–Bosch chuyển $N_2$ và $H_2$ thành $NH_3$ với quy mô lớn, làm nguyên liệu sản xuất phân đạm — nguồn cố định đạm lớn nhất hiện nay, cho phép nông nghiệp nuôi sống dân số toàn cầu vượt xa khả năng của đất tự nhiên.

Sau khi được cố định, nitrogen tiếp tục di chuyển qua các giai đoạn: nitrate hoá — vi khuẩn trong đất oxi hoá $NH_4^+$ thành $NO_2^-$ rồi $NO_3^-$ ; đồng hoá — rễ cây hấp thụ $NH_4^+$ và $NO_3^-$ để tổng hợp protein, acid nucleic; phân giải — khi sinh vật chết hoặc thải chất hữu cơ chứa nitrogen, vi sinh vật phân giải chúng trở lại thành $NH_4^+$ ; khử nitrate (denitrification) — trong điều kiện thiếu oxygen, một nhóm vi khuẩn khác khử $NO_3^-$ trở lại thành khí $N_2$ , trả nitrogen về khí quyển, khép kín vòng tuần hoàn.

Trước khi có quy trình Haber–Bosch (đầu thế kỉ XX), nông nghiệp gần như chỉ dựa vào cố định đạm sinh học và một lượng nhỏ từ sấm sét — sản lượng lương thực vì vậy bị giới hạn chặt bởi lượng đạm tự nhiên có trong đất. Nhiều tài liệu lịch sử hoá học ước tính rằng quy trình Haber–Bosch, nhờ tạo ra nguồn phân đạm giá rẻ với sản lượng lớn, đã góp phần quan trọng giúp sản lượng lương thực toàn cầu tăng vọt trong thế kỉ XX, gián tiếp hỗ trợ nuôi sống một phần đáng kể dân số thế giới hiện nay — đây cũng là lí do phản ứng tưởng chừng đơn giản $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ lại được xem là một trong những phát minh hoá học có ảnh hưởng lớn nhất đến đời sống con người.

**Cố định đạm** (nitrogen fixation) là quá trình chuyển $N_2$ trơ trong khí quyển thành các hợp chất chứa nitrogen mà sinh vật hấp thụ được, chủ yếu là ion ammonium $NH_4^+$ hoặc nitrate $NO_3^-$. Có ba con đường cố định đạm chính. **Cố định đạm sinh học**: một số vi khuẩn — tiêu biểu là vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần rễ cây họ đậu (lạc, đậu tương, đậu xanh) — có enzyme nitrogenase, chuyển hoá trực tiếp $N_2$ trong không khí thành $NH_4^+$ ngay trong đất mà không cần nhiệt độ hay áp suất cao. Đây là lí do trong luân canh nông nghiệp, người ta thường trồng xen cây họ đậu để cải tạo đất, bổ sung đạm tự nhiên. **Cố định đạm do sấm sét**: đúng như bài trước, năng lượng cực lớn của tia lửa điện tạo $NO$ rồi $NO_2$ từ $N_2$ và $O_2$; khí $NO_2$ tan trong hơi nước khí quyển tạo thành acid nitric loãng, theo mưa rơi xuống đất và cung cấp một lượng nhỏ nitrate cho cây trồng. **Cố định đạm công nghiệp**: quy trình Haber–Bosch chuyển $N_2$ và $H_2$ thành $NH_3$ với quy mô lớn, làm nguyên liệu sản xuất phân đạm — nguồn cố định đạm lớn nhất hiện nay, cho phép nông nghiệp nuôi sống dân số toàn cầu vượt xa khả năng của đất tự nhiên. Sau khi được cố định, nitrogen tiếp tục di chuyển qua các giai đoạn: **nitrate hoá** — vi khuẩn trong đất oxi hoá $NH_4^+$ thành $NO_2^-$ rồi $NO_3^-$; **đồng hoá** — rễ cây hấp thụ $NH_4^+$ và $NO_3^-$ để tổng hợp protein, acid nucleic; **phân giải** — khi sinh vật chết hoặc thải chất hữu cơ chứa nitrogen, vi sinh vật phân giải chúng trở lại thành $NH_4^+$; **khử nitrate** (denitrification) — trong điều kiện thiếu oxygen, một nhóm vi khuẩn khác khử $NO_3^-$ trở lại thành khí $N_2$, trả nitrogen về khí quyển, khép kín vòng tuần hoàn. Trước khi có quy trình Haber–Bosch (đầu thế kỉ XX), nông nghiệp gần như chỉ dựa vào cố định đạm sinh học và một lượng nhỏ từ sấm sét — sản lượng lương thực vì vậy bị giới hạn chặt bởi lượng đạm tự nhiên có trong đất. Nhiều tài liệu lịch sử hoá học ước tính rằng quy trình Haber–Bosch, nhờ tạo ra nguồn phân đạm giá rẻ với sản lượng lớn, đã góp phần quan trọng giúp sản lượng lương thực toàn cầu tăng vọt trong thế kỉ XX, gián tiếp hỗ trợ nuôi sống một phần đáng kể dân số thế giới hiện nay — đây cũng là lí do phản ứng tưởng chừng đơn giản $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ lại được xem là một trong những phát minh hoá học có ảnh hưởng lớn nhất đến đời sống con người.

Chu trình nitrogen khép kín nhờ cả con đường sinh học lẫn con đường vật lí và công nghiệp.

Ví dụ

So sánh hai con đường cố định đạm

1
Vi khuẩn nốt sần ở rễ cây họ đậu và nhà máy sản xuất ammonia đều cố định đạm từ $N_2$ . Hãy nêu điểm giống và khác nhau giữa hai con đường này.
Vi khuẩn nốt sần ở rễ cây họ đậu và nhà máy sản xuất ammonia đều cố định đạm từ $N_2$. Hãy nêu điểm giống và khác nhau giữa hai con đường này.
2
Cả hai đều phá vỡ liên kết ba $N \equiv N$ trong $N_2$ để chuyển nitrogen thành dạng hợp chất chứa nitrogen mà cây hấp thụ được (chủ yếu là $NH_4^+$ ).
Cả hai đều phá vỡ liên kết ba $N \equiv N$ trong $N_2$ để chuyển nitrogen thành dạng hợp chất chứa nitrogen mà cây hấp thụ được (chủ yếu là $NH_4^+$).
3
Vi khuẩn nốt sần dùng enzyme nitrogenase, hoạt động ngay ở nhiệt độ và áp suất trong đất, không cần cấp nhiệt hay áp suất từ bên ngoài. Nhà máy Haber–Bosch cần xúc tác Fe, nhiệt độ khoảng 400–450 °C, áp suất 150–300 bar — tiêu tốn năng lượng lớn.
4
Cố định đạm sinh học diễn ra chậm, quy mô nhỏ theo từng cây; cố định đạm công nghiệp cho sản lượng khổng lồ, là nguồn phân đạm chính nuôi sống nông nghiệp hiện đại.
5
Vậy hai con đường giống nhau ở bản chất hoá học (phá liên kết ba, tạo $NH_4^+$ ) nhưng khác nhau về điều kiện thực hiện và quy mô — một dựa vào enzyme sinh học, một dựa vào xúc tác và năng lượng công nghiệp.
Vậy hai con đường giống nhau ở bản chất hoá học (phá liên kết ba, tạo $NH_4^+$) nhưng khác nhau về điều kiện thực hiện và quy mô — một dựa vào enzyme sinh học, một dựa vào xúc tác và năng lượng công nghiệp.

Ví dụ

Tính khối lượng phân đạm cần bón theo yêu cầu nitrogen của cây trồng

1
Một thửa ruộng cần bón bổ sung 28 kg nitrogen nguyên chất. Nếu dùng phân đạm ammonium nitrate $NH_4NO_3$ (M = 80 g/mol), cần bao nhiêu ki-lô-gam phân bón, biết phân bón coi như tinh khiết 100%?
Một thửa ruộng cần bón bổ sung 28 kg nitrogen nguyên chất. Nếu dùng phân đạm ammonium nitrate $NH_4NO_3$ (M = 80 g/mol), cần bao nhiêu ki-lô-gam phân bón, biết phân bón coi như tinh khiết 100%?
2
Trong $NH_4NO_3$ có 2 nguyên tử N, khối lượng mol $M = 80$ g/mol. $\%N = \dfrac{2 \times 14}{80} \times 100\% = 35\%$ .
Trong $NH_4NO_3$ có 2 nguyên tử N, khối lượng mol $M = 80$ g/mol. $\%N = \dfrac{2 \times 14}{80} \times 100\% = 35\%$.
3
Gọi $m$ là khối lượng phân bón cần bón (kg). Khối lượng N chứa trong đó là $m \times 35\%$ , cần bằng 28 kg N: $m \times 0{,}35 = 28$ .
Gọi $m$ là khối lượng phân bón cần bón (kg). Khối lượng N chứa trong đó là $m \times 35\%$, cần bằng 28 kg N: $m \times 0{,}35 = 28$.
4
$m = \dfrac{28}{0{,}35} = 80$ kg.
$m = \dfrac{28}{0{,}35} = 80$ kg.
5
Vậy cần bón 80 kg phân $NH_4NO_3$ để cung cấp đủ 28 kg nitrogen nguyên chất cho thửa ruộng.
Vậy cần bón 80 kg phân $NH_4NO_3$ để cung cấp đủ 28 kg nitrogen nguyên chất cho thửa ruộng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhầm khối lượng phân bón với khối lượng nitrogen nguyên chất, rồi bón thẳng số kg đề bài cho mà không nhân với phần trăm N trong loại phân cụ thể. Hãy luôn xác định rõ đề hỏi khối lượng nitrogen hay khối lượng phân bón, và dùng đúng công thức $\%N = \dfrac{n(N) \times 14}{M_{phân\ bón}} \times 100\%$ để chuyển đổi giữa hai đại lượng này.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chu trình nitrogen gồm năm giai đoạn nối tiếp: cố định đạm (sinh học, sấm sét, công nghiệp) đưa $N_2$ vào đất dưới dạng $NH_4^+$ ; nitrate hoá chuyển $NH_4^+$ thành $NO_3^-$ ; đồng hoá đưa nitrogen vào cây; phân giải trả nitrogen về đất khi sinh vật chết; khử nitrate trả $N_2$ về khí quyển. Tính lượng phân bón dựa vào $\%N$ của từng loại phân.

Chu trình nitrogen gồm năm giai đoạn nối tiếp: cố định đạm (sinh học, sấm sét, công nghiệp) đưa $N_2$ vào đất dưới dạng $NH_4^+$; nitrate hoá chuyển $NH_4^+$ thành $NO_3^-$; đồng hoá đưa nitrogen vào cây; phân giải trả nitrogen về đất khi sinh vật chết; khử nitrate trả $N_2$ về khí quyển. Tính lượng phân bón dựa vào $\%N$ của từng loại phân.

Cầu nối

Chương tiếp theo đi sâu vào hợp chất mà cả cố định đạm sinh học lẫn công nghiệp đều tạo ra: ammonia $NH_3$ — cấu tạo, tính chất, và vì sao nó vừa là một base vừa là một chất khử.