Ciclo do Nitrogênio - ENEM 2013

Simulado - Ciências da Natureza

Questão 1/21

O etanol é considerado um biocombustível promissor, pois, sob o ponto de vista do balanço de carbono, possui 

uma taxa de emissão praticamente igual a zero. Entretanto, esse não é o único ciclo biogeoquímico associado à produção de etanol. O plantio da cana-de-açúcar, matéria-prima para a produção de etanol, envolve a 

adição de macronutrientes como enxofre, nitrogênio, fósforo e potássio, principais elementos envolvidos no 

crescimento de um vegetal.

Revista Química Nova na Escola, no 28, 2008.

O nitrogênio incorporado ao solo, como consequência da atividade descrita anteriormente, é transformado 

em nitrogênio ativo e afetará o meio ambiente, causando

A) o acúmulo de sais insolúveis, desencadeando um processo de salinificação do solo.

B) a eliminação de microorganismos existentes no solo responsáveis pelo processo de desnitrificação.

C) a contaminação de rios e lagos devido à alta solubilidade de íons como NO–3  e NH+4 em água.

D) a diminuição do pH do solo pela presença de NH3, que reage com a água, formando o NH4OH(aq).

E) a diminuição da oxigenação do solo, uma vez que o nitrogênio ativo forma espécies químicas do tipo 

NO2, NO–3, N2O.

Resolução: 

Ao atingir rios e lagos, os compostos nitrogenados citados contaminam esses ambientes.

Resposta: C

Tema que provavelmente irá cair no ENEM 2013.  Fiquem espertos:

Objetivos Compreender conceitos de ciclos que são importantes na manutenção da vida e preservação do meio ambiente.

Identificar um grupo de substâncias formadas por ligações covalentes, no estado gasoso, e relacionar com as substâncias existentes no meio ambiente.

Conteúdos Ligações covalentes
Conceito de atomicidade
Formação de ácidos na atmosfera.

Observem: 

"Além da mudança climática, duas outras fronteiras planetárias foram ultrapassadas. Uma é a importância do uso do nitrogênio, principalmente, mas não exclusivamente, na agricultura. Os níveis atuais de nitrogênio biologicamente ativos são o dobro do normal, o que causa prejuízos enormes. O principal deles é o aumento das zonas costeiras mortas, que, desprovidas de oxigênio e peixes, tem dobrado de tamanhos a cada dez anos ao longo das ultimas quatro décadas."

CHUVA ACIDA: Comente então que o gás nitrogênio compõe 78% do ar atmosférico, e que em condições normais de temperatura e pressão, ele não sofre nenhuma reação com outros elemento. No entanto submetido a altas temperaturas ele sofre processo de combustão. É o que acontece nos motores dos carros, por exemplo.

A gasolina utilizada como combustível não é um produto puro, contém substâncias como átomos de nitrogênio de origem do próprio petróleo. Quando essa gasolina sofre combustão, as substâncias nitrogenadas presentes dão origem a óxidos nitrosos. 

Em altas temperaturas, um dos produtos desta reação de combustão é o gás monóxido de nitrogênio (NO), que reage facilmente com o oxigênio presente no motor originando o gás dióxido de nitrogênio (NO2), castanho e de odor forte.

É nesse ponto que se forma o nitrogênio ativo, ou seja, na forma de óxidos gasosos. Esses gases são capazes de reagir com a água da chuva, rios e lagos, dando origem ao ácido nítrico, responsável pela chuva ácida.

Pergunte então aos alunos porque esses compostos ativos, à base de nitrogênio, estão aumentando na atmosfera. Caso eles não acertem a resposta comente que, com o aumento de carros nas ruas e outros meios de transportes que utilizam derivados de petróleo como combustível, a tendência é que a quantidade desses óxidos na atmosfera aumente, gerando, portanto, cada vez mais chuvas ácidas que levam o composto para o solo, mares, rios, lagos e águas do subsolo.

A acidez da chuva ácida, por sua vez, prejudica o meio ambiente, tanto queimando as plantas, como impedindo o crescimento de outros vegetais. É por isso que temos, na presença excessiva de nitrogênio, zonas costeiras mortas. Isso acontece porque o nitrogênio ativo isto é, na forma de ácido nítrico (HNO3), reduz o pH do solo, causando queimaduras das plantas locais e impedindo o crescimento da vegetação local. Já no mar, a chuva ácida reduz o pH da água levando à morte dos peixes que não estão habituados a viver em meio ácido.

Por outro lado, o nitrogênio é um nutriente fundamental para o crescimento das plantas. Na forma de gás N2, ele é aproveitado apenas por um tipo de bactéria e algumas algas cianofíceas que conseguem transformá-lo e incorporá-lo às suas moléculas orgânicas. Exceto esse processo, o N2 não é aproveitado diretamente pela natureza mas está inserido em um grande ciclo na natureza que envolve vegetação, animais, atmosfera e mesmo o homem.

Ciclo do Nitrogênio O nitrogênio está presente na estrutura molecular das proteínas, substância existente em todos os organismos vivos. Tais proteínas são moléculas grandes, e, portanto, quando entram em contato com o solo por meio da decomposição de tecidos vegetais e animais, por exemplo, são atacadas por bactérias e fungos que as transformam em novas substâncias que contém o íon amônio (NH4 +) . Nessa forma iônica, bactérias nitrificantes residentes nas raízes das plantas e no próprio solo transformam o amônio em nitratos (NO3-) e então, desta forma , o nitrogênio é absorvido pelas raízes das plantas, passando a fazer parte de sua composição, formando novas proteínas. Quando um animal se alimenta dessa planta ele ingere as proteínas, ele também as distribui para o homem, ou as devolve ao solo.

No solo há outras bactérias capazes de realizar a desnitrificação, ou seja, retiram nitrogênio do amônio e dos nitratos transformando esse nitrogênio no gás N2, devolvendo-o futuramente para a atmosfera na sua forma inerte. E assim, o ciclo do nitrogênio é fechado como mostra a figura no início do plano. 

Demonstre à sala o ciclo do nitrogênio e solicite que participem em localizar as fontes de proteínas, as bactérias transformadoras de substâncias grandes a substâncias menores, e também, a etapa ruim do nitrogênio, aquela que transforma o gás em compostos químicos, tema amplamente discutido durante a conferência Rio + 20.


Peça para que a classe identifique o elemento químico da tabela periódica que forma o gás nitrogênio. Mostre, por meio de um desenho em lousa, que o elemento é formado por cinco elétrons na última camada, e que, para completar oito elétrons - sua forma estável, ele compartilha três pares de elétrons com outro átomo de nitrogênio, fazendo três ligações covalentes.

Explique então, que a ligação covalente é aquela em que os elétrons compartilhados circulam pela nuvem eletrônica dos dois átomos envolvidos. Sendo assim, nesse caso, teremos três pares de elétrons se movimentado ao redor dos átomos, garantindo a sua estabilidade e formando o gás com a seguinte fórmula estrutural:

O gás formado é inerte, incolor e inodoro, difícil de ser reconhecido na atmosfera, mas fácil de ser retirado dela. De todos os gases presentes no ar, o nitrogênio representa 78% da mistura. Assim, apenas quando resfriado a menos 196 graus, o nitrogênio atinge a sua temperatura de liquefação, isto é, passa de gás para líquido.

CURIOSIDADE: qualquer volume de ar colocado em recipiente fechado e inserido em galões cujas temperaturas cheguem a -196 graus Celsius resultará apenas em nitrogênio líquido.

ENTENDER o uso desse gás nos carrinhos de sorveteiros, por exemplo, usado para manter a temperatura bem baixa dentro do carrinho permitindo que o sorveteiro ande por horas em dia de calor sem que os sorvetes derretam.

Dê outros exemplos de substâncias com ligação covalente como o gás oxigênio, e explique que o número dois, que aparece ao lado do elemento químico oxigênio é chamado de atomicidade, que corresponde ao número de átomos que compõem a molécula da substância gasosa.

Pergunte aos alunos qual é a atomicidade do gás nitrogênio. Deverão responder que também é dois. E o ozônio? Três é a atomicidade desse gás que também existe na atmosfera.

Mostre as reações químicas envolvidas no processo de obtenção do nitrogênio ativo. Na forma de ácido nítrico, H+ NO3-, é utilizado para fabricação de explosivos.

N2(g) + O2(g) ----∆--------> 2NO (g)

2 NO(g) + O2(g) -----∆------> 2NO2(g)

NO2(g) + H2O(L) -----∆------> 2 H+(aq) + NO3 -(aq) (ácido nítrico)

Pergunte então aos seus alunos, o que pode acontecer, na atmosfera, em um dia de descarga elétrica causada pelos raios. Os raios favorecem um ambiente parecido com o descrito acima, aquecendo muito o gás nitrogênio e dando origem ao monóxido e, posteriormente, ao dióxido de nitrogênio que em contato com a água, produz o ácido nítrico (HNO3).

Possíveis ´perguntas sobre o tema:
01.Qual a relação entre a transformação do nitrogênio por processos não naturais com o parágrafo extraído do texto da Veja.
02. Para o nitrogênio se tornar ativo, o que é necessário?
03. Como funciona a Transformação do nitrogênio através do calor, até chegar no ácido.

04. Qual a importância no Ciclo do nitrogênio das bactérias desnitrificantes. 

05. Ciclo do nitrogênio por bactérias nitrificantes.

Temos que compreender: os conceitos do ciclos de nitrogênio, suas diferentes utilizações e principais reações dos quais participa, processos químicos envolvidos  e  por que este elemento é tão importante na manutenção da vida e do meio ambiente.

Visão geral

O processo pelo qual o nitrogênio ou azoto circula através das plantas e do solo pela ação de organismos vivos é conhecido comociclo 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 comoaminoácidos, 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 três formas sólidas: íon de amônio (NH4+), íon de nitrito (NO2-) e íon 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)

Processos do ciclo do nitrogênio

Fixação

A fixação é o processo através do qual o nitrogênio é capturado da atmosfera em estado gasoso (N2) e convertido em formas úteis para outros processos químicos, tais como amoníaco (NH3), nitrato (NO3-) e nitrito (NO2-). Esta conversão pode ocorrer através de vários processos, os quais são descritos nas secções seguintes.

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 nas raízes 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 3 a 4 % 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.

Assimilação

Os nitratos formados pelo processo de nitrificação são absorvidos pelas plantas e transformados em compostos carbonados para produzir aminoácidos e outros compostos orgânicos de nitrogênio.

A incorporação do nitrogênio em compostos orgânicos ocorre em grande parte nas células jovens em crescimento das raízes.

Mineralização

Através da mineralização (ou decomposição) a matéria orgânica morta é transformada no íon de amônio (NH4+) por intermédio de bactérias aeróbicas, anaeróbicas e alguns fungos.

Nitrificação

A oxidação do amoníaco, conhecida como nitrificação, é um processo que produz nitratos a partir do amoníaco (NH3). Este processo é levado a cabo por bactérias (bactérias nitrificantes) em dois passos: numa primeira fase o amoníaco é convertido em nitritos (NO2-) e numa segunda fase (através de outro tipo de bactérias nitrificantes) os nitritos são convertidos em nitratos (NO3-) prontos a serassimilados pelas plantas.

Desnitrificação

A desnitrificação é o processo pelo qual o azoto volta à atmosfera sob a forma de gás quase inerte (N2). Este processo ocorre através de algumas espécies de bactérias (tais como Pseudomonas e Clostridium) em ambiente anaeróbico. Estas bactérias utilizam nitratosalternativamente ao oxigênio como forma de respiração e libertam azoto em estado gasoso (N2).

Eutrofização

A eutrofização corresponde a alterações de um corpo de água como resultado de adição de azoto ou fósforo.

Os compostos de azoto existentes no solo são transportados através dos cursos de água, aumentando a concentração nos depósitos de água, o que pode fazer com que estes sejam sobre-populados por certas espécies de algas podendo ser nocivo para o ecossistemaenvolvente.

Repositórios de Azoto

Os principais repositórios de azoto são a atmosfera, plantas, animais, solos e os oceanos.

Atmosfera

A atmosfera comporta parte do azoto existente na Terra. Este encontra-se principalmente sob a forma de N2. Estima-se1 que existam 3.9-4.0 x 109 TgN (TgN = Teragrama de N = 1012 g de N) na atmosfera. O tempo de residência médio de uma molécula de N2 na atmosfera é de 10 milhões de anos.

O Azoto encontra-se na atmosfera também sob a forma de monóxido ou dióxido de azoto (NOx) e sob a forma de óxido nitroso (N2O). Sob a forma de NOx existem 1.3-1.4 TgN com um tempo de residência médio de 1 mês. Sob a forma de óxido nitroso (N2O) existem cerca de 1.4 x 10³ TgN com um tempo de residência de 100 anos.1

Plantas e animais

Existem cerca de 3 x 104 TgN em plantas e animais, com um tempo de residência de 50 anos.1

Solos

Os solos contêm cerca de 9.5 x 104 TgN, com um tempo de residência médio de 2000 anos.1

Oceanos

Nos oceanos o azoto encontra-se tanto na superfície como no fundo em forma de sedimentos (4-5 x 108 TgN). À superfície encontra-se dissolvido organicamente (2 x 105 TgN).1

Fluxos

O azoto transita entre os vários repositórios a diferentes taxas. A tabela seguinte apresenta os fluxos do azoto entre a atmosfera e os outros repositórios (nomeadamente plantas e solos).

collapse;table-layout:fixed'

	Mundo1
Habitantes [milhões]	6600
Área terrestre [10³ km²]	148939.1
Área arável %	13.13
Input	TgN/ano
Fixação biológica	30
Importações (rações)	40
Fertilizantes sintéticos	80
Fixação atmosférica	60
Output	TgN/ano
Produtos vegetais
Produtos animais
Emissões gasosas (animais)
Desnitrificação (solos)	12.2
Emissões gasosas (solos)	6.9
Emissões aquáticas	122
Emissões industriais	20

Influência Humana

Como resultado da utilização intensiva de fertilizantes e da poluição resultante dos veículos e centrais energéticas, o Homem aumentou significativamente a taxa de produção de azoto utilizável biologicamente. Esta alteração leva a alterações da concentração deste nutriente, moderadamente em depósitos de água (através da eutrofização), e ao excessivo crescimento de determinadas espécies deteriorando o ambiente que as rodeia.

Poluição

Poluição provocada pelas influências antropogénicas do ciclo do azoto pode manifestar-se através de:

• Óxido nitroso (N2O), gás libertado essencialmente por via da combustão e o facto de ser pouco reactivo na troposfera permite exercer os seus efeitos nocivos durante muitos anos. O seu efeito na estratosfera assenta na deterioração da camada protectora de ozono com influências das radiações ultravioleta.
• Óxidos do Azoto (NOx), particularmente o monóxido e o dióxido do azoto são altamente reactivos, com vidas relativamente curtas, por isso as alterações atmosféricas são apenas detectadas a nível local e regional. Estas alterações manifestam-se principalmente através de nevoeiro fotoquímico, que tem consequências perigosas para a saúde humana, assim como para a produtividade dos ecossistemas. O dióxido do azoto transformado em ácido nítrico compõem a chuva ácida, que destrói monumentos e acidifica solos e sistemas aquáticos, desencadeando profundas alterações na composição das suas comunidades bióticas.
• Nitratos (NO3-), que contaminam águas que ao serem ingeridas provocam várias disfunções fisiológicas.

Apesar dos ecossistemas terrestres serem vulneráveis ao excesso de azoto, os sistemas aquáticos são os que mais sofrem, porque são os receptores finais do excedente do azoto que chega por escorrência ou através de descargas directas de efluentes não tratados.

Ciclo do nitrogênio nos aquários

Em aquários, o ciclo no nitrogênio é incompleto, devido à ausência da fase anaeróbia. Por esta razão, os aquaristas devem realizartrocas parciais regulares nos seus aquários e assim manter o nível de nitratos em uma gama aceitável.

Ciclo do Nitrogênio em Portugal

Fluxo[editar]

collapse;table-layout:fixed'

	Portugal(a)
Habitantes [milhões]	10
Área terrestre [10³ km²]	92.391
Área arável %	17.292
Input	GgN/ano
Fixação biológica	16.1
Importações (rações)	55.8
Fertilizantes sintéticos	86.6
Fixação atmosférica	37.4
Output	GgN/ano
Produtos vegetais	30.8
Produtos animais	15.4
Emissões gasosas (animais)	25.7
Desnitrificação (solos)	55.8
Emissões gasosas (solos)	25.7
Emissões aquáticas	55.8
Emissões industriais	12.5

Obs: GgN = abrev. de gigagrama de N. 1 Gg = 109 g.

Concentração de nitratos em água doce

A concentração de derivados de azoto em água doce influencia a qualidade da água e pode, para valores altos, afectar a saúde pública. Podemos considerar dois tipos de massas de água doce: rios e repositórios de água no sub-solo.

Concentração de nitratos no sub-solo

Concentração de NO3 (mg/l) em água doce no sub-solo em Portugal (2003):3

• Menos de 10 mg/l: 40.8%
• Entre 10 e 25 mg/l: 16.3%
• Entre 25 e 50 mg/l: 15.2%
• Mais de 50 mg/l: 27.7%

A nível europeu, os valores aceitáveis para concentração de nitratos para água potável são até 25 mg NO3/l. O máximo permitido é de 50 mg NO3/l.4

Apesar dos valores apresentados, a concentração de nitratos tem vindo a descer em todos os corpos de água subterrâneos, com tendência para chegarem a uma concentração inferior a 10 mg NO3/l.3