Нитрат — многоатомный ион с химической формулой NO.−
3. Соли, содержащие этот ион , называются нитратами . Нитраты являются обычными компонентами удобрений и взрывчатых веществ. [1] Почти все неорганические нитраты растворимы в воде . Примером нерастворимого нитрата является оксинитрат висмута .
Нитрат- анион является сопряженным основанием азотной кислоты , состоящим из одного центрального атома азота, окруженного тремя идентично связанными атомами кислорода в тригональной плоской компоновке. Нитрат-ион несет формальный заряд −1. [ требуется ссылка ] Этот заряд является результатом комбинированного формального заряда, в котором каждый из трех атомов кислорода несет заряд −2 ⁄ 3 , [ требуется ссылка ] тогда как азот несет заряд +1, все это в сумме дает формальный заряд многоатомного нитрат-иона. [ требуется ссылка ] Такое расположение обычно используется в качестве примера резонанса . Подобно изоэлектронному карбонат- иону, нитрат-ион может быть представлен тремя резонансными структурами:
В НЕТ−3анион, степень окисления центрального атома азота равна V (+5). Это соответствует максимально возможной степени окисления азота. Нитрат является потенциально мощным окислителем , о чем свидетельствует его взрывное поведение при высокой температуре, когда он детонирует в нитрате аммония ( NH 4 NO 3 ), или черном порохе , воспламененном ударной волной первичного взрывчатого вещества . Однако, в отличие от красной дымящей азотной кислоты ( HNO 3 /N 2 O 4 ), или концентрированной азотной кислоты ( HNO 3 ), нитрат, растворенный в водном растворе при нейтральном или высоком pH, является лишь слабым окислителем и стабилен в стерильных или асептических условиях, в отсутствие микроорганизмов . Для увеличения его окислительной способности необходимы кислые условия и высокие концентрации, при которых нитрат превращается в азотную кислоту. Такое поведение согласуется с общей теорией окислительно-восстановительного (редокс) процесса в электрохимии : окислительная способность усиливается в кислых условиях, в то время как способность восстановителей усиливается в основных условиях. Это можно проиллюстрировать с помощью диаграммы Пурбе (диаграмма E h –pH), составленной с использованием уравнения Нернста и соответствующих окислительно-восстановительных реакций. Во время восстановления окислителей степень окисления уменьшается, и оксидные ионы ( O 2− ), выделяющиеся в воде в результате реакции, легче протонируются в кислых условиях ( O 2− + 2 H + → H 2 O ), что сдвигает реакцию восстановления вправо в соответствии с принципом Ле Шателье . Для окисления восстановителей происходит обратное: по мере увеличения степени окисления необходимы оксидные анионы для нейтрализации избытка положительных зарядов, создаваемых центральным атомом. Поскольку основные условия благоприятствуют образованию оксидных анионов ( 2 OH − → O 2− + H 2 O ), это смещает химическое равновесие реакции окисления вправо.
Между тем, нитрат используется как мощный конечный акцептор электронов денитрифицирующими бактериями для поставки энергии, необходимой им для процветания. В анаэробных условиях нитрат является самым сильным акцептором электронов, используемым прокариотическими микроорганизмами ( бактериями и археями ) для дыхания. Окислительно-восстановительная пара NO−3/ N 2 находится на вершине шкалы окислительно-восстановительного потенциала анаэробного дыхания , чуть ниже пары кислорода ( O 2 / H 2 O ), но выше пар Mn(IV)/Mn(II), Fe(III)/Fe(II), SO2−4/ HS − , CO 2 / CH 4 . В природных водах, неизбежно загрязненных микроорганизмами, нитрат является довольно нестабильным и лабильным растворенным химическим веществом, поскольку он метаболизируется денитрифицирующими бактериями. Образцы воды для анализа нитратов/нитритов необходимо хранить при температуре 4 °C в холодильной камере и анализировать как можно быстрее, чтобы ограничить потерю нитратов.
На первом этапе процесса денитрификации растворенный нитрат ( NO−3) каталитически восстанавливается до нитрита ( NO−2) ферментативной активностью бактерий. В водном растворе растворенный нитрит N(III) является более сильным окислителем, чем нитрат N(V), поскольку ему приходится принимать меньше электронов , и его восстановление менее кинетически затруднено, чем восстановление нитрата.
В процессе биологической денитрификации дальнейшее восстановление нитрита также приводит к образованию другого мощного окислителя: оксида азота (NO). NO может фиксироваться на миоглобине, подчеркивая его красную окраску. NO является важной биологической сигнальной молекулой и вмешивается в процесс вазодилатации , но он также может производить свободные радикалы в биологических тканях , ускоряя их деградацию и процесс старения. Активные формы кислорода (ROS), генерируемые NO, способствуют окислительному стрессу , состоянию, связанному с сосудистой дисфункцией и атерогенезом . [2]
Нитрат- анион обычно анализируется в воде с помощью ионной хроматографии (ИХ) вместе с другими анионами, также присутствующими в растворе. Главным преимуществом ИХ является его простота и одновременный анализ всех анионов, присутствующих в водном образце. Другие методы специфического обнаружения нитрата основаны на его преобразовании в нитрит с последующими специфическими тестами на нитрит. Восстановление нитрата до нитрита осуществляется медно - кадмиевым материалом. Образец вводится в проточно-инжекционный анализатор , а полученный нитрит-содержащий сток затем объединяется с реагентом для колориметрического или электрохимического обнаружения. Самым популярным из этих анализов является тест Грисса , при котором нитрит преобразуется в темно-окрашенный азокраситель, подходящий для спектроскопического анализа в УФ-видимом диапазоне. Метод использует реакционную способность азотистой кислоты, полученной при подкислении нитрита. Азотистая кислота селективно реагирует с ароматическими аминами, образуя соли диазония, которые, в свою очередь, соединяются со вторым реагентом, образуя азокраситель. Предел обнаружения составляет от 0,02 до 2 мкМ. [3] Такие методы были хорошо адаптированы к биологическим образцам. [4]
Нитратные соли встречаются на Земле в засушливых районах в виде крупных залежей, особенно нитрата , основного источника нитрата натрия .
Нитраты производятся рядом видов нитрифицирующих бактерий в естественной среде, используя аммиак или мочевину в качестве источника азота и источника свободной энергии. Нитратные соединения для пороха исторически производились, при отсутствии источников минеральных нитратов, посредством различных процессов ферментации с использованием мочи и навоза.
Удары молнии в богатой азотом и кислородом атмосфере Земли приводят к образованию смеси оксидов азота, которые образуют ионы азота и ионы нитрата, вымываемые из атмосферы дождем или в результате скрытых отложений .
Нитраты производятся в промышленности из азотной кислоты . [1]
Нитрат — это химическое соединение , которое служит первичной формой азота для многих растений. Это важное питательное вещество используется растениями для синтеза белков, нуклеиновых кислот и других жизненно важных органических молекул. [5] Превращение атмосферного азота в нитрат облегчается некоторыми бактериями и молниями в азотном цикле, что иллюстрирует способность природы преобразовывать относительно инертную молекулу в форму, которая имеет решающее значение для биологической продуктивности. [6]
Нитраты используются в качестве удобрений в сельском хозяйстве из-за их высокой растворимости и биоразлагаемости. Основными нитратными удобрениями являются соли аммония , натрия , калия , кальция и магния . Ежегодно для этой цели производится несколько миллиардов килограммов. [1] Значение нитрата выходит за рамки его роли как питательного вещества, поскольку он действует как сигнальная молекула в растениях, регулируя такие процессы, как рост корней, цветение и развитие листьев. [7]
Хотя нитрат полезен для сельского хозяйства, поскольку он повышает плодородие почвы и урожайность, его чрезмерное использование может привести к стоку питательных веществ, загрязнению воды и распространению водных мертвых зон. [8] Поэтому необходимы устойчивые методы ведения сельского хозяйства, которые уравновешивают производительность с заботой об окружающей среде. Важность нитрата в экосистемах очевидна, поскольку он поддерживает рост и развитие растений, способствуя биоразнообразию и экологическому равновесию. [9]
Нитраты используются в качестве окислителей , особенно во взрывчатых веществах , где быстрое окисление углеродных соединений высвобождает большие объемы газов (см., например, порох ).
Нитрат натрия используется для удаления пузырьков воздуха из расплавленного стекла и некоторых видов керамики . Смеси расплавленных солей используются для упрочнения поверхности некоторых металлов. [1]
Нитрат также использовался в качестве кинопленки через нитроцеллюлозу . Из-за его высокой горючести киностудии перешли на ацетатцеллюлозную безопасную пленку в 1950 году.
В медицинской сфере органические эфиры , полученные из нитратов , такие как глицерилтринитрат , изосорбиддинитрат и изосорбидмононитрат , используются для профилактики и лечения острого коронарного синдрома , инфаркта миокарда , острого отека легких . [10] Этот класс препаратов, к которому также принадлежит амилнитрит , известен как нитровазодилататоры .
Существуют две области, вызывающие беспокойство в связи с токсичностью нитратов:
Одной из наиболее распространенных причин метгемоглобинемии у младенцев является употребление нитратов и нитритов с колодезной водой или продуктами питания.
На самом деле, нитраты ( NO−3), часто присутствующие в слишком высокой концентрации в питьевой воде, являются лишь предшественниками химических видов нитритов ( NO−2), настоящие виновники метгемоглобинемии. Нитриты, образующиеся при микробном восстановлении нитрата (непосредственно в питьевой воде или после приема младенцем в его пищеварительной системе), являются более мощными окислителями , чем нитраты, и являются химическим агентом, действительно ответственным за окисление Fe 2+ в Fe 3+ в тетрапиррольном геме гемоглобина . Действительно, анионы нитрата являются слишком слабыми окислителями в водном растворе, чтобы иметь возможность напрямую или, по крайней мере, достаточно быстро окислять Fe 2+ в Fe 3+ из-за кинетических ограничений.
Младенцы младше 4 месяцев подвержены большему риску, поскольку они пьют больше воды на единицу веса тела, у них более низкая активность НАДН - цитохром b5 редуктазы и более высокий уровень фетального гемоглобина, который легче превращается в метгемоглобин . Кроме того, младенцы подвержены повышенному риску после эпизода гастроэнтерита из-за выработки нитритов бактериями . [13]
Однако у младенцев и беременных женщин могут быть и другие причины, помимо нитратов. [14] [15] Действительно, синдром синего ребенка может быть вызван и рядом других факторов, таких как цианотическая болезнь сердца , врожденный порок сердца, приводящий к низкому уровню кислорода в крови, [16] или расстройством желудка, таким как диарейная инфекция, непереносимость белка, токсичность тяжелых металлов и т. д. [17]
В соответствии с Законом о безопасной питьевой воде Агентство по охране окружающей среды США установило максимальный уровень загрязнения в 10 мг/л или 10 частей на миллион нитратов в питьевой воде. [18]
Допустимая суточная доза (ДСД) для нитрат-ионов была установлена в диапазоне 0–3,7 мг (кг массы тела) −1 день −1 Объединенным комитетом экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам (JEFCA). [19]
В пресноводных или эстуарных системах, близких к суше, нитрат может достигать концентраций, смертельных для рыб. Хотя нитрат гораздо менее токсичен, чем аммиак, [20] уровни более 30 ppm нитрата могут подавлять рост, ослаблять иммунную систему и вызывать стресс у некоторых водных видов. [21] Токсичность нитрата остается предметом дискуссий. [22]
В большинстве случаев избыточной концентрации нитратов в водных системах основными источниками являются сбросы сточных вод, а также поверхностный сток с сельскохозяйственных или ландшафтных территорий, которые получили избыточное количество нитратных удобрений. В результате эвтрофикация и цветение водорослей приводят к аноксии и мертвым зонам . Как следствие, поскольку нитраты являются компонентом общего количества растворенных твердых веществ , они широко используются в качестве индикатора качества воды .
Отложение нитратов в экосистемах заметно возросло из-за антропогенной деятельности, в частности, из-за повсеместного применения азотсодержащих удобрений в сельском хозяйстве и выбросов от сжигания ископаемого топлива . [23] Ежегодно во всем мире используется около 195 миллионов метрических тонн синтетических азотных удобрений, причем нитраты составляют значительную часть этого количества. [24] В регионах с интенсивным сельским хозяйством, таких как некоторые районы США, Китая и Индии, использование азотных удобрений может превышать 200 килограммов на гектар. [24]
Влияние повышенного отложения нитратов выходит за рамки растительных сообществ и влияет на микробные популяции почвы . [25] Изменение химии почвы и динамики питательных веществ может нарушить естественные процессы фиксации азота , нитрификации и денитрификации , что приведет к изменению структур и функций микробных сообществ. Это нарушение может дополнительно повлиять на круговорот питательных веществ и общее состояние экосистемы . [26]
Источником нитратов в рационе человека является употребление листовой зелени, такой как шпинат и руккола . НЕТ−
3может присутствовать в свекольном соке. Питьевая вода также является основным источником поступления нитратов. [27]
Прием нитрата быстро увеличивает концентрацию нитрата в плазме в 2-3 раза, и эта повышенная концентрация нитрата может поддерживаться более 2 недель. Повышенный уровень нитрата в плазме усиливает выработку оксида азота , NO. Оксид азота является физиологической сигнальной молекулой , которая вмешивается, среди прочего, в регуляцию мышечного кровотока и митохондриального дыхания. [28]
Нитрит ( НЕТ−2) потребление в первую очередь определяется количеством съеденного переработанного мяса и концентрацией нитратов ( NO−3) добавляют к этим видам мяса ( бекон , сосиски …) для их консервирования. Хотя нитриты являются видами азота, в основном используемыми при консервировании мяса , нитраты также используются и могут быть преобразованы в нитриты микроорганизмами или в процессе пищеварения, начиная с их растворения в слюне и их контакта с микробиотой рта. Нитриты приводят к образованию канцерогенных нитрозаминов . [29] Производство нитрозаминов может быть подавлено использованием антиоксидантов витамина С и альфа-токофероловой формы витамина Е во время консервирования. [30]
Многие производители мяса утверждают, что их мясо (например, бекон) «неконсервированное» — это маркетинговое заявление, не имеющее под собой никаких фактических оснований: не существует такого понятия, как «неконсервированный» бекон (поскольку это, по сути, сырая нарезанная свиная грудинка). [31] [ нужен лучший источник ] «Неконсервированное» мясо на самом деле консервируется нитритами практически без каких-либо различий в процессе — единственное отличие заключается в требовании маркировки Министерства сельского хозяйства США (USDA) между нитритом растительного происхождения (например, из сельдерея) и «синтетическим» нитритом натрия. Аналогией может служить очищенная « морская соль » и хлорид натрия — оба являются одним и тем же химическим веществом, единственным существенным отличием является происхождение.
Антигипертензивные диеты, такие как диета DASH , обычно содержат высокие уровни нитратов, которые сначала восстанавливаются до нитритов в слюне , как обнаружено при тестировании слюны , перед образованием оксида азота (NO). [27]
Симптомы отравления нитратами у домашних животных включают учащенное сердцебиение и дыхание; в запущенных случаях кровь и ткани могут стать синими или коричневыми. Корм можно проверить на нитраты; лечение заключается в дополнении или замене существующих запасов на материал с более низким содержанием нитратов. Безопасные уровни нитратов для различных видов скота следующие: [32]
Приведенные выше значения указаны для сухого (безводного) состояния.
Образование нитратов с элементами периодической системы: