Изучение темы "Минеральные удобрения" в школьном курсе химии
Изучение темы "Минеральные удобрения" в школьном курсе химии
Глава 1. Минеральные удобрения
1.
Общая классификация удобрений
В клетках растений содержится
более 70 химических элементов — практически все, имеющиеся в почве. Но для
нормального роста, развития и плодоношения растений необходимы лишь 16 из них.
Это элементы, поглощаемые растениями из воздуха и воды, — кислород, углерод и
водород, и элементы, поглощаемые из почвы, среди которых различают
макроэлементы — азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера и микроэлементы —
молибден, медь, цинк, марганец, железо, бор и кобальт.
Отдельным растениям для
нормального роста и развития требуются и другие химические элементы. Так,
например, сахарной свекле для получения высокого урожая корнеплодов нужен
натрий. Он также ускоряет рост и улучшает развитие кормовой свеклы, ячменя,
цикория и других культур. Положительное влияние на обмен веществ у некоторых растений
оказывают кремний, алюминий, никель, кадмий, иод и др.
Наиболее полно потребности
сельскохозяйственных культур в питательных элементах удовлетворяются при
внесении в почву удобрений. Недаром их образно называют витаминами полей.
Удобрения содержат питательные
элементы в связанном виде, т. е. в виде их соединений. Растения поглощают эти
соединения из почвы, при этом осуществляется ионный обмен. Если, например,
взять пробу почвы, насыщенной кальцием, и взболтать ее с раствором какой-либо
соли, например хлоридом калия, то часть ионов К+ из раствора
перейдет в соединение с почвой, а в раствор вместо К+ перейдет Са2+:
По химическому составу удобрения
делятся на неорганические, или минеральные, органические, органоминеральные и
бактериальные. Схема классификации удобрений представлена на с. 248.
Минеральные
удобрения —
вещества неорганического происхождения. По действующему, питательному элементу
минеральные удобрения подразделяют на макроудобрения: азотные, фосфорные,
калийные и микроудобрения (борные, молибденовые и т. д.).
Для изготовления минеральных
удобрений используют природное сырье (фосфориты, селитры и др.), а также
побочные продукты и отходы некоторых отраслей промышленности, например сульфат
аммония — побочный продукт в коксохимии и производстве капрона. Минеральные
удобрения получают в промышленности или механической обработкой неорганического
сырья, например измельчением фосфоритов, или с помощью химических реакций.
Выпускают твердые и жидкие минеральные удобрения.
Органические
удобрения —
вещества растительного и животного происхождения. В первую очередь, это навоз,
торф, компосты, птичий помет, городские отходы и отбросы пищевых производств.
Сюда относят и зеленые удобрения (растения люпин, бобы).
Внесенные в почву, эти удобрения
под действием почвенных микроорганизмов разлагаются с образованием минеральных
соединений азота, фосфора, калия и других питательных элементов.
Органоминеральные
удобрения содержат
органические и минеральные вещества. Их получают путем обработки аммиаком и
фосфорной кислотой органических веществ (торфа, сланцев, бурого угля и др.) или
путем смешивания навоза или торфа с фосфорными удобрениями.
Бактериальные
удобрения —
препараты (азотобактерин, нитрагин почвенный), содержащие культуру
микроорганизмов, поглощающих органические вещества почвы и удобрений и
превращающих их в минеральные.
По агрохимическому воздействию
минеральные удобрения разделяют на прямые и косвенные.
Прямые
удобрения предназначаются
для непосредственного питания растений. Они содержат азот, фосфор, калий,
магний, серу, железо и микроэлементы (В, Mo, Си, Zn). Подразделяются на простые и комплексные удобрения.
Простые удобрения
содержат один
элемент питания (азот, фосфор, калий, молибден и т. д.). Это
•азотные
удобрения, которые различают по форме соединений азота (аммиачные, аммонийные,
амидные и их сочетания);
•фосфорные
удобрения, которые разделяют на растворимые в воде (двойной суперфосфат) и
нерастворимые в ней (фосфоритная мука и др., используемые на кислых почвах);
•калийные
удобрения, которые разделяют на концентрированные (КС1, К2С03
и др.) и сырые соли (сильвинит, каинит и др.);
•микроудобрения
— вещества, содержащие микроэлементы (Н3В03, молибдат
аммония и др.).
Комплексные
удобрения содержат
не менее двух питательных элементов. По характеру их производства они
подразделяются на следующие группы:
• смешанные — получают
механическим смешиванием различных готовых порошкообразных или гранулированных
удобрений;
• сложносмешанные гранулированные
удобрения — получают смешиванием порошкообразных готовых удобрений с введением
в процессе смешивания жидких удобрений (жидкого аммиака, фосфорной кислоты,
серной кислоты и др.);
• сложные удобрения — получают
химической переработкой сырья в едином технологическом процессе.
Косвенные
удобрения применяют
для химического, физического, микробиологического воздействия на почву с целью
улучшения условий использования удобрений. Например, для нейтрализации
кислотности почв применяют молотые известняки, доломит, гашеную известь, для
мелиорации солонцов — гипс, для кислования почв — гидросульфит натрия.
Питательную ценность удобрений
условились выражать через массовую долю в них азота N, оксида фосфора (V) Р205
или оксида калия К20.
Массовую долю азота в удобрении
рассчитывают так же, как и массовую долю элемента в каком-либо соединении с
известной молекулярной формулой. Например, для определения массовой доли азота
в азотном удобрении — натриевой селитре NaN03 находят сначала относительную молекулярную
массу NaN03:
Mr(NaN03) = 23 + 14 + 48 =
85.
Далее относительную атомную массу
азота Ar(N) = 14 делят на относительную
молекулярную массу соединения и результат выражают в процентах.
При определении массовой доли Р205
и К20 в удобрении нужно учитывать, что самих соединений, отвечающих
этим формулам, в удобрениях нет, поэтому расчет носит условный характер.
Например, массовую долю Р205 в двойном суперфосфате Са(Н2Р04)2
рассчитывают следующим образом:
1) находят относительную
молекулярную массу дигидрофосфата кальция
Мг[Са(Н2Р04)2]
= 40 + 4 + 62 + 128 = 234
и относительную
молекулярную массу оксида фосфора
(V) Мг(Р205)
= 62 + 80 = 142;
2) зная относительную
молекулярную массу оксида фосфора (V) и учитывая, что в молекулах обоих
сравниваемых веществ содержится одинаковое число атомов фосфора (по два атома),
делят второе число на первое, результат выражают в процентах. Итак,
u>(P205) = HI = 0,607, или 60,7% .
Рассмотрим теперь, как определяют
в удобрениях массовую долю К20. Пусть требуется найти массовую долю
К20, отвечающую чистому хлориду калия КС1. Для этого поступают
следующим образом:
1) вычисляют относительную
молекулярную массу хлорида калия
МДКС1) = 39 + 35,5 =
74,5
и относительную
молекулярную массу оксида калия
Мг(К20)
= 78 + 16 = 94;
2) зная
относительную молекулярную массу оксида калия и учитывая, что в молекуле
хлорида калия один атом калия, а в молекуле оксида калия — два атома, делят
относительную молекулярную массу оксида калия на удвоенную относительную
молекулярную массу хлорида калия, результат выражают в процентах.
Азотные, калийные и фосфорные удобрения.
Азотные удобрения получают из
аммиака и азотной кислоты на химических заводах. Наиболее типичные азотные удобрения
представлены в таблице 11.
Аммиачную селитру NH4N03 — довольно
концентрированное азотное удобрение (34,5% азота) получают по реакции между
аммиаком и азотной кислотой:
Выпускают это удобрение в
мелкокристаллическом виде или в форме гранул. Относится к лучшим азотным
удобрениям и пригодна к применению на кислых и щелочных почвах. Дальнейшее
совершенствование технологии производства аммиачной селитры должно идти в
направлении улучшения ее физических свойств: чтобы селитра не слеживалась,
важно повысить прочность гранул, которая позволяла бы смешивать аммиачную
селитру механизированным способом с другими удобрениями.
Мочевина также является
эффективной формой азотных удобрений. Она имеет высокое содержание азота (46%)
и меньше слеживается по сравнению с аммиачной селитрой.
Жидкий аммиак — это
высококонцентрированное удобрение (82% азота). В сельском хозяйстве, используют
не посредственно жидкий аммиак, а также аммиакаты, получаемые при растворении в
нем аммиачной селитры или смеси аммиачной и кальциевой селитры.
Названия и химический состав
калийных удобрений представлены в таблице 1. Основным сырьем для их
производства служит минерал сильвинит КС1 • NaCl, богатейшие залежи которого
располагаются в Соликамске. Здесь на глубине от 100 до 300 м залегают миллиарды тонн сильвинита.
Каким способом отделить хлорид
калия от хлорида натрия? Растворимость хлорида натрия с понижением температуры
почти не изменяется, а растворимость хлорида калия резко уменьшается. Поэтому
при охлаждении до комнатной температуры насыщенного при 100 °С раствора
сильвинита в воде значительная часть хлорида калия выпадает в осадок. Кристаллы
отделяют фильтрованием, а раствор используют для растворения следующей порции
сильвинита. Этот способ осуществляют в промышленности.
Фосфорные удобрения (табл. 2)
получают при переработке руд, содержащих фосфор (фосфориты и апатиты), из
костей животных в небольшом количестве и отходов металлургического производства
(шлаки).
Простой суперфосфат Са(Н2Р04)2
+ 2CaS04 получают при
взаимодействии фосфоритной или апатитовой муки с серной кислотой по уравнению:
Простой суперфосфат применяют для
питания всех культур. К недостаткам его относится наличие гипса CaS04, который является
балластом и тем самым удорожает транспортировку удобрения от завода до поля.
Поэтому особое значение он имеет для культур, нуждающихся, кроме фосфора, в
гипсе (клевер и другие бобовые). Лучшей формой его применения является
гранулированный простой суперфосфат.
Двойной суперфосфат Са(Н2Р04)2
отличается от простого тем, что не содержит гипса. Выпускается в виде порошка и
гранул. Его производство осуществляется в две стадии:
б) жидкую часть отделяют от
осадка (гипса и других
примесей) и обрабатывают ею новую порцию сырья:
Преципитат СаНР04 • 2Н20
получают взаимодействием Н3Р04, полученной экстракционным
способом, с известковым молоком или мелом:
Или
Отечественный агрохимик Д. Н.
Прянишников предложил получать преципитат путем обработки фосфатного сырья
азотной кислотой. При этом дополнительно образуется кальциевая селитра.
Преципитат можно смешивать с любым удобрением. Он может применяться на всех
почвах и под различные культуры.
В последнее время большой интерес
вызывает возможность применения в качестве удобрения красного фосфора. Он
неядовит, является самым концентрированным фосфорсодержащим продуктом (229% в
пересчете на Р205). Его можно вносить в почву в запас на
ряд лет. Агрохимические исследования показали, что из общего количества
внесенного в почву красного фосфора за сезон в растение переходит 15—17%,
остальное количество остается в почве и используется в последующие годы.
Почему фосфоритную муку
целесообразно вносить в почву до посева?
Почему внесенная в почву
фосфоритная мука действует в течение нескольких лет?
Почему некоторые фосфорные
удобрения (фосфоритная мука, преципитат, красный фосфор), внесенные в почву,
сохраняют свои питательные свойства в течение нескольких лет, а калийные
удобрения нужно вносить в почву ежегодно?
Какие питательные элементы
содержатся в комплексных удобрениях: фосфат калия, калийная селитра,
дигидрофосфат аммония (аммофос)? Какова массовая доля каждого питательного
элемента в этих удобрениях?
Комнатные растения можно поливать
подкормкой из минеральных удобрений: в 1 л воды растворяют 2,5 г KN03, 2,5 г КН2Р04 и 10 г Ca(N03)2. Какова массовая доля (в %)
каждого из компонентов в такой подкормке?
В образце суперфосфата массовая
доля оксида фосфора (V) составляет 20%. Найдите массовую долю дигидрофосфата
кальция в удобрении.
Водный раствор содержит 39,2 г фосфорной кислоты. Его нейтрализовали раствором, содержащим 37 г гидроксида кальция. Найдите массу полученного преципитата.
Глава 2. Изучение минеральных
удобрений в школе
В
школьном курсе химии минеральные удобрения рассматриваются подробно в IX
классе. Как известно, состав удобрений, их свойства, применение и эффективность
изучает специальная наука — агрохимия (агрономическая химия). Основы агрохимии
в школе рассматриваются на факультативных занятиях «Химия в сельском хозяйстве.
Хотелось бы заметить, что если в городских школах изучение минеральных
удобрений может носить общепознавательный характер, то в сельских школах к
рассмотрению этого вопроса следует подойти более подробно как в теоретическом
так и в практическом плане. Изучение минеральных удобрений, на современном
научном уровне окажет большую помощь школьникам для подготовки их к практической
деятельности в сельском хозяйстве. В связи с этим и хочется поделиться
отдельными мыслями по улучшению изучения минеральных удобрений в школе и их
практическому применению.
Минеральные
удобрения, как правило, содержат некоторое количество различных примесей
(балласта). Это зависит от сырья и технологии получения удобрений. Поэтому
называть удобрения, хотя бы для примера, химически чистыми веществами (как дано
в учебнике неорганической химии для IX класса), не совсем правильно.
Искусственное введение понятия об удобрениях как о химически чистых веществах
нередко вводит учителей в заблуждение, и многие из них используют на уроках
химически чистые реактивы вместо натуральных удобрений (хлористого калия,
сульфата аммония, суперфосфата и др.). Вполне понятно, что внешний вид и
проявление химических реакций у таких химически чистых веществ будут отличаться
от удобрений.
В
учебнике также приводится пример расчета процента действующего вещества в
удобрениях по химическим формулам. На наш взгляд, этого делать нельзя, так как
удобрения не химически чистые вещества, а смеси. При таких расчетах надо
указывать количество примесей для того, чтобы получить точный результат.
Приведенным в учебнике методом нельзя определить процент действующего вещества
в фосфоритной муке, сильвините, калийной соли. Да и у других удобрений,
полученных искусственно синтетическим путем (мочевина, аммиачная селитра), этот
способ дает завышенные, не соответствующие действительности, показатели. В
агрохимии и в практике сельского хозяйства, такие расчеты никогда не
проводятся. Процент действующего вещества в каждом виде и партии удобрений
определяется в заводских агрохимических лабораториях на основании
количественного метода аналитической химии, а затем он указывается в накладных
документах (сертификатах) и на этикетках, приложенных к удобрениям. В практике
сельского хозяйства и при работе с удобрениями в школе процент действующего в
них вещества надо брать из этих же документов или из справочников.
Вполне
целесообразным можно считать определение процента действующего вещества а
удобрениях аналитическим путем. Такая работа тесно увязывается с агрохимией и
практикой сельского хозяйства, расширяет знания и умения школьников в нужном
направлении, повышает их интерес к сельскому хозяйству.
Следовательно,
устанавливая межпредметные связи агрохимии с неорганической химией в школе,
следует исключить примеры и понятия по отношению к удобрениям, как химически
чистым веществам, а также расчет действующего вещества по химическим формулам.
В
агрохимии, как известно, сложились определенные названия удобрений. Они
общеприняты в сельском хозяйстве. Однако в связи с изменением номенклатуры
неорганических соединений многие удобрения в школе стали называть по-иному.
Например, удобрение хлористый калин (КО) в школьном курсе неорганической химии
называют хлоридом калия; аммиачную селитру (NH4NOs) —
нитратом аммония; жидкое удобрение аммиачную воду или водный раствор аммиака (NH4OH) гидроксидом аммония. Нам думается, что при изучении
удобрений следует указывать традиционные, общепринятые в агрохимии названия и
новые, современные, принятые в школе.
Нормы
внесения минеральных, или заводских, удобрений под сельскохозяйственные
культуры выражаются в килограммах действующего вещества (д. в.) или в центнерах
тука на 1 га (ц/га). Нередко при постановке полевых опытов учителя нечетко
указывают нормы внесения удобрений. Например, говорят о внесении 4,0 ц/га
фосфорных удобрений, но не называют конкретно каких. Если указанная норма
вносится в виде простого суперфосфата, который содержит 19% фосфора, то будет
внесено 76 кг/га д. в., если двойного суперфосфата (42%)—то 168 и если
фосфоритной муки (23%)—то 92 кг/га д.в.
Как
уже отмечалось, чаще всего норма внесения удобрений выражается в кг/га д. в.
Вносят же удобрения в виде конкретных туков. Поэтому надо уметь норму внесения
удобрений, выраженную в кг/га д. в., переводить в ц/га тука. Например нужно
внести Nso, имеется мочевина с содержанием
азота 42%. Соответственно мочевины следует внести (60: 42) 1,4 ц/га s.
На пришкольном участке и
при проведении мелкоделяночных опытов с удобрениями приходится определять
количество удобрений, вносимых на небольшие площади, исходя из установленных
норм. Например, определили, что следует внести карбамида 1,4. ц/га. Требуется
найти, сколько нужно внести его (в г) На делянку в 20 м2. Расчет проводят так. Вначале 1,4 ц переводят в граммы, затем определяют, сколько
граммов удобрения приходится на 1 м2 в соответственно 20 м2
Страницы: 1, 2
|