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:

M_r(NaN0₃) = 23 + 14 + 48 = 85.

Далее относительную атомную массу азота A_r(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

М_г[Са(Н₂Р0₄)₂] = 40 + 4 + 62 + 128 = 234

и относительную молекулярную массу оксида фосфора

(V) М_г(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

М_г(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

если установили внести 1,4 ц/га карбамида, то это будет соответствовать 1,4 кг на ТОО м² (1,4 ц/га =140 кг/га ==1,4 кг/100 М²). Это закономерно для любой нормы. Абсолютная величина, выражающая норму внесения удобрения, остается без изменения, а изменяется только масштаб измерений— вместо ц/га становится кг/100 м² (3,5 ц/га» =3,5 кг/100 и^!, 5,0 ц/га=5,0 кг/100 м² и т. д.).

Для проверки выполнения заданий учащихся рекомендуем вести запись расчета по такой форме. Например, на делянку полевого севооборота пришкольного участка намечено внести N_eB, Размер делянки 50 м². Имеются удобрения: карбамид с содержанием азота 42%, суперфосфат простой (д. в. 19%), хлористый калий (д. в. 56%). Требуется определить, .сколько граммов каждого удобрения надо внести на делянку.

Как видно, расчет очень прост. Учитель или ученик, рассуждая логически, проводят запись в тетради или на классной доске по определению количества удобрений на любую заданную площадь мелкоделяночного опыта. В этом мы убедились на своем длительном опыте работы со школьниками.

Глава 3. К методике проведения практической работы «Распознавание удобрений»

В круг экспериментально изучаемых удобрений необходимо включить: аммофос, аммиачную селитру, хлорид калия, фосфоритную муку, сульфат аммония, суперфосфат (простой, двойной), карбамид, сульфат калия. Включение в число удобрений для изучения в курсе химии карбамида — органического вещества — наряду с минеральными удобрениями вызвало необходимость дать более корректное название практической работе «Распознавание удобрений». Таким образом, для экспериментального изучения предлагаются простые и сложные удобрения.

Анализ многих комплексных удобрений входят смеси различных солей, содержащих, как правило, три питательных вещества. Поэтому их распознавание проводить не следует. Однако эти удобрения (особенно нитроаммофоску, жидкие комплексные удобрения — ЖКУ) целесообразно использовать для решения экспериментальных задач в конце изучения темы «Минеральные удобрения». Например: