Юрий Кукушкин - Химия вокруг нас

Минеральные удобрения.В мире минеральные удобрения начали применять сравнительно недавно. Инициатором и активным поборником их использования в земледелии был немецкий химик Юстус Либих. В 1840 г. он выпустил в свет книгу «Химия в приложении к земледелию». В 1841 г. по его почину в Англии была построена первая суперфосфатная установка. Калийные удобрения начали производить в 70-х годах прошлого века. Минеральный азот в то время поставлялся в почву с чилийской селитрой. Следует отметить, что в настоящее время считают рациональным вносить в почву фосфорные, калийные и азотные удобрения в отношении питательных веществ, примерно равном 1:1,5:3.

Спрос на минеральные удобрения быстро увеличивается так, что их мировое потребление с начала текущего столетия удваивается за каждые десять лет.

К счастью, запасы главных элементов удобрений на Земле большие и их истощения пока не предвидится.

Азотные удобрения.Для синтеза белков растениям необходим азот. Поэтому азотные удобрения могут приводить к увеличению в зерне белков и, что особенно важно, они повышают содержание клейковины, от которой в значительной степени зависит качество хлеба, его рассыпаемость. Таким образом, азотные удобрения повышают кормовую и пищевую ценность продукции.

Азотсодержащие минеральные удобрения подразделяют на аммиачные, нитратные и амидные. К первой группе относится сам аммиак NH 3(безводный и водные растворы) и его соли — прежде всего сульфат (NH 4)2SO 4и хлорид аммония NH 4Cl. Ко второй группе — селитры: натриевая NaNO 3, калиевая KNO 3и кальциевая Ca(NO 3) 2. Промышленностью также выпускаются аммиачно-нитратные удобрения, например аммиачная селитра NH 4NO 3. К амидным удобрениям относятся цианамид кальция CaCN 2и мочевина (карбамид) NH 2CONH 2. Для уменьшения пыления цианамида кальция часто к нему добавляют до 3% нефтяных масел. В результате такое удобрение имеет запах керосина. Цианамид кальция при гидролизе дает аммиак и карбонат кальция:

CaCN 2 + 3H 2O = CaCO 3 + 2NH 3

Мочевина при взаимодействии с водой в конечном счете тоже превращается в аммиак. Наряду с ним получается диоксид углерода, который также является питательным веществом для растений

NH 2CONH 2 + H 2O = 2NH 3 + CO 2

Поскольку цианамид и мочевина взаимодействуют с водой постепенно, то питательное вещество аммиак поступает из них к растениям также постепенно. Аммиак, хотя и не очень сильно, но токсичен. Его предельно допустимая концентрация в воздухе составляет 20 мг/м 3. Отравление аммиаком вызывает обильное слезотечение, боль в глазах, удушье, боли в желудке. При попадании в глаза брызг раствора аммиака необходимо промыть их водой или 0,5...1,0%-ным раствором квасцов. При поражении аммиаком кожи необходимо обильное обмывание ее водой с последующим наложением примочки из слабых растворов уксусной или лимонной кислот. При поражении дыхательных путей пострадавшего следует вынести на свежий воздух. В этом случае также полезно вдыхание теплых водяных паров и лучше с добавками к воде лимонной или уксусной кислоты.

В почве аммиак и амины превращаются в нитраты. Процесс биологического превращения восстановленных форм азота в окисленные называют нитрификацией. Он протекает под действием целого ряда бактерий. Обычно нитрификация протекает в две стадии: сначала аммиачный азот окисляется до нитрит-ионов:

2NH 3 + 3O 2 = 2NO 2 – + 2Н + + 2H 2О

В этом процессе участвуют бактерии: Nitrosomonas , Nitrosospira , Nitrosococcus , Nitrosolobus . Затем с участием бактерий Nitrobacter , Nitrospina , Nitrococcus нитритные ионы окисляются в нитратные:

2NO 2 – + O 2 = 2NO 3 –

Энергия, выделяющаяся при окислении аммиачного азота до нитратного, используется бактериями для ассимиляции углекислого газа и для других эндотермических процессов.

Существуют другие бактерии и грибки, которые проводят нитрификацию не только аммиачного азота, но и азота органических соединений, осуществляя таким образом минерализацию органических соединений, попавших в почву.

В результате действия различных нитрифицирующих бактерий аммиак и органические амины, содержащиеся в больших количествах в навозе, превращаются в нитраты. Последние попадают в грунтовые воды, водоемы и колодцы. Вследствие этого вода колодцев, расположенных вблизи больших ферм, часто содержит недопустимо большое количество нитратов и потому непригодна для питья и приготовления пищи.

Из азотных удобрений для нечерноземных почв наиболее быстродействующей и эффективной является натриевая NaNO 3и кальциевая селитра Ca(NO 3) 2. Однако следует иметь в виду, что при ее применении происходит подщелачивание (понижение кислотности) почв, поскольку растения связывают азотную кислоту и освобождают щелочь:

NaNO 3 + H 2O = [HNO 3] + NaOH

Выше уже было написано, что нитратные ионы относительно легко вымываются из почвы и потому нитратные удобрения используются не полностью. Имеется и другая причина, приводящая к снижению эффективности усвоения азотных удобрений, — это бактерии. В цепи биохимических превращений аммиачного азота в нитратный в качестве промежуточного соединения может образоваться молекулярный азот, который и уходит из почвы в атмосферу. Таким образом, если при производстве азотных удобрений из молекулярного азота получаются химические азотсодержащие соединения, то некоторые бактерии осуществляют процессы в обратном направлении, т.е. азотсодержащие соединения превращаются в молекулярный азот. В результате деятельности таких бактерий происходят потери огромных количеств азотных удобрений.

В настоящее время почти каждый взрослый человек знает, что содержащиеся в пищевых продуктах соли азотной кислоты (нитраты) опасны для здоровья. А ведь еще недавно их вводили для консервирования мяса, ветчины, колбасы. Специалисты считают, что опасность заключается не в самих нитратах, а в продуктах их восстановления — нитритах, т.е. солях азотистой кислоты. Нитриты образуются из нитратов в желудке как человека, так и животных. Они-то и обладают ядовитым действием на организм. Однако дело этим не ограничивается. Нитриты способны нитрозировать аминные группы в белках и аминокислотах, приводя к образованию нитрозаминов. Существуют указания на то, что некоторые из нитрозаминов обладают канцерогенными свойствами.

В настоящее время распространение получили жидкие удобрения. К их числу относят жидкий аммиак и аммиачную воду (20...22% по NH 3), а также растворы в жидком аммиаке или в концентрированной аммиачной воде, в которых растворяют аммиачную селитру, карбамид, кальциевую селитру. При растворении в аммиаке NH 4NO 3и Ca(NO 3) 2давление паров аммиака снижается и при определенной концентрации солей при обычных температурах оно становится равным атмосферному. Жидкие удобрения легче вносить на поля и удобно использовать для подкормки растений. В то же время их производство проще и дешевле, чем твердых удобрений.