Химия вокруг нас - Юрий Кукушкин

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 NH3 (безводный и водные растворы) и его соли — прежде всего сульфат (NH4)2SO4 и хлорид аммония NH4Cl. Ко второй группе — селитры: натриевая NaNO3, калиевая KNO3 и кальциевая Ca(NO3)2. Промышленностью также выпускаются аммиачно-нитратные удобрения, например аммиачная селитра NH4NO3. К амидным удобрениям относятся цианамид кальция CaCN2 и мочевина (карбамид) NH2CONH2. 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:

CaCN2 + 3H2O = CaCO3 + 2NH3

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

NH2CONH2 + H2O = 2NH3 + CO2

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/м3. 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:

2NH3 + 3O2 = 2NO2– + 2Н+ + 2H2О

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

2NO2– + O2 = 2NO3–

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 NaNO3 и кальциевая селитра Ca(NO3)2. Однако следует иметь в виду, что при ее применении происходит подщелачивание (понижение кислотности) почв, поскольку растения связывают азотную кислоту и освобождают щелочь:

NaNO3 + H2O = [HNO3] + 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 NH3), а также растворы в жидком аммиаке или в концентрированной аммиачной воде, в которых растворяют аммиачную селитру, карбамид, кальциевую селитру. При растворении в аммиаке NH4NO3 и Ca(NO3)2 давление 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.

Фосфорные удобрения. Фосфор необходим растениям для синтеза белков клеточных ядер — нуклеопротеидов, а также многих других биологически активных органических соединений. Он накапливается в растениях в довольно больших количествах. Растения как объекты питания обеспечивают фосфором организмы животных, а также человека. В табл. 2 приведено содержание фосфора Р в продуктах питания растительного и животного происхождения.

Природа создала много кладовых фосфорного сырья, в том числе и в нашей стране. Эти кладовые состоят из апатитов и фосфоритов. В группе минералов под общим названием апатиты наиболее распространены фосфаты состава Ca5Х(PO4)3, где X = F–, Cl–, OH–. Соответствующие минералы называют фторапатитом, хлорапатитом, гидроксидапатитом. Наиболее распространен фторапатит. Апатиты входят в состав изверженных магматических пород. Осадочные породы, в которых содержится апатит с включениями частичек посторонних минералов (кварца, кальцита, глины и др.), называют фосфоритами.

Таблица 2

Продукт Содержание фосфора, % Продукт Содержание фосфора, % Картофель 0,06 Сыр «Чеддер» 0,52 Салат 0,03 Яйцо 0,22 Яблоки 0,01 Молоко 0,09 Апельсины 0,02 Говядина (нежирная) 0,20 Хлеб пшеничный 0,10 Овес 0,40 Рыба 0,20 Кофе 0,38 Шоколад 0,23 Печень 0,50 Масло 0,02 Арахис 0,39 Макароны 0,16 Сыр плавленый 0,80

В далекие геологические эпохи фосфориты образовались путем минерализации скелетов животных (кости, как известно, состоят в основном из фосфата кальция) или осаждением из воды фосфатных ионов ионами кальция. В природе встречаются аморфные и кристаллические фосфориты. Первые легче поддаются химическому и микробиологическому разложению. Поэтому на некоторых почвах измельченные фосфориты (фосфоритная мука) использовались в качестве удобрений без заводской химической переработки. Для этой же цели применяется костяная мука, которую получают размалыванием обезжиренных костей. Минеральная часть костной ткани состоит из гидроксидапатита Ca5OH(PO4)3. Следует отметить, что люди применяли кости для удобрения полей с древнейших времен. Теперь мы знаем, что особенно большой эффект костяная мука дает на кислых почвах.