bigpo.ru
добавить свой файл
1 2





РЕФЕРАТ



ПО ХИМИИ НА ТЕМУ:

Химия в хозяйстве





Земля как планета солнечной си­стемы существует около 4,6 млрд.

лет. Считают, что жизнь на ней зародилась 800—1000 тыс. лет назад. Ученые обнаружили следы деятельности первобытного человека, возраст которых оценивается 600—700 тыс. лет. Эра земледелия насчитывает всего лишь 17 тыс. лет.

За многомиллионные эпохи вода, воздух, а затем и живые организмы разрушали и измельчали каменные породы земной коры. Отмирая, живые организмы обра­зовывали перегной или, как его называют ученые, гумус. Он смешивался с измельченной породой, склеивал и це­ментировал ее. Так зарождалась почва на нашей плане­те. Первая почва послужила основой развития после­дующих более крупных растений, которые, в свою оче­редь, способствовали новому ускоренному образованию гумуса. Еще с большим ускорением процесс почвообра­зования стал протекать с появлением животных, особен­но населявших почвенный слой. Превращению органи­ческого вещества в гумус способствовали различного рода бактерии. Образование и распад органических ве­ществ в почве считается главной причиной почвообразо­вания.

Таким образом, почва состоит из минеральной и орга­нической (гумуса) частей. Минеральная часть составляет от 90 до 99 % и более от всей массы почвы. В ее состав входят почти все элементы периодической системы Д. И. Менделеева. Однако основными составляющими минеральной части почв являются связанные в соедине­ния кислород, кремний, алюминий и железо. Эти четыре элемента занимают около 93 % массы минеральной ча­сти. Гумус является основным источником питательных веществ для растений. Благодаря жизнедеятельности населяющих почву микроорганизмов происходит мине­рализация органического вещества с освобождением в доступной для растений форме азота, фосфора, серы и других необходимых для растений химических элементов. Органическое вещество оказывает большое влияние на формирование почв и изменение ее свойств. При разло­жении органических веществ почвы выделяется углекис­лый газ, который пополняет приземную часть атмосферы и ассимилируется растениями в процессе фотосинтеза. Однако какой-бы богатой питательными веществами ни была почва, рано или поздно она начинает истощаться. Поэтому для поддержания плодородия в нее необходимо вносить питательные вещества (удобрения) органиче­ского или минерального происхождения. Кроме того, что удобрения поставляют растениям питательные вещества, они улучшают физические, физико-механические, хими­ческие и биологические свойства почв. Органические удобрения в значительной степени улучшают водно-воз­душные и тепловые свойства почв. Способность почвы поглощать пары воды и газообразные вещества из внеш­ней среды является важной характеристикой. Благодаря ей почва задерживает влагу, а также аммиак, образующийся в результате разложения органических веществ и служащий важным питательным веществом.

Почвы обладают ионообменными свойствами, анало­гичными свойствам ионообменных смол. Благодаря им почвы задерживают катионы и анионы солей и постепен­но замещают их на другие, поступающие извне. При избытке влаги эти анионы легко вымываются из поверхностных слоев почв и переносятся в более глубокие слои. Считают, что в подземные воды уходит до 13 % нитратного азота, содержащегося во вносимых на поля удобрениях. Поэтому нитратные удоб­рения вводят в почву во время посева или в период развития растений в виде подкормки.

Для развития и роста растению необходимо много различных химических элементов. Их растения берут главным образом из почвы. С наибольшей скоростью почва истощается азотом, фосфором и калием. Эти хими­ческие элементы усваиваются растениями в наибольшем количестве и поэтому для поддержания плодородия полей в почву необходимо вносить соответствующие удобрения. На протяжении тысячелетий земледелие знало лишь органические удобрения — различные отходы хозяйства и прежде всего навоз. Однако даже в сбалансированном хозяйстве, где растениеводство сочетается с животно­водством, внесение в почву навоза не обеспечивает восполнения азота и фосфора, выведенных из почвы с урожаем.

Продукцию растениеводства делят на товарную и нетоварную. Например, зерно и овощи — товарная про­дукция. Она направляется к потребителю и содержа­щиеся в ней химические элементы в основном не возвра­щаются на поля. Солома, ботва, пожнивные остатки и корни, как правило, возвращаются в почву. Солома идет на подстилку и возвращается в почву в виде навоза, а ботва и другие отходы запахиваются. Товарная про­дукция содержит много азота и фосфора, а нетовар­ная — содержит много калия. Таким образом, в резуль­тате круговорота веществ в земледелии калий может быть в основном возвращен в почву, а возврат азота и фосфора не обеспечивается даже внесением навоза.

Поэтому какие бы ни были предубеждения против минеральных удобрений, в научно обоснованных коли­чествах их необходимо вносить в почву.

Установлено, что каждая тонна кукурузы забирает из земли 55 кг питательных веществ, тонна колосовых — примерно 60 кг, а тонна хлопчатника — почти 120 кг. Такого рода цифры позволяют вести расчет вносимых в почву удобрений. Безусловно, при этом ведется учет различного рода потерь удобрений.

Соединения азота (оксиды и азотная кислота) в не­больших количествах образуются в атмосфере. Вслед­ствие электрических разрядов азот взаимодействует с кислородом в соответствии с уравнением

Na2 + O2 = 2NO

Далее оксид азота окисляется до диоксида:

2NO+02 = 2N02

В присутствии кислорода и воды последний превращает­ся в азотную кислоту:


4NO2 + О2 + 2Н2О = 4НNОз

С атмосферными осадками на 1 га площади в год поступает 2,5—4 кг связанного азота. За счет свободно живущих в почве бактерий и грибков (азотофиксаторов), ассимилирующих атмосферный азот, 1 га почвы ежегодно получает от 5 до 15 кг связанного азота. Если учесть, что даже при урожае озимой пшеницы 25 ц с зерном из почвы уносится около 70 кг связанного азота, то станет ясно, что естественного пополнения азотом почв никак недостаточно. Однако уместно подчеркнуть, что клубень­ковые бактерии бобовых растений и особенно бобовых трав поставляют в почву в год 100—200 кг связанного азота на 1 га. Зерновые бобовые, хотя и дают почве не­сколько меньше (до 70 кг), но тем не менее это может позволить обойтись без азотных удобрений. Таким обра­зом, при использования клевера и люцерны и при рацио­нальном севообороте азотный баланс в почве может быть достигнут.

Если содержание связанного азота различным путем почва может восполнять, то источников естественного пополнения почв фосфором нет. Его необходимо вносить с тем или иным видом удобрений.

Навоз. В навозе в среднем содержится 0,5 % связан­ного в химические соединения азота, 0,25 % фосфора и 0,6 % калия. Содержание этих питательных элементов зависит от вида скота, характера скармливаемых кормов, от вида подстилки и других факторов. Кроме азота, фосфора и калия навоз содержит все элементы, включая и микроэлементы, необходимые для жизни растений. В качестве подстилки используют солому, опилки, но на­илучшей считается торф. Подстилка позволяет лучше сохранять в навозе питательные вещества.

Ценным и быстродействующим средством является навозная жижа. Она содержит до 0,8 % азота и до 1 % калия, но сравнительно небольшое количество фосфора. Ее применяют для подкормки растений в весенне-летний сезон и для приготовления компостов. Компосты — смеси двух или нескольких удобрений. Для их приготовления используют главным образом торф. В результате полу­чают торфо-навозные, торфо-жижевые, торфо-фекальные, торфо-фосфорнтные и другие компосты.

Концентрированным и весьма эффективным удобре­нием является птичий помет. Он содержит в среднем 6 % азота, 4,3 % калия и 2,6 % фосфора. Для избежание потерь питательных веществ птичий помет хранят в смеси с торфом.

Для обогащения почвы азотом применяют так назы­ваемое зеленое удобрение — это специально выращенная и запаханная растительная масса. Для этой цели исполь­зуют главным образом бобовые растения, которые способны связывать в химические соединения азот воздуха. Обычно молекулярный азот недоступен для растений в качестве питания. Однако он способен усваиваться некоторыми микроорганизмами. Давно установлено, что на корневой системе бобовых растений размножаются клубеньковые бактерии, которые обладают способностью переводить молекулярный азот в химические соединения. В процессе своей жизнедеятельности клубеньковые бакте­рии и обогащают почву соединениями азота. Кроме того, некоторые бобовые растения имеют корневую систему, уходящую глубоко в землю. Благодаря этому они пере­носят в пахотный слой извлеченные из глубоких горизон­тов питательные вещества и таким путем также способ­ствуют повышению урожайности.

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 (безводный и водные растворы) и его соли — прежде всего сульфат (NH4)2SO i и хлорид аммония NH4Cl. Ко второй группе — селитры:

натриевая NaN03, калиевая KNO2 и кальциевая Са(NОз)2. Промышленностью также выпускаются аммиачно-нитратные удобрения, например аммиачная се­литра NH4N03. К амидным удобрениям относятся цианамид кальция и мочевина (карбамид) . 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+ ЗН20 = СаСОз + 2NНз

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+ СO2

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:

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

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 NaNO2 и кальциевая селитра Са(NОз)2. Однако следует иметь в виду, что при ее применении происходит подщелачивание (понижение кислотности) почв, посколь­ку растения связывают азотную кислоту и освобождают щелочь:

NaNO3+HaO = [HNO2]+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 NНз), а также растворы в жидком аммиаке или в концентрированной аммиачной воде, в которых растворяют аммиачную селитру, карба-мид, кальциевую селитру. При растворении в аммиаке NH4NO2 и Са(NОз)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. Эти 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.

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. 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.

В прошлом на Руси были весьма популярны суточные (томленые) щи. Они вкусны и весьма полезны. Основны­ми компонентами суточных щей являются мясо с костями и квашеная капуста. Горшок со сваренными щами поме­щали в хорошо прогретую русскую печь, которая удержи­вала тепло целые сутки. Молочная и другие органи­ческие кислоты квашеной капусты способствовали рас­щеплению белков и растворению минеральной части костей. Для этого требовалось время и повышенная температура. Немногие оставшиеся свидетели вспоми­нают, что косточки в суточных щах были настолько мягкими, что могли быть пережеваны. По существу, процесс взаимодействия гидроксидапатита костей с кис­лотами напоминает переработку фосфоритов и апатитов в суперфосфат. Из малорастворимых фосфатных соеди­нений под действием кислот получаются более раство­римые кислые фосфаты кальция. Эти же химические превращения происходят при внесении костяной муки в кислые почвы.

Химическая сущность производства наиболее деше­вого фосфорного удобрения — суперфосфата — сводится к обработке фторапатита серной кислотой:

2Ca5F(РO4)3 + 7H2S04 + ЗН2О == ЗСа(Н2Р04)2 • H2O + 7CaS04 + 2HF

Недостатком суперфосфата является низкое содержание в нем фосфора. Сульфат кальция (гипс) можно рассмат­ривать лишь как транспортный балласт. Правда, для подзолистых и супесчаных почв, в которых содержится мало серы, сульфат кальция оказывается полезным для некоторых растений, потребляющих много серы — бобо­вые, крестоцветные и др. Однако для большинства растений гипс практически бесполезен.

Для получения удобрения с более высоким содержа­нием фосфора проводят процесс в две стадии. Вначале получают фосфорную кислоту:

Получающуюся фосфорную кислоту отделяют от гипса и действуют ею на новую порцию сырья:

Ca5F(РO4)3 + H3РO4 + 5H2O = 5Ca5(H3РO4)2 *H2O + HF


Образующийся продукт называют двойным суперфосфа­том потому, что в отличие -от простого суперфосфата он содержит примерно вдвое больше питательного ве­щества. Для устранения слеживаемости и обеспечения хорошей рассеиваемости суперфосфат гранулируют.

Еще одно фосфорное удобрение производят нейтрали­зацией фосфорной кислоты известковым молоком (сус­пензией гашеной извести):

Hз Р04+Са(ОН)2 = СаНР04.2Н2О


следующая страница >>