Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Що таке добрива?

Це речовини, які вносять у ґрунт, аби поліпшити живлення рослин задля підвищення їхньої врожайності. Добрива містять один або кілька поживних елементів. Установлено, що для нормальної життєдіяльності рослин потрібні Нітроген, Фосфор, Калій. Майже всі мінеральні добрива є солями, одержуваними з природних мінералів, а також з азоту повітря. Про класифікацію добрив ви дізнаєтеся, проаналізувавши схему на малюнку 10.6 (зробіть це).

Мал. 10.6. Класифікація мінеральних добрив

За якими ознаками класифіковано добрива на схемі (мал. 10.6)?

Отже, мінеральні добрива — неорганічні речовини, добуті на хімічних підприємствах. До них відносять і деякі органічні речовини, наприклад карбамід.

Прості добрива містять лише один поживний елемент. Наприклад, азотні добрива містять Нітроген. Нітратні (селітри) — у складі аніона: NaNO₃, Ca(NO₃)₂. Амонійні — у складі катіона: (NH₄)₂SO₄, NH₄Cl. В амоній нітраті NH₄NO₃ поживний елемент є складником як катіона, так і аніона. Карбамід, або сечовина (NH₂)₂CO, — також азотне добриво. До амоніачних добрив належать рідкий амоніак NH₃, амоніачна вода NH₃ • Н₂О, амоніакати NH₄NO₃ + NH₃ • Н₂О. Їхнє виробництво значно дешевше, ніж твердих добрив, однак певні незручності в транспортуванні й унесенні дещо обмежують використання їх. Калійні добрива — сильвініт КСl • NaCl, калій сульфат Na₂SO₄, поташ K₂CO₃. Фосфорні добрива — простий суперфосфат Са(Н₂РО₄)₂ • CaSO₄, подвійний суперфосфат Са(Н₂РО₄)₂, преципітат СаНРО₄ • Н₂О, фосфоритне борошно Ca₃(PO₄)₂.

Комплексні добрива містять кілька поживних елементів: калійна селітра KNO₃, амофос NH₄H₂PO₄, диамофос (NH₄)₂HPO₄, амофоска (NH₄)₂HPO₄ + КСl, нітроамофоска (NH₄)₂HPO₄ + КСl + NH₄NO₃.

Мікродобрива містять мікроелементи, споживані рослинами в невеликих кількостях. Це борні H₃BO₃, мідні CuSO₄ • 5Н₂О, манганові MnSO₄, кобальтові СоСl₂, молібденові (NH₄)₂MoO₄, цинкові ZnSO₄ добрива тощо (мал. 10.7). Вони забезпечують приріст урожаїв у середньому на 10-12 % і поліпшують якість продукції. Проте надлишкове використання їх може призвести до накопичення мікроелементів у ґрунтах і сільськогосподарській продукції, що зумовлює негативні наслідки для довкілля й здоров’я людини.

Мал. 10.7. Мінеральні добрива

Класифікуйте добрива, зображені на малюнку 10.7.

Застосування в сільському господарстві мінеральних добрив, поряд з механізацією й передовими методами агротехніки, дає величезний економічний ефект. Проте досягти його можна лише за умови грамотного добирання й правильного внесення добрив у ґрунт.

Деякі добрива не можна змішувати або потрібно змішувати лише у певних співвідношеннях. Чому? Тому що сполуки в їхньому складі можуть хімічно взаємодіяти, унаслідок чого суміші втрачають Нітроген у вигляді газоподібних оксидів та амоніаку, а Фосфор, засвоюваний рослинами, переходить у важкодоступний стан. Також може підвищуватися гігроскопічність і злежуваність змішаних добрив.

Чому потрібно неухильно дотримуватися норм унесення добрив у ґрунт? Добрива, у яких співвідношення поживних елементів відповідає агротехнічним вимогам (для певної культури, ґрунту тощо), називають збалансованими. Якщо вміст одного з поживних елементів у добриві нижче від потрібної норми, інші поживні елементи не забезпечать високого врожаю. Від надлишку поживних елементів якість сільськогосподарської продукції погіршується.

Проблема надходження до організму нітратів, які можуть міститися в городині або колодязній питній воді, є нагальною для кожної людини. Унаслідок хімічних реакцій під час процесів травлення ці сполуки відновлюються до отруйних нітритів — солей нітритної кислоти HNO₂. Нітрити мають загальнотоксичну дію, спричиняють розлади нервової, серцево-судинної, травної систем організму. Зауважимо, що в харчовій промисловості нітрити Натрію та Калію додають у м’ясо-ковбасні вироби, аби надати їм привабливого рожевого кольору. Тому слід дбати про якість споживаних харчових продуктів. Потрібно контролювати за допомогою спеціальних тестерів уміст нітратів у питній воді та харчових продуктах, не купувати продукти на стихійних ринках.

Евтрофікація водойм, до яких потрапляють змиті з навколишніх полів фосфорні й азотні добрива, також є серйозною екологічною проблемою. Адже підвищується некорисна продуктивність ставків, озер, річок, посилено розвиваються фітопланктон і водорості, прибережні зарості, вода «цвіте» тощо (поясніть, чому це становить небезпеку для довкілля).

Надмірне використання калійних добрив сприяє накопиченню аніонів Хлору. Вони досить рухливі й можуть переміщатися як вертикально, так і горизонтально в ґрунті. Зростання концентрації хлорид-іонів у ньому призводить до зниження інтенсивності фотосинтезу в рослинах. Також небезпеку становить засолення ґрунту кальцій сульфатом унаслідок повсюдної практики внесення калій сульфату як добрива в суміші із суперфосфатами.

Хімічна промисловість постачає виробників сільськогосподарської продукції ефективними добривами (пригадайте, які добрива називають мінеральними). Застосування добрив дає змогу збільшити врожайність і поліпшити якість продукції рослинництва. У результаті їх застосування підвищується стійкість рослин проти хвороб, рослини ефективніше використовують вологу, пришвидшується дозрівання врожаю тощо. Щоб підвищити ступінь використання азотних добрив, уживають заходи для зменшення їхньої розчинності. Покриття гранул добрив тонкою плівкою із незначною проникністю подовжує термін їхньої дії в ґрунті, зменшує здатність до злежування та гігроскопічність, уможливлює транспортування насипом. Використання органо-мінеральних добрив, які виготовляють на органічній основі (гній, послід, тверді побутові відходи, решки деревини та опалого листя, торф тощо) добавлянням до неї мінеральної речовини, поліпшує баланс та умови живлення рослин. Нові види органо-мінеральних добрив створюють утилізацією твердих побутових відходів з великим умістом органічних речовин — харчових відходів, залишків паперу, тканини, деревини тощо.

Поняття про кислі та лужні ґрунти ви вже певною мірою маєте (поясніть, звідки та які саме). Більше про них ви дізнаєтеся, доповнивши таблицю 10.4 значеннями pH, наведеними під нею (зробіть це й обґрунтуйте свій вибір).

Таблиця 10.4. Класифікація ґрунтів за величиною показника pH

Група ґрунтів	Величина pH
Сильнокислі
Кислі
Слабкокислі
Нейтральні	6,5-7,0
Слабколужні
Лужні
Сильнолужні

pH: понад 8,5; 7,0-7,5; 5,5-6,5; 4,5-5,5; 3,0-4,5; 7,5-8,5.

Чому важливо знати це? Щоб правильно підживлювати та меліорувати ґрунти, запобігати їхньому деградуванню. Адже в надто кислих чи надто лужних ґрунтах пригнічено діяльність мікроорганізмів, порушено засвоєння поживних елементів рослинами (мал. 10.8 та мал. 10.9).

Мал. 10.8. Уплив величини pH ґрунтового розчину на засвоюваність макро- та мікроелементів рослинами

За діаграмою на малюнку 10.8 визначте, засвоюваність якого з хімічних елементів є максимальною в сильнокислих ґрунтах. Поясніть це явище з огляду на те, що рослини здатні засвоювати його йони лише з водного розчину.

Мал. 10.9. Чи матиме газон поблизу вашої оселі ідеальний вигляд? Багато в чому це залежатиме від показника pH...

1. Скориставшися даними, які ви впорядкували в таблиці 10.4, визначте групу ґрунтів для створення ідеального газону. 2. Доповніть речення: «pH ґрунтового розчину залежить насамперед від умісту в ньому йонів..., які зумовлюють кислу реакцію (дерново-підзолисті й болотні ґрунти) та...-іонів, що створюють лужну реакцію (каштанові ґрунти, сіроземи й солонці)».

Реакція ґрунту (величина його pH) є наслідком сукупної дії багатьох чинників. Вона залежить від мінералогічного та хімічного складу ґрунту, умісту солей, органічних речовин, складу ґрунтового повітря, вологості ґрунту та його біогенності.

Чи не найважливішим регулятором реакції ґрунту є солі. Унаслідок зволоження вони переходять у ґрунтовий розчин, а внаслідок висихання залишають його. Більшість із солей зазнають гідролізу, у результаті чого, залежно від природи солі, у ґрунтовому розчині виникає надлишок катіонів Гідрогену або гідроксид-аніонів. Тож унесення добрив не лише підвищує кількість засвоюваних рослинами поживних речовин у ґрунті, а й позначається на pH ґрунтового розчину. Наприклад, систематичне використання для підживлення рослин амоній сульфату та амоній хлориду зумовлює кислу реакцію ґрунтового розчину внаслідок гідролізу цих солей.

Складіть рівняння реакцій гідролізу амоній сульфату та амоній хлориду.

Неорганічні й органічні кислоти в ґрунті також упливають на pH ґрунтового розчину. Однією з найпоширеніших у ньому неорганічних кислот є карбонатна. Залежно від термодинамічних умов (температури, тиску тощо) і біологічної активності вона спроможна підтримувати pH у межах 3,9-4,5-5,7.

Пригадайте з курсу біології, як унаслідок кореневого дихання потрапляє в ґрунт карбонатна кислота, і поясніть, чому її вміст тісно пов’язаний з добово-сезонними ритмами погоди та залежною від них ритмікою мікробіологічної (зокрема, і ферментативної) активності.

Сульфатна кислота утворюється в ґрунтах і материнських породах унаслідок повільного окиснення сульфідів металічних елементів, наприклад¹ піриту FeS₂:

2FeS₂ + 2Н₂О + 7О₂ = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄;

12FeSO₄ + 3О₂ + 6Н₂О = 4Fe₂(SO₄)₃ + 4Fe(OH)₃↓.

1. Складіть повне і скорочене йонні рівняння, що описують процес окиснення ферум(ІІ) сульфату. Чи належить ця реакція до реакцій йонного обміну? Чому? 2. Перевірте, використавши метод електронного балансу, чи правильно дібрано коефіцієнти в рівнянні цієї реакції.

Унаслідок гідролізу одного з проміжних продуктів — ферум(ІII) сульфату — утворюється кінцевий продукт окиснення — лімоніт² — і виникає надлишок (поясніть чому) катіонів Гідрогену в розчині.

Кислотні дощі також сприяють зниженню pH ґрунтів.

Гниття білків рослинних і тваринних решток веде до утворення гідроген сульфіду й амоніаку, які за участі бактерій, води та кисню зазнають низку складних біохімічних перетворень, продуктами яких є кислоти — сульфатна, нітритна й нітратна відповідно.

Складіть формули неорганічних речовин, про які йшлося у попередньому абзаці. Які з них здатні до електролітичної дисоціації?

Органічні кислоти (етанова, оксалатна, лимонна, яблучна, піровиноградна тощо) потрапляють у ґрунт з метаболітами грибів, бактерій, комах і кореневими виділеннями рослин.

Рослини споживають аніони та катіони у певних пропорціях в обмін на еквівалентну кількість йонів Н⁺, ОН^-, НСО^-₃, CO^2-₃, унаслідок чого можливе зрушення реакції ґрунтового розчину в той або інший бік (мал. 10.10).

Мал. 10.10. Між частинками ґрунту, ґрунтовим розчином і поверхнею кореневих волосків відбувається йонний обмін.

1. Частинка ґрунту. 2. Кореневий волосок. 3. Вода. 4. Пухирець повітря

¹ Для ознайомлення, а не для запам’ятовування.

² Його хімічний склад спрощено описують формулою FeO(OH) • nН₂О.

1. Поясніть, як зміниться: 1) кислотність; 2) величина pH ґрунту внаслідок поглинання кореневою системою рослини: а) катіонів Калію та Магнію; б) нітрат- та сульфат-аніонів. 2. Коренева система рослини поглинає катіони амонію значно швидше, ніж нітрат-аніони. Підвищиться чи знизиться концентрація катіонів Гідрогену в ґрунті внаслідок використання як добрива амоній нітрату?

Як можна змінити величину показника pH ґрунту? Надмірну кислотність ґрунту усувають вапнуванням, а надмірну лужність — гіпсуванням. Вапнування — це внесення в ґрунт оксидів, гідрогенкарбонатів або карбонатів Кальцію та Магнію для нейтралізації його кислотності:

Ε¹O + 2Н⁺ = Е²⁺ + Н₂О;

Е(НСО₃)₂ + 2Н⁺ = Е²⁺ + 2СО₂↑ + 2Н₂О;

ЕСО₃ + 2Н⁺ = Е²⁺ + СО₂↑ + Н₂О;

ЕСО₃ + Н₂О + СО₂ = Е(НСО₃)₂.

Унаслідок цих процесів у ґрунтовому розчині зменшується концентрація катіонів Гідрогену, натомість збільшується вміст катіонів Кальцію та гідроксид-іонів — продуктів гідролізу кальцій гідрогенкарбонату.

Гіпсування — це внесення в лужні ґрунти гіпсу, формула якого CaSO₄ • 2Н₂О. У такий спосіб, наприклад, хімічно меліорують солонці, щоб замінити поглинений Натрій на Кальцій:

2Na⁺ + СО^2-₃ + CaSO₄ = СаСО₃↓ + 2Na⁺ + SO^2-₄;

CO^2-₃ + CaSO₄ = СаСО₃↓ + SO^2-₄.

Гідроліз солей упливає на показник pH ґрунтів. Висока лужність, як і підвищена кислотність ґрунту, може створювати дуже несприятливі умови для росту й розвитку багатьох культур. Лужні ґрунти мають низьку родючість, оскільки зазвичай важкі, в’язкі, погано пропускають вологу й слабо насичені гумусом. У них високий уміст солей Кальцію й зависоке значення показника pH.

Цікаво! Якщо вирощувати гортензію на ділянці, де рівень pH ґрунту становить 6,0-6,2, то на рослині розпустяться рожеві квіти. Якщо ж знизити pH до 5,0-5,2, то виростуть квіти з блакитними або фіолетовими пелюстками. Ґрунт з pH 5,5-6,0 зумовить фіолетовий колір квітів або суміш рожевого і блакитного на одному кущі гортензії. Якщо полити нейтральний ґрунт слабким розчином ферум(ІІ) сульфату, гортензія забарвиться у фіолетовий (поясніть чому) колір (мал. 10.11).

Мал. 10.11. pH має велике значення!

¹ Са, Mg.

Отже, ви пересвідчилися, що збагнути хімізм ґрунтоутворення та живлення рослин вам допомогли здобуті раніше знання з біології, географії та уявлення про хімічну рівновагу, реакції йонного обміну, зокрема гідроліз, і розуміння значущості хімічних знань для забезпечення людства високоякісним продовольством.