Азотные удобрения: виды, применение, эффективность

Что относится к азотным удобрениям

Азотные минеральные удобрения составляют пять важных групп. Основным критерием разделения на группы считается форма азотсодержащегося соединения.

1. Нитратные удобрения. К первой группе относится селитра кальциевая и натриевая.
2. Удобрения аммонийные. Это хлористый аммоний и аммоний сульфат.
3. Аммиачно-нитратные или аммонийно-нитратные удобрения. Ярким примером этой комплексной группы является селитра аммиачная.
4. Амидные удобрения. Главное удобрение этой группы — мочевина.
5. Жидкие аммиачные удобрения. Сюда относят воду аммиачную.

По состоянию удобрения бывают твердыми и жидкими. В сельском хозяйстве чаще используются удобрения в жидком виде, они являются более экономичными. Основным компонентом жидкой формы является аммиак.

Взаимодействие с металлами и водородом — окислительные свойства

Инертность прочных молекул не позволяет получать некоторые соединения азота прямым синтезом. Для активации атомов необходимо сильное нагревание или облучение вещества. Азот может прореагировать с литием при комнатной температуре, с магнием, кальцием и натрием реакция идет лишь при нагревании. Образуются нитриды соответствующих металлов.

Взаимодействие азота с водородом происходит при высоких значениях температуры и давления. Также для этого процесса необходим катализатор. Получается аммиак — один из важнейших продуктов химического синтеза. Азот, как окислитель, проявляет в своих соединениях три отрицательные степени окисления:

• −3 (аммиак и другие водородные соединения азота — нитриды);
• −2 (гидразин N2H4);
• −1 (гидроксиламин NH2OH).

Важнейший нитрид — аммиак — в больших количествах получают в промышленности. Большой проблемой долгое время оставалась химическая инертность азота. Его сырьевыми источниками были селитры, но запасы минералов стали быстро сокращаться с ростом производства.

Большим достижением химической науки и практики стало создание аммиачного метода связывания азота в промышленных масштабах. В специальных колоннах проводится прямой синтез — обратимый процесс между азотом, полученным из воздуха, и водородом. При создании оптимальных условий, сдвигающих равновесие этой реакции в сторону продукта, применении катализатора выход аммиака достигает 97 %.

Значение в природе

Растения поглощают ионы аммония и нитратные анионы из почвы, используют для химических реакций синтез органических молекул, постоянно идущий в клетках. Атмосферный азот могут усваивать клубеньковые бактерии — микроскопические существа, образующие наросты на корнях бобовых культур. В результате эта группа растений получает необходимый элемент питания, обогащает им почву.

Во время тропических ливней происходят реакции окисления атмосферного азота. Оксиды растворяются с образованием кислот, эти соединения азота в воде поступают в почву. Благодаря круговороту элемента в природе постоянно восполняются его запасы в земной коре, воздухе. Сложные органические молекулы, содержащие в своем составе азот, разлагаются бактериями на неорганические составляющие.

Взаимодействие с кислородом — восстановительные свойства

Для того чтобы началась реакция азота и кислорода, необходимо сильное нагревание. Достаточной энергией обладают электрическая дуга и грозовой разряд в атмосфере. Важнейшие неорганические соединения, в которых азот находится в своих положительных степенях окисления:

• +1 (оксид азота (I) N2O);
• +2 (монооксид азота NO);
• +3 (оксид азота (III) N2O3; азотистая кислота HNO2, ее соли нитриты);
• +4 (диоксид азота (IV) NO2);
• +5 (пентаоксид азота (V) N2O5, азотная кислота HNO3, нитраты).

Проблема нитратов в сельскохозяйственной продукции

В солях азотной кислоты — нитратах — содержится однозарядный анион NO3-. До сих пор используется старое наименование этой группы веществ — селитры. Применяются нитраты для удобрения полей, в теплицах, садах. Вносят их ранней весной перед посевом, летом — в виде жидких подкормок. Сами по себе вещества не представляют большой опасности для людей, но в организме они превращаются в нитриты, затем в нитрозамины. Нитритные ионы NO2- — токсичные частицы, они вызывают окисление двухвалентного железа в молекулах гемоглобина в трехвалентные ионы. В таком состоянии главное вещество крови человека и животных не способно переносить кислород и удалять из тканей углекислый газ.

Чем опасно нитратное загрязнение продуктов питания для здоровья человека:

• злокачественными опухолями, возникающими при превращении нитратов в нитрозамины (канцерогены);
• развитием язвенного колита,
• гипотензией или гипертензией;
• сердечной недостаточностью;
• нарушением свертываемости крови
• поражениями печени, поджелудочной железы, развитием диабета;
• развитием почечной недостаточности;
• анемией, нарушениями памяти, внимания, интеллекта.

Одновременное употребление разных продуктов с большими дозами нитратов приводит к острому отравлению. Источниками могут быть растения, питьевая вода, готовые мясные блюда. Замачиванием в чистой воде и кулинарной обработкой можно снизить в продуктах питания содержание нитратов. Исследователи выяснили, что более высокие дозы опасных соединений отмечены в незрелой и тепличной растительной продукции.

Роль азота в жизнедеятельности растений

Азот в почве есть, чем его больше, тем питательнее грунт. Но в супесчаных и песчаных почвах азота очень мало. Особенность в том, что растения могут получить из почвы не более 1% полезного вещества. Внесение азотных удобрений — единственный способ восполнить недостаток вещества в почве.

Значение азотных удобрений нельзя переоценить, они оказывают на растения следующее воздействие:

• ускоряют процесс минерализации питательных компонентов, которые внесены в грунт;
• ускоряют рост растений;
• активизируют состояние микрофлоры почвы;
• повышают урожайность;
• насыщают растение аминокислотами;
• увеличивают объемные показатели клеток растений.

Недостаток азота сразу отражается на жизнеспособности культуры. Легко определить это по внешнему виду. Листья приобретают желтую окраску, становятся мелкими, быстро отмирают. Молодые побеги совсем перестают расти, прекращается развитие растений, а также замедляется рост. При недостатке азота у плодовых деревьев наблюдается осыпание плодов, плохое ветвление. Покраснение коры у косточковых деревьев тоже означает нехватку азота.

Азотное голодание могут спровоцировать: чрезмерное задернение, слишком кислые почвы. Избыток азота тоже может навредить. Об избытке могут рассказать крупные листья слишком темного окраса, замедление процессов цветения и плодоношения. При выращивании суккулентных растений избыток азота может привести к гибели растения из-за истончения кожицы.

Азот — химический элемент

Разобраться в строении атома и свойствах помогает периодическая система (ПС). По положению химического элемента в таблице Менделеева можно определить заряд ядра, количество протонов и нейтронов (массовое число). Необходимо обратить внимание на значение атомной массы — это одна из главных характеристик элемента. Номер периода соответсвует количеству энергетических уровней. В коротком варианте периодической таблицы номер группы соответствует числу электронов на внешнем энергатическом уровне. Обобщим все данные в общей характеристике азота по его положению в периодической системе:

• Это неметаллический элемент, находится в правом верхнем углу ПС.
• Химический знак: N.
• Порядковый номер: 7.
• Относительная атомная масса: 14,0067.
• Формула летучего водородного соединения: NH3 (аммиак).
• Образует высший оксид N2O5, в котором валентность азота равна V.

Строение атома азота:

• Заряд ядра: +7.
• Число протонов:7; число нейтронов: 7.
• Количество энергетических уровней: 2.
• Общее число электронов: 7; электронная формула: 1s22s22p3.

Подробно изучены стабильные изотопы элемента № 7, их массовые числа — 14 и 15. Содержание атомов более легкого из них составляет 99,64 %. В ядрах короткоживущих радиоактивных изотопов находится также 7 протонов, а число нейтронов сильно варьируется: 4, 5, 6, 9, 10.

Практическое использование

Важнейшие соединения азота для сельского хозяйства — это хорошо растворимые соли. Усваиваются растениями мочевина, селитры (натриевая, калиевая, кальциевая), аммонийные соединения (водный раствор аммиака, хлорид, сульфат, нитрат аммония).
Инертные свойства азота, неспособность растений усваивать его из воздуха приводят к необходимости ежегодно вносить большие дозы нитратов. Части растительного организма способны запасать макроэлемент питания «впрок», что ухудшает качество продукции. Избыток нитратов в овощах и фруктах может вызвать у людей отравления, рост злокачественных новообразований. Кроме сельского хозяйства, соединения азота используются в других отраслях:

• для получения медикаментов;
• для химического синтеза высокомолекулярных соединений;
• в производстве взрывчатки из тринитротолуола (тротила);
• для выпуска красителей.

Оксид NO находит применение в хирургии, вещество обладает обезболивающим эффектом. Потерю ощущений при вдыхании этого газа заметили еще первые исследователи химических свойств азота. Так появилось тривиальное название «веселящий газ».

Виды азотных удобрений

Азотные удобрения — достаточно обширная группа удобрений, о которой можно рассказывать очень долго. Рассмотрим основные виды азотных удобрений, их значение и применение в растениеводстве.

Сульфат аммония

Сульфат аммония

Сульфат аммония содержит около 20% азота. Вещество можно использовать в качестве удобрения осенью без опасений, что оно будет вымыто грунтовыми водами. Благодаря катионному содержанию азота удобрение хорошо закрепляется в почве. Сульфат аммония дает отличные результаты при использовании для подкормок и основного внесения.

Поскольку азотное удобрение оказывает подкисляющее действие на почву, необходимо при внесении добавлять на 1 кг сульфата аммония 1,15 кг вещества, которое будет нейтрализовать его. Это может быть известь, доломит или мел. Как показывают исследования, при использовании для подкормки картофеля сульфат аммония дает прекрасный эффект. Сульфат аммония отлично хранится, не слеживается. Важно знать, что при смешивании сульфата аммония и щелочных удобрений (гашеной извести, золы) происходит потеря азота.

Аммиачная селитра

Аммиачная селитра выпускается в виде белых гранул. В составе селитры около 35% азота. Применяется в качестве удобрения и подкормок. Эффективно это удобрение там, где присутствует большая концентрация почвенного раствора, на плохо увлажненных участках. Если участок сильно увлажнен, применять селитру малоэффективно, она быстро вымоется грунтовыми водами.

Действие аммиачной селитры: наращивание лиственной и стволовой массы, повышение кислотности почвы. При использовании обязательно добавлять нейтрализатор. На 1 кг удобрения — 0,7 кг мела или доломита. Можно приобрести готовую смесь, а не чистую селитру. Удобрения нужно вносить в почву при перекопке. Используют аммиачную селитру и при высадке рассады в качестве подкормки.

Аммиачная селитра

Калийная селитра

Калийная селитра

Нитрат калия (калийная селитра) — удобрение, выпускаемое в виде кристаллов или белого порошка. Она используется для подкормки растений, которые не переносят хлор. Относится к азотно калийным удобрениям, поскольку содержит 13% азота и 44% калия. Эффективно использовать после образования завязей и цветения.

Влияние азотного удобрения на растения: ускоряется рост культуры, повышается сила корней, улучшается поглощение питательных элементов из грунта, улучшается дыхание клеток. Высокая гигроскопичность калийной селитры позволяет легко растворять ее в воде. Правильное применение калийного удобрения способствует улучшению качества урожая, активизации иммунитета растений, увеличению срока хранения плодов.

Наиболее часто используют для подкормки томатов, моркови, клубники, голубики, малины, винограда и табака. Нерационально использовать для питания растений: редьки, капусты и садовой зелени. Картофель предпочитает азотно фосфорные удобрения, поэтому нитрат калия для его подкормки не используется.

Кальциевая селитра

Нитрат кальция, или кальциевая селитра, удобрение в виде кристаллической соли или гранул. Оно хорошо растворяется в воде. Относится к нитратам, но при правильном использовании не может навредить. Количество азота — 13%, кальция — 19%. Эффективно применять на дерново-подзолистых почвах, не повышая их кислотность.

При применении этого удобрения азот усваивается растением полностью. Лучше выбирать гранулированную кальциевую селитру, ее удобнее вносить. К преимуществам нитрата кальция относят: укрепление корневой системы, ускорение прорастания семян, повышение зимостойкости, сопротивляемости болезням, улучшение вкусовых качеств.

Кальциевая селитра

Натриевая селитра

Натрий азотнокислый, или нитрат натрия, это натриевая селитра. В продажу поступает в виде твердых белых кристаллов, растворимых в воде. Азота в этой селитре 16%. Активно применяется это удобрение на почве под свеклу, картофель, цветочные, плодово-ягодные и овощные культуры ранней весной. Это щелочное удобрение, поэтому эффективно на кислых почвах. Не рекомендуется вносить осенью из-за риска вымывания азота. В качестве подкормки вносится при посадке или посеве.

Важно! Не нужно смешивать суперфосфат и натриевую селитру. Нитрат натрия не рекомендуется использовать на солонцах из-за перенасыщения почвы натрием.

Натриевая селитра

Мочевина

Карбамид, или мочевина. Удобрение в виде кристаллических гранул. Основной элемент — азот до 47%. К преимуществам относят то, что азот легко растворяется в воде, и полезные вещества остаются в верхнем слое почвы. Успешно применяется в вегетационный период, подходит для любого грунта. Как основную подкормку используют перед посевом, закладывая кристаллы в грунт. Во время посева можно использовать вместе с калийным удобрением.

Вечером или утром проводят внекорневую подкормку с помощью пульверизатора. 5% раствор мочевины не обжигает листья, действует мягко. Им можно обрабатывать плодово-ягодные растения, корнеплоды, овощи, цветущие культуры. Из минусов мочевины следует отметить наличие в ней вредного вещества биурета. Чтобы он успел раствориться, мочевину вносят в почву за две недели до предполагаемой высадки растений.

Жидкие азотные удобрения

Жидкие азотные удобрения очень популярны, поскольку они предлагаются производителями по доступной цене (на 30-40% дешевле твердых аналогов). К основным видам таких удобрений относятся:

• Жидкий аммиак.
• Аммиачная вода.
• Аммиакаты.
• Карбамидо-аммиачная смесь.

Жидкий аммиак — концентрированное удобрение, в нем содержится 82% азота. Жидкость бесцветная, летучая, имеет резкий запах нашатыря. Подкормка производится с помощью специальных закрытых машин, чтобы заложить удобрение в почву на глубину 15-18 см. Хранится удобрение в толстостенных канистрах спецназначения.

Водный аммиак выпускается с 20% содержанием азота. Есть 16% аммиачная вода. Раствор летуч, перевозится, хранится, вносится в почву с помощью специального оборудования.

Аммиакаты по действию на растения приравниваются к твердым азотным удобрениям. Их получают путем растворения азотных удобрений в аммиачной воде (аммиачная селитра). Применяется реже, чем другие виды азотных удобрений из-за неудобства использования. Хранятся аммиакаты и перевозятся в алюминиевых герметичных цистернах.

Карбамидо-аммиачная смесь активно используется в садоводстве. Преимущества этого удобрения перед азотными удобрениями других видов в том, что содержание свободного аммиака в них небольшое, что исключает потерю азота при перевозке и внесении в почву. Отпадает необходимость в применении спецтехники и создании хранилищ.

Все жидкие удобрения лучше усваиваются растениями, равномерно распределяются в почве, имеют более длительный срок действия. Хорошо сочетаются с органическими удобрениями, типа навоза, древесного угля, опилок, золы. Важно помнить, что в качестве опрыскивания эти удобрения не подходят, аммиак сожжет листья.

Органические азотные удобрения

Во всех видах органических удобрений в небольшом количестве содержится азот.

• Навоз — до 1%.
• Птичий помет — до 1,25%, голубиный или утиный помет содержат больше азота, но они токсичны.
• Компост на торфяной основе — 1,5%.
• Компост бытового мусора — 1,5%.
• Зеленая масса (донник, люпин, клевер) — до 0,7%.
• Зеленая листва — до 1,2%.
• Озерный ил — до 2,5%.

Использование только органических удобрений неэффективно. Это может подкислить почву, ухудшить ее качество. Лучше использовать комплекс минеральных и органических удобрений, содержащих азот.

Получение в лаборатории и промышленности

Один из лабораторных способов основан на окислительных свойствах оксида меди. Используется соединение азота с водородом — аммиак NH3. Этот неприятно пахнущий газ взаимоддействует с порошкообразным оксидом меди черного цвета. В результате реакции выделяется азот и появляется металлическая медь (красный порошок). На стенках трубки оседают капли воды — еще одного продукта реакции.

Другой лабораторный способ, в котором используется соединение азота с металлами — азид, например NaN3. Получается газ, который не надо очищать от примесей.

В лаборатории проводят разложение нитрита аммония на азот и воду. Для того чтобы реакция началась, требуется нагревание, затем процесс идет с выделением тепла (экзотермический). Азот загрязнен примесями, поэтому его очищают и осушают.

Получение азота в промышленности:

• фракционная перегонка жидкого воздуха — способ, в котором используются физические свойства азота и кислорода (разные температуры кипения);
• химическая реакция воздуха с раскаленным каменным углем;
• адсорбционное газоразделение.

Валентность азота

Наружный электронный слой атома образуют 2 s и 3 p электрона. Эти отрицательные частицы азот может отдать при взаимодействии с другими элементами, что соответствует его восстановительным свойствам. Присоединяя недостающие до октета 3 электрона, атом проявляет окислительные способности. Электроотрицательность азота ниже, его неметаллические свойства менее выражены, чем у фтора, кислорода и хлора. При взаимодействии с этими химическими элементами азот отдает электроны (окисляется). Восстановлением до отрицательных ионов сопровождаются реакции с другими неметаллами и металлами.

Типичная валентность азота — III. В этом случае химические связи образуются за счет притяжения внешних р-электронов и создания общих (связывающих) пар. Азот способен к образованию донорно-акцепторной связи за счет своей неподеленной пары электронов, как это происходит в ионе аммония NH4+.

Аминокислоты

Как видно из названия, молекулы аминокислот содержат две функциональные группы:

Простейшей аминокислотой является глицин:

Функциональные группы аминокислот могут находиться на разном «расстоянии» друг от друга. Так, в ω-аминокапроновой кислот они находятся на противоположных концах молекулы:

Эта кислота и её производные используются для получения синтетического волокна «капрон» (см. урок 28). Гораздо большее значение имеют α-аминокислоты, в молекулах которых функциональные группы разделены одним атомом углерода:

Эти α-аминокислоты входят в состав белков. Всего в состав белков входит постоянно 20 аминокислот. Все они имеют особые названия, и все они α-аминокислоты.

Аминокислоты — это кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде.

Вопрос. Какую реакцию среды имеет такой раствор?

Аминокислоты диссоциируют в растворе:

Ион водорода H+ тут же вступает в реакцию с анионом:

В результате в растворе нет избытка ни ионов водорода, ни ионов гидроксила, т. е. среда нейтральная (рН = 7).

Вопрос. Какие свойства проявляет аминогруппа? карбоксильная группа?

Вопрос. Будет ли аминокислота реагировать с кислотой? с основанием?

Поскольку в состав аминокислоты входит оснОвная группа –NH2 и кислотная–СООН, аминокислоты могут реагировать и с кислотами:

и с основаниями:

Вопрос. Как называются вещества, реагирующие и с кислотами и с основаниями, если в результате образуется соль?

Таким образом, аминокислоты — амфотерные соединения, именно поэтому они могут реагировать друг с другом.

Вопрос. Какие вещества получаются при взаимодействии кислоты и основания?

В результате этой реакции отщепляется молекула воды. Для того чтобы составить уравнение такой реакции, записывайте формулы аминокислот так, чтобы СООН-группа одной молекулы находилась рядом с NH2-группой другой молекулы:

В эту реакцию может вступать и большее число молекул аминокислот. В результате образуется полипептид — основа любого белка.

Аминокислоты в живых организмах образуются при гидролизе белков или синтетическим путем из других соединений, например, их можно получить из галогенпроизводных кислот:

Задание 27.1. Назовите полученную аминокислоту.

Простое вещество

Азот в виде двухатомных молекул — самая большая по объему и массе часть воздуха атмосферы. Вещество, формула которого N2, не обладает запахом, цветом и вкусом. Этот газ составляет более 2/3 воздушной оболочки Земли. В жидком виде азот представляет собой бесцветную субстанцию, напоминающую воду. Кипит при температуре –195,8 °C. М (N2) = 28 г/моль. Простое вещество азот немного легче кислорода, его плотность по воздуху близка к 1.

Атомы в молекуле прочно связывают 3 общие электронные пары. Соединение проявляет высокую химическую устойчивость, что отличает его от кислорода и ряда других газообразных веществ. Для того чтобы молекула азота распалась на составляющие ее атомы, необходимо затратить энергию 942,9 кдж/моль. Связь из трех пар электронов очень прочная, начинает разрушаться при нагревании свыше 2000 °С.

При нормальных условиях диссоциация молекул на атомы практически не происходит. Химическая инертность азота также обусловлена полным отсутствием полярности в его молекулах. Они очень слабо взаимодействуют друг с другом, чем обусловлено газообразное состояние вещества при нормальном давлении и температуре, близкой к комнатной. Низкая химическая активность молекулярного азота находит применение в разных процессах и устройствах, где необходимо создать инертную среду.

Диссоциация молекул N2 может происходить под влиянием солнечного излучения в верхних слоях атмосферы. Образуется атомарный азот, который при нормальных условиях реагирует с некоторыми металлами и неметаллами (фосфором, серой, мышьяком). В результате идет синтез веществ, которые в земных условиях получают косвенным путем.

Источники

• http://udobrenium.ru/himicheskie/azotnye-udobreniya
• http://FB.ru/article/166225/soedineniya-azota-svoystva-azota
• http://multiurok.ru/files/lektsiia-5-azotsoderzhashchie-soedineniia.html
• http://himi4ka.ru/samouchitel-po-himii/urok-27-azotsoderzhashhie-soedinenija.html