2848

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Я.А. Васина, И.Л. Смельцова

КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ по аналитической химии для студентов ННГАСУ направления подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность, направленность (профиль) Безопас-

ность технологических процессов и производств

Нижний Новгород - 2016

3

УДК 54:661(075)

Васина Я. А., Смельцова И.Л. Качественный и количественный анализ минеральных удобрений. [Электронный ресурс]: учебно-метод. пос./ Я.А. Васина, И.Л. Смельцова; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т - Н.Новгород: Издание ННГАСУ, 2016. – 35 с, ил. 1. электрон. опт. диск (CD-

R)

Приведены рекомендации к выполнению химического анализа минеральных удобрений в почве.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для выполнения лабораторных работ по аналитической химия для студентов 2 курса, направление 20.03.01 Техносферная безопасность, направленность (профиль) Безопасность технологических процессов и производств

© С Я. А. Васина,

И.Л. Смельцова, 2016 © ННГАСУ, 2016.

4

1. ВВЕДЕНИЕ

Сохранения плодородия почв под лесами, садами, парками, земельными угодьями, пастбищами – основное условие устойчивого развития человечества. Именно зеленые растения в процессе фотосинтеза обогащают атмосферу кислородом и продуцируют все сложные органические соединения своего тела из неорганических веществ (СО2 и Н2О, минеральных биогенов), присутствующих в окружающей среде. Биогены – это вещества, в состав которых входят такие элементы как углерод, азот, сера, фосфор, водород, кислород.

Все животные и человек питаются органическим веществом, используя его как источник энергии и материал для формирования своего тела. Чтобы растения могли выжить, прежде всего, почва, на которой они произрастают, должна удовлетворять их потребность в минеральных элементах питания, воде, кислороде. Очень важны также её рН и солесодержание. Для питания растений необходимы такие питательные компоненты (биогены), как нитраты (NO3-), фосфаты (РО43-), калий (К+) и кальций (Са2+). Все минеральные биогены входят в состав различных горных пород. Порода, которую называют материнской, разрушается в процессе естественного выветривания. Когда ионы биогенов высвобождаются, они становятся доступными растениям. Из воздуха в почву проникает азот (N2), кислород (О2), углекислый газ (СО2). Молекулы азота превращаются под воздействием азотофиксирующих бактерий в аммиак (NH3), который под действием нитрифицирующих бактерий окисляется до нитритов и нитратов.

Содержание органического и минерального углерода в почвах составляет 2,0%, в литосфере – 0,1%. Максимальное количество углерода в почвах в органогенных горизонтах (торф, лесная подстилка и т.п.), где общее содержание органического вещества превышает 30%. Из минеральных горизонтов наиболее богат органическим веществом перегнойно-аккумулятивный (гумусовый) горизонт, содержащий от 1,0 – 1,5% ( подзолы, почвы пустынь) до 10% и более (черноземы, некоторые рендзины, луговые почвы). Вниз по профилю количество органического вещества падает почти до нулевых значений.

5

Содержание азота в почвах – 0,1; в литосфере – 0,01%. В верхних, гумусовых горизонтах почв общее содержание азота составляет обычно десятые доли процента, редко (в чернозёмах) – около 1%. В не удобряемых почвах практически весь азот сосредоточен в органическом веществе. Он составляет в среднем около 5% от общего содержания гумуса. Азотом более обогащен гумус пустынных и сухостепных почв (до 8%). В нижних горизонтах почв содержание азота ничтожно (0,05 – 0,1%). Азот – важнейший биофильный элемент, поэтому его содержание считается показателем потенциального плодородия почв. По данным о содержании общего углерода и азота рассчитывают соотношение С : N

– показатель обогащенности гумуса азотом.

Среднее содержание фосфора в метровом слое почв, осадочных породах и литосфере одинаково (0,08%), но в верхних горизонтах почв оно примерно в 1,5 – 2 раза больше в связи с биогенной аккумуляцией. Значительная часть фосфора почвы (от 1020 до 70-80% от валового содержания) приходится на его органические соединения. Из минеральных соединений фосфора ( преимущественно ортофосфатов) в почве чаще других встречаются апатиты: фторапатит Ca5(PO4)3F, гидроксилапатит Ca5(PO4)3ОН. Из простых фосфатов известны варисцит AlPO4∙2Н2О, бераунит

Fe3(PO4)2(OH)3∙2,5Н2О и вавеллит Al3(PO4)2(OH)3. В болотных почвах встречается вивианит Fe3(PO4)2∙8Н2О, обнаруживаемый по ярко-синей окраске при высыхании почвы. Минеральный фосфор почв, особенно удобряемых, может частично находиться в адсорбированном состоянии, будучи связан с аморфными гидроксидами алюминия и железа, аллофанами, глинистыми минералами.

Валовое содержание серы в почвах, не содержащих свободных сульфатов, составляет обычно менее 0,1%, в засоленных же почвах может достигать нескольких процентов. В засоленных почвах сера может присутствовать в составе мирабилита Na2SO4, гипса CaSO4∙2Н2О и других минералов. Заметное количество серы находится в органическом веществе почв, поэтому органогенные (торфяные) горизонты почв содержат 0,2 – 0,3% SO 3.

Среднее содержание кремния в почвах – 33,0; в литосфере – 27,6% (в пересчете на оксид кремния(IY) соответственно 71 и 60%). Кремний – второй после кислорода элемент по массе в земной коре и в большинстве почв. Содержание SiO2 в некоторых

6

песчаных почвах и горизонтах достигает 97-99%, а в органогенных горизонтах составляет всего несколько процентов. В минеральных горизонтах большинства бескарбонатных почв суглинистого и глинистого состава содержание SiO2 составляет 60-80% от массы сухой почвы, в высококарбонатных почвах может быть менее 50%. Кремний присутствует в почве в составе минералов группы кварца (SiO2), аморфного кремнезема, содержащего переменное количество воды; а также входит в состав огромного множества силикатов и алюмосиликатов (первичных и вторичных).

В почвах, не содержащих свободных карбонатов кальция, валовое содержание СаО обычно составляет от нескольких десятых до 1-2%, в высококарбонатных может превышать 10%. Распределение Са по профилю зависит от содержания карбонатов в породе и характера почвообразования. Кальций входит в состав кальциевых полевых шпатов: анорита Са[Al2Si2O8] и плагиоклазов, а также другие первичные алюмосиликаты: авгит

Ca(Mg,Fe2+,Al)2[(Si,Al)2O6], роговую обманку Ca2Na(Mg2Fe2+)4(Al,Fe3+)[( Si,Al)4O11]2(OH)2 и многие другие ми-

нералы. В составе этих минералов и некоторых вторичных (глинистых) минералов кальций встречается во всех почвах. В почвах же на карбонатных породах он присутствует, кроме того, и в составе кальцита СаСО3, доломита СаСО3∙MgСО3, железистого доломита Са(Mg,Fe2+)(СО3)2. В засоленных почвах он встречается в виде природного гипса CaSO4∙2Н2О и хлорида кальция CaCl2∙6

Н2О.

Валовое содержание магния в большинстве бескарбонатных почв составляет от нескольких десятых до 2%. Магний входит в состав силикатов: оливина (Mg,Fe)2SiO4, биотита

K(Mg,Fe)3[Si3AlO10](OH,F)2, талька Mg3[Si4O10](OH)2, хлорита и других первичных минералов. Из вторичных минералов Mg входит в состав монтмориллонита, нонтронита, гидрослюд. В карбонатных почвах он накапливается в виде магнезита MgСО3, доломита, анкерита Ca(Fe2+,Mg)(CO3)2. В засоленных почвах присутствует в виде растворимых солей кизерита MgSO4∙Н2О, полигалита K2MgCa2(SO4)4∙2Н2О, эпсомита MgSO4∙7Н2О. Кроме того, магний, как и кальций, присутствует в почвах в виде обменного иона в составе почвенного поглощающего комплекса.

7

Валовое содержание железа в почвах составляет обычно несколько процентов. Его количество минимально в горизонте А2 песчаных подзолов (десятые доли процента), максимально – в бурых лесных почвах и красноземах (>10%).

Железо входит в состав ферри-, и алюмоферрисиликатов. Это гематит Fe2O3, гидрогематит (турьит) 2 Fe2O3∙Н2О, гидрогётит FeOOH, лимонит nFeO2∙mН2О, сидерит FeCO3, пирит (маркизит) FeS2, вивианит Fe32+(PO4)2∙8Н2О и др.

Валовое содержание MnO в почвах составляет от нескольких сотых до 0,2 – 0,3%, при этом в верхних горизонтах оно обычно выше за счет биогенного накопления. Очень высокое содержание марганца в почвенных новообразованиях – конкрециях, примазках, ортзандовых прослоях, где оно может достигать 10%. Из минералов, представляющих соединения марганца, наиболее известны пиролюзит MnO2, браунит Mn2O3, гаусманит Mn3O4. Встречаются также родонит (Mn,Ca)2[Si2O6] и родохрозит (марганцовый шпат) MnCO3. В новообразованиях гидроксид марганца может находиться в аморфном состоянии.

Среднее содержание калия в почвах составляет 1,36% при среднем содержании его в литосфере 1,2%; натрия – соответственно 0,63 и 2,0%. В незасоленных почвах калий и натрий встречается в первичных и вторичных алюмосиликатов – полевых шпатов, фельдшпатитов, слюд, гидрослюд. В почвенных растворах солончаков количество натрия обычно в десятки и сотни раз превышает количество калия.

Однако ионы биогенов могут вымываться водой, просачивающейся сквозь почву (процесс выщелачивания). Выщелачивание снижает плодородие почв и способствует загрязнению окружающей среды. Следовательно, способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов, чтобы они не выщелачивались и могли поглощаться корнями растений, столь же важна, как их исходный запас. Эту способность называют обменной ёмкостью почвы. Будучи исходным источником биогенов выветривание слишком медленный процесс, чтобы обеспечить нормальное развитие растений. В естественных экосистемах основным источником биогенов (C, H, N, O, P, S) является разлагающийся детрит и метаболические отходы животных, т. е., круговорот биогенов. Если ионообменная ёмкость почвы утрачена, биогены выщелачиваются, плодородие почвы падает.

8

Вагросистемах происходит неизбежное удаление биогенов

ссобранным урожаем, т.к. они входят в состав растений. Поэтому запас биогенов в почве регулярно пополняют, внося удобрения. Неорганические или химические удобрения представляют собой смеси минеральных биогенов, органические – это растительные остатки и отходы животных. Однако, неправильное и избыточное внесение удобрений, способы их хранения становятся причиной загрязнения почв и повышенного содержания некоторых веществ в пищевых продуктах. Так, избыточный азот в почве обычно накапливается в виде нитратов. Нитраты, попадая в овощи и фрукты, оказывают отрицательное воздействие на здоровье человека, блокируя гемоглобин – переносчик кислорода в организме. Водорастворимые формы азотных удобрений попадают в грунтовые воды и близлежащие водоемы. Различные формы суперфосфатов значительно изменяет рН почвы. Избыточное количество фосфорных удобрений, попадая в стоячие и медленно текущие воды, вызывает интенсивное развитие водорослей («цветение» водоемов), ухудшает кислородный режим водоемов, способствует их зарастанию.

Вряде случаев удобрения перевозятся без надлежащей упаковки, хранятся без укрытий, слёживаются, загрязняются.

Всвязи с этим возникает необходимость распознавания удобрений при помощи простых качественных реакций и количественного определения некоторых из них.

Вообще, химический анализ почвы позволяет получить сведения о её химическом составе и свойствах. Эти сведения необходимы как для решения вопросов генезиса, диагностики, классификации почв, так и для прикладных целей – для агроэкологической оценки почв, установления необходимости, типа и интенсивности химических мелиораций, выбора оптимального режима природопользования.

2. НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ

9

Азотные удобрения

К твердым азотным удобрениям относятся: сульфат аммония – (NH 4)2SO4; нитрат аммония (аммиачная селитра) – NH 4NO3; нитрат кальция – Ca(NO 3)2; мочевина – O=C-(NH 2)2. Нитрат калия

– KNO 3 и фосфат аммония, например, NH4H2PO4 – комплексные удобрения.

Жидкое азотное удобрение – это водные растворы аммиака различной концентрации (вплоть до 25%).

Чаще всего применяют аммиачную селитру, сульфат аммония, мочевину, а в закрытом грунте – нитрат калия.

Фосфорные удобрения

В природе фосфор встречается в виде фосфаритов – Ca3(PO4)2, апатитов - Са5(РО4)3(F,ОH). Они малорастворимы в воде, не доступны растениям. Но под воздействием почвенных кислот при участии микроорганизмов переходят в растворимые фосфаты, которые усваиваются растениями. Фосфор входит в состав ферментов, витаминов, без него невозможно образование хлорофилла и, следовательно, фотосинтез. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, участвующих в синтезе белка, передаче наследственных свойств. Энергия, необходимая для синтеза белков, жиров, углеводов, доставляется соединениями, из которых основная роль принадлежит аденозинтрифосфорной кислоте. Растениям, животным, человеку надо немало фосфора. По словам академика А. Е. Ферсмана фосфор – « элемент жизни и мысли».

Тонкоразмолотый Са3(РО4)2 - фосфоритная мука является хорошим удобрением только в кислых почвах. К растворимым в воде фосфорным удобрениям относятся: простой суперфосфат – Са(Н2РО4)2 с примесью гипса СаSО4·2Н2О; двойной суперфосфат

– Са(Н2РО4)2, не содержащий гипс; преципитат – СаНРО4·2Н2О, аммофос - смесь NH4H2PO4 и (NH4)2HPO4. Аммофос является комплексным удобрением, т. к. содержит азот и фосфор. Смесь аммофоса с нитратом калия - KNO3 – содержит сразу три необходимые растениям элемента: N, P, K.

Калийные удобрения

Ионы калия (К+) хорошо удерживаются в почве (за счет адсорбции) и этот факт имеет большое значение для развития на-

10

земной растительности. Растения поглощают калий и из почвы, по данным агрохимиков, ежегодно уносится более 25 млн. т К+. Поэтому для повышения урожайности растений в почву необходимо вносить калийные удобрения. К ним относятся: хлорид калия (КСl), поташ (К2СО3), комплексное удобрение нитрат калия

(КNО3).

Известковые удобрения

К ним относятся известковые материалы, содержащие не менее 50% СаСО3. Это известковая и доломитовая мука, мел, известь озерная и др. Действие их заключается в нейтрализации почвенной кислотности, улучшении условий для жизнедеятельности микроорганизмов и физических свойств почвы.

3. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ Принципы идентификации удобрений

Информация о составе вещества – необходимое условие успешного решения различных жизненно важных проблем. Химический анализ традиционно делится на качественный и количественный. Обнаружение или, как говорят, открытие элементов, входящих в состав исследуемого вещества, составляет предмет качественного анализа. Он позволяет ответить на вопрос: какие компоненты содержатся в анализируемом объекте. Идентификация веществ достигается путем выполнения аналитических реакций. Аналитическая реакция сопровождается характерным внешним эффектом (аналитическим сигналом). Число визуальных сигналов невелико: появление новой фазы (образование осадка или выделение газа), изменение окраски (цветные реакции); появление запаха – органолептический сигнал.

В основе идентификации удобрений лежат качественные реакции на те ионы, которые входят в их состав.

Лабораторная работа № 1 РАСПОЗНАВАНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

Цель работы. Используя качественные химические реакции, идентифицировать вещества в предложенных образцах минеральных удобрений.