Мінеральні добрива

Рослини, як і всі живі організми, потребують для свого розвитку різноманітних хімічних елементів. Вони засвоюють їх з ґрунту переважно у вигляді йонів, розчинених у воді. Найбільше рослинам потрібні три елементи — Нітроген (N), Фосфор (P) і Калій (K). Саме тому добрива, які вносять у ґрунт, поділяють за поживними елементами:

• азотні — містять Нітроген;

• фосфорні — містять Фосфор;

• калійні — містять Калій;

• комплексні — містять два або три з цих елементів одночасно.

Окрім того, існують мікродобрива, які постачають у малих кількостях такі елементи, як Бор (B), Купрум (Cu), Манган (Mn), Цинк (Zn) і Молібден (Mo). Їх вносять у дуже невеликих дозах, але вони так само необхідні для нормального росту.

Роль основних поживних елементів

Кожен із трьох макроелементів виконує в рослині свою особливу функцію:

• Нітроген — входить до складу білків і хлорофілу. Він забезпечує ріст зеленої маси: стебел і листя. Якщо Нітрогену не вистачає, листя жовтіє, а рослина повільно росте.

• Фосфор — складова нуклеїнових кислот (ДНК і РНК) та АТФ. Він відповідає за розвиток кореневої системи, цвітіння й дозрівання плодів. За нестачі Фосфору цвітіння затримується, а плоди бувають дрібними.

• Калій — регулює водний баланс, підвищує стійкість рослин до посухи, морозів і хвороб, сприяє накопиченню цукрів і крохмалю. Його дефіцит виявляється в'яненням листя й слабкою морозостійкістю.

Мінеральні та органічні добрива

Мінеральними називають добрива промислового походження, переважно неорганічні солі. Їхня головна перевага — точний хімічний склад, завдяки якому можна розрахувати, скільки саме поживного елемента отримає рослина.

Сечовина (карбамід) — органічна за будовою речовина, але її виробляють промислово й застосовують як азотне добриво, тому її зараховують до мінеральних азотних добрив. На противагу цьому, органічні добрива (гній, компост, торф) мають природне походження, і їхній склад змінюється залежно від багатьох чинників.

Як оцінюють цінність добрива

Цінність будь-якого мінерального добрива визначає масова частка поживного елемента в ньому. Що вона більша, то менше добрива треба вносити на поле і, відповідно, менше перевозити. Наприклад, в амонійній селітрі масова частка Нітрогену становить 35 %, а в сечовині — близько 46,7 %. Отже, для забезпечення однакової кількості Нітрогену сечовини знадобиться менше.

Азотні добрива

Азотні добрива постачають рослинам Нітроген у формі нітрат-йона (NO₃⁻), амоній-йона (NH₄⁺) або амідних груп (у сечовині). Основні представники:

• амонійна (аміачна) селітра — амоній нітрат NH₄NO₃, містить 35 % N;

• сечовина (карбамід) — (NH₂)₂CO, ≈ 46,7 % N — найконцентрованіше тверде азотне добриво;

• натрієва селітра — натрій нітрат NaNO₃, ≈ 16,5 % N;

• кальцієва селітра — кальцій нітрат Ca(NO₃)₂;

• амоній сульфат — (NH₄)₂SO₄, ≈ 21,2 % N;

• рідкий амоніак NH₃ та амоніачна вода (розчин амоніаку у воді).

Амонійну селітру отримують безпосередньою взаємодією амоніаку з нітратною кислотою:

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

Сечовину виробляють з амоніаку й карбон(IV) оксиду під високим тиском.

Фосфорні добрива

Фосфорні добрива містять Фосфор у складі фосфат-йонів. Розрізняють кілька видів:

Фосфоритне борошно — найдешевше фосфорне добриво, але воно погано розчиняється у воді. У кислих ґрунтах Ca₃(PO₄)₂ поступово переходить у розчинні сполуки й засвоюється рослинами. У нейтральних або лужних ґрунтах його застосування неефективне.

Калійні добрива

Калійні добрива містять Калій у формі йона K⁺. Основні:

• калій хлорид KCl — найпоширеніше калійне добриво;

• калій сульфат K₂SO₄ (≈ 44,8 % K) — не містить хлору, придатний для чутливих до хлору культур (виноград, тютюн);

• поташ — калій карбонат K₂CO₃.

Деревна зола — природне калійне добриво, яке містить K₂CO₃, а також сполуки Кальцію, Магнію та Фосфору.

Тривіальні назви в НМТ

У довідкових матеріалах НМТ тривіальних назв добрив немає — їх треба знати напам'ять. Запам'ятай:

• «селітра» — це нітрат (амонійна селітра — NH₄NO₃, натрієва селітра — NaNO₃, калійна селітра — KNO₃);

• «суперфосфат» — кальцій дигідрогенортофосфат Ca(H₂PO₄)₂;

• «преципітат» — кальцій гідрогенортофосфат CaHPO₄ · 2H₂O;

• «амофос» — суміш амонійних фосфатів, переважно NH₄H₂PO₄.

Комплексні добрива містять два або три з основних поживних елементів (N, P, K) одночасно. Це дає змогу за одне внесення забезпечити рослину кількома елементами й зменшити масу баластних речовин.

Чому калійна селітра — комплексне добриво?

Назва «калійна селітра» натякає лише на Калій, але за формулою KNO₃ видно, що вона містить ще й Нітроген у складі нітрат-йона. Отже, за одне внесення рослина отримує і N, і K. Саме тому на НМТ калійну селітру відносять до комплексних добрив, а не до калійних.

Переваги комплексних добрив

• економія часу — одне внесення замість двох-трьох;

• менше баластних речовин — отже, менша вартість транспортування;

• збалансоване живлення — співвідношення N:P:K можна підібрати залежно від культури.

Як одержують солі амонію для добрив

Багато азотних і комплексних добрив виробляють із амоніаку й відповідних кислот. Рівняння реакцій амоніаку з кислотами входять до вимог програми НМТ (тема 2.1.1):

• NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ (амоній нітрат);

• NH₃ + H₃PO₄ → NH₄H₂PO₄ (амофос);

• 2NH₃ + H₃PO₄ → (NH₄)₂HPO₄ (діамофос).

Нагадаємо: амонійні фосфати вважають не фосфорними, а комплексними добривами, оскільки вони одночасно постачають рослині й Нітроген, і Фосфор.

Масова частка елемента в добриві — це відношення маси цього елемента до маси всього добрива, виражене у відсотках. Формула:

$$w(\text{E})=\frac{n\cdot A_{\text{r}}(\text{E})}{M_{\text{r}}(\text{добрива})}\cdot 100\%$$

де n — число атомів елемента E у формулі, Aᵣ(E) — відносна атомна маса, Mᵣ(добрива) — відносна молекулярна маса. На НМТ відносні атомні маси округлюють до цілих чисел згідно з інструкцією до завдань 21–24.

Азотні добрива: обчислюємо w(N)

Зверни увагу: в амонійній селітрі (NH₄NO₃) і сечовині ((NH₂)₂CO) міститься по два атоми Нітрогену, тому чисельник 2 · 14 = 28. Якщо забути про це й узяти 14, результат буде вдвічі меншим — типова помилка!

Фосфорні й калійні добрива

• Ca(H₂PO₄)₂ (подвійний суперфосфат) — Aᵣ(P) = 31, Mᵣ = 234, w(P) = 62/234 ≈ 26,5 %;

• K₂SO₄ (калій сульфат) — Aᵣ(K) = 39, Mᵣ = 174, два атоми Калію, w(K) = 78/174 ≈ 44,8 %.

Як знайти масу добрива, що містить задану масу елемента

Якщо відома масова частка, масу добрива обчислюють за формулою:

$$m(\text{добрива})=\frac{m(\text{E})}{w(\text{E})}$$

Наприклад, щоб ділянка отримала 14 кг Нітрогену:

• з амонійної селітри (35 % N): m = 14 / 0,35 = 40 кг;

• із сечовини (46,7 % N): m = 14 / 0,467 ≈ 30 кг.

Отже, сечовини потрібно на 10 кг менше, ніж амонійної селітри.

Швидке порівняння без калькулятора

Для порівняння азотних добрив можна скористатися простим прийомом: визначити, скільки грамів добрива припадає на 14 г Нітрогену (тобто на один моль атомів Нітрогену, округлено). Чим менша ця маса, тим більша масова частка Нітрогену:

Цей спосіб працює, бо 14 г — це маса одного моля атомів Нітрогену, і маса добрива, що припадає на цю кількість, дорівнює Mᵣ(добрива) / n(N).

Приклад 1. Логічні пари: добриво — тип

Установіть відповідність між добривом і типом, до якого воно належить.

Розв'язання: KNO₃ містить Нітроген і Калій — це комплексне добриво (А). Ca(H₂PO₄)₂ — кальцій дигідрогенортофосфат, фосфорне добриво (Б). (NH₂)₂CO — сечовина, азотне добриво (В).

Відповідь: 1 → А, 2 → Б, 3 → В.

Чому інші варіанти неправильні? Г (калійне) підходить лише для суто калійних добрив, таких як KCl або K₂SO₄. Д (мікродобриво) — для сполук, що постачають B, Cu, Mn, Zn, Mo у мікродозах.

Приклад 2. Добриво з найбільшою масовою часткою Нітрогену

В якому добриві масова частка Нітрогену найбільша?

• А — амонійна селітра NH₄NO₃

• Б — сечовина (NH₂)₂CO

• В — амоній сульфат (NH₄)₂SO₄

• Г — калійна селітра KNO₃

Розв'язання: Обчислимо w(N) для кожного:

• NH₄NO₃: 28/80 = 0,35 (35 %)

• (NH₂)₂CO: 28/60 ≈ 0,467 (46,7 %)

• (NH₄)₂SO₄: 28/132 ≈ 0,212 (21,2 %)

• KNO₃: 14/101 ≈ 0,139 (13,9 %)

Найбільша частка — у сечовини. Відповідь: Б.

Пастка: деякі обирають амонійну селітру, вважаючи її найконцентрованішою, але сечовина виграє завдяки меншій молекулярній масі й двом атомам Нітрогену.

Приклад 3. Розрахунок масової частки Нітрогену в амоній нітраті

Обчисліть масову частку Нітрогену в амоній нітраті (NH₄NO₃). Відповідь запишіть у відсотках.

Розв'язання:

1. Mᵣ(NH₄NO₃) = 2 · 14 + 4 · 1 + 3 · 16 = 28 + 4 + 48 = 80

2. Сумарна маса Нітрогену: 2 · Aᵣ(N) = 2 · 14 = 28

3. w(N) = 28 / 80 · 100 % = 35 %

Відповідь: 35.

Пастка: якщо не помножити на два атоми Нітрогену, отримаєш 14/80 · 100 % = 17,5 % — це неправильно, і таку відповідь система оцінить у 0 балів.

Приклад 4. Маса добрива для заданої маси елемента

Яку масу калій сульфату (K₂SO₄) треба внести, щоб ділянка одержала 39 кг Калію? Відповідь запишіть у кілограмах.

Розв'язання:

1. Mᵣ(K₂SO₄) = 2 · 39 + 32 + 4 · 16 = 78 + 32 + 64 = 174

2. w(K) = 78 / 174 ≈ 0,448 (44,8 %)

3. m(K₂SO₄) = m(K) / w(K) = 39 / (78/174) = 39 · 174 / 78 = 87 кг

Відповідь: 87.

Пастка: якщо взяти w(K) = 39/174 (не врахувавши, що атомів Калію два), маса добрива вийде 174 кг — це вдвічі більше, ніж потрібно насправді.

Приклад 5. Аналіз двох тверджень

Визначте правильність тверджень:

I. Калійна селітра — лише калійне добриво.

II. Амофос містить Нітроген і Фосфор.

Розв'язання: Калійна селітра KNO₃ містить і Калій, і Нітроген, тому твердження I хибне. Амофос (NH₄H₂PO₄) справді містить Нітроген (у складі амоній-йона) і Фосфор (у складі дигідрогенортофосфат-йона). Твердження II правильне.

Відповідь: правильне лише II.

• Вважати KNO₃ лише калійним добривом. Насправді калійна селітра містить і Нітроген, тому її відносять до комплексних добрив (N + K).

• Не множити Ar(N) на число атомів Нітрогену під час обчислення w(N). В амонійній селітрі NH₄NO₃ і сечовині (NH₂)₂CO — по два атоми Нітрогену, тому в чисельнику має бути 28, а не 14.

• Плутати суперфосфат і преципітат. Суперфосфат — Ca(H₂PO₄)₂ (кальцій дигідрогенортофосфат), преципітат — CaHPO₄ · 2H₂O (кальцій гідрогенортофосфат). Їхні формули різняться кількістю атомів Гідрогену.

• Вважати фосфоритне борошно Ca₃(PO₄)₂ розчинним у воді. Воно нерозчинне, тому його вносять лише в кислі ґрунти, де воно поступово переходить у засвоювані форми.

• Зараховувати сечовину до органічних добрив (як гній і компост). Сечовина — органічна за будовою, але її виробляють промислово, і в агрохімії вона належить до мінеральних азотних добрив.

• Порівнювати добрива за молярною масою, а не за масовою часткою поживного елемента. Наприклад, Mᵣ(NH₄NO₃) = 80, а Mᵣ((NH₂)₂CO) = 60 — але для порівняння цінності потрібна w(N), а не Mᵣ.

• Вважати, що що більше добрив, то краще. Надлишок азотних добрив (особливо нітратів) призводить до забруднення водойм і накопичення нітратів в овочах, що шкідливо для здоров'я людини.

Тема «Мінеральні добрива» входить до розділу 2.1.2 програми НМТ. Обчислення масової частки елемента в сполуці належить до теми 4.1 «Розв'язування задач за хімічними формулами і на виведення формули сполуки» (блок 4 «Обчислення в хімії»).

На НМТ завдання про добрива можуть траплятися в кількох формах:

• логічні пари 1–3 → А–Д (номери 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильну пару) — установити відповідність «добриво → тип» або «добриво → формула»;

• вибір однієї відповіді з чотирьох (номери 1–18, 1 бал) — наприклад, вибрати добриво з найбільшою масовою часткою Нітрогену;

• коротка відповідь-число (номери 22–24, 0 або 2 бали) — обчислити масову частку поживного елемента або масу добрива, що містить задану масу елемента.

Що треба знати про інструкцію до завдань 21–24

У завданнях із короткою відповіддю (№ 21–24) діють особливі правила:

• відносні атомні маси хімічних елементів потрібно округлювати до цілих чисел;

• числову відповідь вписують у спеціальне поле електронного тесту;

• формул для обчислення масової частки в довідкових матеріалах НМТ немає — їх треба знати напам'ять.

Тривіальні назви — вивчи напам'ять

У довідкових матеріалах НМТ тривіальних назв мінеральних добрив (селітра, суперфосфат, амофос, преципітат) немає. Їх потрібно вивчити окремо та вміти співвідносити з хімічними формулами.

• За поживними елементами добрива поділяють на азотні, фосфорні, калійні та комплексні. Мікродобрива постачають мікроелементи (B, Cu, Mn, Zn, Mo) у малих кількостях.

• Азотні добрива: NH₄NO₃ (амонійна селітра), (NH₂)₂CO (сечовина), NaNO₃ (натрієва селітра), (NH₄)₂SO₄ (амоній сульфат), NH₃ (рідкий амоніак).

• Фосфорні добрива: Ca(H₂PO₄)₂ (суперфосфат), CaHPO₄ · 2H₂O (преципітат), Ca₃(PO₄)₂ (фосфоритне борошно).

• Калійні добрива: KCl, K₂SO₄, K₂CO₃ (поташ).

• Комплексні добрива: KNO₃ (калійна селітра — N + K), NH₄H₂PO₄ (амофос — N + P), (NH₄)₂HPO₄ (діамофос — N + P), нітрофоска й нітроамофоска (N + P + K).

• Цінність добрива визначає масова частка поживного елемента: w = n · Aᵣ / Mᵣ · 100 %.

• Серед твердих азотних добрив найбільше Нітрогену в сечовині (≈ 46,7 %), в амонійній селітрі — 35 %, в амоній сульфаті — ≈ 21,2 %, у натрієвій селітрі — ≈ 16,5 %.

• Тривіальні назви (селітра, суперфосфат, амофос, преципітат) у довідці НМТ відсутні — їх треба знати напам'ять.