Химия в хозяйстве

 

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.