Химия · Химия элементов · 8 класс

Фосфор и минеральные удобрения

Что означают цифры «16-16-16» на мешке удобрения и как распознать удобрение?

Ситуация

Весной на хлопковое поле привезли удобрения: на мешках цифры «34-0-0», «12-52-0», «0-0-60» и «16-16-16». Сырьё для фосфорных удобрений добывают на фосфоритовом месторождении в Кызылкуме, калий — в Дехканабаде, азот берут из воздуха. В красном слое на боковой стороне спичечного коробка тоже есть фосфор, но белый фосфор настолько опасен, что его хранят под водой. Чем различаются формы фосфора, что означают цифры на мешке и как узнать удобрение?

Тема

Фосфор и минеральные удобрения. От кызылкумского фосфорита до аммофоса: N, P и K для хлопкового поля — что означают цифры на мешке удобрения

Ключевые понятия

Аллотропия фосфора
NPK: доля питательных элементов
Распознавание удобрений

Формулы

4 P + 5 O_{2} \overset{}{\to} 2 P_{2} O_{5}

Фосфор горит — белый дым: оксид фосфора(V).

P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O \overset{}{\to} 2 H_{3} PO_{4}

Фосфорная кислота — трёхосновная кислота средней силы.

Ca_{3} (PO_{4})_{2} + 2 H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} Ca (H_{2} PO_{4})_{2} + 2 CaSO_{4}

Простой суперфосфат: нерастворимый фосфат превращается в растворимый в воде дигидрофосфат.

NH_{3} + H_{3} PO_{4} \overset{}{\to} NH_{4} H_{2} PO_{4}

Аммофос — сложное азотно-фосфорное удобрение.

ω (N) = \frac{n A_{r} (N)}{M_{r}} \cdot 100 %

Доля питательного элемента; цифры на мешке — массовые доли N, P₂O₅ и K₂O (%).

Теория

Фосфор и его аллотропия

Фосфор (Z = 15, $3 s^{2} 3 p^{3}$ ) — элемент подгруппы азота, валентность III и V. В природе только в соединениях: фосфорит и апатит (основа — Ca₃(PO₄)₂). Белый фосфор — молекулы P₄ (тетраэдр, 60°), воскообразный, плавится при 44,1 °C, очень ядовит; медленно окисляясь на воздухе, светится в темноте зелёным светом (название по-гречески значит «светоносный»), самовоспламеняется при ≈ 30–50 °C — поэтому его хранят под водой. Красный фосфор — полимер, почти не ядовит, в темноте не светится, ниже ≈ 240 °C не воспламеняется; получается при нагревании белого фосфора без воздуха примерно до 300 °C. В боковом слое спичечного коробка — красный фосфор и порошок стекла, а в головке спички — KClO₃ и сера. Чёрный фосфор — самый устойчивый, слоистый (похож на графит), полупроводник; в 1914 году П. Бриджмен получил его, нагрев белый фосфор при давлении ≈ 12 000 атм. В промышленности фосфор получают в электрической печи: $Ca_{3} (PO_{4})_{2} + 3 SiO_{2} + 5 C \overset{}{\to} 3 CaSiO_{3} + 2 P + 5 CO$ .

Кислородные соединения фосфора

При горении фосфора образуется белый дым — оксид фосфора(V): $4 P + 5 O_{2} \overset{}{\to} 2 P_{2} O_{5}$ (на самом деле молекулы P₄O₁₀). P₂O₅ очень сильно поглощает воду — его используют для осушения газов. С холодной водой образуется метафосфорная кислота HPO₃, с горячей — ортофосфорная кислота: $P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O \overset{}{\to} 2 H_{3} PO_{4}$ . H₃PO₄ — трёхосновная кислота средней силы (pKₐ 2,15; 7,20; 12,35), не окислитель. Образует три типа солей: дигидрофосфаты (NaH₂PO₄, Ca(H₂PO₄)₂ — растворимы в воде), гидрофосфаты (Na₂HPO₄, CaHPO₄ — у кальция малорастворим), фосфаты (Na₃PO₄, Ca₃(PO₄)₂ — у кальция нерастворим). Корни растений усваивают в основном растворимый фосфат. Качественная реакция на фосфат-ион — жёлтый осадок с нитратом серебра: $Na_{3} PO_{4} + 3 AgNO_{3} \overset{}{\to} Ag_{3} PO_{4} ↓ + 3 NaNO_{3}$ .

Минеральные удобрения

Больше всего растение берёт из почвы N, P и K; эти элементы, ежегодно уносимые с урожаем, возвращают с удобрениями. Три цифры на мешке — массовые доли N, P₂O₅ и K₂O (%): «16-16-16» — в каждых 100 кг 16 кг N, 16 кг P₂O₅ и 16 кг K₂O. Фосфор записывают в пересчёте на P₂O₅, калий — на K₂O: P = 0,436·P₂O₅, K = 0,830·K₂O. Азотные: аммиачная селитра NH₄NO₃ (34–34,4 % N, в чистом веществе 35,0 %), карбамид CO(NH₂)₂ (46 % N), сульфат аммония (21 % N). Фосфорные: простой суперфосфат Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄ (≈ 20 % P₂O₅), двойной суперфосфат (≈ 45 %), фосфоритная мука. Калийные: хлорид калия (≈ 60 % K₂O). Сложные: аммофос NH₄H₂PO₄ (10–12 % N, 46–52 % P₂O₅), нитроаммофоска (NPK). В Узбекистане: Кызылкумский фосфоритовый комбинат (Навоийская область) — в фосфоритной руде ≈ 16–20 % P₂O₅, в промытом и обожжённом концентрате ≥ 26–28 %; «Аммофос-Максам» в Алмалыке — аммофос и суперфосфат; Дехканабадский калийный завод — хлорид калия; «Навоиазот», «Ферганаазот», «Максам-Чирчик» — азотные удобрения.

Биогенные элементы

Элементы, входящие в состав живых организмов и необходимые для жизни, — биогенные элементы. Макроэлементы: C, H, O, N (вместе ≈ 96 % массы тела), P, S, Ca, K, Mg, Na, Cl. Микроэлементы: Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Mo, B, I и другие. Азот — в белках и нуклеиновых кислотах; фосфор — в ДНК, АТФ и костях (фосфат кальция); калий — регулирует у растений водный обмен и клеточное давление; магний — в хлорофилле; железо — в гемоглобине. При недостатке азота у растения желтеют нижние листья; при недостатке фосфора рост замедляется, листья становятся буро-фиолетовыми; при недостатке калия края листьев сохнут и «обгорают». Об элементах в организме человека — в эксперименте «Химия в нашем теле».

Определение удобрений (лаб. работа 10, практ. работа 5)

1. Внешний вид (цвет, гранулы или кристаллы) и растворимость в воде: суперфосфат растворяется частично — гипс остаётся в осадке, остальные хорошо растворяются. 2. Нагревание со щёлочью: запах аммиака, влажная красная лакмусовая бумажка синеет — соль аммония. 3. BaCl₂ (в среде соляной кислоты): белый осадок BaSO₄ — сульфат. 4. AgNO₃: белый творожистый AgCl — хлорид, жёлтый Ag₃PO₄ — фосфат. 5. Пламя: фиолетовое через кобальтовое стекло — калий. 6. На раскалённом угле: вспыхивает — нитрат (аммиачная селитра), плавится и пахнет аммиаком — карбамид. Безопасность: удобрения не пробуйте на вкус и не берите руками; запах аммиака определяйте, направляя воздух рукой; AgNO₃ чернит кожу; с белым фосфором в школе не работают — он только образец, который показывает учитель.

Вуз: завод удобрений

Фосфорная кислота и суперфосфат. Кызылкумский фосфорит (фторапатит) разлагается серной кислотой: экстракционная фосфорная кислота — $Ca_{5} (PO_{4})_{3} F + 5 H_{2} SO_{4} + 10 H_{2} O \overset{}{\to} 3 H_{3} PO_{4} + 5 CaSO_{4} \cdot 2 H_{2} O + HF$ (отход — фосфогипс); простой суперфосфат — $2 Ca_{5} (PO_{4})_{3} F + 7 H_{2} SO_{4} + 3 H_{2} O \overset{}{\to} 3 Ca (H_{2} PO_{4})_{2} \cdot H_{2} O + 7 CaSO_{4} + 2 HF$ : на 1 г P₂O₅ нужно 1,61 г H₂SO₄ (100 %) (карбонатные примеси тоже расходуют кислоту). Двойной суперфосфат: $Ca_{3} (PO_{4})_{2} + 4 H_{3} PO_{4} \overset{}{\to} 3 Ca (H_{2} PO_{4})_{2}$ . Галургия. Сильвинит (сырьё Дехканабадского калийного завода) — смесь KCl и NaCl. В растворе, насыщенном обеими солями, при 25 °C ≈ 11 % KCl и ≈ 20 % NaCl, а при 100 °C KCl примерно в 2 раза больше, NaCl немного меньше (приблизительно). Если сильвинит обрабатывать горячим раствором, KCl растворяется, NaCl остаётся; при охлаждении фильтрата KCl кристаллизуется, а раствор снова нагревают и используют. Аммиачная селитра и карбамид. $NH_{3} + HNO_{3} \overset{}{\to} NH_{4} NO_{3}$ — теплота нейтрализации идёт на выпаривание раствора, затем следует гранулирование. Карбамид: $2 NH_{3} + CO_{2} \overset{}{\to} CO (NH_{2})_{2} + H_{2} O$ — через карбамат аммония, при ≈ 170–200 °C и 130–200 атм; за один проход превращается 50–65 %. Расчёт NPK: нужное количество P₂O₅ → аммофос, K₂O → KCl, оставшийся N → карбамид. Модель: температуры воспламенения аллотропов приняты равными 40 и 240 °C; pH фосфатов — для идеального раствора; растворимости приблизительные, время сокращено.

Знаете ли вы?

Фосфор открыл в 1669 году гамбургский алхимик Хеннинг Бранд, выпаривая мочу в поисках «философского камня». Из-за того, что он светится в темноте зелёным светом, его назвали по-гречески phosphoros — «светоносный».
Карбамид в 1828 году синтезировал немецкий химик Фридрих Вёлер из неорганического цианата аммония — это был один из первых искусственных синтезов вещества живого организма. Сегодня карбамид — самое используемое в мире азотное удобрение.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс
Кремний и силикаты — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс
Металлы и сплавы — 9 класс
Щелочные металлы и сода — 9 класс