STUDIA STACJONARNE ĆWICZENIE 4: Analiza jakościowa nawozów mineralnych

Transkrypt

1 STUDIA STACJONARNE ĆWICZENIE 4: Analiza jakościowa nawozów mineralnych NAWOZY WAPNIOWE, MAGNEZOWE i WIELOSKŁADNIKOWE NAWOZY DO ODKWASZANIA GLEB Nawozy do odkwaszania gleb to przede wszystkim nawozy wapniowe i wapniowo-magnezowe. Głównym surowcem do produkcji nawozów odkwaszających są skały węglanowe, wapniowe i wapniowomagnezowe, a także dolomity, zalegające w największych ilościach w południowych i południowo-zachodnich regionach kraju. Produkcja tych nawozów polega głównie na rozdrabnianiu skał wapiennych, niemniej jednak niektóre z nawozów wymagają obróbki termicznej. Wapń w nawozach wapniowych może występować w formie węglanowej, tlenkowej, wodorotlenkowej i krzemianowej. Do odkwaszania gleb stosuje się również nawozy wapniowe lub wapniowo-magnezowe, będące produktami ubocznymi różnych gałęzi przemysłu. Udział tych nawozów w ogólnym bilansie nawozowym jest dość duży i przekracza 30 %. Używane są tu przede wszystkim odpady górniczo-hutnicze, odpady poflotacyjne z rud cynku, ołowiu i miedzi, żużel wielkopiecowy z przemysłu hutniczego, odpady przemysłu buraczanego (wapno defekacyjne) i in. Surowce te obok znacznej ilości wapnia i magnezu mogą niestety zawierać pierwiastki szkodliwe jak fluor, metale ciężkie i in., których poziom powinien być na bieżąco monitorowany. Nawozy do odkwaszania gleb można podzielić według następujących kryteriów: 1) według zawartości pierwiastków odkwaszających nawozy wapniowe i wapniowo-magnezowe, 2) według formy występowania tych związków nawozy tlenkowe i węglanowe, 3) według pochodzenia nawozy z produkcji podstawowej i z produkcji ubocznej. Rozpuszczalność poszczególnych nawozów w roztworze glebowym, a więc i szybkość odkwaszania, zależy głównie od formy nawozu. Najłatwiej rozpuszczają się formy tlenkowe, znacznie trudniej węglanowe, a najtrudniej krzemianowe. Wszystkie te związki rozpuszczają się w kwasie węglowym, występującym w znacznych ilościach w roztworze glebowym. Rozpuszczanie związków wapnia i magnezu prowadzi do powstawania kwaśnego węglanu wapniowego i kwaśnego węglanu magnezowego. Związki te są łatwo rozpuszczalne i mogą ulegać dysocjacji na jony wapniowe, magnezowe i resztę kwasu węglowego. Kationy wapniowe i magnezowe wypierają z kompleksu sorpcyjnego jony wodoru, które łączą się z resztą kwasu węglowego i powstaje kwas węglowy, rozpadający się na wodę i dwutlenek węgla. W ten sposób dzięki wapnowaniu zmniejsza się ilość jonów wodorowych w glebie. WAPŃ. Spośród wszystkich składników pokarmowych wymycie wapnia, w odniesieniu do innych składników pokarmowych, z polskich gleb jest największe. Obliczono, że roczne straty wapnia na skutek wymywania wynoszą kg Ca ha -1 rok -1. Wapń jest składnikiem niezbędnym do życia roślin i zwierząt. W organizmach zwierzęcych jest głównym budulcem kości. W roślinach wapń wchodzi w skład błon komórkowych i tkanki mechanicznej. Przy braku wapnia w roślinach następuje rozpad komórek i błon cytoplazmatycznych. Ściany komórkowe spełniają w roślinie funkcję układu szkieletowego. Inkrustacja ścian komórkowych jonami wapnia przyczynia się do wzrostu odporności komórek na infekcje. NAWOZY MAGNEZOWE Do nawozów zawierających magnez jako podstawowy składnik pokarmowy zaliczyć można: siarczan magnezowy, kizeryt, karmag, rolmag, magnezyt, serpentynity i inne np. płynne nawozy magnezowe. Podstawowym surowcem służącym do pozyskiwania nawozów magnezowych są kopaliny takie jak dolomity (węglan wapniowo-magnezowy) i magnezyty (węglan magnezowy). Zaś podstawowym procesem technologicznym przy wytwarzaniu nawozów węglanowo-magnezowych jest rozdrabnianie kopaliny.

2 Głównym źródłem magnezu w glebie, oprócz zasobów naturalnych, są nawozy wapniowo-magnezowe. Poza tym nawozy potasowe, a także azotowe i fosforowe. Z nawozów potasowych najwięcej magnezu znajduje się w kalimagnezji i w kainicie. Z nawozów azotowych magnez znajduje się jedynie w saletrzakach magnezowych, a w fosforowych w mączce fosforytowej. Znaczne ilości magnezu występują również w nawozach wieloskładnikowych. MAGNEZ Pierwiastek ten w glebie ulega podobnie jak inne kationy przemieszczeniu do głębszych warstw i wymyciu do wód gruntowych przez opady atmosferyczne. Na ogół przyjmuje się, że wymycie magnezu wynosi kg Mg ha -1 rok -1. W większym stopniu magnez ulega wymyciu z gleb lekkich, o dużej przepuszczalności niż z gleb średnich i ciężkich. Magnez należy do makroelementów niezbędnych dla roślin i zwierząt ze względu na szereg istotnych funkcji fizjologicznych. Przy braku magnezu zmniejsza się zawartość w roślinach białka, a zwiększa zawartość azotu mineralnego. Niedobór magnezu w pożywieniu człowieka i zwierząt powoduje niedotlenienie mięśnia sercowego, zakłóca procesy metaboliczne i staje się przyczyną występowania chorób nowotworowych. Niebezpieczeństwa oraz korzyści związane ze stosowaniem nawozów wapniowych i magnezowych. Nawozy wapniowe i magnezowe wpływają generalnie na zmniejszenie szkodliwej kwasowości gleb. Farmer powinien jednak zwracać uwagę na dobór odpowiednich nawozów w zależności od klasy agronomicznej posiadanych gruntów. Gleby lekkie, o małej pojemności kompleksu sorpcyjnego (KS) należy nawozić wyłącznie nawozami węglanowymi zawierającymi CaCO 3 i MgCO 3. Są to nawozy wolnodziałające uwalniające jony Ca i Mg przez długi okres czasu, zobojętnianie kwaśnego odczynu gleb trwa dłużej, ale jednocześnie zachodzi łagodnie. Na zobojętnienie jednej jednostki kwasowości hydrolitycznej (Hh) na glebach lekkich z reguły stosuje się 15 t wapna węglanowego (CaCO 3 ). Formy węglanowe wymienionych nawozów przyczyniają się do utrzymania struktury gruzełkowatej gleby, agregaty glebowe utrzymują dłużej wilgoć, co świadczy także o zwiększeniu pojemności wodnej tych gleb. Wapń zawarty w węglanach często bierze udział w sorpcji chemicznej wiążąc niezbędne dla życia roślin makro i mikroskładniki. Na glebach ciężkich o dużej pojemności KS (gleby gliniaste, mady rzeczne, lessy, czarnoziemy) rolnicy mogą stosować energicznie działające wapno tlenkowe (CaO, MgO). Nawozy tlenkowe działają bardzo szybko i agresywnie Na zobojętnienie jednej jednostki kwasowości hydrolitycznej (Hh) wystarczy 8,4 t CaO na 1ha gruntu. Zastosowany tlenek wapnia w glebie reaguje z wodą wg reakcji: CaO + H 2 O --> Ca(OH) 2 + E W reakcji tej powstaje silnie zasadowy wodorotlenek wapnia i energia. Jest to reakcja egzoenergetyczna, co bezpośrednio wpływa na intensywność, z jaką tego typu nawozy oddziałują na glebę. W wyniku ich działania w bardzo szybkim czasie następuje zmiana warunków chemicznych oraz fizycznych panujących w glebie. Gleby ciężkie na skutek stosowania silnie działających nawozów wapniowych ulegają rozluźnieniu, poprawiają się ich właściwości powietrzno wodne. Zwiększa się ich natlenienie a przez to poprawiają się warunki do rozwoju korzeni roślin oraz mikroflory i mikrofauny glebowej. Na skutek wapnowania gleby, zmniejsza się ryzyko szkodliwego oddziaływania glinu, który w warunkach kwaśnego odczynu przechodzi w toksyczny jon Al 3+ i jego hydroksy formy: Al(OH) 2+, Al(OH) 2 +, Al(OH) 4- oraz połączenia w formie labilnych nieorganicznych kompleksów z fluorkami czy siarczanami. Niestety nieumiejętne stosowanie nawozów służących do odkwaszania może prowadzić do zachwiania równowagi chemicznej, fizycznej i biologicznej gleb. Problem ten dotyczy szczególnie gleb lekkich. Gleby lekkie wytworzone są najczęściej z utworów piaszczystych. Charakteryzują się one bardzo małą pojemnością kompleksu sorpcyjnego. Na ten mały kompleks sorpcyjny składają się przede wszystkim właściwości sorpcyjne próchnicy glebowej oraz w znikomej ilości występujących minerałów ilastych. Próchnica glebowa to związki węgla pochodzenia naturalnego, które na skutek procesów humifikacji charakteryzują się zdolnością utrzymywania w glebie zarówno wilgoci jak i również wykazują powinowactwo w stosunku do kationów i anionów sorbowanych z roztworu glebowego. Stosowany na glebach lekkich agresywny silnie zasadowy tlenek wapnia przyczynia się do gwałtownej zmiany odczynu, co może wpłynąć znacznie zredukowanie w nich życia biologicznego. Próchnica glebowa ulega gwałtownemu utlenieniu, co powoduje, że składniki przez nią zaabsorbowane nie są dłużej wiązane przez glebę i często w formach rozpuszczalnych w wodzie migrują bezpowrotnie w głąb profilu glebowego. Zawężeniu ulega także stosunek C:N świadczący o stopniu degradacji gleb. Dla większości gleb stosunek C:N w poziomie próchnicznym wynosi od 8 do 15, najczęściej Gdy jest on węższy, następuje intensyfikacja mineralizacji azotu, który nie jest wykorzystywany przez rośliny i także ulega wymyciu do wód gruntowych. Stosując nawozy służące odkwaszaniu gleb należy pamiętać, że ich dawkę

3 należy opierać o aktualną kwasowość gleby, jej rodzaj oraz gatunek rośliny, która jest lub będzie uprawiana. Zdecydowana większość roślin uprawianych w Polsce wymaga odczynu obojętnego, stosunkowo dużo gatunków wymaga jednak odczynu kwaśnego (azalie, różaneczniki, wszelkie drzewa i krzewy iglaste) a niewiele jest takich, w których uprawie należy zadbać o odczyn zasadowy (rozchodniki, niektóre jałowce, sosna czarna, byliny) NAWOZY WIELOSKŁADNIKOWE Nawozami wieloskładnikowymi nazywamy nawozy, które zawierają dwa (lub więcej) podstawowe składniki pokarmowe, tj. N, P, K, a niekiedy również Mg. Nawozy wieloskładnikowe dzielimy na mieszane i kompleksowe. Nawozy mieszane powstają przez mechaniczne wymieszanie dwóch lub więcej nawozów w dowolnym stosunku wagowym. Nawozy kompleksowe natomiast otrzymuje się w procesie reakcji chemicznych i zawierają, co najmniej dwa (z czterech) podstawowe składniki pokarmowe w jednej cząsteczce związku chemicznego. Nawozy wieloskładnikowe można podzielić również w zależności od formy azotu występującego w nawozie. Można w ten sposób wydzielić następujące grupy nawozów, zawierających 2 lub 3 składniki pokarmowe: A/ amofosy (NH 4 NP) lub amofoski (NH 4 NPK) B/ nitrofosy (NO 3 NP) lub nitrofoski (NO 3 NPK) C/ ureafosy (NH 4 NP) lub ureafoski (NH 4 NPK) Nawozy mieszane produkowane są w fabrykach, ale można je również otrzymać w gospodarstwie, przez wymieszanie dwóch lub więcej nawozów pojedynczych. Możemy tu wymienić nawozy zawierające fosfor i potas np., agrofoski, nawozy zawierające trzy składniki, w tym K, P i Mg, są to trójskładnikowe mieszanki PKMg. W niewielkiej ilości produkowane są również mieszanki płynne do dolistnego dokarmiania zawierające nie tylko makro- ale i mikroelementy. Są to między innymi: Florosol U, zawierający N,K, P, Mg a także mikroelementy, np. Hortsol, Florosol-Z I i in. Nawozy kompleksowe. Podstawowym surowcem do produkcji nawozów kompleksowych są fosforyty lub apatyty. Minerały te można rozpuścić w kwasie siarkowym otrzymując, po dodaniu NH3, nawozy typu amofos lub amofoski. Można je rozpuścić również w kwasie azotowym otrzymując nawozy typu nitrofos lub nitrofoski. Wymienić tu można takie nawozy jak: Polimap, Polidap, polifoski, amofoski. PODSTAWOWE ZASADY MIESZANIA NAWOZÓW MINERALNYCH Mieszając nawozy należy uwzględniać właściwości chemiczne, fizyczne i mechaniczne nawozów, aby uniknąć strat pożytecznych składników a tym samym zanieczyszczenia nimi środowiska przyrodniczego, nie pogorszyć sypkości nawozów oraz zapewnić równomierne rozmieszczenie poszczególnych składników na polu. Z tego względu należy kierować się następującymi zasadami: 1) Nie wolno mieszać nawozów, które reagują ze sobą chemicznie: a) nawozów zawierających grupę NH 4 + nie należy mieszać z nawozami o odczynie alkalicznym, a siarczanu amonu nawet z węglanem wapnia ze względu na straty azotu w postaci NH 3 ; b) nawozów zawierających jon NO 3 - nie mieszać z superfosfatem, ponieważ wolny H 3 PO 4 rozkłada azotany do tlenków; c) superfosfatu nie można mieszać z nawozami zawierającymi wapń, ponieważ następuje uwstecznianie fosforu. 2) Nie należy mieszać nawozów reagujących ze sobą fizycznie: a) nie mieszać ze sobą nawozów higroskopijnych, ponieważ już w czasie mieszania chłoną wodę i się rozpływają; b) nie mieszać na dłuższy okres nawozów higroskopijnych z niehigroskopijnymi, gdyż następuje zbrylenie, nawozy te można mieszać bezpośrednio przed wysiewam w czasie suchej pogody. 3) Nie należy mieszać nawozów o różnych właściwościach mechanicznych: a) nie mieszać nawozów pylistych i drobnokrystalicznych z nawozami granulowanymi oraz granulowanych o różnej wielkości granul, na skutek wstrząsów i wibracji w czasie przesypywania, transportu i wysiewu nawozy te rozwarstwiają się, powodując nierównomierny rozrzut składników pokarmowych. b) nie mieszać nawozów wysiewanych w dużych ilościach (np. wapniowych) z nawozami, które wysiewa się w kilkakrotnie mniejszych ilościach; trudno jest je dokładnie wymieszać

4 ZALETY I WADY STOSOWANIA NAWOZÓW WIELOSKŁADNIKOWYCH Zalety: 1. duża zawartość czystego składnika w nawozach wieloskładnikowych w porównaniu z nawozami pojedynczymi, zmniejsza to koszty magazynowania, transportu, a więc stosowania; 2. jednakowy skład chemiczny wszystkich granul nawozu wieloskładnikowego, zwiększa to równomierność wysiewu wszystkich składników pokarmowych zawartych w tym nawozie; 3. lepsze właściwości fizyczne nawozów wieloskładnikowych w porównaniu z niektórymi nawozami pojedynczymi; 4. zmniejszenie niebezpieczeństwa ujemnego wpływu nawożenia jednostronnego lub niezrównoważonego. Wady: 1. większy koszt produkcji 1kg czystego składnika w nawozach wieloskładnikowych niż w pojedynczych; 2. z góry ustalony stosunek N:P:K, co utrudnia dawkowanie tych składników zgodnie z zasobnością gleb i wymaganiami pokarmowymi roślin, 3. brak balastu w nawozach wieloskładnikowych eliminuje dostarczanie roślinom pozostałych składników pokarmowych makro- i mikroelementów. Rozpoznanie nawozu mineralnego polega na ocenie jego wyglądu zewnętrznego oraz określeniu właściwości fizykochemicznych.

5 Analizę jakościową nawozów należy przeprowadzić wg procedury: 1) Dokonać opisu cech zewnętrznych nawozów umieszczonych w probówkach tzn. opisać barwę, budowę (granulowana, krystaliczna, pylista), zapach, obecność węglanów (sprawdzić za pomocą rozcieńczonego kwasu solnego). 2) Do oddzielnej probówki wsypać ok. 2cm 3 suchego, sypkiego nawozu dodać 10 cm 3 wody destylowanej i określić stopień rozpuszczalności (całkowity, niecałkowity) i odczyn (za pomocą papierka lakmusowego kwaśny, zasadowy, obojętny). 3) Jeżeli roztwory są mętne całość przesączyć przez jakościowy sączek do probówki. 4) Przesącze podzielić na kilka porcji o obj. ok. 2 cm 3, w zależności od liczby wykrywanych jonów, odpowiednio oznaczyć i przeprowadzić w nich właściwe dla danego nawozu reakcje chemiczne. Reakcje chemiczne na obecność jonów: W celu identyfikacji nawozu przeprowadzić reakcje charakterystyczne opisane w ćwiczeniu 2 i 3 oraz Ca 2+ Obecność kationów wapnia stwierdza się za pomocą szczawianu amonu NH 4 (COO) 2 NH 4 w obojętnym środowisku. Zobojętnianie przeprowadzamy w obecności oranżu metylowego. Po zobojętnieniu roztwór należy zagotować i do ostudzonego dodać szczawianu amonu. Strąceniu ulega biały, krystaliczny osad szczawianu wapnia Szczawian amonu (NH4)2C2O4 strąca z roztworów soli wapnia biały krystaliczny osad szczawianu wapnia: Mg 2+ Ca(NO 3 ) 2 + (NH 4 ) 2 C 2 O 4 = CaC 2 O 4 + 2NH 4 NO 3 Wodorotlenek sodu NaOH lub potasu KOH wytrąca z roztworów soli magnezu biały galaretowaty osad wodorotlenku magnezu, nierozpuszczalny w nadmiarze NaOH: Mg OH - = Mg(OH) 2 Wodorotlenek amonu wytrąca z roztworów soli magnezu białe zmętnienie wodorotlenku magnezu. CO 3 2- MgCl 2 + 2NH 4 OH = Mg(OH) 2 + 2NH 4 Cl lub jonowo: Mg OH - = Mg(OH) 2 Przeprowadzamy próbę z 1M HCl, w obecności jonów węglanowych ulega burzeniu Powstaje: CaCO 3 +2HCl CaCl 2 +CO 2 +H 2 O

6 ĆWICZENIE 4 WIELOSKŁADNIKOWE OBSERWACJE: Analiza jakościowa nawozów mineralnych - NAWOZY WAPNIOWE, MAGNEZOWE i Nawóz 1. opis cech zewnętrznych Nawóz 2. opis cech zewnętrznych Nawóz 3. opis cech zewnętrznych

7 WNIOSKI: