В 1798 году экономист Томас Мальтус издал книгу “Опыт народонаселения”, где изложил свою знаменитую теорию: численность населения Земли имеет тенденцию возрастать в геометрической прогрессии, в то время как средства к существованию увеличиваются только в арифметической прогрессии. Из этой теории следовало, что в будущем человечеству грозит голод. Подобный вывод подтвердил столетием позже английский ученый Томас Гексли, друг Чарльза Дарвина и пропагандист его учения, он заявил, для того, чтобы избежать голодной смерти нужно резко повысить урожайность.
Какие способы повышения урожайности вы можете предложить?
(Ребята предлагают свои варианты, из которых наиболее приемлемым является использование минеральных удобрений.)
Итак, тема сегодняшнего урока “Минеральные удобрения”.
Первый опыт по изучению питания растений провел в начале 30-х годов 17 века нидерландский врач и алхимик Ян Баптист ван Гельмонт. Он взял 80 кг сухой земли, посадил ветку ивы и поливал ее дождевой водой. Опыт длился 5 лет. За это время растение прибавило в весе 66 кг, а земля “похудела” меньше, чем на 100г. Значит растения берут питание только из воды.
То, что это не совсем так доказал немного позже швейцарский ботаник Жан Сенебье, создав теорию “воздушного питания”. Он экспериментально доказал, что в листьях происходит разложение углекислого газа: кислород выделяется, а углерод остается в растении.
В 1840 году великий немецкий химик Юстус Либих впервые указал на истощение почв минеральными веществами и на необходимиость возвращения их в почву. Не сразу, но его теория была принята. Согласно ей минеральные удобрения должны содержать три основных элемента – азот, фосфор и калий.
Из курса биологии вы знаете, что растение – это прежде всего уникальная фабрика, перерабатывающая в процессе фотосинтеза в глюкозу углекислый газ и воду. На восстановление одной молекулы СО2 требуется четыре молекулы воды и четыре кванта света. КПД процесса фотосинтеза 75%, что больше, чем у любого производственного процесса. Питание растений без воды невозможно, так как в водном растворе происходят все процессы метаболизма, вода служит для растения источником кислорода и водорода, составляет 80% массы растения. Без нее невозможно и дыхание растений, поэтому, если лишить растение воды, оно погибнет не только от “жажды”, но и от “удушья”.
А вот как влияют на состояние здоровья растения другие минеральные вещества вам предстоит выяснить самостоятельно, изучив статью о минеральных удобрениях. В этой статье пойдет рассказ о трех видах удобрений: азотных, фосфорных и калийных. В конце урока вы должны будете знать содержание всей статьи, однако изучать вам придется только одну из трех частей, на которые эта статья разбита. Каждая из этих трех частей разделена еще на два отрывка. Вы будете специалистом только по одному из них: Первый вариант изучает часть А, второй вариант – часть Б.
При распределении заданий учитель может самостоятельно наиболее трудные, насыщенные химическими уравнениями части текста (например, часть Б о фосфорных удобрениях) раздать более сильным учащимся, способным самостоятельно быстро усвоить и преподнести материал. Слабоуспевающих учащихся можно посадить заранее на тот вариант, текст которого будет для них не труден для понимания и воспроизведения. Более того, учитель может по своему усмотрению, если потребуется, формировать пары докладчик – оппонент.
Первый этап. Вы читаете свой отрывок и с помощью знаков, символов, схем изображаете его в тетради, потому что его содержание вам предстоит доложить партнеру, не глядя в текст.
Второй этап. Вы рассказываете свой отрывок соседу по парте, а он следит за рассказом по тексту вашего отрывка. Когда докладчик закончит изложение материала, оппонент может задать вопросы для прояснения прочитанного. Важно, что докладчик пользуется только своим конспектом, в текст может смотреть только оппонент.
Затем роли меняются: докладчик становится оппонентом, оппонент – докладчиком и прорабатывают второй отрывок.
Третий этап. Вы должны представить информацию всему классу. Для этого вы вместе в паре еще раз анализируете свои конспекты, для того, чтобы вы могли рассказать содержание своего отрывка классу. К доске выходят оба члена пары, начиная с первого отрывка, и кратко докладывают содержание своей статьи. Выходить должны оба члена пары, даже если говорить будет только один. Таким образом, в конце урока вы получаете полную информацию о составе минеральных удобрениях и их использовании. Если в докладе будут упущены важные моменты, то их может дополнить участник пары или другие учащиеся класса, изучавшие эту статью. Дополнения, касающиеся мелких, незначительных деталей не учитываются и учащиеся, неоднократно предлагающие их, могут терять баллы по усмотрению учителя.
Информацию, полученную из сообщений учащиеся заносят в таблицу:
“Минеральное питание растений”
Элемент |
Роль в метаболизме растения и способ усвоения элемента растением |
Название и способ получения удобрения |
Первый текст “Азотные удобрения”
А. Азот один из основных элементов, необходимых для жизни, так как входит в состав всех аминокислот, а значит и белка. Вне белковых тел жизнь невозможна. Атмосферный азот растения усваивать непосредственно не умеют, зато они усваивают азот из почвы в двух формах: одна нитратная (в виде нитрат – ионов), другая – аммонийная (в виде ионов аммония). Причем наиболее предпочтительна аммонийная, потому что азот в этой форме сразу идет на построение аминокислот, образующих белок.
А вот нитратная форма должна сначала восстановиться до аммонийной и только потом будет усвоена растением. Без достаточного количества азота в почве растение не сможет набрать нужную вегетативную массу, а вот если его совсем не будет хватать, тогда нижние листья растений становятся бледно-зелеными, а потом уже все, начиная с верхушки, буреют и отпадают.
После уборки урожая азот в больших количествах уносится из почвы и вновь внести его в землю можно только с помощью минеральных удобрений. Недостаток азота в почве издавна восполняли органическими подкормками: перегноем и навозом. Производимые сейчас минеральные удобрения нельзя также вносить неконтролируемо, например, сульфат аммония после многократного внесения из-за гидролиза соли может привести к закислению почв, и его нужно нейтрализовать известью.
Б. У всех азотных удобрений есть одно неоспоримое преимущество перед фосфорными: все нитраты хорошо растворимы в воде. Самое первое широко применяемое минеральное удобрение – это чилийская селитра (нитрат натрия), его впервые обнаружили и стали вывозить из Чили. Однако, запасы чилийской селитры стали быстро истощаться в связи с тем, что ее использовали и для производства пороха. Другим даже более ценным для растения стало удобрение – аммиачная селитра, его производство наладили после открытого немцем Фридрихом Габером способа связывания атмосферного азота в аммиак. Аммиачная селитра содержит азот сразу в двух формах: в нитратной и аммонийной. Получают ее так:
HNO3(разб.) + NH3 => NH4 NO3
Неудобство в ее использовании состоит в том, что оно легко слеживается, поэтому его нужно гранулировать, а также оно хорошо растворимо в воде, поэтому может быть смыто с поля первым же ливнем, и кроме того, при определенных условиях (при повышении температуры около 200оС) становится даже взрывоопасным.
Самое концентрированное и лекгоусваиваемое растениями азотное удобрение – это широко известная мочевина или карбамид – (NH2)2CO, массовая доля азота в нем 46%. Технологический процесс его производства довольно сложен и идет под давлением 20000 КПа и температуре ололо 200оС и выражается уравнением:
2NH3 + CO2 => (NH2)2CO + H2O
Химическая промышленность выпускает также и сульфат аммония, гораздо более бедный по содержанию азота в нем, но зато очень дешевый, ведь это удобрение получают как побочный продукт при очистке коксового газа от аммиака серной кислотой:
2NH3 + H2SO4 => (NH4)2SO4
К его недостаткам можно отнести относительную бедность азотом и при многократном его использовании закисление почв.
Второй текст “Фосфорные удобрения”.
А. Фосфор – элемент важнейшего органического соединения для любого организма аденозинтрифосфорной кислоты – АТФ. Эта кислота служит аккумулятором энергии в живой клетке. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, а без них невозможно хранение и воспроизведение генетической информации, содержащейся в клетке. Фосфор принимает активное участие в восстановлении и и распаде углеводов, оказывая большое влияние на рост растения, его цветение и плодоношение.
Растения усваивают фосфор из почвы главным образом в виде фосфат – иона (РО4-3). Как известно, фосфорная кислота образует три типа солей: орто- , гидро- и дигидрофосфаты. Для усвоения растением удобрение должно быть растворимо в воде, из средних фосфатов растворимы только соли щелочных металлов, гидрофосфаты растворимы лучше, зато дигидрофосфаты растворимы все без исключения.
Однако, и нерастворимая фосфоритная мука Са3(РО4)2 и труднорастворимый преципитат СаНРО4 прекрасно усваиваются некотрыми культурами (люпин, горох, горчица, гречиха…). Дело в том, что корневые волоски этих растений выделяют органические кислоты, растворяющие неподатливые в воде соли.
Б Одно из первых фосфорных удобрений – это простой суперфосфат CaSO4. Ca(H2PO4)2. Массовая доля оксида фосфора в нем не превышает 20% (это немного), кроме того, большую часть этого удобрения составляет балласт – сульфат кальция. Однако, пользоваться им будут еще долго, из-за легкости его получения:
Са3(РО4)2 + 2 Н2SO4 => 2 Ca SO4 + Ca(H2PO4)2
В другом фосфорном удобрении – двойном суперфосфате Са(Н2РО4) . Н2О - в отличие от простого нет балласта – неусваиваемого растениями гипса. Производство этого удобрения связано с применением фосфорной кислоты вместо серной, сырьем может служить как фосфорит (ортофосфат кальция), так и известняк (карбонат кальция):
Са3(РО4)2 + 4 Н3РО4+ 3Н2О => 3Са (Н2РО4)2 . Н2О
СаСО3 + 2Н3РО4 =>Са (Н2РО4)2 . Н2О + СО2
На основе фосфорной кислоты также можно получить еще одно фосфорное удобрение – преципитат Са НРО4, содержащий 27–42 % фосфорного ангидрида:
2Н3РО4 + Са(ОН)2e=> Са(Н2РО4)2 + 2 Н2О
Са(Н2РО4)2+ Са(ОН)2 => 2 СаНРО4 + 2Н2О
А если заменить в этих удобрениях довольно безразличный для растений кальций на ион аммония? Нейтрализацией фосфорной кислоты газообразным аммиаком получают высокоэффективные удобрения - аммофосы:
NH3 + H3PO4 => (NH4) H2PO4
или
2NH3 + H3PO4 => (NH4)2 HPO4
Третий текст “Калийные и комплексные удобрения”
А. Калий, так же как азот и фосфор, нужен любому растению. Но особенно в нем нуждаются технические культуры: клевер, подсолнечник, лен, картофель, табак. Один килограмм оксида калия, внесенного в почву, позволяет дополнительно получить 8 кг зерна, 35 кг картофеля или 40 кг сахарной свеклы. Если листья бледнеют и отмирают , а стебель становится слабым и сгибается под собственной тяжестью, значит в “пище” растений наверняка не хватает калия. При недостатке этого элемента снижается интенсивность фотосинтеза, а дыхания, напротив, повышается, то есть растение начинает как бы “судорожно глотать воздух”, как бегун после длинной дистанции. Без калия сахарная свекла не наберет положенного ей количества сахара, а картофель крахмала. По запасам калийного сырья наша страна занимает первое место в мире. Чаще всего эти удобрения получают из сильвинита – (NaCl . KCl). Другими природными источниками калия являются карналлит (KCl . MgCl2 . 6H2O) и каинит (KCl . MgSO4 . 3H2O) .
К сожалению, ни одна из этих солей в чистом виде удобрением служить не может. Поскольку все соли калия растворимы, то растения легко усваивают ион калия , пропуская его через мембрану клеток корневых волосков. Одно плохо, в таких больших количествах сопутствующий ион хлора растениям не нужен. Поэтому ценятся бесхлорные калийные удобрения сульфат калия и карбонат калия – поташ. Правда, поташ можно вносить только на закисленные почвы, ведь у него в водном растворе из – за гидролиза ярко выраженная щелочная реакция.
Б. Несмотря на богатство минералами, содержащими калий без технологических процессов по выделению из них хлорида калия не обойтись. Вся технология процесса построена на том, что растворимость хлорида калия значительно растет при повышении температуры, а растворимость хлорида натрия от температуры почти не зависит. Значит, если обработать исходную смесь нагретым до 80 – 1000С рассолом хлоридов натрия и калия, насыщенным в холодном состоянии, раствор будет обогащаться калием. А когда насыщенный уже при высокой температуре раствор охладится , в осадок выпадет только хлорид калия. Полученный хлорид калия – самое концентрированное удобрение по содержанию в нем калия, но хлорид – ион не нужен растениям в таком большом количестве, поэтому, наиболее употребляемым удобрением является сульфат калия. хотя он содержит меньше дейтвующего вещества, но зато используется для удобрения любых культур.
Способ получения довольно не сложен:
2KCl + 2 MgSO4 e=> K2SO4 . MgSO4 + MgCl2
K2SO4 . MgSO4 + 2 KCl => 2 K2SO4 + MgCl2
В настоящее время все чаще используют комплексные удобрения. Преимущества их очевидны. Ведь в них питательные вещества распределяются более равномерно, затраты на внесение значительно уменьшаются и поля не засоряются балластом. В таких удобрениях составляющие их вещества должны входить в строгих соотношениях, так как растения сразу будут реагировать на недостаток или избыток чего – либо. Комплексное удобрение может быть очень простым – это , например, калийная селитра . Наиболее используемое из тройных удобрений - это нитроаммофоска, в ней соотношение питательных элементов азота, фосфора и калия соответственно 1:1:1.
Упомянутый фосфат аммония – тоже комплексное удобрение, к тому же не содержащее балласта.
Все ученики, презентовавшие свои статьи у доски получают оценки , а также можно оценить учащихся класса по заполнению ими в ходе урока предложенной им таблицы. Если времени для обсуждения заполнения таблицы уже нет, то учитель может собрать конспекты учащихся и оценить их. В качестве домашнего задания может быть предложен текст параграфа школьного учебника и сообщения на тему неправильного применения минеральных удобрений и последствий его влияния на здоровье человека и окружающую среду.