Химические секреты агронома

Цели. Познакомить учащихся с отдельными агротехническими приемами и химическими процессами, лежащими в их основе; сформировать практические знания, необходимые для работы на даче или приусадебном участке.

Задание 1. Ваш сосед прочел в книге для садоводов-любителей, что при посадке плодовых деревьев и ягодных кустарников надо в яму для саженцев кроме удобрений положить несколько расплющенных и обожженных на костре металлических консервных банок, и попросил вас объяснить смысл этого приема.

Как вы это объясните с точки зрения химика? И почему нередко комнатные растения, посаженные в металлическую банку из-под консервов, лучше растут, чем такие же растения в глиняных горшках?

Задание 2. Известно, что под большинство сельскохозяйственных культур можно вносить только перепревший навоз, лучше прошлогодний. Но при хранении навоз теряет большое количество азота – основного питательного элемента. Для уменьшения потерь азота к навозу добавляют суперфосфат.

За счет каких процессов теряется азот при хранении навоза и почему эти потери можно уменьшить с помощью суперфосфата?

Задание 3. Этилен является природным стимулятором – его накопление в плодах способствует их созреванию, что используют для искусственного ускорения созревания. Чаще применяют не этилен, а продукты, его высвобождающие, например этефон.

Опыт по ускорению созревания плодов под действием этилена вы можете поставить в условиях школьного химического кабинета, например, с помидорами. Опытным путем установлено: для созревания помидоров необходимо, чтобы один объем этилена приходился на 2000 объемов воздуха.

Этилен можно получить из этилового спирта и серной кислоты в специально собранном аппарате. Под действием концентрированной серной кислоты в присутствии катализатора – кварцевого песка – этиловый спирт отщепляет воду с образованием этилена:

С₂Н₅ОН ® С₂Н₄ + Н₂О.

В качестве камеры дозревания можно использовать шкаф или тумбочку, которую надо хорошо загерметизировать. В камеру помещают зеленые томаты; раз в сутки, предварительно ее проветрив, подают этилен. Под действием этилена томаты созревают за 5–6 дней, в контрольном опыте – за 10–12.

Рассчитайте, сколько надо взять этилового спирта, чтобы получить нужное для опыта количество этилена.

Задание 4. В Тимирязевской сельскохозяйственной академии в XIX в. произошел курьезный случай. Два года здесь тщетно пытались вырастить зимой огурцы. Не помогали никакие научно обоснованные приемы. Тогда пригласили одного клинского огородника и предложили ему выращивать в теплицах огурцы «в свою пользу», но при условии, что он разрешит перенять его приемы.

Клинский гость решил проблему с помощью навоза, но в почву его не вносил. С первого же захода в теплице получили отменный урожай огурцов. По этому поводу профессор А.Г.Дояренко писал: «Клинские огородники вековым опытом... выработали приемы управления самыми тонкими жизненными процессами растений...»

Каким именно процессом научились управлять клинские огородники с помощью навоза и в чем заключается их секрет?

Задание 5. У А.К.Толстого в одном из стихотворений есть строка: «...вслед за пахарем прилежным ходят жирные грачи». Действительно, все, кому приходилось наблюдать вспашку почвы, замечают, что за плугом ходят стаи птиц и склевывают червей, которые при вспашке с оборотом пласта оказываются на поверхности. Может ли этот чисто биологический процесс – поедание червей птицами – повлиять на химический состав почвы?

Задание 6. Любителям разводить «огород на подоконнике» рекомендуют экологически чистое и к тому же бесплатное удобрение, которое можно приготовить, если скорлупу сырых яиц поместить в банку с водой. Через несколько дней вода приобретает специфический «тухлый» запах – значит, удобрение готово и можно поливать огород. Банку лучше держать закрытой, чтобы запах не распространялся по квартире.

Какой элемент питания получают растения с этим удобрением и в какой форме? Чем обусловлен «тухлый» запах?

Задание 7. В связи с экономическим кризисом на Украине было закрыто много угольных шахт. Оставшиеся без работы шахтеры занялись огородничеством и, как люди хозяйственные, решили использовать имущество, оставшееся после закрытия шахт, в частности, и взрывчатку с истекшим сроком хранения в качестве удобрения. Эта информация была опубликована в одной из газет г. Донецка. Насколько это обосновано с точки зрения агрохимика?

Задание 8. Если вы решили заново побелить потолки в своем доме мелом или известью, предварительно необходимо потолки «размыть», т. е. после размачивания снять всю старую побелку скребком. Это очень грязная работа, после которой приходится выносить из дома большое количество старой побелки. Обычно ее выбрасывают в мусорные ящики.

Можно ли попытаться использовать ее в саду или огороде?

Задание 9. Все, кто занимается огородничеством, знают, что хороший компост можно получить, если выдерживать компостную кучу не менее полугода. Но многим удается ускорить этот процесс, поливая компостную кучу водой, которую собирают после мытья молочной посуды, и бросая в нее отходы черного (ржаного) хлеба.

За счет каких процессов в этом случае созревание компоста ускоряется?

Задание 10. Сейчас далеко не все дачники могут приобрести навоз, поэтому многие пользуются жидким удобрением, приготовленным из выполотых на огороде сорняков. Бочку заполняют до половины объема сорняками, доливают водой доверху, прикрывают полиэтиленовой пленкой и выдерживают 10–12 дней. Когда процесс брожения закончится, жидкое удобрение можно вносить на грядки.

Как вы думаете, зависит ли эффективность такого удобрения от вида сорных растений, из которых оно приготовлено?

Задание 11. Раньше хозяйки воду, в которой отваривали очищенные овощи для салата, использовали для приготовления первого блюда. Сейчас рекомендуют ее выливать, т. к. при варке в воду переходят нитраты, которые могут содержаться в овощах.

Можно ли все-таки с пользой употребить этот отвар, если вы живете в городской квартире?

Задание 12. Вы обнаружили в хозяйстве полмешка цемента, который хранится очень давно, и хотя цемент не потерял сыпучесть, но уже почти не схватывается.

Можно ли найти ему какое-то применение в сельском хозяйстве?

Задание 13. В книге А.М.Юдина, М.Н.Ратманского «Домоводство. 5000 советов и рецептов в согласии с природой» (М.: Совет ветеранов книгоиздания, 1994) приведен такой рецепт быстрого проращивания семян петрушки, которая, как известно, является «тугорослым» растением: «Семена петрушки могут прорасти в течение нескольких часов, если замочить их в свежем молоке, посыпать землю трижды с интервалом 10–15 мин тонко размолотой негашеной известью, после чего посеять семена и спрыснуть водой».

Как вы можете объяснить сущность этого приема?

Задание 14. Навозная жижа – ценное быстродействующее азотно-калийное удобрение. На крупных животноводческих фермах оборудуют специальные сборники для хранения навозной жижи, поверхность которой нередко покрывают слоем нефти или отработанного машинного масла.

Попробуйте объяснить, с какой целью это делают.

Задание 15. Чтобы семена сельскохозяйственных культур хорошо сохранялись, они должны иметь влажность не более 15%. Высушить семена не всегда просто, т. к. нагревание приводит к потере всхожести. В связи с этим нередко применяют химическую сушку: смешивают семена с безводным сульфатом натрия Na₂SO₄. Эта соль легко образует очень прочный кристаллогидрат состава Na₂SO₄•10H₂O, поэтому при смешивании соли с влажными семенами она отнимает от них воду и связывает ее в кристаллогидрат.

Рассчитайте, сколько нужно сульфата натрия для высушивания 10 кг семян, имеющих влажность 25%, до кондиционной влажности 15%.

Задание 16. Современные теплицы оснащены сложным техническим оборудованием, которое автоматически поддерживает в ней нужную температуру, влажность воздуха и его состав. В большинстве теплиц воздух искусственно обогащен диоксидом углерода СО₂ из баллонов. Все оборудование теплиц работает круглосуточно, но подачу СО₂ ночью прекращают. Почему?

Задание 17. На Востоке бытовала такая легенда. Однажды властелин приказал своему садовнику заставить зеленые груши вызревать за одну ночь. Если же посмеет ослушаться, может лишиться головы. Садовник поставил корзину с грушами в угол своей каморки, зажег ладан и стал горестно молиться. И произошло чудо – к утру груши созрели!

Можно ли объяснить это чудо с точки зрения химии и физиологии растений? Напомним, что ладан – смолистое вещество растительного происхождения.

Задание 18. В 1629 г. голландский ученый Я.Ван Гельмонт поставил интересный опыт. В высушенную землю он посадил побег ивы, предварительно взвесив и землю, и побег. В течение пяти лет побег поливали дождевой водой. Через пять лет побег превратился в дерево, прибавив в весе 164 фунта. Земли убавилось только полтора фунта. Ученый сделал вывод: растение питалось только водой.

Правильный ли вывод сделал ученый? За счет каких химических процессов и веществ могло произойти увеличение массы растения?

Задание 19. Обитающие в почве мелкие млекопитающие – кроты, слепыши, роя норы и гнезда, перемещают огромные количества почвы. Например, кроты в зависимости от их численности перерывают от 3,9 до 55 т на один гектар, а их выбросы в лесах занимают до 37% территории. Вместе с почвой перераспределяются и химические элементы. В перерытом слепышами верхнем слое чернозема возрастает содержание кальция: они перемещают почву из нижнего черноземного карбонатного горизонта, находящегося на глубине около 1 м, к верхнему.

Попробуйте выразить эту «агрохимическую» работу в килограммах на гектар: рассчитайте, сколько кроты перемещают кремния и железа, если содержание этих элементов в тех слоях почвы, где протекает жизнедеятельность кротов, составляет соответственно 33,0 и 3,7%.

Ответы и решения

1. Консервные банки изготавливают из жести (тонкая холоднокатаная сталь), на поверхность которой для предохранения от воздействия пищевой среды и коррозии наносят защитный слой олова. Постепенно растворяясь под действием воды и почвенных кислот, они обеспечивают дополнительную минеральную подкормку, и растение лучше растет. Предварительно банки необходимо обжечь, т. к. их поверхность изнутри покрыта специальным пищевым лаком.

2. В навозе часть азота содержится в виде мочевины (NH₂)₂CO, которая разлагается:

Выделяющийся аммиак связывается суперфосфатом в прочное соединение.

3. Прежде всего необходимо рассчитать объем камеры. Предположим, он равен 1 м³, или 10 000 л. Для получения концентрации этилена 1:2000 в камере такого объема необходимо 5 л этилена (10 000:2000) ежедневно, на 6 дней – 30 л. По уравнению реакции 1 моль С₂Н₅ОН образует 22,4 л этилена:

4. Клинские огородники умели управлять процессом фотосинтеза. В теплицах они ставили бочки с навозом, разбавленным водой. При его брожении выделяется углекислый газ за счет разложения мочевины. Повышение концентрации СО₂ в воздухе теплицы активизирует процесс фотосинтеза, что и приводит к повышению урожая. В современных тепличных хозяйствах СО₂ подают из баллонов.

5. Дождевые черви пронизывают почву сетью ходов, что улучшает аэрацию и ускоряет протекание всех окислительных процессов в почве. Питаясь разлагающимися органическими веществами, черви пропускают через свой кишечник большое количество почвенной массы, выделяя ее в переработанном виде. Эти выделения составляют до нескольких сот тонн на один гектар и являются прекрасной средой для размножения почвенные микроорганизмов, численность которых увеличивается в несколько раз. Это также способствует разложению органических веществ и превращению их в доступные растениям формы. Таким образом, жизнедеятельность червей ускоряет разложение органических веществ почвы и влияет на ее химический состав, повышая плодородие.

Сейчас в сельском хозяйстве получает все большее распространение технология выращивания экологически чистых овощей, основанная на использовании в качестве удобрения биогумуса. Последний получают, специально заселяя массу растительных остатков (компост) калифорнийскими червями. Следовательно, уничтожение червей птицами неблагоприятно для земледельца, т. к. приводит к изменению химического состава почвы, уменьшая ее плодородие.

6. Содержимое яиц, оставшееся в пустой скорлупе, в водной среде при комнатной температуре подвергается реакции гниения, характерной для белков. Гниение называют также аммонификацией, т. к. при этом азот, содержащийся в молекулах белков, превращается в аммиак и ион аммония NH₄⁺, в результате он становится доступным растениям, которые, как известно, могут усваивать азот только в виде неорганических ионов.

Гниение белков протекает под действием гнилостных микроорганизмов и начинается с гидролиза белков до аминокислот, которые затем ассимилируются микроорганизмами, выделяющими разнообразные продукты, в том числе и дурно пахнущие аммиак, сероводород. Полученное таким способом жидкое удобрение содержит главным образом азот.

7. В промышленности в качестве взрывчатых веществ чаще всего применяют аммониты – смесь NH₄NO₃, взрывчатого нитросоединения и различных добавок, например алюминиевая пудра. Нитрат аммония – высококонцентрированное азотное удобрение, так что идея, с точки зрения агрохимика, вполне здравая.

При внесении в почву сухого аммонита хорошо растворимый нитрат аммония быстро проникает в почву, но остается плохо растворимый в воде тринитротолуол. По этой причине лучше использовать не аммонит, а водную вытяжку из него. Правда, удобрение трудно дозировать, для этого надо знать точный состав смеси и рассчитать концентрацию нитрата аммония в растворе.

8. Старая побелка состоит в основном из СаСО₃, который хорошо вносить в кислые почвы, хотя растворяется он довольно медленно.

9. При компостировании органических остатков происходят процессы аммонификации и нитрификации. В результате их азот органических соединений превращается в усвояемую растениями форму. Процессы аммонификации и нитрификации по своей природе микробиологические, т. к. протекают под действием бактерий. Поливая компостную кучу молочными отходами и добавляя остатки хлеба, мы заселяем ее полезными микроорганизмами, которые ускоряют разложение органических остатков.

10. Да, зависит. Чем больше в растении протеинов, тем больше азота в полученном жидком удобрении. Хорошее удобрение получается из крапивы.

11. Этой водой можно полить комнатные цветы, конечно, если овощи отваривали без соли.

 

12. Минералогический состав наиболее распространенного портландцемента (в %):
3СаО•SiO₂ – 45–65, 2СаО•SiO₂ – 10–25, 3СаО•Al₂O₃ – 4–12, 4СаО•Al₂O₃•Fe₂O₃ – 1–15, CaSO₄•2H₂O – до 5.

С водой цемент взаимодействует, образуя, в частности, Са(ОН)₂. Так что долго хранившийся цемент можно внести в кислую почву для ее нейтрализации.

13. При замачивании в молоке семена покрываются тонкой пленкой питательных веществ. Аналогичный прием, который называется дражированием, широко применяют в растениеводстве. Негашеная известь, вносимая в почву небольшими дозами, постепенно будет взаимодействовать с водой с выделением тепла и обеспечит длительный подогрев почвы, что очень важно для быстрого прорастания.

14. В навозной жиже значительное количество азота находится в виде мочевины (NH₂)₂CO, которая под влиянием уробактерий быстро разлагается на NH₃ и СО₂. При хранении навоза аммиак быстро улетучивается, и ценность удобрения снижается. Слой нефти или машинного масла препятствует разложению мочевины.

15. В 10 кг семян при 25%-й влажности содержится 10•0,25 = 2,5 кг воды, при 15%-й – 10•0,15 = 1,5 кг. Надо связать 2,5 – 1,5 = 1 кг воды. М(Na₂SO₄) = 142 г/моль, это количество соли связывает 10 моль воды – 180 г.

16. СО₂ нужен для фотосинтеза и может использоваться только на свету (см. задание 4).

17. При горении смол природного происхождения образуется много различных газообразных веществ, в том числе и некоторое количество этилена, который является растительным гормоном, ускоряющим созревание плодов. В естественных условиях его выделяют созревающие плоды. Этилен и продукты, высвобождающие его, широко применяют для ускорения созревания всех экзотических фруктов, которые снимают и везут в Европу недозрелыми, а затем они «созревают» в специальных камерах под действием этилена (см. задание 3).

18. Я.Ван Гельмонт сделал ошибочный вывод: он не учел процесс фотосинтеза, за счет которого и происходит накопление растительной массы на планете:

6СО₂ + 6Н₂О + Q = C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

19. Если кроты перемещают от 3,9 до 55 т почвы на 1 га, то кремния они при этом перемещают от 3900•33/100=1287 кг до 55 000•33/100=18 150 кг; железа – от 3900•3,7/100=144,3 кг до 55 000•3,7/100=2035 кг.

Конечно, эти цифры – усредненные, а такой большой разброс значений объясняется различной численностью кротов в каждой почвенно-климатической зоне.

Г.В.Пичугина