Экологические аспекты применения
минеральных удобрений

9 класс

Тип урока. Повторение, систематизация и обобщение полученных знаний.

Вид урока. Собрание научно-экологического общества в виде ролевой игры.

Цели урока. О б р а з о в а т е л ь н ы е. Рассмотреть и проанализировать позитивные и негативные стороны применения минеральных удобрений в сельском хозяйстве; показать необходимость внесения минеральных удобрений с целью восстановления плодородия почвы и повышения урожайности; формировать умения оформлять результаты исследования, делать выводы; учить школьников использовать знания в быту.

Р а з в и в а ю щ и е. Развивать умения собирать информацию по данной проблеме, ставить несложные задачи и проводить их опытную проверку, опираясь на знания химии и экологии, а также развивать речь, внимание, воображение, восприятие.

В о с п и т а т е л ь н ы е. Формировать у учащихся научное мировоззрение, нравственные качества личности, взгляды и убеждения.

Методы и методические приемы. Самостоятельная работа учащихся с научно-популярной литературой, подготовка сообщений, выполнение лабораторных опытов и демонстрационного эксперимента, фронтальная беседа с элементами исследования, текущий контроль знаний с помощью теста.

Оборудование и реактивы. Кодоскоп, телевизор, видеомагнитофон (видеофильм о посещении санэпидстанции (СЭС)); образцы минеральных удобрений (азотные, калийные, фосфорные, комплексные); образцы овощей и фруктов (морковь, свекла, картофель, капуста); набор химических реактивов (дифениламин, риванол, физиологический раствор, вода).

ХОД УРОКА

Учитель. Здравствуйте, ребята! Я рада встрече с вами на уроке, который посвящается теме «Экологические аспекты применения минеральных удобрений».

Сегодня мы проведем собрание школьного научно-экологического общества, на котором постараемся ответить на вопрос: каким образом можно перевести сельское хозяйство из разряда загрязненных в разряд экологически чистых? Для проведения нашего собрания мы организовали несколько рабочих групп, представители которых – эксперты – посетили лабораторию центрального городского рынка, СЭС и, используя материалы наблюдений, результаты физико-химического анализа почвы, продуктов питания, составили отчет о проделанной работе.

Учитель представляет рабочие группы:

группа 1 – эксперты-химики;

группа 2 – эксперты-аграрники;

группа 3 – эксперты-врачи;

группа 4 – эксперты-экологи.

Учитель. Итак, начинаем наше заседание.

Эксперт-химик. В естественных условиях осуществляется непрерывный круговорот химических элементов. После того как растение погибает, элементы, взятые им из почвы, вновь возвращаются в нее в результате деятельности микроорганизмов. Но человек, собирая урожай, забирает все химические элементы, использованные растением: N, Р, K, Са, Мn и др. Это длится в течение многих лет и приводит к истощению почвы. Если пользоваться простейшими минеральными удобрениями (селитра, мочевина, суперфосфаты) и умеренно их вносить, то почва обогащается полезными для растений веществами.

Но на сегодняшний день технология производства удобрений такова, что в их составе имеется целый букет тяжелых металлов, включая ртуть. Дозы вносимых удобрений до сих пор составлены без учета потребностей в питательных веществах выращиваемых культур.

Эксперт-аграрник. В середине XIX в. химик Ю.Либих писал: «Продавая урожай со своего поля, крестьянин продает само поле». Он доказывал, что химия может и должна помочь крестьянину вернуть поле. Как показывают примерные расчеты, с урожаем ежегодно уносится с каждого гектара около 22,2 кг азота, 8,7 кг P₂O₅, 2,5 кг K₂О. Урожайность зависит прежде всего от наличия в почве таких питательных элементов, как азот, фосфор и калий. Следовательно, в почву надо вносить эти элементы, чтобы восполнить их убыль. На рисунке показано, какой прирост урожая дает 1 кг питательных веществ, входящих в состав минеральных удобрений. (Представляет рисунок «Влияние на плодородие почвы 1 кг питательных веществ».) Нужно принять во внимание, что из всего количества внесенных минеральных удобрений сельскохозяйственные растения используют лишь 40–50%, остальное вымывается из почвы в водоемы и улетучивается в атмосферу. Химикатов накопилось в земле так много, что потребуется несколько десятилетий, чтобы они разложились. Согласно закону растущей урожайности, совершенствование агротехнических приемов ведет к увеличению урожая, но не беспредельно. Есть одно важное обстоятельство – плодородие почвы бесконечно увеличивать невозможно.

Проводится фронтальная беседа.

Влияние на плодородие почвы 1 кг питательных веществ

Учитель. Подведем итоги предыдущих выступлений. Речь шла о продуктах питания растений – минеральных удобрениях. Какие вещества называются минеральными удобрениями?

Ученик. Вещества, содержащие три питательных элемента – азот, фосфор, калий – и способные в почвенном растворе диссоциировать на ионы, называются минеральными удобрениями.

Учитель. Как классифицируют минеральные удобрения?

Ученик. Минеральные удобрения принято классифицировать по двум признакам:

Комплексные удобрения делят на сложные и смешанные.

Смешанные удобрения – это комплексные удобрения, которые представляют собой смеси нескольких (двух-трех) различных веществ.

Ученики записывают в тетради схему «Классификация минеральных удобрений».

Учитель. У каждого на столе стоят образцы минеральных удобрений. Какие из них относятся к простым, а какие к комплексным? Чтобы ответить на вопрос, обратимся к таблице 1. Определите в этой таблице простые удобрения, дайте им названия и найдите их среди представленных вам образцов.

Ученики находят образцы удобрений.

Учитель. Определите в таблице 1 сложные комплексные удобрения, смешанные комплексные удобрения, дайте им названия и найдите их среди представленных вам образцов.

Ученики находят образцы удобрений.

Таблица 1

Минеральные удобрения

Учитель. А теперь узнаем, почему растениям необходимы питательные элементы N, Р, K и как они их получают.

Эксперт-химик. Азот необходим растениям для строительства белка. Поэтому почву с давних времен удобряют навозом или вносят минеральные удобрения, содержащие азот.

Азотные удобрения – это соли азотной кислоты, соли аммония и мочевина. К ним относятся: натриевая селитра NaNO₃, аммиачная селитра NН₄NO₃, кальциевая селитра Са(NO₃)₂, карбамид СО(NH₂)₂. Формула карбамида не похожа ни на одну другую. Часть слова «карб» взята из латинского названия углерода «карбонеум», а группу NН₂ называют «амид», отсюда название удобрения – карбамид.

Азотные удобрения представляют собой белые или желтоватые кристаллические порошки (кроме жидких удобрений), которые хорошо растворимы в воде, не поглощаются или слабо поглощаются почвой. Большинство из них обладает высокой гигроскопичностью и требует особой упаковки и хранения.

Учитель. Если мы видим, что растения отстают в росте, их листья приобретают грязно-зеленый цвет с фиолетовым оттенком, то мы делаем вывод о нехватке в почве фосфора.

Эксперт-химик. Фосфор является жизненно важным элементом для всех живых организмов, включая человека. Судите сами: твердость скелету придает ортофосфат кальция Сa₃(РО₄)₂, содержится фосфор также в составе мышечной, нервной и мозговой тканей. Источником фосфора для людей и животных является растительная пища. А растения могут расти в том случае, если в почве есть фосфаты. Следовательно, в почву необходимо вносить фосфорные удобрения.

Самое дешевое удобрение – фосфоритная мука, состав которой выражается формулой Са₃(РО₄)₂. Тонко измельченный природный фосфорит нерастворим в воде, поэтому применяется он на кислых, подзолистых, торфяных, серых и лесных почвах, т. е. почвах, которые могут растворить этот фосфат. К растворимым фосфорным удобрениям относятся простой и двойной суперфосфаты, основу которых составляет Са(Н₂РО₄)₂. Состав простого суперфосфата – Са(Н₂PO₄)₂ + 2СаSO₄ (содержит балласт – СаSO₄). В двойном суперфосфате сульфата кальция нет. Растворимые в воде, доступные растениям простой и двойной суперфосфаты подкисляют почву. Поэтому для снижения кислотности почвы ее известкуют.

Удобрение, содержащее гидрофосфат кальция СаНРО₄•2Н₂О, называют преципитатом. Это кристаллогидрат, содержащий в 1 моль удобрения 2 моль воды. Применяют его только на кислых почвах, т.к. он малорастворим в воде.

сырые соли, представляющие собой размолотые природные соли, преимущественно минералы сильвинит NaCl•KСl и каинит KCl•МgSO₄•3H₂О;

древесная и торфяная зола, содержащие поташ K₂СО₃;

концентрированные удобрения, получаемые в результате переработки природных калийных солей: KСl и K₂SO₄.

Хлорид калия – белый мелкокристаллический продукт. его недостаток – слеживаемость, но ее можно предотвратить глубокой сушкой (содержание влаги 0,1–0,2%), а также грануляцией. Сульфат калия совершенно не гигроскопичен и не слеживается.

Учитель. Теперь, когда мы вспомнили основные минеральные удобрения, давайте перейдем к таблице 2, в которой дана характеристика важнейших групп минеральных удобрений с точки зрения их питательной ценности и возможного вредного влияния на живые организмы. Перед каждым из вас лежит эта таблица. Изучив ее, легко прийти к выводу, что самый большой вред экологии и живым организмам наносят именно азотные удобрения. Об этом нам расскажут эксперты – врачи и ученые-химики.

Таблица 2

Биологическая роль важнейших удобрений

Эксперт-врач. Избыток в почве нитратов ухудшает качество выращиваемых овощей, фруктов, зерновых культур и др. При потреблении в повышенных количествах нитраты в пищеварительном тракте частично восстанавливаются до нитритов (более токсичных соединений), последние при поступлении в кровь могут вызвать метгемоглобинемию. Кроме того, из нитритов в присутствии аминов могут образовываться N-нитрозамины, обладающие канцерогенной активностью (способствуют образованию раковых опухолей).

Из всего сказанного можно сделать вывод о последствиях употребления некачественных продуктов:

• развитие онкологических заболеваний;

• появление заболевания, при котором кровь не способна удерживать кислород, – метгемоглобинемии (кислородного голодания);

• нарушение деятельности щитовидной железы и др.

Эксперт-химик. Корневые системы всех без исключения растений хорошо усваивают нитраты. В результате участия ферментов и углеводов происходит восстановление нитратов до аммиака через нитриты:

Образующийся аммиак взаимодействует с органическими кислотами, в результате получаются аминокислоты – строительный материал для белков:

NH₃ + органическая кислота аминокислота.

Cодержание белков в продукции определяет ее пищевую ценность. Значит, земледелец должен добиваться наиболее полного перехода минерального азота, поступившего в растение, в состав органических веществ.

Заметим, что при недостатке азота растение медленно растет, имеет мелкие, бледные, преждевременно желтеющие листья. При избытке азота бурно развивается вегетативная часть растений, а генеративная (наряду с клубнями и корнеплодами) оказывается в угнетенном состоянии. Если в почве избыток нитратов, то они не успевают полностью превратиться в аминокислоты. Нитраты по корню поднимаются и могут осесть в любой части растения. Они превращаются в нитриты и отравляют организм. Кроме того, избыток соединений азота вымывается из верхнего слоя водой и просачивается в грунтовые воды. Далее они попадают в наш дом с обыкновенной питьевой водой.

Эксперт-эколог. Представляю таблицу 3 «Допустимые уровни содержания нитратов в продуктах растительного происхождения» (см. с. 16). Предельно допустимая концентрация (ПДК) понимается как количество вредного вещества в окружающей среде, которое не оказывает отрицательного воздействия на здоровье человека или его потомство при постоянном или временном контакте с ним.

Таблица 3

Допустимые уровни содержания нитратов
в продуктах растительного происхождения

Каковы же основные источники пищевых нитратов? Практически это исключительно растительные продукты. В животных продуктах (мясо, молоко) содержание нитратов весьма незначительно. Максимальное накопление нитратов происходит в период наибольшей активности растений при созревании плодов.

Чаще всего наибольшее содержание нитратов в растениях бывает перед началом уборки урожая. Незрелые овощи (кабачки, баклажаны, огурцы, картофель), а также овощи раннего созревания могут содержать нитратов больше, чем достигшие нормальной уборочной зрелости, когда произошло полное превращение соединений азота в белки. Удобрять растения азотными удобрениями желательно не позднее, чем за 2–3 недели до уборки урожая. Кроме того, полному превращению нитратов в белки препятствуют плохая освещенность, избыточная влажность и несбалансированность питательных элементов (недостаток фосфора и калия).

Учитель. Мы говорили об общей закономерности накопления нитратов. Однако у различных растений есть и свои индивидуальные особенности.

Эксперт-эколог. По способности накапливать нитраты растения можно разделить на пять групп – по содержанию в 1 кг продукции:

• больше 5 г (все виды салатов, петрушка, редис);

• до 5 г (шпинат, редька, кольраби, свекла, зеленый лук);

• до 4 г (белокочанная капуста, морковь, репчатый лук);

• до 3 г (лук-порей, ревень, укроп, тыква);

• менее 1 г (огурцы, арбузы, дыни, помидоры, баклажаны, картофель).

Учитель. Как распределяются нитраты в различных овощах?

Эксперт-эколог. 1) У свеклы нитраты сконцентрированы в верхней части корнеплода – до 65%;

5) маленькие огурцы содержат нитратов меньше, чем большие, в огурце, сорванном утром, нитратов меньше.

Учитель. Проблема нитратов активно обсуждается общественностью нашей страны. Попробуем разобраться в этом вопросе и мы.

Эксперт-химик. Для решения этой проблемы мы побывали в лаборатории центрального городского рынка и СЭС, где проводят опыты по определению нитратов и нитритов в продуктах растениеводства, постоянно исследуют почву, питьевую воду, воду открытых водоемов на наличие в них вредных для организма примесей (нитраты, нитриты, фосфаты и др.). Эти исследования проводятся в течение нескольких лет, для чего разработаны специальные компьютерные программы.

Пробы почвы и воды берутся в специальных точках нашего города и района, а также в Озерском и Гвардейском районах. Исследования на нитраты проводятся также с каждой новой партией овощей и фруктов на пограничном переходе. Наша лаборатория осуществляет как плановый контроль, так и по ситуациям. В проведенных СЭС анализах проб показатели не превышают допустимые нормы, а некоторые из них даже ниже.

Учитель. Теперь, когда нам все известно о пищевых нитратах, в доказательство сказанного проведем опыты по определению содержания нитратов в картофельном, морковном соках и воде. Результаты опытов заносим в таблицу 4.

Таблица 4

Обнаружение нитратов в растениях и воде

Ионы	Окрашивание	Концентрация, мг/л	Вывод
в питьевой воде	Бледно-голубое	> 0,001	/
	Голубое	> 1	/
	Синее	> 100	/
в воде открытых водоемов	Бледно-голубое	> 0,001	/
	Голубое	> 1	/
	Синее	> 100	/
в морковном соке	Бледно-голубое	Низкая	/
	Синее	Средняя	/
	Темно-синее	Высокая	/
в картофельном соке	Бледно-голубое	Низкая	/
	Синее	Средняя	/
	Темно-синее	Высокая	/

Условимся сразу, что в качественном анализе большое значение имеет определенная последовательность добавления реактивов – так называемый систематический ход анализа. Поэтому выполнение работы проводим по методике, которая лежит перед вами. Согласно этой методике по интенсивности окрашивания раствора визуально определяем концентрацию ионов, содержащихся в данном растворе. Для полноты осаждения ионов используем определенные количества растворов.

Требования по технике безопасности при выполнении работы: соблюдать правила пользования химической посудой и лабораторным оборудованием; соблюдать правила работы с веществами. Приступаем к работе.

Лабораторные опыты
«Определение нитратов в растениях и воде»

Р е а г е н т: дифениламин (С₆Н₅)₂NН.

Опыт 1 «Обнаружение ионов в питьевой воде»

Выполнение анализа

К 1 мл пробы воды по каплям добавляют реагент. Бледно-голубое окрашивание – при концентрации нитрат-ионов более 0,001 мг/л, голубое – более 1 мг/л, синее – более 100 мг/л.

Опыт 2 «Обнаружение ионов в воде открытых водоемов»

Выполнение анализа

К 1 мл пробы воды по каплям добавляют реагент. Бледно-голубое окрашивание – при концентрации нитрат-ионов более 0,001 мг/л, голубое – более 1 мг/л, синее – более 100 мг/л.

Опыт 3 «Обнаружение ионов в морковном соке»

Выполнение анализа

К 1 мл пробы сока по каплям добавляют реагент. Бледно-голубое окрашивание – низкое содержание ионов, синее – среднее содержание, темно-синее или темно-фиолетовое – высокое содержание.

Опыт 4 «Обнаружение ионов в картофельном соке

Выполнение анализа

К 1 мл пробы сока по каплям добавляют реагент. Бледно-голубое окрашивание – низкое содержание ионов, синее – среднее содержание, темно-синее или темно-фиолетовое – высокое содержание.

Учащиеся выполняют опыты и результаты записывают в табл. 4.

Учитель. Теперь сделаем выводы по химическому эксперименту: проведя ряд лабораторных опытов по обнаружению нитрат-ионов в овощах (соках овощей), купленных в магазине, и воде, мы убедились, что в питьевой воде и морковном соке не содержатся нитраты, а в воде из открытого водоема и картофельном соке обнаружено большое количество нитратов.

Что же делать, если в продуктах присутствует избыток нитратов?

Эксперт-врач. Взрослый человек нормально переносит 150–200 мг нитратов в день, а 500 мг – предельно допустимая для него доза. Для грудного ребенка токсичны уже 10 мг.

Практические советы

1. Тщательное промывание овощей и фруктов уменьшает содержание нитратов на 10%, а механическая очистка – на 15–20%.

2. Зелень (петрушку, укроп, салат и др.) необходимо поставить, как букет, в воду на прямой солнечный свет. В таких условиях нитраты в листьях в течение 2–3 ч полностью перерабатываются и потом практически не обнаруживаются. После этого зелень можно без опасения употреблять в пищу.

3. Свеклу, кабачки, капусту, тыкву и другие овощи перед приготовлением необходимо нарезать мелкими кубиками и 2–3 раза залить теплой водой, выдерживая по 5–10 мин. (Нитраты хорошо растворимы в воде (особенно теплой) и вымываются из овощей.)

4. Варка овощей снижает содержание нитратов на 50–80%.

5. Квашение, соление, консервирование и маринование способствуют снижению нитратов на 60–70%.

6. Нейтрализовать поступившие в организм нитраты могут ягоды черной и красной смородины, зеленый чай, а также аскорбиновая кислота (по 0,3–0,4 г в сутки).

Рекомендации по предотвращению отравления нитратами (запись в тетрадь):

1) варка овощей;

2) очистка от кожуры;

3) удаление участков наибольшего скопления нитратов;

4) вымачивание.

Учитель. Для того чтобы вы могли самостоятельно определить наличие в продуктах нитратов, предлагаю вам провести дома опыт «Нитраты в продуктах». Для этого нужен риванол, физиологический раствор (0,9%-й раствор поваренной соли) и разбавленная соляная кислота.

Опыт «Нитраты в продуктах». 2 мл разведенного продуктового сока, взятого из средней части плода, смешать с 1 мл солянокислого раствора риванола и добавить цинковый порошок. Если в растворе содержится больше 20 мг/л нитратов, то появится бледно-розовая окраска.

Учитель. В ходе урока мы с вами познакомились с экологическими аспектами применения минеральных удобрений, отражающими позитивные и негативные стороны их применения, решили ряд экспериментальных задач по определению нитратов в воде и продуктах питания.

Задача. Определить массовую долю (в %) элемента азота в натриевой и аммиачной селитрах.

Решение

Формула натриевой селитры – NaNO₃. Массовая доля азота в натриевой селитре:

(N) = A_r(N)/M_r(NaNO₃)•100%,

(N) =14/85•100% = 16,5%.

Формула аммиачной селитры – NH₄NO₃. Массовая доля азота в аммиачной селитре:

(N) = 2A_r(N)/M_r(NH₄NO₃)•100%,

(N) = 2•14/80•100% = 35%.

Учитель. Как перевести сельское хозяйство из разряда загрязненных в разряд экологически чистых? Как вырастить экологически чистую продукцию и избежать отравления нитратами? Чтобы достичь этих целей, необходимо иметь в виду следующее.

1. Растениевод должен грамотно вносить азотные удобрения:

Известкование кислых почв способствует снижению в них нитратов в течение четырех последующих лет.

2. Выращивать овощи, особенно зеленые культуры, надо при хорошей освещенности, оптимальных показателях влажности почвы и температуры.

3. Минеральные удобрения лучше вносить вместе с органическими в оптимальных соотношениях, не забывая и о микроэлементах.

4. Отрицательные воздействия на природу обусловлены не самими удобрениями, а неумелым их применением.

Контроль знаний с помощью теста
«Минеральные удобрения»

В а р и а н т  1

1. Закончите фразу: «Химические элементы, необходимые растениям в больших количествах, называют…»

2. Закончите фразу: «Вещества, содержащие три важнейших питательных элемента – N, Р, K – и способные в почвенном растворе диссоциировать на ионы, – это …»

3. Закончите фразу: «Минеральные удобрения, содержащие один питательный элемент, называют ...»

4. Напишите химический состав удобрений: мочевины, простого суперфосфата, кальциевой селитры.

В а р и а н т  2

1. Закончите фразу: «Химические элементы, необходимые растениям в малых количествах, называют…»

2. Из минеральных веществ, находящихся в почве, растению необходимы:

а) азот;

б) калий;

в) фосфор;

г) любые.

3. Закончите фразу: «Минеральные удобрения, содержащие два и более питательных элементов, называют …»

4. Напишите химический состав удобрений: аммиачной селитры, двойного суперфосфата, сульфата аммония.

В заключение урока учитель высказывает свое отношение к проделанной учащимися работе, оценивает их выступления и ответы.

Л и т е р а т у р а

Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. М.: Просвещение, 1975; Кузнецова Л.И., Титова Н.Н., Гара Н.Н. Химия. Учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений.
М.: Вентана-Граф, 1997; Кузнецова Л.И. Новая технология обучения химии в 8-м классе. Обнинск: Титул, 1999; Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А. Химия для поступающих в вузы. М: Дрофа, 1999; Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. 2400 задач для школьников и поступающих в вузы. М.: Дрофа, 1999; Кузьменок Н.М. Стрельцов Е.А., Кумачев А.И. Экология на уроках химии. Минск: Красико-принт, 1996; Назаренко В.М. Теоретические основы экологизации школьного химического образования. М.: Высшая школа, 1996; Назаренко В.М. Изучение круговорота веществ в школьном курсе химии. Химия в школе, 1994, № 6, с. 62–72; Чибисова Н.В., Долгань Е.К. Экологическая химия. Калининград: Изд-во КГУ, 1998; Долгань Е.К. Региональный компонент в химико-экологическом образовании. Калининград: КОИПКиПРО, 2004.

В.В.БОБРИНЕВА,
учитель химии средней школы № 3
(г. Черняховск, Калининградская обл.)