2.12.2: Навколишнє середовище - добрива, формули та екологічна стехіометрія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22888

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Добрива, формули та екологічна стехіометрія

Склад добрива

Коли ви купуєте добрива, ви знайдете їх з маркуванням відповідно до аналізу «NPK» (азот/фосфор/калій). Наприклад, одне добриво може мати маркування «18-51-20».

Розшифровка цього ярлика вимагає розуміння хімічних формул.

Значення азоту (18) - це фактичний відсоток азоту в добриві, але значення фосфору та калію - ні.

Трактор внесення добрив на кукурудзяне поле.

Внесення добрив на кукурудзяне поле

Вміст фосфору

Вміст фосфору фактично виражається так, ніби сполука фосфору склала P ₂ O ₅. Так що «51» в етикетці означає 51% P ₂ O ₅.

Але який відсоток цього насправді є самим фосфором?

Ми можемо визначити це за формулою.

ПРИКЛАД 1 Визначте відсоток фосфору і відсоток кисню в P ₂ O ₅.

Розчин. Формула вказує відносні кількості (в моль) фосфору і кисню, тому 1 моль з'єднання містить 2 моль Р і 5 моль О.

Відсоток фосфору становить

\(\text{ }\!\!%\!\!\text{ P = }\frac{m_{\text{P}}}{m_{\text{compound}}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\)

1 моль Р ₂ О ₅ має масу (2 моль Р* 31 г/моль Р + 5 моль О * (16,0 г/моль О) = 142 г, і містить 2 моль Р, вагою 2 моль Р* 31,0 г/моль = 62,0 г, тому...

\(\text{ }\!\!%\!\!\text{ P = }\frac{m_{\text{P}}}{m_{\text{P}_{\text{2}}\text{O}_{\text{5}}}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\text{ = }\frac{\text{62}\text{.0 g}}{\text{142}\text{.0 g}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\text{ = 43}\text{.7 }\!\!%\!\!\text{ }\)

Аналогічно,

% O = 100% х (5 моль O * 16 г/моль)/(2 моль Р* 31 г/моль Р+5 моль O * (16,0 г/моль O)

% О = 56,3%

Якщо добриво містить 51% P ₂ O ₅, то воно містить лише 43,7% такого, як чистий фосфор, або 0,437* 51 = 22,3% Р.

Як аналітична лабораторія визначає, яка сполука фосфору присутня? Спочатку з'єднання необхідно відокремити від інших і очистити, можливо, шляхом розчинення його в розчиннику, який не розчиняє інші, потім випаровуючи розчинник до тих пір, поки з'єднання не «перекристалізується». Потім використовуються методики кількісного аналізу для визначення процентного співвідношення за масою кожного елемента в з'єднанні. Такі дані зазвичай повідомляються як процентний склад.

ПРИКЛАД 2. Коли 10,0 г фосфору згорає в кисні, утворюється 22,9 г чистого з'єднання. Обчисліть відсотковий склад за цими експериментальними даними.

Розчин. Відсоток фосфору - це маса фосфору, поділена на загальну масу з'єднання на 100 відсотків:

\(\text{ }\!\!%\!\!\text{ P = }\frac{m_{\text{P}}}{m_{\text{compound}}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\text{ = }\frac{\text{10}\text{.0 g}}{\text{22}\text{.9 g}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\text{ = 43}\text{.7 }\!\!%\!\!\text{ }\)Залишок сполуки (22,9 г — 10 г = 12,9 г) - кисень: В\(\text{ }\!\!%\!\!\text{ O = }\frac{m_{\text{O}}}{m_{\text{compound}}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\text{ = }\frac{\text{12}\text{.9 g}}{\text{22}\text{.9 g}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\text{ = 56}\text{.3 }\!\!%\!\!\text{ }\) якості перевірки перевірте, чи відсотки додають до 100:56,3% + 43,7% = 100%

Вміст калію

Вміст калію (К) в добриві фактично виражається так, ніби з'єднання калію становило K ₂ O. Отже, «20» на етикетці (вище) означає 20% K ₂ O, що становить 17% кисню і 83% елементарного калію:

% К = 100% х м _{(К, г)}/м _{(Всього, г)} = (2 моль К* 39,1 г/моль)/(2 моль К* 39,1 г/моль + 1 моль O * 16,0 г/моль)

Так істинний відсоток калію в добриві становить 0,83 х% К2О = 0,83 х 20% = 16,6% К

Отже, 18−51−20 добриво фактично містить (за масою) 18% елементарного (N), 22% елементарного (P) та 16% елементарного (K).

Екологічна стехіометрія та гіпотеза темпів зростання

Екологічна стехіометрія - це підхід до екології, який вивчає, як хімічні елементи в популяції рослин або тварин відповідають елементам харчування для населення. Більшість рослин і тварин (в тому числі і у нас) виявляють високий ступінь хімічного гормезису, тобто мають характерний хімічний склад незалежно від їх середовища, або харчування. Їм потрібна їжа, яка постачає елементи в належному співвідношенні.

Якщо ми хочемо, щоб рослини добре росли, нам потрібно постачати елементи в належному співвідношенні.

Однією з тверджень практиків екологічної стехіометрії є те, що швидке зростання вимагає високих концентрацій РНК, що, в свою чергу, вимагає багато фосфору. Це «Гіпотеза темпів зростання» ^[1] ^[2].

Співвідношення поживних речовин

Співвідношення азоту до фосфору в РНК аналогічно співвідношенню в АТФ, який є однією з його складових (поряд з UTP, CTP і GTP). Припустимо, що це співвідношення N:P встановлює вимоги до заводу. Потім ми можемо обчислити оптимальне співвідношення харчових продуктів N: P, розрахувавши співвідношення N:P в АТФ, структура якого:

Структура АТФ показує три фосфатні групи, з'єднані прямим ланцюгом, зв'язаними з аденозиновою групою.

Аденозинтрифосфат (АТФ, С ₁₀ Н ₁₆ Н ₅ О ₁₃ Р ₃)

З формули С ₁₀ Н ₁₆ Н ₅ О ₁₃ Р ₃ бачимо, що% N = 100* (5*14,0/507,2) = 13,8%

%Р = 100* (3*31/507,2) = 18,3% Р

Отже, оптимальне співвідношення N/P - 13,8/18,3 = 0. 753:1

Чи є добриво 18−51−20 оптимальним для синтезу АТФ на рослині? Співвідношення N:P становить 18/51 = 0,35, набагато менше, ніж потрібно. Саме це добриво призначене для грунтів, які виснажені фосфором.

Екологічна стехіометрія фокусується на хімічних вимогах кожного трофічного рівня, крім енергетичних потреб. Прихильники кажуть, що «Екологічна стехіометрія визнає, що самі організми є наслідками хімічних реакцій, і, таким чином, їх ріст і розмноження можуть бути обмежені запасами ключових хімічних елементів [особливо вуглецю (C), азоту (N) і фосфору (P)]». ^[3]. Організми на кожному трофічному рівні екосистеми повинні розвиватися, щоб використовувати поживні співвідношення, що забезпечуються нижчими трофічними рівнями.

Формули з процентного складу

Щоб отримати формулу з даних процентного складу для оксиду фосфору, ми повинні знайти, скільки атомів фосфору на атом кисню. У макроскопічному масштабі це відповідає співвідношенню кількості фосфору до кількості кисню. Якщо формула P ₂ O ₅, це не тільки вказує на те, що на кожні два атоми фосфору припадає п'ять атомів кисню, вона також говорить про те, що на кожні 2 моль атомів фосфору припадає 5 моль атомів кисню. Тобто кількість кисню в 2,5 рази перевищує кількість фосфору. Цифри в співвідношенні кількості фосфору до кількості кисню (2:5) є індексами фосфору і кисню в формулі.

ПРИКЛАД 3_{. Фосфор утворює кілька оксидів, включаючи пентоксид фосфору, P ₂ O ₅, триоксид фосфору, P ₂ O ₃, P _{4 O ₇, P 4} O ₈, P ₄ O ₉, PO і P ₂ O} ₆. Визначте формулу з'єднання, відсоток фосфору якого становить 49,2%.

Розчин. Для зручності припустимо, що у нас 100 г з'єднання. З них 49,2 г (49,2%) становить фосфор і 50,8 г - кисень (100% - 49,2%). Кожна маса може бути перетворена в певну кількість речовини

\ (\ begin {вирівнювання} & n_ {\ текст {P}} =\ текст {49}\ текст {.2 г}\ раз\ фрагмент {\ текст {1 моль P}} {\ текст {.0 g}} =\ текст {1}\ текст {.59 моль P}\\ & n_ {\ текст {O}} =\ текст {50}\ текст {.8 g}\ times\ frac {\ текст {1 моль O}} {\ текст {16}\ текст {.0 g}} =\ текст {3}\ текст {.18 моль O}\ \ end {вирівнювання}\) Розділення більшої кількості на менший, ми маємо\(\frac{n_{\text{O}}}{n_{\text{P}}}=\frac{\text{3}\text{.18 mol O}}{\text{1}\text{.59 mol P}}=\frac{\text{2}\text{.00 mol O}}{\text{1 mol P}}\) Співвідношення 2,0 моль O до 1 моль P також означає, що на 1 атомі P припадає 2,00 атомів O. Тому запишемо формулу як PO ₂.

Це «Емпірична формула», і вона дає найменше співвідношення атомів. «Молекулярна формула» може бути вдвічі більшою, P ₂ O ₄ або деякою іншою кратною емпіричній формулі. При цьому відомий оксид зі співвідношенням 1:2 - РО ₄ О ₈.

Зрідка співвідношення сум становить не ціле число.

ПРИКЛАД 5 Аспірин містить 60,0% С, 4,48% Н та 35,5% О. Яка його емпірична формула?

Рішення

\ (\ begin {вирівнювання} & n_ {\ текст {H}} =\ текст {14}\ текст {.4 г}\ раз\ фрагмент {\ текст {1 моль H}} {\ текст {.008 г}} =\ текст {14}\ текст {.3 моль H}\\ & n_ {\ текст {C}} =\ текст {85}\ текст {.3 моль H}\\ & n_ {\ текст {C}} =\ текст {85}\ текст {.3 моль H}\ 6 г}\ раз\ розриву {\ текст {1 моль C}} {\ текст {12}\ текст {.01 г}} =\ текст {.7}\ текст {.13 моль C}\\ & n_ {\ text {O}} =\ текст {35}\ текст {.5 г}\ раз\ frac {\ text {1 моль O}} {\ текст {16}\ текст {.00 г}} =\ текст {2}\ текст {.22 моль O} \\ кінець {вирівнювання}\) Розділити всі три на найменшу кількість речовини\ (\ почати {вирівняти} &\ frac {n_ {\ текст {C}}} {n_ {\ текст {O}} = розрив {\ текст {5}\ текст {.00 моль C}} {\ текст {2}\ текст {.22 моль O}} =\ frac {\ текст {2}\ текст {.25 моль H}} {\ текст {1 моль O}}\\ &\ frac {n_ {\ текст {H}} {n_ {\ текст {O}}} =\ frac {\ текст {4}\ текст {.44 моль H}} {\ текст {.22 моль O}} =\ frac {\ текст {2}\ текст {.00 моль H}} {\ текст {1 моль O}} {\ текст {1 моль O}}\ \ end {align}\) Очевидно, що атомів Н в два рази більше, ніж атомів O, але відношення C до O не настільки очевидне. Ми повинні перетворити 2,25 до співвідношення малих цілих чисел. Це можна зробити, змінивши цифри після коми на дріб. В цьому випадку 0,25 стає ¼. Таким чином, 2.25 = 2¼ =\(\tfrac{\text{9}}{\text{4}}\), і\(\frac{n_{\text{C}}}{n_{\text{O}}}=\frac{\text{2}\text{.25 mol C}}{\text{1 mol O}}=\frac{\text{9 mol C}}{\text{4 mol O}}\) Ми також можемо записати\(\frac{n_{\text{H}}}{n_{\text{O}}}=\frac{\text{2 mol H}}{\text{1 mol O}}=\frac{\text{8 mol H}}{\text{4 mol O}}\) Таким чином емпірична формула C ₉ H ₈ O ₄.

Після того, як хтось визначив формулу - емпіричну або молекулярну - хтось може зробити зворотний розрахунок. Знаходження вагового відсоткового складу з формули часто виявляється досить інформативним, як показує наступний приклад.

ПРИКЛАД 6 Для поповнення азоту, видаленого з грунту при збирання рослин, в якості добрив використовують сполуки NaNo ₃ (нітрат натрію), NH ₄ NO ₃ (аміачна селітра) і NH ₃ (аміак). Якби фермер міг придбати кожен з однаковою вартістю за грам, що було б найкращою угодою? Іншими словами, яке з'єднання містить найбільший відсоток азоту?

Рішення Ми покажемо детальний розрахунок тільки для випадку NH ₄ NO ₃.

1 моль NH ₄ NO ₃ містить 2 моль N, 4 моль Н та 3 моль О. молярна маса, таким чином, M = (2 × 14.01+ 4 × 1,008 + 3 × 16.00) г моль ^—1 = 80.05 г моль ^—1 зразок моль важить 80.05 г Маса 2 моль N, яку він містить,\(m_{\text{N}}\text{ = 2 mol N }\times \text{ }\frac{\text{14}\text{.01 g}}{\text{1 mol N}}\text{ = 28}\text{.02 g}\) тому Відсоток N -\(\text{ }\!\!%\!\!\text{ N = }\frac{m_{\text{N}}}{m_{\text{NH}_{\text{4}}\text{NO}_{\text{3}}}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\text{ = }\frac{\text{28}\text{.02 g}}{\text{80}\text{.05 g}}\text{ }\times \text{ 100 }\!\!%\!\!\text{ = 35}\text{.00 }\!\!%\!\!\text{ }\) Відсотки H і O легко обчислюються як\ (\ begin {вирівнювання} & m_ {\ text {H}}\ текст {= 4 моль H}\ раз\ текст {=}\ frac {\ text {1}\ text {.008 g}} {\ text {1 моль H}}\ текст {= 4}\ текст {.032 g}\ text {\ text {}\! \! %\! \! \ текст {H =}\ розрив {\ текст {4}\ текст {.032 г}} {\ текст {80}\ текст {.05 г}}\ текст {}\ час\ текст {100}\! \! %\! \! \ текст {= 5}\ текст {.04}\! \! %\! \! \ текст {}\\ & m_ {\ текст {O}}\ текст {= 3 моль О}\ час\ текст {=}\ frac {\ текст {16}\ текст {.00 г}} {\ text {1 моль O}}\ текст {= 48}\ текст {.00 г}\\ &\ текст {}\! \! %\! \! \ текст {O =}\ frac {\ текст {48}\ текст {.00 г}} {\ текст {80}\ текст {.05 g}}\ текст {}\ час\ текст {100}\! \! %\! \! \ текст {= 59}\ текст {.96}\! \! %\! \! \ text {} \\ end {align}\) Хоча не потрібно суворо відповідати на проблему, останні два відсотки забезпечують перевірку результатів. Загальний 35,00 + 5,04% + 59,96% = 100,00%, як слід. Аналогічні розрахунки для _{NaNo ₃ і NH 3} дають 16,48% і 82,24% азоту відповідно. Фермер, який знає хімію, вибирає аміак!

Посилання

Екологічна стехіометрія: Біологія елементів від молекул до біосфери; Роберт Стернер і Джеймс Дж. Елсер; Princeton University Press, Прінстон, Нью-Джерсі, 2002.
uk.wikipedia.org/Wiki/Екологічна стехіометрія
Плос біології [www.plosbiology.org]