Düngemittel Philipps-Universität Marburg Fachbereich 15: Chemie

Präsentation zum Thema: "Düngemittel Philipps-Universität Marburg Fachbereich 15: Chemie"—  Präsentation transkript:

1 Düngemittel Philipps-Universität Marburg Fachbereich 15: Chemie
Wintersemester 2013/14 Experimentalvortrag Dozenten: Prof. Dr. Neumüller & Dr. Reiß Referentin: Katharina Willomitzer

2 Gliederung Definition: Düngemittel Geschichtlicher Hintergrund
Nährstoffbedarf und -aufnahme von Pflanzen V1 Überblick über Düngemittel und Hauptbestandteile V2, V3, V4 Problematik von Düngemitteln D1, D2, V5 Schulrelevanz Quellenverzeichnis

3 Vorbereitung von Versuch 1
Nährstofflösung: 200 mg KCl 200 mg NH4NO3 200 mg MgSO4 300 mL dem. Wasser Bromthymolblau 2 g Agar Agar pH-Wert  7 1 2 [1]

4 Definition: Düngemittel
natürliche oder künstlich hergestellte Substanzen oder Stoffgemische Einsatz in Landwirtschaft und Gartenbau stellen Pflanzen Nährstoffe zur Verfügung Ziele für ihren Einsatz: schnelleres Wachstum höhere Erträge (Nutzpflanzen) verbesserte Pflanzenqualität

5 Geschichtlicher Hintergrund
Düngung bereits in Bronzezeit mit tierischen und menschlichen Fäkalien „Gründüngung“ mit Pflanzenabfällen bei den Römern Mittelalter/frühe Neuzeit: Missernten und Hungersnöte Entstehung der „Agrikulturchemie“ Mitte des 19. Jhd: JUSTUS VON LIEBIG erschließt die Nährstoffe der Pflanze Experiment: Pflanzen in Porzellantiegel glühen, bis nur noch Asche übrig ist Ergebnis einer Untersuchung der Rückstände: Salze der Elemente: N, P, K, Na, Ca, Mg, Fe, Cu

6 Geschichtlicher Hintergrund
1855: „Gesetz des Minimums“ 1861: ADOLPH FRANK stellt Kalisalz für die Landwirtschaft her großer Durchbruch in Düngemittelindustrie durch HABER und BOSCH 1909: FRITZ HABER entwickelt zusammen mit CARL BOSCH die großtechnische Herstellung von Ammoniak (HABER-BOSCH-Verfahren) Seit 1913 kann Ammoniak und damit künstlicher Dünger produziert werden Beseitigung der Nahrungsmittelknappheit und somit der Hungersnöte in der westliche Welt!!! [2]

7 Nährstoffbedarf von Pflanzen
16 Nährelemente werden von Pflanzen benötigt Makronährstoffe: Mikronährstoffe: (Spurenelemente) H, C, O → Aufnahme über Blatt oder Wurzel als O2, H2O und CO2 übrige Nährstoffe → Aufnahme als Anionen/Kationen der zugehörigen Nährsalze mit Bodenlösung über Wurzel ebenfalls nützliche Elemente: Na, Si, Co werden nicht unbedingt von Pflanze benötigt fördern trotzdem Pflanzenwachstum wichtig für tierische bzw. menschliche Ernährung H C N O P S Mg K Ca B Cl Cu Fe Mn Mo Zn

8 Versuch 1: Protonenabgabe von Wurzeln
Nährstofflösung: 200 mg KCl 200 mg NH4NO3 200 mg MgSO4 300 mL dem. Wasser Bromthymolblau 2 g Agar Agar pH-Wert  7 1 2 [1]

9 Versuch 1: Protonenabgabe von Wurzeln

10 Versuch 1: Protonenabgabe von Wurzeln

11 Überblick über Düngemitteln
Handelsdünger Organische Düngemittel (z.B. Guano, Torf, Harnstoff) Anorganische Düngemittel (Mineraldünger) Einnährstoffdünger Stickstoffdünger Phosphatdünger Kaliumdünger Mehrstoffdünger Zweinährstoffdünger NP NK PK Mehrnährstoffdünger NPK + Mg + Spuren- elemente wirtschaftseigener Dünger (z.B. tierischer Dung, Kompost, Trockenschlamm)

12 Stickstoff (N) Stickstoffbedarf im Vergleich zu übrigen Nährstoffen besonders groß keine Verwertung von Luftstickstoff möglich Pflanze braucht Stickstoff in Form von NO3-- und NH4+-Verbindungen Beispiele: - Ammonsalpeter (NH4NO3; explosive Zersetzung) - Kalkammonsalpeter (NH4NO3/CaCO3) Herstellung: 1. Darstellung von NH3 (HABER-BOSCH-Verfahren) 2. Ammonium: NH3 in Wasser → NH4OH; Umsetzung mit Säuren Nitrate: Oxidation von NH3 → NO2 in Wasser → HNO3 mit Lauge umsetzen Wirkung: Bildung von Aminosäuren und Eiweiß, Bauelement von vielen Enzymen, „Motor des Wachstums“ Mangelerscheinung: verringertes Wachstum, gelbe Verfärbung der Blätter

13 Versuch 2: Nachweis von Nitrat mit Lunges Reagenz
Chemikalien: Düngemittel-Lösung 1 Spatelspitze Zinkpulver 1 mL Essigsäure (w = 1,0) 1 mL Lunges I 1 mL Lunges II 2 1 3 4 5

14 Versuch 2: Nachweis von Nitrat mit Lunges Reagenz

15 Versuch 2: Nachweis von Nitrat mit Lunges Reagenz
Herstellung des Nitrosyl-Kations mit konz. Essigsäure: Diazotierung mit Lunges I (Sulfanilsäure): Azokupplung mit Lunges II (-Naphthylamin): -Naphthylamin (farblos)

16 Phosphor (P) natürlich vorkommende Phosphate sind unlöslich → für Düngung ungeeignet P wird von Pflanze als Orthophosphat-Ionen (H2PO4-, HPO42-) aufgenommen schwerlösliche tertiäre Phosphate → leichter lösliche sekundäre/primäre Phosphate Beispiele: - Superphosphat {Ca(H2PO4)2/CaSO4  2 H2O} - Ammonphosphat {(NH4)2HPO4} Umsetzung von tertiären Phosphaten : 1. sehr feines Vermahlen: feingemahlene „Thomasschlacke“ 2. Zugabe von Säuren: Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4  Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4 3. Glühen: Rhenaniaphosphat bei 1100 – 1200 °C Wirkung: Energiehaushalt der Pflanze → ATP-Bildung, Zellbaustein, fördert Wurzelwachstum, Blüten- und Samenbildung Mangelerscheinung: violette Verfärbung von Blättern

17 Versuch 3: Nachweis von Phosphat mit Ammoniumheptamolybdat
Durchführung: Düngemittel-Lösung 2 mL konz. Salpetersäure (w= 0,65) 5 mL Ammoniumheptamolybdat-Lösung 1 2 3

18 Versuch 3: Nachweis von Phosphat mit Ammoniumheptamolybdat
Phosphatnachweis:  Ammoniummolybdatophosphat (gelb)

19 Kalium (K) liegt nur in geringen Mengen im Boden vor
muss als wasserlösliches Kalisalz aufgebracht werden Beispiele: - Kalidüngesalz (KCl 40%) - Kornkali (KCl 37% + MgO 5%) Gewinnung: → aus Meeresablagerungen (Kalilagerstätten) 1. Kalirohsalze werden fein gemahlen 2. Abtrennung von Rohsalzen mittels Flotationsverfahren Wirkung: reguliert Wasserhaushalt der Pflanze, Festigung der Zellwände Mangelerscheinung: welke, vertrocknete Blattspitzen

20 Versuch 4: Nachweis von Kalium mittels Flammenfärbung
Durchführung: Sprühflasche mit Düngemittel-Lösung Lösung wird in Flamme gesprüht

21 Versuch 4: Nachweis von Kalium mittels Flammenfärbung
  angeregter Zustand Grundzustand Abstrahlung von Licht

22 Versuch 4: Nachweis von Kalium mittels Flammenfärbung
Spektrallinien des Kaliums: 768,2 nm (rot) 404,4 nm (violett) das Cobaltglas absorbiert gelbes Licht die violette Flamme des Kaliums wird deutlich sichtbar [3]

23 Zusammenfassung: Vorteile der Düngung
höhere Erträge Steigerung der Pflanzenresistenz schnelleres Wachstum keine Nahrungsmittelknappheit keine Hungersnöte in der westlichen Welt Nahrungsmittel sind bezahlbar

24 Demo 1: Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden

25 Demo 1: Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden
Apparatur:

26 Demo 1: Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden
Nachweis von Nitrat-Ionen mittels Ringprobe: Düngerlösung: Filtrat:

27 Demo 1: Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden
Nachweis von Ammonium-Ionen: Düngerlösung: Filtrat: 

28 Demo 1: Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden
Gartenerde besteht aus Bodenkolloiden Huminstoffe und Tonminerale: Huminstoffe: Stoffe mit uneinheitlicher (amorpher), makromolekularer Struktur Bildung aus zusammen gelagerten Bruchstücken → „Löcher“ durch sterische Hinderung

29 Demo 1: Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden
Tonminerale: Aufbau aus zwei charakteristischen Bauelementen Tetraederschicht: eckenverknüpfte SiO4-Tetraeder (Si4+ ↔ Al3+) Oktaederschicht: kantenverknüpfte AlO6-Oktaeder (Al3+ ↔ Fe2+, Mg2+) Bildung einer negativen Schichtladung  Einlagerung von Kationen [4]

30 Demo 1: Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden
Tonminerale und Huminstoffe fungieren als Kationenaustauscher gute Bodenstruktur von pH 7 besitzt hohe Calcium-Sättigung Anionenaustausch: nur in geringem Maße aufgrund der größtenteils negativen Bodenteilchen NO3‾-Ionen werden nur gering vom Boden aufgenommen und somit ausgewaschen Folgen: Nitratbelastung des Grundwassers, Eutrophierung

31 Folgen der Nährstoffauswaschung
Nitratbelastung des Grundwassers: Trinkwasser: 74% Grundwasser und Quellwasser Grenzwert für Nitrat im Trinkwasser: 50 mg/L (Trinkwasserverordnung 2001) Qualität des Grundwassers durch Nitrate beeinträchtigt 2002: an 103 von 730 Messstellen war Grenzwert für Nitrat überschritten teilweise lag Nitratgehalt weit über 100 mg/L erhöhte Nitrataufnahme beim Mensch: Störung der Schilddrüsenfunktion erhöhte Nitrataufnahme beim Säugling (unter 3 Monaten): geringerer Transport von Sauerstoff in Gewebe und Organe Säugling erstickt innerlich „Blausucht“

32 Folgen der Nährstoffauswaschung
Eutrophierung: Anreicherung eines Gewässers mit anorganischen Pflanzennährstoffen [6] [5]

33 Explosive Stoffe in Düngemitteln: Ammoniumnitrat
Katastrophe: Explosion von West Fertilizer Company in West (Texas) am Krater: 28 m  Erbeben der Stärke 2.1 noch 75 km entfernt hörbar Explosion von 25 t NH4NO3 142 Wohneinheiten zerstört sowie 300 Häuser und Fahrzeuge beschädigt mindestens 15 Tote und etwa 200 Verletzte Attentat: Anschlag auf Regierungsviertel in Oslo durch Anders Breivik ( ) [7]

34 Demo 2: Herstellung von Schießbaumwolle aus Ammoniumnitrat

35 Demo 2: Herstellung von konz. Salpetersäure mittels Destillation
Gekühlter trockener Destillationskolben: 25 mL konz. Schwefelsäure 24 g getrocknetes, feingepulvertes Ammoniumnitrat

36 Demo 2: Herstellung von konz. Salpetersäure mittels Destillation
Destillations- apparatur:

37 Demo 2: Herstellung von konz. Salpetersäure mittels Destillation
Entstandene Salpetersäure: stark sauer (pH-Papier: dunkelrot) stark rauchend an Luft stechender Geruch bei der Destillation wurden 11 mL Salpetersäure gewonnen

38 Demo 2: Herstellung von Schießbaumwolle
Herstellung von Nitriersäure: 11 mL der abdestillierten Salpetersäure 13 mL konz. Schwefelsäure Nitryl-Kation

39 Demo 2: Herstellung von Schießbaumwolle
Veresterung der Cellulose mit Salpetersäure:

40 Versuch 5: Verbrennung von Schießbaumwolle

41 Versuch 5: Verbrennung von Schießbaumwolle
Cellulose Cellulosenitrat

42 Versuch 5: Verbrennung von Schießbaumwolle
Verbrennung von Cellulose: Luftsauerstoff ist hierbei für die Verbrennung als Oxidationsmittel vonnöten 1 mol Feststoff + 6 mol Gas 11 mol Gas

43 Versuch 5: Verbrennung von Schießbaumwolle
Verbrennung von Cellulosenitrat: verbrennt auch bei Abwesenheit von Luftsauerstoff enthaltene Nitrate dienen als Oxidationsmittel Reaktion wird durch ihre zusätzliche Triebkraft beschleunigt  2 mol Feststoff 22 mol Gas

44 Schulrelevanz Klassenstufe Thema Inhalt Versuch 8G.2 Alkalimetalle
Flammenfärbung (fakultativ) Versuch 4 9G.2 Aufbau und Funktion von Böden Nachweis von Mineralsalzen, Ionenaustauschkapazität, Düngemittel Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Demo 1 Schwerlösliche Salze Nachweis ausgewählter Anion und Kationen durch Fällung Q2 GK/LK Modifizierte Naturstoffe Baumwolle Versuch 5 Q2 LK Q4 GK/LK Farbstoffe Natürliche und synthetische Farbstoffe, Synthese von Farbstoffen

45 Schulrelevanz Klassenstufe Thema Inhalt Versuch Q3 GK/LK
Fällungsreaktionen/ Nachweisreaktionen (fakultativ) Untersuchungen von Düngemitteln Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 Q4 GK/LK Großtechnische Verfahren Darstellung von Salpetersäure Demo 2 Umweltchemie Untersuchung von Boden Demo 1 [8]

46 Abbildungsverzeichnis
[1] adpic-Bildagentur: URL: (letzter Zugriff: ) [2] Landi: URL: (letzter Zugriff: ) [3] Seilnacht: URL: (letzter Zugriff: ) [4] ahabc – Das Bodenmagazin: URL: (letzter Zugriff ) [5] ScienceBlogs: URL: (letzter Zugriff ) [6] Seilnacht: URL: (letzter Zugriff ) [7] Bild: URL: (letzter Zugriff )

47 Literaturverzeichnis
[8] Hessisches Kultusministerium: URL: (letzter Zugriff ) [9] Universität-Regensburg: URL: (letzter Zugriff ) [10] Flad: URL: (letzter Zugriff ) [11] Universität-Regensburg: URL: (letzter Zugriff ) [12] Seilnacht: URL: (letzter Zugriff ) [13] Gartentechnik: URL: (letzter Zugriff ) [14] Schülerlexikon: URL: (letzter Zugriff ) [15] Universität-Düsseldorf: URL: (letzter Zugriff ) [16] Universität-Giessen: URL: (letzter Zugriff ) [17] Focus: URL: (letzter Zugriff )

48 Literaturverzeichnis
[18] N24: URL: (letzter Zugriff ) [19] Der Tagesspiegel: URL: (letzter Zugriff ) [20] boden-max: URL: (letzter Zugriff ) [21] Universität-Münster: URL: (letzter Zugriff ) [22] Universität-Würzburg: URL: (letzter Zugriff ) [23] Universität-Bayreuth: URL: (letzter Zugriff ) [24] Institut für Umweltgeowissenschaften: URL: (letzter Zugriff ) [25] Universität-Bayreuth: URL: (letzter Zugriff ) [26] Sansolum: URL: (letzter Zugriff ) [27] Effizient düngen: URL: (letzter Zugriff ) [28] Riedel, E: Allgemeine und Anorganische Chemie, 10. Auflage, De Gruyter, Berlin [29] Latscha, H. P./Klein, H. A.: Anorgnaische Chemie, 9. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg [30] Wild, A./Schmitt, V.: Biochemische und physiologische Versuche mit Pflanzen, 1. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg [31] Schweda, E: Jander/Blasius-Anorganische Chemie I, 17. Auflage, Hirzel Verlag, Stuttgart 2012.

49 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!