Hóa học đằng sau phân bón hóa học

Phân bón là chủ đề mà ai trong số chúng ta cũng điều nghe qua một lần dù bạn là ai đi nữa. Tuy nhiên khi đề cập đến chủ đề này thì không thể nào gói gọn nội dung trong một bài viết. Vì thế trong bài viết lần này chúng ta sẽ chỉ đề cập sơ lược về phân bón hóa học, đặc biệt về khía cạnh hóa học thú vị đằng sau. Bạn hãy giành ít thời gian để tham khảo nhé!

Đôi nét

Phân bón là một chất dinh dưỡng thực vật được thêm vào đất để tăng năng suất. Thực vật cần chất dinh dưỡng để phát triển và tạo ra trái cây và rau quả. Hai loại chất dinh dưỡng đã được xác định trong quá trình bón phân: chất dinh dưỡng đa lượng và chất dinh dưỡng vi lượng. Chỉ có sáu chất dinh dưỡng đa lượng và chúng được cây trồng cần một lượng lớn là nitơ, phốt pho, kali, lưu huỳnh, magiê và canxi. Tuy nhiên, cần một số lượng lớn hơn các vi chất dinh dưỡng nhưng ở dạng vi lượng như sắt, mangan, bo, kẽm, đồng, molypden, clo, coban, niken, natri và silic. Loại bỏ bất kỳ yếu tố nào trong số các yếu tố này, cây sẽ có biểu hiện tăng trưởng và thiếu hụt bất thường, hoặc chúng có thể không sinh sôi nẩy nở.

Phân loại phân bón

Phân bón được phân loại dựa trên chủng loại và dạng hóa học hợp chất mà chúng chứa. Hình bên dưới mô tả các loại phân bón khác nhau dùng cho quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng.

Các loại phân bón khác nhau (hữu cơ và vô cơ). Ảnh: StalinNadarajan

Các loại phân bón phổ biến nhất chứa ba chất dinh dưỡng chính: nitơ, phốt pho và kali, và do đó chúng được gọi là phân NPK. Để minh họa tầm quan trọng của chúng trong bất kỳ nền kinh tế nào, vào năm 2000, mức tiêu thụ tổng lượng phân bón dinh dưỡng trên thế giới (N + P2O+ K2O) là 140 triệu tấn, chiếm 52 triệu tấn đối với các nước phát triển và 88 triệu tấn đối với các nước đang phát triển.

Hóa học đằng sau phân bón hóa học

Phân bón hóa học (gọi tắt là CF) được sản xuất theo các tỷ lệ khác nhau của các chất dinh dưỡng hóa học chính và phụ. Hầu hết các CF đều chứa một lượng đáng kể hoặc tỷ lệ phần trăm của ba chất dinh dưỡng chính N, P và K. Do cách sử dụng khác nhau các mục đích liên quan đến môi trường trồng và điều kiện dinh dưỡng của đất. Có nhiều loại CF khác nhau, tất cả đều được sản xuất để ứng dụng trong các điều kiện đất khác nhau cho nhiều loại cây trồng và thực vật.

Phần lớn của các sản phẩm CF được dán nhãn bằng ba số, chẳng hạn như 10-20-30. Những các số liên quan đến hàm lượng N, P, K có trong CF. Một phân bón hóa chất hoàn chỉnh sẽ có cả ba nguyên tố với tỷ lệ phần trăm đáng kể. Một số CF chứa urê và amoni cùng với ba chất này như một chất bổ sung phổ biến. Đôi khi, có thể có một tỷ lệ nhỏ hơn các chất dinh dưỡng như đồng, kẽm, sắt, mangan và lưu huỳnh trong phân bón. Các nguyên tố dinh dưỡng này cũng cần thiết cho sự phát triển khỏe mạnh của cây trồng.

Các loại phân bón hóa học. Ảnh: Internet

Phân đạm

Phân đạm là những loại phân bón chứa N (nitơ) là thành phần chính trong sản phẩm cuối cùng của chúng. Trong phân đạm, N hiện diện dưới dạng nitơ amoniac như amoni clorua, amoni sunfat; nitrat nitơ như canxi amoni nitrat trong đó cả nitơ amoniac và nitrat đều có mặt; và urê (nitơ amide). Điều quan trọng và phổ biến nhất phân đạm được sử dụng là urê và amoni sunfat. Phân đạm có thể được phân thành bốn loại dựa trên các dạng nitơ (N) có trong phân đạm:

  1. Phân chứa nitrat (NO3-N): ví dụ, NaNO3 – 16% N; Ca(NO3)2 – 15,5% N
  2. Phân đạm amoni (NH4-N): ví dụ, (NH4)2SO4 – 20% N; NH4Cl – 24% đến 26% N, amoniac khan, 82% N
  3. Cả hai loại phân đạm chứa NH4 và NO3-N: ví dụ, amoni nitrat (NH4NO3) – 33% đến 34% N, canxi
    amoni nitrat – 20% N
  4. Phân bón amit là dạng hữu cơ của phân bón chứa N: ví dụ: Urê [CO(NH2)2] – 46% N, canxi xyanamit (CaCN2) – 21% N.

Nitơ tạo thành một phần của protein, hormone, chất diệp lục, vitamin và enzym, và thúc đẩy sự phát triển của thân và lá. Quá nhiều đạm có thể làm chậm quá trình đậu quả, trong khi thiếu đạm có thể làm giảm năng suất và làm vàng lá và còi cọc. Phân đạm được bón ở dạng hữu cơ và / hoặc vô cơ. Phân đạm hữu cơ là phân chuồng, phân chim (phân và xác của chim biển), máu khô, móng heo và sừng. Tuy nhiên, các nguồn nitơ hữu cơ phải trải qua các quá trình vi sinh vật tạo ra nitơ nitrat.

Một số loại phân đạm. Ảnh: Internet

Ngoài ra, nitơ trong khí quyển có thể được sử dụng như một nguồn nitơ thực vật bằng quá trình được gọi là “cố định nitơ” hay cố định đạm. Các loại đậu và một số loài thực vật khác, có liên quan đến vi khuẩn lam (vi khuẩn thủy sinh cực nhỏ, ví dụ như Anabaena azollae), chuyển đổi nitơ thành amoniac hữu ích về mặt sinh học. Quá trình này xảy ra ở những chỗ mọc nhỏ trên rễ được gọi là “nốt sần”. Amoniac sau đó có sẵn cho nhiều phân tử sinh học, chẳng hạn như axit amin, protein, vitamin và axit nucleic.

Phân lân

Phân lân được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp trên toàn thế giới, vì phốt pho (P) là chất dinh dưỡng đa lượng thiết yếu thứ hai với một số các chức năng trong hệ thống thực vật. P là thành phần quan trọng đối với sự sinh trưởng và phát triển bình thường của cây trồng và là một trong những động lực chính cho năng suất cây trồng toàn cầu. Nó giúp cây chuyển hóa thành các chất dinh dưỡng khác có thể sử dụng được các khối xây dựng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của cây trồng.

P cũng đóng một vai trò quan trọng trong một loạt các quá trình trao đổi chất và sinh hóa trong hệ thống thực vật như quang hợp; hô hấp; sự chuyển hoá năng lượng; tổng hợp axit nucleic, lipid và màng proteinoid. Nó có chức năng quan trọng trong việc nảy mầm hạt, phát triển cây con, rễ sinh trưởng, ra hoa và hình thành quả. Thiếu hụt phốt pho là một rối loạn dinh dưỡng chính hạn chế năng suất cây trồng trên nhiều hệ sinh thái nông nghiệp đầu vào có P thấp trên toàn cầu. Đây là tài nguyên thiên nhiên không thể tái sinh có trong tất cả các loại đá và các loại đất.

Một loại phân lân. Ảnh: Cẩm nang cây trồng

Phốt phát được tìm thấy ở các dạng khác nhau như dolomit, apatit, sắt khoáng oxit, canxit và khoáng sét. Trong sản xuất thương mại, phân lân được sử dụng để tăng năng suất và chất lượng cây trồng. Cây trồng thường xuyên được cung cấp phân lân vô cơ để khắc phục đất thiếu P và để cải thiện năng suất cây trồng. Hiệu suất sử dụng P trung bình trên thế giới để sản xuất ngũ cốc rất thấp và ước tính chỉ khoảng 16%. Nâng cao hiệu quả sử dụng P là cấp thiết để duy trì các nguồn P và năng suất cây trồng do tính chất không thể tái sinh của trữ lượng đá photphat, địa chính trị giữa các quốc gia và hiệu quả sử dụng thấp của phân bón photphat đắt tiền.

Phân lân có thể được phân thành như sau:

  1. Diamoni phốt phát (DAP) [(NH4)2HPO4]; Nó được làm từ hai chất dinh dưỡng đa lượng phổ biến
    (photphat và nitơ ở hàm lượng 18 N – 46 P2O5 – 0 K2O).
  2. Monoamoni phốt phát (MAP) NH4H2PO4; có nồng độ nitơ thấp hơn với hàm lượng P cao nhất của bất kỳ loại phân rắn nào khác ở 11 N – 52 P2O5 – 0 K2O.
  3. Superphotphat (TSP) Ca(H2PO4)2.H2O (43-44% P2O5).
  4. Đá phốt phát.

Phân kali

Phân kali thường được bổ sung vào đất nông nghiệp để cải thiện năng suất và chất lượng của cây trồng trên đất thiếu nguồn cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng thiết yếu này. Khoảng 90% – 95% kali đang được sử dụng trong nông nghiệp làm phân bón. K là chất dinh dưỡng đa lượng thực vật thiết yếu thứ ba sau N và P. Nó rất quan trọng đối với nhiều quá trình sinh lý quan trọng của thực vật bao gồm quang hợp (tạo ra năng lượng), hấp thụ nước và chất dinh dưỡng, và tổng thể chất lượng cây trồng.

Các loại phân kali. Ảnh: Thiên đường hoa

Để đảm bảo cây phát triển khỏe mạnh và giàu dinh dưỡng, cung cấp K phải được duy trì trong đất. Thực tế tất cả các loại phân K đều tan trong nước. Các loại phân kali khác nhau về cơ bản bao gồm K kết hợp với clorua, sunfat, nitrat, polyphotphat, v.v. loại kali phổ biến là kali clorua (KCl). KCl còn được gọi là muối kali (MOP) hoặc sylvite, một khoáng chất tự nhiên. Các loại phân K phổ biến hoàn toàn tan trong nước và một số các trường hợp, có chỉ số muối cao. Do đó, khi đặt quá gần hạt giống hoặc chỗ cấy, chúng có thể làm giảm khả năng nảy mầm của hạt và khả năng sống sót của cây.

Tổn thương do phân bón gây ra nặng nhất trên đất cát, trong điều kiện khô hạn và với tỷ lệ phân bón cao, đặc biệt là phân N và K. Một số loại cây trồng chẳng hạn như đậu tương, bông và đậu phộng nhạy cảm với phân bón hơn nhiều so với ngô. Đặt phân bón theo dải cách cạnh bên khoảng 3 inch và bên dưới hạt 2 inch là cách hiệu quả phương pháp ngăn ngừa tổn thương phân bón. Cung cấp kali cho cây trồng được biểu thị bằng phần trăm ion (K+) thay vì phần trăm K2O trong phân kali.

Các loại phân khác

Các chất dinh dưỡng đa lượng khác được cung cấp như một phần của phân NPK. Đầu tiên, lưu huỳnh có sẵn từ sunfat của phân bón. Nó góp phần vào việc hình thành các axit amin, protein và enzym, và rất cần thiết cho chất diệp lục. Nó cũng ảnh hưởng đến hương vị trong nhiều loại rau. Thứ hai, magiê có tự nhiên trong đất và thường được kết hợp với kali sunfat và canxi photphat, được sử dụng làm NPK. Nó là một phần quan trọng của chất diệp lục, và góp phần vào hoạt động của các enzym đối với carbohydrate, sự hình thành quả và hạt cũng như sự nảy mầm của hạt. Thiếu magiê gây ra hiện tượng vàng giữa các gân lá già và kết quả là lá bị rũ xuống. Cuối cùng, canxi cũng có trong đất và có sẵn từ canxi photphat và nitrat, và vôi.

Các thành phần dinh dưỡng cần thiết cho cây. Ảnh: Internet

Các chất dinh dưỡng vi lượng không được áp dụng cụ thể vào đất vì chúng được tìm thấy tự nhiên trong đất. Tuy nhiên, có một số trường hợp cực đoan mà chúng phải được cung cấp. Ví dụ, rối loạn ở động vật có liên quan đến việc thiếu các nguyên tố vi lượng, không cần thiết cho sự phát triển của thực vật nhưng cần thiết cho một số loài động vật. Ví dụ, ở một số vùng của Vương quốc Anh, cừu và gia súc bị “bệnh ăn thịt” dẫn đến sụt cân nghiêm trọng và suy nhược toàn thân. Căn bệnh này được phát hiện là do thiếu coban trong đồng cỏ. Người ta cũng xác định rằng sự thiếu hụt selen trong một số loại đất gây ra chứng loạn dưỡng cơ, trong khi thừa selen gây ra độc tính selen trong chăn nuôi.

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Chemistryexplained, StalinNadarajan, C&EN.