Fertilizzanti azotati: legge del minimo vitale, sintesi

I fertilizzanti azotati favoriscono lo sviluppo vegetativo delle colture e possono contenere azoto sotto forma nitrica, ammoniacale, nitrico-ammoniacale e organica. I fertilizzanti sono un gruppo di sostanze che servono a immettere o reintegrare i principi nutritivi che le piante traggono dal terreno per il loro accrescimento.

I fertilizzanti azotati sono fondamentali per la produzione agricola e il consumo globale di questi fertilizzanti è in aumento per soddisfare la domanda di una popolazione in crescita a scapito dell’impronta ambientale.

Legge del minimo vitale

La fertilizzazione di un terreno deve essere razionale in quanto il fattore limitante per la crescita e lo sviluppo di una pianta è rappresentato dal principio nutritivo indispensabile che è presente in quantità minore secondo la legge del minimo vitale. Tale legge fu enunciata da chimico tedesco Justus von Liebig e viene descritta con l’esempio della botte del minimo. L’acqua in questa botte può raggiungere il livello della doga più corta.

Allo stesso modo la crescita di una pianta è limitata da quella sostanza che per prima, rispetto alle altre non è disponibile in quantità sufficiente. Se per esempio questo elemento è il fosforo, il rendimento di un terreno non aumenterà anche dopo elevate somministrazioni di altri elementi nutritivi.

Gli elementi chimici ritenuti indispensabili alla vita vegetale possono essere distinti in macroelementi (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo, zolfo, magnesio, calcio e potassio) e in oligoelementi ( ferro, manganese, zinco, rame, boro, molibdeno, cloro, cobalto e silicio).

I fertilizzanti sono suddivisi in base al macroelemento presente e si hanno fertilizzanti: azotati, fosfatici e potassici

•    azotati
•    fosfatici
•    potassici

La dinamica dell’industria dei fertilizzanti si è sviluppata rapidamente nella seconda metà del ‘900 apportando un aumento della produzione agricola.

Metodi di ottenimento dei fertilizzanti azotati

Per ottenere i fertilizzanti azotati si parte in genere dall’ammoniaca che reagendo con l’ossigeno dà acido nitrico che viene usato per l’acidificazione delle rocce fosfatiche per ottenere  il prodotto desiderato. I processi coinvolti in tale sintesi sono complessi e laboriosi e possono essere così schematizzati:

1)      Processo Haber per ottenere ammoniaca da idrogeno e azoto

2)      Processo Ostwald per ottenere acido nitrico dalla reazione tra ammoniaca e ossigeno

3)      Acidificazione delle rocce fosfatiche con acido nitrico per ottenere acido fosforico e nitrato di calcio

Nel processo Haber si fanno reagire azoto e idrogeno gassosi. L’azoto è ottenuto dalla distillazione frazionata dell’aria liquida mentre l’idrogeno può essere ottenuto facendo reagire il metano con l’acqua secondo la reazione:

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

Ammoniaca

La sintesi dell’ammoniaca è effettuata a 200 atm e alla temperatura di 450-500 °C in presenza di ferro quale catalizzatore secondo la reazione:

N₂ + 3 H₂ ⇄ 2 NH₃

Il processo Ostwald è usato per ottenere acido nitrico dall’ammoniaca e avviene in due stadi:

nel primo stadio altamente esotermico l’ammoniaca viene convertita in monossido di azoto secondo la reazione:

4 NH_3(g) + 5 O_2(g) → 4 NO_(g)  + 6 H₂O_(g)

Nel secondo stadio il monossido di azoto reagisce con l’ossigeno per dare biossido di azoto secondo la reazione:

2 NO_(g) + O_2(g) → 2 NO_2(g)

Quest’ultimo reagisce con l’acqua per dare acido nitrico e monossido di azoto secondo la reazione:

3 NO_2(g)   + H₂O_(l)  → 2 HNO_3(aq)  + NO_(g)

L’acidificazione delle rocce fosfatiche  con acido nitrico dà luogo alla formazione di acido fosforico e nitrato di calcio:

Ca₃(PO₄)₂ + 6 HNO₃ + 12 H₂O → 2 H₃PO₄ + 3 Ca(NO₃)₂ + 12 H₂O

Il trattamento del nitrato di calcio e dell’acido fosforico con ammoniaca dà luogo alla sintesi di alcuni sali che sono usati quali fertilizzanti:

Ca(NO₃)₂ + 4 H₃PO₄ + 8 NH₃ → CaHPO₄ + 2 NH₄NO₃ + 8 (NH₄)₂HPO₄

Urea

Tra i fertilizzanti azotati molto utilizzato per il suo alto titolo in azoto è l’urea che viene sintetizzata in due stadi a partire dall’ammoniaca:

nel primo stadio l’ammoniaca reagisce con il diossido di carbonio per dare il carbammato di ammonio:

2 NH₃ + CO₂ →  H₂NCOONH₄

nel secondo stadio il carbammato di ammonio si decompone per dare urea e acqua:

H₂NCOONH₄ → (NH₂)₂CO + H₂O

Altri fertilizzanti azotati sono il nitrato di ammonio e il solfato di ammonio che si ottengono a partire dall’ammoniaca secondo le reazioni:

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

2 NH₃ + H₂ SO₄ → (NH₄ )₂SO₄