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Fiche explicative de la leçon : Les engrais Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la production d’engrais en laboratoire et à l’échelle industrielle.

Les plantes et les cultures doivent absorber certains éléments du sol dans lequel elles poussent pour rester en bonne santé. Dans ce contexte, l’azote est un élément très important, car il est utilisé par les plantes pour fabriquer des protéines, de la chlorophylle et des acides nucléiques. La croissance des plantes est limitée s’il n’y a pas assez d’azote disponible dans le sol. Les agriculteurs désignent le rendement des cultures comme la quantité de culture récoltée par unité de surface. La surface fertile étant limitée, les rendements des cultures doivent être élevés pour répondre à la demande de produits alimentaires.

L’azote se trouve dans le sol sous la forme de composés inorganiques et organiques. La quantité d’azote dans le sol diminue avec le temps au fur et à mesure des récoltes. L’azote doit être remplacé régulièrement par l’utilisation d’engrais. Sans engrais, le sol devient infertile.

Les engrais peuvent être des produits naturels, tels que le fumier, ils sont alors appelés engrais naturels. Les engrais peuvent aussi être des composés synthétiques tels que les engrais azotés artificiels ou synthétiques, souvent dérivés de produits pétroliers ou gaziers.

Définition : Les engrais artificiels

Les engrais artificiels contiennent de nombreux nutriments végétaux à base d’azote, de magnésium, de phosphore et de potassium. Ce type d’engrais est généralement fabriqué à partir de sources d’énergie fossile.

Il existe un type d’engrais important qui contient de l’azote, du phosphore et du potassium, connu comme engrais NPK, N, P et K sont les symboles chimiques des trois éléments.

Définition : Les engrais NPK

Les engrais qui contiennent de l’azote, du phosphore et du potassium sont appelés engrais NPK

Le phosphore est utilisé dans l’adénosine triphosphate, l’ATP, un produit chimique biologique utilisé dans les processus de transformation d’énergie dans les plantes, y compris la photosynthèse. Le potassium est absorbé en grande quantité par les plantes et est impliqué dans le transport des nutriments essentiels au sein de la structure de la plante. C’est pourquoi le potassium est un composant important des engrais. Étant donné que tous les sels de potassium courants sont solubles, des sels de potassium bon marché sont ajoutés aux engrais pour alimenter le sol en ions de potassium.

Exemple 1: Détermination des éléments contenus dans un engrais NPK

Quels sont les trois éléments que devrait contenir un engrais NPK complet?

  1. le sodium, le phosphore et le potassium
  2. l’azote, le palladium et le phosphore
  3. l’azote, le platine et le potassium
  4. le nickel, le phosphore et le kalium
  5. l’azote, le phosphore et le potassium

Réponse

Les trois éléments nécessaires à une croissance saine des plantes sont l’azote, le phosphore et le potassium. Les engrais NPK fournissent ces trois éléments. L’élément azote a le symbole N, le phosphore a le symbole P et le potassium a le symbole K. Puisque le potassium a été découvert après le phosphore, le symbole P était déjà pris. Le nom néo-latin du potassium est kalium. Le symbole K a été adopté à partir de ce nom. Par conséquent, NPK se réfère à l’azote, au phosphore et au potassium, donc E est la bonne réponse.

Les engrais azotés contiennent de l’azote sous une forme que les plantes peuvent utiliser. Bien qu’environ 78% de l’air est de l’azote gazeux, les plantes ne peuvent pas l’utiliser sous cette forme. L’azote doit être dissous sous forme de nitrates solubles ou de sels d’ammonium. Parfois, on utilise des composés tels que l’urée. L’urée se trouve dans les engrais naturels, car il s’agit d’un déchet produit par de nombreux organismes vivants. La structure de l’urée est montrée ci-dessous:

L’urée a un pourcentage relativement élevé d’azote en masse, ce qui en fait un excellent exemple d’engrais azoté. Il est utilisé dans les climats plus chauds, car la vitesse décomposition en ammoniac et en dioxyde de carbone est plus rapide.

Un autre type d’engrais courant est l’ammoniac liquéfié. Il a la plus haute teneur en azote parmi tous les engrais:82%. Lorsque l’ammoniac liquéfié est utilisé comme engrais, il est introduit dans le sol à une profondeur de presque 12 cm.

Exemple 2: Identifier et expliquer pourquoi un engrais est plus efficace qu’un autre

Pourquoi l’engrais A n’est-il pas aussi efficace que l’engrais B dans la favorisation de la croissance des plantes?

  1. L’engrais B ne contient que de l’azote.
  2. L’engrais B inhibe la germination des graines.
  3. L’engrais A augmente le pH du sol.
  4. L’engrais A ne contient pas de phosphore ou de potassium.
  5. L’engrais A ne contient pas de sodium.

Réponse

Pour assurer une croissance saine, les plantes doivent absorber du sol de l’azote, du phosphore et du potassium. Si les plantes manquent de ces éléments, elles peuvent souffrir de diverses maladies. L’engrais B fournit ces trois éléments, car il s’agit d’un engrais NPK. N représente l’azote, P le phosphore et K le potassium. L’engrais NPK contient un mélange de composés contenant ces trois éléments. Les composés peuvent également contenir d’autres éléments qui ne sont pas essentiels pour les plantes. La réponse A est donc incorrecte.

L’engrais A contient un seul composé appelé urée. On peut voir à partir de la formule moléculaire sur le sac que l’urée contient les éléments suivants:carbone, oxygène, azote et hydrogène. En termes de croissance des plantes, seul l’azote est important ici. L’engrais A ne fournit pas de phosphore ni de potassium, il n’est donc pas aussi efficace que l’engrais B dans la favorisation de la croissance des plantes. D est la bonne réponse.

Certains engrais libèrent des composés de l’ammonium et ils peuvent diminuer le pH du sol. De cette façon, l’utilisation de l’urée n’augmentera pas le pH du sol. La réponse C est incorrecte. Les engrais n’inhibent pas la germination des graines;ce processus dépend de la santé de la graine et de la température. Bien que les plantes aient besoin de sodium en petites quantités, trop de sodium peut être toxique, alors les engrais ne sont pas destinés à fournir cet élément. Les réponses B et E sont donc incorrectes, nous seulement D comme réponse correcte.

L’ammoniac est souvent la matière première de la plupart des engrais azotés. De l’ammoniac liquide anhydre peut être injecté directement dans le sol, bien que ce soit un gaz toxique et qu’il soit difficile à le manipuler en toute sécurité. Le nitrate d’ammonium est l’engrais le plus utilisé dans de nombreux pays. Il contient un pourcentage relativement élevé d’azote, d’environ 35% en masse et il est très soluble dans l’eau. Le nitrate d’ammonium est produit industriellement par la réaction de l’ammoniac avec l’acide nitrique, comme indiqué dans l’équation suivante:ammoniacacidenitriquenitratedammoniumNH()+HNO()NHNO()+3343glaq

Il s’agit d’une réaction de neutralisation. Remarquez ici que l’acide nitrique lui-même est produit par l’oxydation de l’ammoniac gazeux, dans un processus séparé.

Alors que les engrais sont largement utilisés pour favoriser la croissance, une certaine attention est nécessaire, car des quantités excessives de nitrate d’ammonium peuvent rendre le sol acide. Pour éviter cela, on préfère parfois utiliser un engrais à base de nitrate de calcium et d’ammonium. C’est en fait un mélange de nitrate d’ammonium et de craie. La craie est un carbonate de calcium naturel qui neutralise le sol lors de son application. La chaux éteinte Ca(OH)2 est aussi couramment ajoutée aux engrais à base d’ammonium pour aider à neutraliser le sol.

Le sulfate d’ammonium peut aussi être produit par la neutralisation de l’acide sulfurique avec de l’ammoniac gazeux. L’acide sulfurique est un produit chimique fabriqué séparément par un procédé industriel très important appelé le procédé de contact. La matière première pour la production d’acide sulfurique est le soufre. Le soufre est un élément très important dans les plantes. Il est utilisé par les plantes, en petites quantités, pour former des protéines:2NH()+HSO()(NH)SO()ammoniacacidesulfuriquesulfatedammonium324424gaqaq+

Un organigramme indiquant combien de matériaux sont impliqués dans la fabrication du sulfate d’ammonium est montré ci-dessous.

Les engrais azotés à base de phosphore, tels que les engrais au phosphate d’ammonium, fournissent au sol deux éléments essentiels, l’azote et le phosphore. Le phosphate d’ammonium est fabriqué en utilisant de l’ammoniac pour neutraliser l’acide phosphorique, qui est obtenu en faisant réagir des roches phosphatées d’origine naturelle avec de l’acide sulfurique. La roche phosphatée contient du phosphate de calcium, parmi d’autres composés:Ca(PO)()+3HSO()2HPO()+3CaSO()phosphatedecalciumacidesulfuriqueacidephosphoriquesulfatedecalciumHPO()+3NH()(NH)PO()acidephosphoriqueammoniacphosphatedammonium34224344343434sllsaqgaq+++

La roche phosphatée est insoluble et ne peut pas être utilisée directement comme engrais. Il est extrait en surface à de nombreux endroits autour du monde, comme on peut le voir sur la photo ci-dessous.

Vue aérienne de l'usine de traitement d'une mine de phosphate

Exemple 3: Rappel des formules chimiques des composés du calcium utilisés dans les engrais

La phosphorite, une roche sédimentaire contenant des phosphates, est mise en réaction avec l’acide sulfurique pour produire du phosphate et du superphosphate de calcium.

Quelles sont les formules chimiques respectives du phosphate de calcium et du superphosphate de calcium?

  1. Ca(PO)342 et Ca(HPO)242
  2. Ca(PO)342 et Ca(HPO)243
  3. Ca(PO)243 et Ca(HPO)242
  4. Ca(PO)342 et Ca(HPO)42
  5. Ca(PO)332 et CaHPO4

Réponse

Le phosphore est un élément important à utiliser dans les engrais. Une bonne source de phosphore peut être rencontrée dans les roches comme la phosphorite. Cependant, ces roches sont insolubles dans l’eau, elles doivent être traitées avec des acides pour produire des sels de phosphate solubles dans l’eau. Lors de la réaction de la phosphorite avec de l’acide sulfurique, deux sels de phosphate peuvent être produits, le phosphate de calcium et le superphosphate de calcium. Dans cet exercice, nous devons rappeler ou déterminer la formule chimique de ces deux composés.

Nous pouvons déduire de leurs noms que les deux composés contiennent des cations calcium et des anions phosphate. L’ion le plus courant du calcium est Ca2+, tandis que l’anion phosphate a la formule (PO)43. Le phosphate de calcium est donc la combinaison du cation calcium et de l’anion phosphate. Afin de nous assurer que le composé est électriquement neutre, nous avons besoin de trois cations de calcium pour deux anions phosphate. Cela donne donc la formule chimique du phosphate de calcium sous la forme Ca(PO)342. Sur cette base, nous pouvons déjà déterminer que les réponses C et E sont incorrectes.

Les superphosphates sont semblables aux phosphates, mais les superphosphates contiennent deux atomes d’hydrogène. En conséquence, les ions superphosphates n’ont qu’une charge de 1, conduisant ici à la formule chimique HPO24. Par conséquent, lorsqu’ils sont combinés avec un cation de calcium, deux anions superphosphates sont nécessaires pour garantir que le composé est électriquement neutre. Cela donne la formule chimique du superphosphate de calcium sous la forme Ca(HPO)242.

Nos deux formules chimiques sont donc Ca(PO)342 pour le phosphate de calcium et Ca(HPO)242 pour le superphosphate de calcium. Cela correspond à la réponse A. La bonne réponse est A.

À l’échelle industrielle, de grandes quantités de matières premières sont nécessaires pour produire de grandes quantités d’engrais. Les composés de départ sont fabriquées à partir de matières premières. Les composés de départ sont fabriquées à proximité de l’usine de production d’engrais pour être facilement disponibles. Les processus impliqués sont exécutés en continu, et beaucoup d’énergie est consommée en partie en raison des températures élevées utilisées pour accroître la vitesse de réaction. L’équipement pour la production à grande échelle est cher et il est souvent automatisé.

Exemple 4: Description de la production industrielle d’ammoniac à grande échelle

Complétez:la préparation industrielle à grande échelle d’ammoniac est un exemple de .

  1. procédé renouvelable
  2. procédé de progression
  3. procédé azoté
  4. procédé par lot
  5. procédé continu

Réponse

L’ammoniac est la matière première utilisée pour fabriquer des engrais chimiques contenant de l’azote. Industriellement, il est fabriqué à partir d’hydrogène gazeux et d’azote gazeux par le procédé Haber. Quatre-vingt-quinze pour cent de l’hydrogène mondial est produit par la réaction du méthane, un combustible fossile, avec la vapeur. Il provient de ressources non renouvelables telles que le pétrole brut. Actuellement, cela rend la production d’ammoniac une activité non renouvelable. Le procédé industriel peut se dérouler en continu aussi longtemps que les matières premières peuvent être introduites dans la cuve du réacteur. En raison d’une perte de production, il est coûteux d’arrêter le procédé, mais cela a lieu normalement chaque année pour la maintenance planifiée. Contrairement à un procédé par lot, où les produits chimiques sont fabriqués en petits lots avec arrêt et nettoyage intermédiaires, la production d’ammoniac est décrite comme un procédé continu. Par conséquent, E est la réponse correcte.

Puisque de nombreuses réactions utilisées pour fabriquer des engrais sont de simples réactions de neutralisation, celles-ci peuvent facilement être réalisées en laboratoire à petite échelle. Le procédé est alors plus lent et les composés sont produits par lot. On utilise de la verrerie de laboratoire ordinaire, ce qui est relativement bon marché. La réaction de neutralisation a lieu à température ambiante, suivie de l’utilisation d’un bec Bunsen pour l’évaporation du liquide.

Sur la figure ci-dessous, une quantité mesurée de solution d’ammoniac est neutralisée par un volume d’acide sulfurique prédéterminé. Cela pourrait être réalisé initialement sous forme de titrage, en utilisant un indicateur. Une fois que le volume d’acide nécessaire est déterminé, l’expérience peut être répétée sans indicateur. Les cristaux de sulfate d’ammonium sont récupérés à partir de la solution neutre en évaporant l’eau dans une coupelle d’évaporation, avec un chauffage doux.

Exemple 5: Description de la production d’ammoniac à petite échelle

Complétez:une préparation d’ammoniac à petite échelle en laboratoire est un exemple de .

  1. procédé renouvelable
  2. procédé continu
  3. procédé par lot
  4. procédé automatisé
  5. procédé azoté

Réponse

L’ammoniac gazeux est difficile à fabriquer à partir des éléments azote et hydrogène, et, s’il était synthétisé en laboratoire, seules de petites quantités seraient produites. Les réactifs pour la synthèse devraient être acquis séparément, et le procédé impliquerait une verrerie de laboratoire ordinaire.

La procédure est décrite comme un procédé par lot, car nous devons démonter l’appareil et le nettoyer chaque fois que nous l’utilisons.

Il ne s’agit certainement pas d’un procédé continu ou automatisé. Dans ces procédés, les produits chimiques fournis pour la synthèse arriveraient d’un fournisseur de produits chimiques et seraient utilisés en continu. Ici, la préparation de l’ammoniac est terminée, puis arrêtée.

Bien qu’ils soient utilisés en petites quantités, ces produits chimiques peuvent provenir de sources à base de pétrole, qui sont des sources non renouvelables. Pour cette raison, il se peut que la synthèse en laboratoire ne soit pas un processus renouvelable. La bonne réponse est donc la réponse C.

Points clés

  • Pour se développer et rester en bonne santé, les plantes ont besoin d’azote, de phosphore et de potassium.
  • L’azote est apporté par les engrais contenant des sels d’ammonium ou des nitrates qui sont solubles dans l’eau. Ces engrais sont produits à partir d’ammoniac.
  • Le phosphore est apporté sous forme de phosphates. L’ion phosphate a la formule PO43. Des phosphates solubles, tels que le phosphate d’ammonium, sont produits à partir de roche phosphatée, via l’acide phosphorique.
  • Il y a beaucoup de sels de potassium solubles qui peuvent être ajoutés au sol pour fournir des ions de potassium, K+.
  • Les engrais NPK contiennent les éléments suivants:azote, phosphore et potassium.
  • Une utilisation excessive d’engrais peut augmenter l’acidité du sol, mais celle-ci peut être neutralisée en ajoutant du carbonate de calcium ou de l’hydroxyde de calcium dans l’engrais.
  • Les engrais peuvent être préparés en faisant réagir de la phosphorite ou de l’ammoniac avec des acides tels que l’acide nitrique ou l’acide sulfurique.

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