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Fertilizantes

20. Nov 2013
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Fertilizantes

  1. Fertilizantes Por: *Bonifacio Urbán Mónica *Ventura Martínez Carlos Alberto
  2. Fertilizantes: Productos químicos estratégicos • Que Importancia tiene la industria de los fertilizantes en México?: Definición de fertilizantes; El concepto de fertilizantes se utiliza para hacer referencia a todos aquellos productos que de un modo u otro sirven para dar fertilidad a algún compuesto vivo, normalmente la tierra o alguna otra superficie orgánica. Los fertilizantes pueden ser naturales o artificiales, es decir creados por el hombre a través de compuestos químicos. En cualquiera de los dos casos, la función principal de estos elementos es otorgar el carácter de fértil a la tierra para que la misma permita una mayor y mejor producción o crecimiento de las plantas. Los fertilizantes cumplen hoy un rol muy importante en la industria agrícola debido a que favorecen el crecimiento de cultivos a un mayor nivel. Su clasificación es: “orgánicos e inorgánicos” Fertilizantes orgánicos - los abonos orgánicos son todos aquellos residuos de origen animal o vegetal de los que las plantas pueden obtener importantes cantidades de nutrimentos el suelo, con la descomposición de estos abonos, se ve enriquecido con carbono orgánico y mejora sus características físicas, químicas y biológicas. Entre los abonos orgánicos se incluyen, los estiércoles, compostas, vermicompostas, abonos verdes, residuos de la cosecha, residuos orgánicos industriales, aguas negras y sedimentos orgánicos. Los abonos orgánicos son muy variables en sus características físicas y composición química principalmente en el contenido de nutrimentos, la aplicación constante de ellos, con el tiempo, mejora las características físicas, químicas, biológicas y sanitarias del suelo.
  3. • • Fertilizantes inorgánicos - Los fertilizantes son sustancias, generalmente mezclas químicas artificiales que se aplican al suelo o a las plantas para hacerlo más fértil. Estos aportan al suelo los nutrientes necesarios para proveer a la planta un desarrollo óptimo y por ende un alto rendimiento en la producción de las cosechas. El grado de un fertilizante se mide de acuerdo a su porcentage de N, P y K. Este se prepara en diferentes grados. Por ejemplo: un fertilizante de grado 10 – 30 – 30, significa que tiene 10%N, 30% de fósforo como P2 O5 y 10% de potasio como K2 O; el porciento sobrante consiste de materiales de relleno (arcilla, arena, etc), humedad y una porción de ácidos libres y sales provenientes de los procesos químicos envueltos. Generalmente, los fertilizantes compuestos se preparan añadiendo pequeñas cantidades de los elementos trazas que se mencionaron anteriormente. Los fertilizantes simples,como los polifosfatos, los superfosfatos, la urea, la cianamida cálcica , el amoniaco y el cloruro de potasio también se fabrican y se usan frecuentemente para fertilizar los suelos. La aplicación en exceso o continua de los fertilizantes acidifica los suelos, favorece la erosión y afecta los organismos (flora y fauna) y altera las propiedades químico-físicas de los componentes del suelo. Los compuestos químicos aplicados en los fertilizantes se disuelven en la solución del suelo, son retenidos por las arcillas y la materia orgánica (adsorción), o se filtran a través del suelo para llegar a los cuerpos de agua. Por ejemplo, el fósforo (fosfatos) es adsorbido por los componentes del suelo (material orgánica y arcillas) y en condiciones de bajo ph, limita la cantidad de fosfatos disponible para las plantas. Algunas bases de ácidos como los nitratos y los sulfatos provenientes de la preparación de los fertilizantes se convierten en ácido sulfúrico y nítrico que aumentan la acidez y reaccionan con los minerales del suelo. Las sales y ácidos que por lixiviación llegan a los cuerpos de agua, afectan sus propiedades químico-físicas. Por ejemplo, los lagos que recogen efluentes provenientes de las áreas agrícolas arrastran grandes cantidades de fosfatos y nitratos que estimulan la proliferación de plantas acuáticas, táles como el jacinto de agua.
  4. Importancia de la producción de fertilizantes: LOS FERTILIZANTES AUMENTAN LOS RENDIMIENTOS DE LOS CULTIVOS Los nutrientes que necesitan las plantas se toman del aire y del suelo. Esta publicación trata solamente los nutrientes absorbidos del suelo. Si el suministro de nutrientes en el suelo es amplio, los cultivos probablemente crecerán mejor y producirán mayores rendimientos. Sin embargo, si aún uno solo de los nutrientes necesarios es escaso, el crecimiento de las plantas es limitado y los rendimientos de los cultivos son reducidos. En consecuencia, a fin de obtener altos rendimientos, los fertilizantes son necesarios para proveer a los cultivos con los nutrientes del suelo que están faltando. Con los fertilizantes, los rendimientos de los cultivos pueden a menudo duplicarse o más aún triplicarse. Los resultados de miles de demostraciones y de ensayos llevados a cabo en las fincas de los agricultores bajo el primer Programa de Fertilizantes de la FAO, que cubrió un período de 25 años en 40 países, mostró que el aumento promedio ponderado del mejor tratamiento de fertilizantes para ensayos de trigo era alrededor del 60 por ciento. El aumento de los rendimientos variaba, por supuesto, de acuerdo a la región (por ejemplo debido a la falta de humedad), cultivo y país.
  5. • EL ABONO ORGÁNICO MEJORA LA EFICIENCIA DE LOS FERTILIZANTES Antes de pensar en la aplicación de los fertilizantes, todas las fuentes disponibles de los nutrientes deberían ser utilizadas, por ejemplo excrementos de vaca, de cerdos, de pollos, desperdicios vegetales, paja, estiba de maíz y otros materiales orgánicos. Sin embargo, éstos deberían ser convertidos en abono y ser descompuestos antes de su aplicación en el suelo. Con la descomposición del material orgánico fresco, por ejemplo paja de maíz, los nutrientes del suelo, particularmente el nitrógeno, serán fijados provisionalmente; de este modo no son disponibles para el cultivo posterior. Aún cuando el contenido de nutriente del material orgánico sea bajo y variable, el abono orgánico es muy valioso porque mejora las condiciones del suelo en general.
  6. La materia orgánica mejora la estructura del suelo, reduce la erosión del mismo, tiene un efecto regulador en la temperatura del suelo y le ayuda a almacenar más humedad, mejorando significativamente de esta manera su fertilidad. Además la materia orgánica es un alimento necesario para los organismos del suelo. El abono orgánico a menudo crea la base para el uso exitoso de los fertilizantes minerales. La combinación de abono orgánico / materia orgánica y fertilizantes minerales (Sistema Integrado de Nutrición de las Plantas, SINP) ofrece las condiciones ambientales ideales para el cultivo, cuando el abono orgánico / la materia orgánica mejora las propiedades del suelo y el suministro de los fertilizantes minerales provee los nutrientes que las plantas necesitan. No obstante, el abono orgánico / la materia orgánica por sí solo no es suficiente (y a menudo no es disponible en grandes cantidades) para lograr el nivel de producción que el agricultor desea. Los fertilizantes minerales tienen que ser aplicados adicionalmente. Aún en países en los cuales una alta proporción de desperdicios orgánicos se utiliza como abono y suministro de material orgánico, el consumo de fertilizantes minerales se ha elevado constantemente.
  7. 2) ¿Cómo se sintetizan los fertilizantes químicos? Las plantas en crecimiento necesitan 16 nutrientes químicos, nueve de los cuales se requieren en grandes cantidades y los otros siete en cantidades muy pequeñas. El carbono, el hidrógeno y el oxígeno que necesitan las plantas proceden del aire y del agua; el resto de los nutrientes los absorben del suelo. Los principales nutrientes del suelo son: nitrógeno, fósforo y potasio, los cuales se requieren en grandes cantidades. Los nutrimentos secundarios que se requieren en menor cantidad son calcio, magnesio y azufre. Entre los nutrimentos en trazas se incluyen boro, cloro, cobre, hierro, manganeso y zinc, en la figura 1 se observa cuales son los nutrimentos minerales necesarios para las plantas. Los nutrimentos deben estar presentes en el suelo en la forma iónica adecuada, para que la planta pueda aprovecharlos. La ausencia de cualquiera de estos elementos puede inhibir o evitar el crecimiento de la planta. Los fertilizantes químicos suministran los nutrientes primarios en las formas adecuadas y algunos proveen también de los nutrientes secundarios. La cal y la dolomita proporcionan el calcio y el magnesio, en tanto que el azufre elemental y los sulfatos provienen de fuentes de azufre. Cualquier ausencia o insuficiencia de un nutriente se puede resolver mediante el uso de fertilizantes que contengan dicho nutriente. La preparación química de los fertilizantes es una tarea enorme.
  8. El nitrógeno y el hidrógeno se utilizan para elaborar amoníaco mediante el método de Haber, el amoníaco es la materia prima para la obtención de fertilizantes sólidos que se pueden transportar y utilizar con mayor facilidad. El nitrógeno para el proceso Haber de producción de amoníaco se obtiene del aire y el hidrógeno a partir de la reformación del gas natural. El ácido nítrico se elabora a partir del amoníaco y se emplea para hacer nitrato de amonio que es un fertilizante sólido. El amoníaco se hace reaccionar con dióxido de carbono para obtener urea. La combinación de amoníaco con ácido sulfúrico produce sulfato de amonio (fertilizante sólido más común). Los fertilizantes que contienen fósforo se obtienen a partir de rocas fosfóricas, estas rocas contienen fosfato de calcio, Ca3(PO4)2, que no se puede emplear directamente como fertilizante, para usarlo como tal, se trata con ácido sulfúrico para obtener un superfosfato, o con ácido fosfórico, para producir el superfosfato triple. Los fertilizantes de potasio se obtienen de los depósitos minerales de cloruro de potasio (KCl).
  9. Fertilizantes químicos : Procesamiento químico de productos naturales para formar fertilizantes El nitrógeno y el hidrógeno producen amoníaco: NH3 (aire) (petróleo) El amoníaco, el oxigeno y el agua producen ácido nítrico: HNO3 (aire) El ácido nítrico y el amoníaco producen nitrato de amonio: NH4NO3 El amoníaco y el bióxido de carbono producen urea: El ácido sulfúrico y el amoniaco producen sulfato de amonio (NH4)2SO4 El ácido fosfórico y el amoníaco producen fosfato da amonio: (NH4)3PO4 El ácido fosfórico y el amoníaco producen fosfato da amonio: (NH4)3PO4 La roca fosfóricfa pulverizada produce fosfato de calcio en polvo: Ca3(PO4)2 El ácido sulfúrico y el fosfato de calcio producen superfosfato: CaSO4 + Ca(H2PO4)2 El ácido sulfúrico y el fosfato de calcio producen superfosfato: CaSO4 + Ca(H2PO4)2 El ácido fosfórico y el fosfato de calcio producen superfosfato triple: Ca(H2P04)2 Los minerales que contienen potasio se procesan para formar cloruro de potasio: KCI
  10. • Producción de fertilizantes nitrogenados y fosfatados: Nítricos, como el nitrato sódico, nitrato potásico y nitrato cálcico. Amoniacales, como el sulfato amónico, cloruro amónico, fosfato amónico y amoniaco libre. Nítricos y amoniacales, como el nitrato amónica y nitrosulfato amónico. Amídicos, como la cianamida cálcica y la urea. Proteínicos, procedentes de materia orgánica vegetal o animal. El fósforo se absorbe por raíces con gusto de energía por parte de la planta. El transporte de fósforo, realizado por el agua del suelo contribuye poco con su absorción. Esta depende básicamente de la extensión, forma y velocidad de crecimiento de sus raíces. El fósforo, al ser muy poco móvil, sólo es absorbido cuando llegan las raíces de la planta a la zona provistas del suelo. Por ello es muy importante la difusión de este elemento hacia las raíces. Al consumir el nutriente se crea una merma en la concentración de fósforo que debe ser satisfecha en forma continua para producir máximos rendimientos. En general es difícil que esto ocurra, por ello las plantas "sacan" más raíces para llegar a las zonas ricas en fósforo. El mantenimiento de esta disponibilidad depende pues de la reconstitución de esta concentración y de su aprovechamiento por la planta. Esta reconstrucción depende mucho más de la materia orgánica (presencia de macro y microporos que facilitan el crecimiento radicular), de la textura del suelo, del pH y del contenido de calcio que de la solubilidad en el agua de los abonos fosfatados.
  11. Recursos de producción: Las materias primas son los recursos naturales que utiliza la industria en su proceso productivo para ser transformados en producto semielaborado, en bienes de equipo o de consumo. Existe una gran diversidad de materias primas que se clasifican según su origen, así podemos distinguir entre: a)Origen orgánico: procedentes de las actividades del sector primario (agricultura, ganadería, pesca o sector forestal). Son la base de las industrias textiles (lana, algodón, lino, seda...), calzado (cuero...), alimentación (verduras, pescados, carnes...) y otras. Puede diferenciarse según su procedencia entre materias primas de origen animal o vegetal. b)Origen Inorgánico o mineral: proceden de la explotación de los recursos mineros, siendo la base de las industrias pesadas y de base (metalurgia, siderurgia, químicas, construcción...). Su distribución es irregular sobre la corteza terrestre, existiendo minerales muy abundantes y otros que son más escasos. Casi todos los minerales deben sufrir algunas transformaciones para su uso industrial posterior. Los recursos mineros aptos para el uso industrial se clasifican como minerales metálicos (aquellos utilizados para la obtención de hierro, aluminio, cobre, etc.); como minerales no metálicos (aquellos usados para la obtención de sal, fertilizantes...); y como rocas industriales (utilizadas para la construcción como el yeso para fabricar escayolas, la caliza para fabricar cementos, y para la ornamentación, como el granito, el mármol, etc.). c)Origen químico: podemos incluir como tercer tipo de materia prima a un grupo de materiales que no proceden directamente de la naturaleza sino que se obtienen artificialmente por procedimientos químicos, pero que sirven de base para otras muchas industrias, tales como los plásticos, o las fibras sintéticas. •
  12. • Al igual que las fuentes de energía, no todas las materias primas son inagotables, es decir, su consumo tiene un límite, pues estas no se reproducen. Estas materias primas finitas se denominan no renovables, por ejemplo las de origen inorgánico. Por el contrario, las de origen animal y vegetal se pueden considerar como materias primas renovables, ya que se reproducen, y su consumo no significa el fin del recurso, sino que habrá otros animales y plantas que los sustituyan. Sin embargo, aquellos animales y plantas que nacen de manera espontánea en la naturaleza, no cultivados o criados por el hombre, también corren el peligro de su desaparición si la explotación humana es más rápida que su reproducción natural (el caso de los caladeros de pesca agotados por la sobreexplotación, o los espacios deforestados por la explotación maderera). b) Localización mundial de las materias primas. La distribución irregular de las materias primas en el mundo ha generado un intenso comercio entre los distintos países. La existencia de riquezas minerales o de otras materias primas en un país, no tiene relación directa con el desarrollo económico ni industrial de ese país. Así pues existen zonas con grandes recursos naturales que no tienen un desarrollo industrial paralelo, sino que exportan directamente el recurso sin transformar o solo con las primeras fases del proceso productivo efectuadas (países africanos o latinoamericanos); mientras otras zonas que no cuentan con unos recursos naturales significativos, tienen un desarrollo industrial bastante elevado (Japón). Por lo general, coinciden los principales países productores de materias primas con los países subdesarrollados y los principales consumidores con los desarrollados. También existen excepciones, tales como los países desarrollados que cuentan con grandes territorios, tales como EE.UU. y Rusia, que son al mismo tiempo grandes productores y consumidores de materia prima.
  13. Tipos de reacción: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • EL pH Y LA ASIMILABILIDAD DE LOS NUTRIENTES El pH del suelo influye de forma decisiva en la asimilabilidad de los diferentes nutrientes vegetales. Los pHs que proporciona mejores condiciones de asimilabilidad son ligeramente ácidos ACIDIFICACIÓN Y DESCALCIFICACIÓN La acidificación es la tendencia del complejo de cambio del suelo a cargarse con iones H+ , con el consiguiente detrimento del resto de los cationes minerales. La acidificación del suelo es favorecida por la aplicación de ciertos fertilizantes. Los suelos sin una importante reserva de Ca, pueden presentar un proceso de acidificación, tanto más rápido cuanto más intensivo es el cultivo y cuanto mayores son los aportes de fertilizantes acidificantes. La descalcificación se produce con el abandono de cationes Ca2+ del complejo de cambio del suelo. Si en el suelo no existe una reserva de calcio, la descalcificación aparece como una fase preliminar de la acidificación. Generalmente el calcio es el catión más abundante y su salida facilita la fijación de iones H+ para contrarrestar la carga del complejo. En dichos suelos la descalcificación se produce principalmente por la extracción de Ca2+ por medio de los cultivos.
  14. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • En segundo lugar, la descalcificación también se produce por el agua de lluvia que contiene una pequeña cantidad de gas carbónico y es capaz de disolver la caliza existente en el suelo, de tal forma que el calcio es arrastrado a capas más profundas en forma de bicarbonato de calcio. Los suelos ácidos suelen presentar concentraciones de Ca muy bajas y limitantes de la producción vegetal. Para aportar importante cantidades de Ca al suelo y aumentar su pH, se suele aconsejar la aplicación de carbonato cálcico (CaCO3), debido a que este producto es barato, su solubilidad es relativamente baja (sus efectos duran varios años) e incrementa el pH como se indica en la “Ec.1”. Dicho incremento a su vez reduce o elimina la toxicidad por aluminio, que es otro inconveniente típico de los suelos ácidos. Ec.1. CaCO3+H2O ⇔ Ca2+ + CO3H+ OHPODER AMORTIGUADOR DEL SUELO El suelo tiene un poder amortiguador por el cual, la aplicación de ácidos o bases no varía en gran medida su pH. Este poder amortiguador está relacionado, por un lado, con la existencia de coloides en su composición. Y por otro, está relacionado con su capacidad de intercambio iónico; cuanto mayor sean estos dos factores, mayor poder amortiguador tendrá el suelo. La capacidad de amortiguación es distinta según el tipo de suelo: Suelos húmicos > suelos arcillosos > suelos francos > suelos arenosos.
  15. INCIDENCIA DE LOS DISTINTOS FERTILIZANTES SOBRE EL pH La urea (CO(NH2)2) (Fig. 2) no es exigente en cuanto a la naturaleza del suelo, con excepción de los suelos muy ácidos, que suelen ser poco activos biológicamente. El CO(NH2)2 es soluble en agua y no es retenida por el suelo. La urea se hidroliza en contacto con el agua y bajo la acción de la ureasa (Ec. 2). En buenas condiciones de temperatura y humedad dicha hidrólisis puede realizarse en dos o tres días. En esta primera reacción se observa un comportamiento básico (al pasar de amida a carbonato amónico). Ec. 2. CO(NH2)2 + 2 H2O (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 2 NH4+ + CO32-
  16. Posteriormente la forma amoniacal pasa a forma nítrica (liberando H+ al medio), que es la forma en que la mayoría de las plantas asimilan el nitrógeno. Por lo que el comportamiento final de la urea es de carácter ácido. Las reacciones de oxidación enzimática de nitrificación son bastante complejas, pero se pueden resumir, de la siguiente forma (Ec. 3): Nitritación: 2 NH4+ + 3 O2 2NO2-+ 2 H2O + 4 H++ Energía Nitratación: 2NO2- + O2 2 NO3-+ Energía
  17. Por lo que la reacción que se da en caso del carbonato amónico procedente de la urea, es finalmente de carácter ácido (Ec. 4): CO3(NH4)2 + 4 O2 H2CO3 + 2 H2O + 2 HNO3 Hay que destacar la sensibilidad de las bacterias responsables de la nitrificación a las condiciones ambientales, principalmente debido a su carácter aeróbico estricto. De esta forma la nitrificación se ve dificultada en terrenos inundados,ácidos o fríos. El amoniaco anhidro (NH3) aplicado al terreno se combina con el agua, formando NH4+y OH- NH3 + H2O NH4+ + OHPor lo que en un principio tiene carácter básico. El NH4+ queda adsorbido por los coloides del suelo o continúa su proceso de nitrificación mostrando un comportamiento final ácido como se observa en el proceso de nitrificación anteriormente mostrado
  18. El nitrato amónico (NH4NO3) es un fertilizante que contiene el nitrógeno en forma amoniacal y en forma de nitrato, dando una reacción global ácida, debida al amonio (Ec. 3). El nitrosulfato amónico (NSA 26%) es un producto que aporta nitrógeno en forma amoniacal y nítrica, pero además es un producto que suministra azufre a los cultivos. Es un fertilizante que tiene un pH ácido, adecuado para suelos básicos, que necesiten rebajar el pH y para aquellos cultivos que puedan presenten deficiencias en azufre. El nitrato amónico cálcico (NAC), es un producto que se presenta con distintas fórmulas químicas: NAC 20,5% N con magnesio (14% CaO); NAC 22% N con magnesio (12% CaO); NAC 27% N (13% CaO); NAC 27% N (7,5% CaO) con magnesio. El pH de estos productos variará según su contenido en calcio y magnesio, pero hay que señalar que en aquellos suelos con pH ácido, será recomendable utilizar fertilizantes de mayor porcentaje en CaO. El sulfato amónico ((NH4)2SO4) es un fertilizante acidificante. Esta acción acidificante se debe, además de por tener nitrógeno en forma amoniacal, por el sulfato (SO4
  19. Fosfato diamónico (DAP) ((NH4)2HPO4). El DAP tiene un efecto residual ácido sobre los suelos, aunque inicialmente tiene una reacción alcalina (debido al HPO4 2-), por lo que son muy adecuados para suelos neutros o básicos. El superfosfato es un fertilizante de utilización universal aplicable a todo tipo de suelos. Equivocadamente se le atribuía acción acidificante; sin embargo, ensayos de larga duración con aplicación continuada de superfosfato, aun en grandes dosis, mostraron que no ejerce ninguna acción significativa sobre el pH del suelo. Los fosfatos naturales (de los cuales hay un importante yacimiento en el antiguo Sahara español) tienen riquezas variables y con la excepción de los fosfatos alumino-cálcicos de Thiés (Senegal) son fosfatos tricálcicos y por lo tanto con un comportamiento basificante al igual que las escorias de Thomas, que provienen de "desechos" de la industria siderúrgica combinados a alta temperatura con cal.
  20. *Fertilizantes de acción acidificante: - Urea - Amoniaco anhidro - Nitrato Amónico - Sulfato amónico - Fosfato monoamónico y Fosfato diamónico - Cloruro potásico y sulfato potásico. - Nitrosulfato Amónico. Dichos fertilizantes pueden presentar efecto acidificante en suelos con bajo poder “tamponador” (por ejemplo suelos arenosos y con muy bajos contenidos en Ca). *Fertilizantes que tienen una acción prácticamente nula sobre el pH. - Superfosfato - Nitrato Potásico *Fertilizantes alcalinizantes Los fertilizantes alcalinizantes apenas se usan comercialmente. En este grupo podemos incluir: - Fosfatos naturales - Nitrato de cal El CaCO3 no se considera un fertilizante, aunque actúe como tal en suelos carentes de Ca y sea considerado el principal enmendante de los suelos ácidos.
  21. Ácidos y bases Características de ácidos y bases: Desde hace varios siglos, los ácidos y las bases adquirieron gran influencia en múltiples ambientes debido al enorme provecho que proporcionan a la medicina, bioquímica, nutrición, hematología, en el comercio, en la industria, en fin, los ácidos y las bases han sido, son y serán sustancias que forman parte de nuestra vida cotidiana. Por ello, el estudio de sus características, propiedades y reacciones son un gran recurso para entender determinado número de fenómenos. La palabra ácido (del latín acidus) significa “agrio” y tiene una relación evidente con su sabor característico. Propiedades de los ácidos: Neutralizan los efectos de las bases formando sales Cambian el papel tornasol azul a rojo Tienen sabor agrio Son corrosivos generalmente Conducen la electricidad en solución acuosa (son electrolitos). La palabra base (del griego basis) significa fundamento del compuesto salino, o sea, es la base para la formación de una sal. También llamada álcali (del árabe álcali) que significa ceniza que es de donde se obtenía. Propiedades de las bases: - Tienen un sabor amargo característico de la lejía. - Al igual que los ácidos, en disolución acuosa conducen la electricidad (son electrolitos). - Colorean de azul el papel de tornasol rojo. - Reaccionan con los ácidos para formar una sal más agua. - Son untuosos al tacto (jabonosos). - Son corrosivas generalmente - Reaccionan con los ácidos para producir sales.
  22. • Una definición más general fue propuesta en 1923 por Johannes Brönsted y Thomas Lowry quienes enunciaron que una sustancia ácida es aquella que puede donar H+, exactamente igual a la definición de Arrhenius; pero a diferencia de éste, definieron a una base como una sustancia que puede aceptar protones. • Una definición más general sobre ácidos y bases fue propuesta por Gilbert Lewis quien describió que un ácido es una sustancia que puede aceptar un par de electrones y una base es aquella que puede donar ese par. • Tanto ácidos como bases se encuentran en gran cantidad en productos usados en la vida cotidiana, para la industria y la higiene, así como en frutas y otros alimentos, mientras que el exceso o defecto de sus cantidades relativas en nuestro organismo se traduce en problemas de salud
  23. Teoría Ácido-Base de Lowry-Bronsted Según Bronsted y Lowry, ácidos son todos los compuestos o iones capaces de ceder protones (H+) al medio y bases son los que pueden aceptar protones del medio. Cuando una molécula o anión puede tomar un H+ (base de Bronsted-Lowry), se forma su "ácido conjugado"
  24. Teoría Ácidos y bases de Arrhenius El químico sueco Svante August Arrhenius (1859 – 1927) se interesó pronto por el estudio de las soluciones y, en particular, por aquellos que M. Faraday llamó electrolitos indicando con ello que eran sustancias capaces de conducir la electricidad en una solución acuosa o al fundirse. Arrhenius en su teoría indica que los electrolitos existen en el agua como partículas cargadas eléctricamente (iones) y aunque las propiedades de ácidos y bases ya eran conocidas anteriormente y estaban determinadas de forma general, Arrhenius fue el primer científico en demostrar la naturaleza fundamental de ácidos y bases. A partir de sus experimentos con electrolitos, logró postular su teoría indicando: - Los ácidos producen iones hidrógeno (H+) en solución acuosa. - Las bases en iguales condiciones producen iones hidroxilo u oxhidrilo (OH-).
  25. Usos frecuentes: Así el ácido sulfúrico (H2SO4) se utiliza en los acumuladores de autos, el ácido muriático (HCl "reciclado") se utiliza para quitar el sarro de los baños y otros lugares, el ácido acético (CH3 – COOH) es el ingrediente del vinagre para ensaladas, el ácido carbónico (H2CO3) es el componente de las bebidas gaseosas. Todos ellos son sustancias capaces de producir iones hidrógeno en solución acuosa, por ello se les considera como ácidos de Arrhenius. Aún y cuando éstos cuatro ácidos presentan enlace covalente, (que es el enlace químico que se forma cuando se comparten uno o más pares de electrones); la producción de iones hidrógeno y iones oxhidrilo se debe la presencia del agua, que es una sustancia polar. La diferencia en la fuerza de los ácidos se puede cuantificar mediante la medida de la conductividad eléctrica de sus respectivas disoluciones acuosas; cuanto más fuerte es un ácido mejor conduce la electricidad. En los ácidos fuertes la reacción química estaría desplazada hacia los productos (a la derecha de la flecha de reacción) de modo que abundarían más los iones H+(aq). Por el contrario, en los ácidos débiles el grado de disociación es muy pequeño, es decir, sólo una mínima fracción de sustancia estaría disuelta en forma de iones H+, y el equilibrio de la reacción se encuentra desplazado hacia los reactivos (la izquierda de la flecha de reacción). Las bases fuertes, como el hidróxido de sodio (NaOH) o el hidróxido de potasio (KOH), son agresivas o cáusticas con los tejidos blandos animales, como las mucosas; de ahí que el NaOH se denomine usualmente sosa cáustica y el KOH potasa cáustica. Sus soluciones acuosas reciben el nombre de lejías. Reacciones de Neurtalización: La reacción mediante la cual una base neutraliza las propiedades de un ácido recibe el nombre de neutralización y se ajusta, en términos generales, a una ecuación química del tipo: ácido + base -----> sal + agua
  26. • De acuerdo con la teoría de Arrhenius, la neutralización se reduce a una reacción entre los iones H+ y OH-característicos respectivamente de ácidos y bases para dar agua:
  27. • Fuerza de los ácidos y las bases • La fuerza de un ácido o la de una base está determinada por su tendencia a perder o a ganar protones. Los ácidos pueden dividirse en fuertes (ClH, SO4H2, NO3H, etc.) y débiles (PO4H2–, CH3COOH, CO3H2, etc.). Las moléculas de los primeros se disocian en forma prácticamente total al ser disueltos en agua. Los segundos sólo ionizan una pequeña proporción de sus moléculas. De aquí que, para una misma concentración de ácido, la concentración de iones hidrógeno es mayor en las soluciones de ácidos fuertes que en las de los débiles. • Las bases también pueden dividirse en fuertes (NaOH, KOH, Ca (OH)2, etc.) y débiles (NH3, trimetilamina, anilina, etc.). Las primeras se disocian completamente en solución. Al igual que para ácidos débiles, las constantes de disociación de las bases débiles (KB) reflejan el grado de ionización. • Una generalización útil acerca de las fuerzas relativas de los pares ácido-base es que si un ácido es fuerte, su base conjugada es débil y, para las bases, si una sustancia es una base fuerte, su ácido conjugado es débil.
  28. Limitaciones de las definiciones de Arrhenius: • Las definiciones de ácido y base dadas por Arrhenius tropiezan con algunas dificultades. En primer lugar, el ion H+en disolución acuosa no puede permanecer aislado; dado el carácter dipolar de la molécula de agua, el ion H+ se unirá, por lo menos, a una de ellas formando el ion hidronio H3O+ según la reacción: • En conclusión: La teoría de Arrhenius se limita a: 1.) Clasificar los ácidos como especies químicas que contienen iones hidrógeno (H+) y bases, como especies químicas que contienen iones hidroxilo (OH-). 2.) Solo se refiere a dilusiones acuosas y se han encontrado reacciones ácido-base que se también se verifican en ausencia de agua. 3.) Siempre que reacciona un ácido con una base en cantidades correctas, se produce una sal y agua. A esto se le denomina neutralización. Las definiciones de Arrhenius son útiles en la actualidad, siempre y cuando se trate de soluciones acuosas.
  29. Reversibilidad y equilibrio en las reacciones químicas. • Las especies reaccionan para producir los productos. Sin embargo, los productos pueden también reaccionar para producir la especie original. Esto se conoce como reversibilidad de la reacción . • Para las reacciones reversibles, las reacciones directa y reversa están ocurriendo constantemente. Si está ocurriendo una reacción más que la otra, entonces la reacción neta está en la dirección de esa reacción. Todas las reacciones reversibles alcanzan una punta donde las reacciones directa y reversas ocurren a la misma tasa. Este punto se llama equilibrio dinámico .
  30. • Todas las reacciones son escencialmente reversible, pero algunas permanecen en un extremo (solamente los reactivo o los productos parecen estar presentes) que pareciera que la reaccion se ha efectuado completamente en una dirección solamente. Por ejemplo, la reacción de HCl (ac) + H 2O(l)Cl - (ac) + H 3 O + (ac) favorece a los productos tanto, que la concentración de las moléculas de HCl en la solución es esencialmente insignificante. Si en el equilibrio hay cantidades significativas de producto y de reactivo, entonces la reacción se puede describir en términos de un valorde K, o constante de equilibrio. Para cualquier reacción: aA + bB +... rR + sS +..., se define la K como: donde K es una constante para la reacción a temperatura constante. K no tiene unidades.
  31. PUNTO DE ÉNFASIS: • Las concentraciones en el equilibrio se combinan siempre de la manera anterior para producir el valor de K, sin importar las concentraciones iníciales de especies. • Un punto importante sobre la formación de la expresión de la constante de equilibrio es que solamente las sustancias acuosas y gaseosas están incluidas en la expresión. Se excluyen los sólidos y los líquidos puros . Intuitivamente, esto tiene sentido porque la " concentración " de un sólido o de un líquido puro es definida por su densidad, y es por lo tanto es una constante a una temperatura y una presión dadas. Para los insatisfechos con esto, una explicación más científica se da en la sección siguiente.
  32. Ácidos y bases como reacciones del equilibrio • Los ácidos y las bases son una subdivisión importante de las reacciones del equilibrio. La disociación de ácidos y de la base fuertes con la reacción con agua se asume completa.Sin embargo, la mayoría de ácidos son débiles y solamente una fracción del ácido débil presente en la solución acuosa reacciona realmente con agua. La mayoría del ácido permanece en su estado inicial sin disociar, y la mezcla que resulta de reactivo y de productos se puede describir matemáticamente. Para los ácidos, una constante de equilibrio especial para la reacción de cada ácido con agua se define como K a , o constante ácida de la disociación . El valor de Ka es una medida de la cantidad de disociación del ácido. Cuando la Ka aumenta, tambien lo hara la cantidad de disociación.
  33. • La K a para cualquier solución ácida en equilibrio: HX (ac) H + (ac) + X - (ac) • se define como: donde X - está la base conjugada del ácido.
  34. Se pudo haber notado que algunos de los equilibrios de la ácido-base en esta pagina se han escrito como HX (ac) + H 2 O (l) X - (ac) + H 3 O + (ac) La exclusión de sólidos y de líquidos puros de expresiones de constantes de equilibrio tales como K a es especialmente importante aquí porque hace las expresiones del equilibrio para estas dos reacciones la misma, pues se considera H + y H3O+ iguales. Así, cualquier forma de la ecuación del equilibrio de la ácido-base puede ser utilizada.
  35. ¿Como modificar el equilibrio de una reacción química? Energía de Ionización • La energía de ionización, también llamada potencial de ionización, es la energía que hay que suministrar a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, para arrancarle el electrón más débil retenido. Podemos expresarlo así: X + 1ªE.I. X+ + eSiendo esta energía la correspondiente a la primera ionización. La segunda energía de ionización representa la energía necesaria para arrancar un segundo electrón y su valor es siempre mayor que la primera, ya que el volumen de un ion positivo es menor que el del átomo neutro y la fuerza electrostática es mayor en el ion positivo que en el átomo, ya que se conserva la misma carga nuclear: X+ + 2ªE.I. X2+ + eSe puede deducir el significado de la tercera energía de ionización y de las posteriores. La energía de ionización se expresa en electrón-voltio, julios o en Kilojulios por mol (kJ/mol). 1 eV = 1,6.10-19 culombios . 1 voltio = 1,6.10-19 julios
  36. • Disociación de enlace En química, la energía de disociación de enlace o D0, es una medida de la fuerza de un enlace químico. Se define como el cambio de entalpía estándar cuando un enlace se escinde por homólisis, con reactivos y productos de la reacción homólisis a 0 K. Por ejemplo, la energía de disociación de enlace para uno de los enlaces CH en etano se define por el proceso: CH3CH2-H? + H CH3CH2 D0 =? H = 101,1 kcal/mol
  37. Factores que afectan la rapidez de una reacción química o Temperatura: En general, la velocidad de una reacción química aumenta conforme se eleva la temperatura. o Concentración: La velocidad de reacción aumenta con la concentración de los reactivos. Para aumentar la concentración de un reactivo: Si es un gas, se consigue elevando su presión. Si se encuentra en disolución, se consigue cambiando la relación entre el soluto y el disolvente.
  38. o Superficie de contacto: Cuanto más divididos están los reactivos, más rápida es la reacción. Esto es así porque se aumenta la superficie expuesta a la misma. o Catalizadores: Un catalizador es una sustancia, distinta a los reactivos o los productos, que modifican la velocidad de una reacción. Al final de la misma, el catalizador se recupera por completo e inalterado. En general, hace falta muy poca cantidad de catalizador. Los catalizadores aumentan la velocidad de la reacción, pero no la cantidad de producto que se forma.
  39. Teoría de las colisiones • La teoría de las colisiones propuesta por Max Trautz y William Lewis en 1916 y 1918, cualitativamente explica como reacciones químicas ocurren y porque las tasas de reacción difieren para diferentes reacciones. • Esta teoría está basada en la idea que partículas reactivas deben colisionar para que una reacción ocurra, pero solamente una cierta fracción del total de colisiones tiene la energía para conectarse efectivamente y causar transformaciones de los reactivos en productos. Esto es porque solamente una porción de las moléculas tiene energía suficiente y la orientación adecuada (o ángulo) en el momento del impacto para romper cualquier enlace existente y formar nuevas.
  40. Hay dos tipos de colisiones: Horizontal – Colisión más lenta Vertical – Colisión más rápida, colisión efectiva Veamos los dos modelos de colisiones para la formación de dos moléculas de HCl: Colisión Horizontal: Colisión Vertical
  41. Energía Activa • La energía de activación (Ea), es la energía necesaria en un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso. Suele emplearse para hacer referencia a la energía mínima necesaria para que se produzca la reacción química dada. • Para que suceda una reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta y contar con una cantidad de energía mínima. A medida que las moléculas se aproximan, sus nubes de electrones se rechazan. Esto requiere de energía de activación y proviene del calor del sistema, es decir de la energía traslacional, vibracional, etc. de cada molécula. Si la energía es la suficiente, se vence la repulsión y las moléculas se aproximan lo suficiente para que se produzca una reordenación de los enlaces de las moléculas.
  42. Factores que afectan el estado de equilibrio de una reacción o Concentración: Cuando la concentración de una de las sustancias en un sistema en equilibrio se cambia, el equilibrio varía de tal forma que pueda compensar este cambio. Por ejemplo, si se aumenta la concentración de uno de los reaccionantes, el equilibrio se desplaza hacia la derecha o hacia el lado de los productos.
  43. Temperatura: La variación de equilibrio causada por un cambio de temperatura dependerá de si la reacción tal como esta escrita es exotérmica, o endotérmica. Reacciones Exotérmicas Si la reacción es exotérmica se puede considerar al calor como uno de los productos, por lo que al aumentar la temperatura el equilibrio se desplaza hacia la izquierda. A + B Û AB + calor o Si se disminuye la temperatura, el equilibrio se desplazará hacia la derecha. Reacciones Endotérmicas Si la reacción es endotérmica, el calor se considera como un reactivo. A + B + calor Û AB Por lo tanto, si se aumenta la temperatura se favorece un desplazamiento del equilibrio hacia la derecha y si se disminuye, hacia la izquierda.
  44. • Presión: Si se aumenta la presión de un sistema en equilibrio, el equilibrio se desplazará de forma que disminuya el volumen lo máximo posible, es decir, en el sentido que alivie la presión. Como ejemplo, considérese el efecto de triplicar la presión en el siguiente equilibrio: Al existir dos volúmenes de gas del lado de los productos, implica que hay una mayor cantidad de moléculas de NO2 y al aumentar la presión se favorece un mayor número de colisiones entre moléculas en el lado de los productos, por lo que el equilibrio se desplaza hacia la izquierda.
  45. ¿Debemos prescindir de los fertilizantes? Impacto socioeconómico y ambiental de la producción y uso de los fertilizantes: Los subsidios generan potencialmente efectos económicos tanto directos como indirectos. En el ámbito agrícola, los efectos directos incluyen la influencia en patrones de crecimiento y ubicación, inversión y comercio. La teoría económica predice que los subsidios agrícolas pueden aumentar la producción, disminuir los precios mundiales, desequilibrar los mercados internacionales y reducir la eficiencia económica. Los subsidios agrícolas pueden también conducir a efectos indirectos tanto en las industrias con línea de producción ascendente como en las industrias con línea de producción descendente, como es el caso de las industrias de producción (por ejemplo, agroquímicos) y transformación (por ejemplo, alimentos procesados). A su vez, los subsidios directos para las industrias ascendentes y descendentes pueden también afectar la producción y el comercio agrícola
  46. • Todos los proyectos de producción de fertilizantes requieren la fabricación de compuestos que proporcionan los nutrientes para las plantas: nitrógeno, fósforo y potasio, sea individualmente (fertilizantes "simples"), o en combinación (fertilizantes "mixtos"). • El amoniaco constituye la base para la producción de los fertilizantes nitrogenados, y la mayoría de las fábricas contienen instalaciones que lo proporcionan, sin considerar la naturaleza del producto final. Asimismo, muchas plantas también producen ácido nítrico en el sitio. La materia prima preferida para producir amoníaco es el gas natural; sin embargo, se utiliza carbón, nafta y aceite combustible también. Los fertilizantes nitrogenados más comunes son: amoníaco anhidro, urea (producida con amoníaco y dióxido de carbono), nitrato de amonio (producido con amoniaco y ácido nítrico), sulfato de amonio (fabricado en base a amoníaco y ácido sulfúrico) y nitrato de calcio y amonio, o nitrato de amonio y caliza el resultado de agregar caliza al nitrato de amonio). • Los fertilizantes de fosfato incluyen los siguientes: piedra de fosfato molida, escoria básica (un subproducto de la fabricación de hierro y acero), superfosfato (que se produce al tratar la piedra de fosfato molida con ácido sulfúrico), triple superfosfato (producido al tratar la piedra de fosfato con ácido fosfórico), y fosfato mono y diamónico (MAPA y DAP). Las materias primas básicas son: piedra de fosfato, ácido sulfúrico (que se produce, usualmente, en el sitio con azufre elemental), y agua. • Todos los fertilizantes de potasio se fabrican en base a salmueras o depósitos subterráneos de potasa. Las formulaciones principales son cloruro de potasio, sulfato de potasio y nitrato de potasio. • Se pueden producir fertilizantes mixtos, mezclándolos en seco, granulando varios fertilizantes intermedios mezclados en solución, o tratando la piedra de fosfato con ácido nítrico (nitrofosfatos).
  47. Impactos ambientales potenciales • • • Los impactos socioeconómicos positivos de esta industria son obvios: los fertilizantes son críticos para lograr el nivel de producción agrícola necesario para alimentar la población mundial, rápidamente creciente. Además, hay impactos positivos indirectos para el medio ambiente natural que provienen del uso adecuado de estas sustancias; por ejemplo, los fertilizantes químicos permiten intensificar la agricultura en los terrenos existentes, reduciendo la necesidad de expandirla hacia otras tierras que puedan tener usos naturales o sociales distintos. Sin embargo, los impactos ambientales negativos de la producción de fertilizantes pueden ser severos. Las aguas servidas constituyen un problema fundamental. Pueden ser muy ácidas o alcalinas y, dependiendo del tipo de planta, pueden contener algunas sustancias tóxicas para los organismos acuáticos, si las concentraciones son altas: amoniaco o los compuestos de amonio, urea de las plantas de nitrógeno, cadmio, arsénico, y fluoro de las operaciones de fosfato, si está presente como impureza en la piedra de fosfato. Además, es común encontrar en los efluentes, sólidos totales suspendidos, nitrato y nitrógeno orgánico, fósforo, potasio, y (como resultado), mucha demanda de oxígeno bioquímico (DOB5); y, con la excepción de la demanda de oxígeno bioquímico, estos contaminantes ocurren también en las aguas lluvias que escurren de las áreas de almacenamiento de los materiales y desechos. Es posible diseñar plantas de fosfato de tal manera que no se produzcan descargas de aguas servidas, excepto en el caso del rebosamiento de una piscina de evaporación durante las temporadas de excesiva lluvia, pero esto no siempre es práctico. Los productos de fertilizantes terminados también son posibles contaminantes del agua; su uso excesivo e inadecuado puede contribuir a la eutrofización de las aguas superficiales o contaminación con nitrógeno del agua freática. Además, la explotación de fosfato puede causar efectos negativos. Estos deben ser tomados en cuenta, cuando se predicen los impactos potenciales de proyectos que incluyan las operaciones de extracción nueva o expandida, sea que la planta está situada cerca de la mina o no (ver la sección: "Extracción y Procesamiento de Minerales").
  48. • Los contaminantes atmosféricos contienen partículas provenientes de las calderas, trituradores de piedra de fosfato, fluoro (el contaminante atmosférico principal que se originan en las plantas de fosfato), neblina ácida, amoníaco, y óxidos de azufre y nitrógeno. Los desechos sólidos se producen principalmente en las plantas de fosfato, y consisten usualmente en ceniza (si se emplea carbón para producir vapor para el proceso), y yeso (que puede ser considerado peligroso debido a su contenido de cadmio, uranio, gas de radon y otros elementos tóxicos de la piedra de fosfato). • La fabricación y manejo de ácido sulfúrico y nítrico representa un riesgo de trabajo y peligro para la salud, muy grande. Los accidentes que producen fugas de amoníaco pueden poner en peligro no solamente a los trabajadores de la planta, sino también a la gente que vive o trabaja en los lugares aledaños. Otros posibles accidentes son las explosiones, y las lesiones de ojos, nariz, garganta y pulmones. • Como algunos de los impactos que se han mencionado pueden ser evitados completamente, o atenuados mis exitosamente a menor costo, si se escoge el sitio con cuidado. (ver, conjuntamente con este capítulo: "Ubicación de Plantas y Desarrollo de Parques Industriales"
  49. Temas especiales: Desechos sólidos Son complejos los desechos sólidos que se producen durante la fabricación de fertilizantes, y estos no pueden ser arrojados, indiscriminadamente, en el suelo. Los materiales potencialmente peligrosos contienen: catalizadores usados de vanadio, provenientes de las plantas de ácido sulfúrico, y lodos de arsénico, de las fábricas de ácido sulfúrico que utilizan piritas; requieren un manejo y eliminación especial. Si el yeso está contaminado con metales tóxicos, puede ser difícil eliminarlo. La eliminación de la ceniza de las plantas de amoniaco que utilizan gasificación de carbón puede ser un problema. El área de terreno debe ser suficiente para poder colocar almacenar adecuadamente los desperdicios sólidos. Existen oportunidades para reutilizar estos desechos sólidos y éstas deben ser evaluadas para cada proyecto (ver el siguiente párrafo). El diseño del proyecto debe identificar las medidas definitivas necesarias para eliminar los desechos sólidos, las cuales deben evaluarlas completamente en y los estudios de factibilidad.
  50. Reducción de los desperdicios Se emplean importantes cantidades de agua en la industria de fertilizantes, para los procesos, enfriamiento, y operación de los equipos de mitigación de la contaminación. Los desechos líquidos se originan en los procesos, torres de enfriamiento y purgación de las calderas, causando derrames, fugas y escurrimiento. Sin embargo, existe la oportunidad de reutilizar estas aguas dentro de las plantas, y reducir las demandas de la planta sobre las existencias locales. Por ejemplo, el agua servida que proviene de la producción de ácido fosfórico puede ser utilizada, nuevamente, como agua de proceso en la misma planta. Otras aguas servidas pueden ser empleadas en los condensadores, lavadores de gases y sistemas de enfriamiento. El yeso de las plantas de fertilizantes de fosfato, puede ser utilizado en la fabricación de cemento y producción de bloques para la construcción, y planchas de yeso. Además, se utiliza el yeso para cubrir los rellenos sanitarios. Si está contaminado con metales tóxicos o material radioactivo, requerirá un tratamiento especial. Las empresas de agua potables de los Estados Unidos emplean ácido hidrofluosilícico ampliamente, para fluorización porque, como desecho de la producción de fertilizantes de fosfato, es mucho menos costoso que fluoruro de sodio. Se transporta el ácido grandes distancias en los Estados Unidos, pero, en general, su exportación no es económicamente atractiva. Sin embargo, pueden presentarse circunstancias en las que pueda ser reutilizado por un país en desarrollo, especialmente después de convertirlo en una sal de sodio. Además, el ácido puede ser utilizado para producir fluoruro de aluminio.
  51. Amoniaco La producción, uso y almacenamiento de amoníaco requiere un diseño acertado, buen mantenimiento y monitoreo, para reducir al mínimo el riesgo de fugas o explosiones accidentales. Es esencial tener un plan de contingencia para proteger al personal de la planta y las comunidades aledañas.Con el tiempo los fertilizantes hacen que la tierra sea infertil.
  52. biblografía • http://blogjardineria.com/fertilizantes-organicos-inorganicosventajas-desventajas/ • http://www.sagarpa.gob.mx/desarrolloRural/Documents/fichasC OUSSA/Abonos%20organicos.pdf • ftp://ftp.fao.org/agl/agll/docs/fertuso.pdf • http://www.ignaciorodriguez.com.mx/Presentaciones/Doc_quimi ca3/Complementoscursoq3/Obtenciondefertilizantes.pdf • http://www.ignaciorodriguez.com.mx/Presentaciones/Doc_quimi ca3/Complementoscursoq3/Obtenciondefertilizantes.pdf • http://www.unalmed.edu.co/~cgpaucar/1.html
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