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無機化学
第17回 リン、肥料

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リン

リンの性質

リンは第15族の元素であり、天然に単体は存在せず、リン酸カルシウム Ca3(PO4)2 の形で存在する。この物質の鉱物名はリン鉱石である。このリン鉱石をコークスと CaCO3 により還元するとリンの単体の蒸気が得られる。これを空気と接触させないように水中に導くと、分子式が P4 で表される黄リンが生じる。

2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C → 6CaSiO3 + 10CO + P4

黄リンを空気を遮断して加熱すると、密度の小さな共有結合性結晶の赤リンが得られる。

黄リンと赤リンはリンの同素体であるが、性質もみかけも異なる。

黄リンはろう状の乳白色の固体で、 P4 で表される分子性物質である。 P4 は結合角が小さいため非常に不安定で空気中で容易に発火して P4O10 となる。そのため、保存する際はガラス瓶に水を入れ、その中で保存する。空気を遮断して加熱したり、日光を当てると赤リンに変化する。

一方、赤リンは無定形高分子である。空気中で安定で自然発火しない。空気中で安定でマッチの材料等にもちいられる。

十酸化四リン(五酸化二リン)

リンを燃焼させると生じる無職の固体で昇華性を持つ。強い脱水作用を持ち気体の乾燥剤として用  いられる。水と激しく反応して中程度の酸のリン酸を生じる。

黄リンの燃焼: P4 + 5O2 → P4O10

十酸化四リンと水の反応: P4O10 + 6H2O → 4H3PO4

肥料

植物の育成に、リン、窒素、カリウム、マグネシウム、カルシウムの5元素は重要な役割を果たす。そのため、植物を育てる際これらの元素を肥料として与える。

特に重要なのはリン、窒素、カリウムの3元素である。

元素効果
リン 生育の初期に与えると根、茎、葉の数が増え、花や実を多く得ることができる
窒素 葉緑素の構成成分の一つ。養分吸収や炭酸同化作用を盛んにする
カリウム 根を強くして病害虫や暑さや寒さに強くなる
マグネシウム 葉緑素の構成成分の一つ。養分吸収や炭酸同化作用を盛んにする
カルシウム 根の発育を促進する

リン酸肥料

リンを肥料として与える場合、単体のリンは毒性や不安定性、あるいは非水溶性であることなどが理由となって使うことができない。そこで塩の形で用いる。

リンの塩であるリン酸カルシウムは、2価の陽イオンであるカルシウムイオン Ca2+ と3価の陰イオンであるリン酸イオン PO43- が結びついてできたものであるが、構成するイオンの価数が大きいため結合力が非常に強く、水に不溶である。

そこで、硫酸やリン酸で処理することで水溶性のリン酸二水素カルシウムとして用いる。

Ca3(PO4)2  リン酸カルシウム
Ca2+ PO43-
+2 のイオンと -3 のイオンの結合で、
強く結びついている。 水に不溶
Ca(H2PO4)2  リン酸二水素カルシウム
Ca2+ H2PO4-
+2のイオンと-1のイオンの結合で、
結びつきが弱い。 水に可溶

1)リン酸カルシウムを硫酸で処理すると過リン酸石灰が得られる。

2)リン酸カルシウムをリン酸で処理すると重過リン酸石灰が得られる。
重過リン酸石灰は肥料効果のない硫酸カルシウムが含まれないため、過リン酸石灰より高い肥料効果を持つ。

Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 → 3Ca(H2PO4)2

窒素肥料

窒素を主成分として含む肥料には、魚粉、油粕、たい肥などの有機系窒素肥料と硫酸アンモニウム(硫安)、塩化アンモニウム(塩安)、尿素、硝酸アンモニウムなどの化学肥料がある。

化学肥料の原料としてアンモニアや硝酸が多く用いられる。これらの肥料は元来高価なものであったが、ハーバーボッシュ法とオストワルト法により安価かつ大量にアンモニアや硝酸が合成できるようになったことで食料供給量が増え、地球の人口が劇的に増加した。

カリウム肥料

カリウムを主成分として含む肥料には、塩化カリウム、硫酸カリウム等がある。日本にはカリウム資源がないため、全量をアメリカやヨーロッパなどから輸入している。

雷の多い年は作物が良くとれる

雷は稲妻と呼ばれ、雷が多い年は稲や作物が多くとれて豊作になるという言い伝えがある。これは、雷の高温と高圧によって空気中の窒素と酸素が化合して NO や NO2 などとなり、植物に窒素を供給するためである。

窒素循環

窒素はタンパク質やDNA、RNAなどに多量に含まれており、生物の体には必要な元素である。この窒素は上のように生物の生命活動によって大気、土壌を循環している。

この図は化学では問われないが、問題の設定上あらわれることも考えられるので知っておいた方が良いだろう

 
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