Fertilizantes químicos

Alimentar a la población mundial, en acelerado crecimiento, demanda a los granjeros la producción de mejores y más abundantes cosechas. Cada año se agregan a los suelos cientos de millones de toneladas de fertilizantes químicos para aumentar la calidad y el rendimiento de las cosechas. Además de dióxido de carbono y agua, las plantas necesitan por lo menos seis elementos para tener un crecimiento satisfactorio. Estos elementos son N, P, K, Ca, S y Mg. 

Los fertilizantes nitrogenados contienen sales de nitrato (NO2), sales de amonio (NH4⁺) y otros compuestos. Las plantas pueden absorber nitrógeno directamente en forma de nitrato, pero las sales de amonio y el amoniaco(NH3) se deben convertir primero en nitratos mediante accion de las bacterias del suelo. La principal materia prima para los fertilizantes nitrogenados es el amoniaco, que se obtiene por la reaccion entre hidrógeno y nitrógeno:

3H2(g)  +  N2(g)   -->  2NH3(g)

En forma líquida, el amoniaco se puede inyectar directamente en el suelo.

De manera alternativa, el amoniaco se puede convertir en nitrato de amonio,NH4NO3, sulfato de amonio, (NH4)2SO4, o hidrógeno fosfato de amonio, (NH4)2HPO4, por medio de las siguientes reacciones ácido-base:

NH3(ac)  +  HNO3(ac)  -->  NH4NO3(ac)

2NH3(ac)  +  H2SO4(ac)  -->  (NH4)2SO4(ac)

2NH3(ac)  +  H2PO4(ac)  -->  (NH4)2HPO4(ac)

Otro método para obtener sulfato de amonio requiere de dos pasos :

2NH3(ac)  +  CO2(ac)  +  H2O(l)  -->  (NH4)2CO3(ac)                          (1)

(NH4)2CO3(ac)  +  CaSO4(ac)  -->  (NH4)2SO4(ac)  +  CaCO2(s)        (2)

Este procedimiento es adecuado porque las materias primas, dióxido de carbono y sulfato de calcio, son menos costosas que el ácido sulfúrico. Para aumentar el rendimiento, se ahce que el amoniaco sea el reactivo limitante de la reaccón (1) y, el carbonato de amonio, en la reacción (2).

Hay varios factores que influyen en la elección de un fertilizante sobre otros: 1) el costo de materias primas necesarias para la obtencion del fertilizante; 2) la facilidad de almacenamiento, transporte y empleo; 3) la composición porcentual en masa del elemento que se desea; 4) adaptabilidad del compuesto, es decir, si el compuesto es soluble en agua y si puede ser absorbido rápidamente por las plantas. Al considerar todos estos factores, se encuentra que el NH4NO3 es el fertilizante nitrogenado más importante en el mundo, a pesar de que el amoniaco tiene mayor porcentaje de nitrógeno en masa.

Los fertilizantes fosfatados provienen de una roca fosfórica llamada fluorapatita, CA5(PO4)3F. La fluorapatita es insoluble en agua, por lo que primero debe convertirse en dihidrógeno fosfato de calcio CA(H2PO4)2, que es soluble en agua:

2CA5(PO4)3F(s)  +  7H2SO4(ac)  -->  3CA(H2PO4)2(ac)   +   7CaSO4(ac)  +  2HF(g)

Para lograr el máximo rendimiento, se hace que la fluorapatita sea el reactivo limitante en esta reacción.

Todas las reacciones que se estudiaron para la preparación de fertilizantes parecen relativamente sencillas; sin embargo, se han hechos muchos esfuerzos para mejorar su rendimiento cambiando algunas condiciones como temperatura, presión, entre otras. Por lo general, los químicos industriales primero producen las reacciones prometedoras en el laboratorio y después las prueban en una planta piloto antes de aplicarlas en forma masiva.