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1 Was ist Dünger? - Universität Regensburg

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Universität Regensburg
Institut für Anorganische Chemie
Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner
Demonstrationsversuche Sommersemester 2009
Dozentin: Dr. M. Andratschke
Referentinnen:
Sandra Fretschner
Claudia Luff
27. 05. 2009
1 Was ist Dünger?
1.1 Definition und Notwendigkeit der Düngung
„Dünger oder Düngemittel ist ein Sammelbegriff für Stoffe und Stoffgemische, die in der
Landwirtschaft und im Gartenbau dazu dienen, das Nährstoffangebot der Kulturpflanzen zu
erhöhen.“ [1]
In der freien Natur ist eine Düngung nicht nötig, da
Pflanzenreste und der organische Abfall durch Mikroorganismen zersetzt und die Nährstoffe durch Stoffwechselkreisläufe den Pflanzen wieder zugeführt werden (s. Abb. 1).
Düngung
ist
daher
hauptsächlich
für
künstliche,
vom
Menschen angelegte Flora relevant, da z. B. in Blumentöpfen
oder auch Gartenbeeten der natürliche Kreislauf nicht
durchlaufen werden kann. Zudem werden den Pflanzen durch
das Ernten von Obst und Gemüse oder das Mähen des
Rasens wichtige Rohstoffe entzogen, was die Rückgewinnung
Abb. 1: Der natürliche
Kreislauf [3]
der Nährstoffe verhindert. [2, 3]
1.2 Einteilung der Dünger
Man unterscheidet organische und anorganische (= mineralische) Dünger. „Organische
Dünger bestehen aus natürlichen Rohstoffen (…) [und] werden erst durch Bodenorganismen
über Umsetzungsprozesse (Mineralisierung) in eine für Pflanzen aufnehmbare Form
gebracht. Die Wirkung organischer Dünger erfolgt kontinuierlich über einen längeren
Zeitraum.“ [3] Zu dieser Art von Düngern zählen beispielsweise Gülle, Kompost oder
Klärschlamm. Anorganische oder „Mineraldünger enthalten Nährstoffe als Nährsalze. Sie
1
können von der Pflanze direkt aufgenommen werden, sind also sofort wirksam.“ [3] Beispiele
hierfür sind KAS (Kalkammonsalpeter), Harnstoff oder Ammoniumsulfat. [4]
1.3 Bestandteile der Düngemittel
Pflanzen benötigen neben Stoffen, die sie über die Luft aufnehmen, die Elemente Stickstoff,
Phosphor, Kalium, Magnesium, Calcium, Schwefel und Eisen sowie Spurennährstoffe. Diese
Nährstoffe können nicht im elementaren Zustand, sondern nur in Form von Ionen
aufgenommen werden. Die Hauptnährelemente Stickstoff, Phosphor und Kalium sind die
Kernbestandteile eines mineralischen Düngers. [2, 4]
2 Die Hauptnährelemente Stickstoff, Phosphor und Kalium
2.1 Stickstoff
Stickstoff wird in der Pflanze vor allem für das Wachstum gebraucht; man bezeichnet ihn
auch als „Motor des Wachstums“ [4], weil er als Bauelement sowohl in Chlorophyll, Enzymen
und Eiweißen enthalten und somit unter anderem für das Blätter- und Längenwachstum
entscheidend ist. [3, 5]
Aufgenommen wird Stickstoff generell über die Wurzeln, größtenteils in Form von NitratIonen (NO3-), zum Teil auch als Ammonium-Ionen (NH4+). Der Vorteil des Nitrats ist die freie
Beweglichkeit der Ionen im Boden. Sie sind im Bodenwasser gelöst und gelangen schnell
und leicht an die Wurzeln. [4]
Bei einem Mangel an Stickstoff in der Pflanze kann es
zum Einen zu einer Chlorose (= Chlorophyllmangel)
kommen, bei der die Blätter gleichmäßig hell- bis
gelbgrün werden (s. Abb. 2). Zum Anderen kann eine
Nekrose (= Absterben) der älteren Blätter durch
Eiweißabbau entstehen oder der Mangel macht sich
durch ein schwaches Wachstum aufgrund einer Störung
Abb. 2: Chlorose durch
Stickstoffmangel [3]
des Stoffwechsels bemerkbar. [3]
Eine Überdüngung der Pflanze führt zu einer erhöhten Nitratkonzentration, da nicht alles an
vorhandenem Nitrat verbraucht wird. Es kommt dann u. U. zur Reduktion zu gesundheitsschädlichem Nitrit (NO2-). [1]
2
Versuch: Nachweis von Nitrat mit dem Lunge Reagenz [6(a)]
•
Geräte und Chemikalien:
Overhead-Projektor, Kristallisierschale, Pipette
Düngerlösung, Lunge 1 (Sulfanilsäure C6H7NO3S), Lunge 2 (α-Naphthylamin C10H9N),
Essigsäure (CH3COOH), Zinkpulver (Zn)
•
Durchführung:
Die Düngerlösung wird mit Essigsäure angesäuert und mit
jeweils 1 ml der Lunge-Reagenzien versetzt. Dann
wird etwas Zinkpulver darüber gestreut.
•
Beobachtung:
Nach der Zinkzugabe zeigt sich eine deutliche Rotfärbung
der Lösung (vgl. Abb. 3).
•
Abb. 3: Nitratnachweis
nach Lunge
Erklärung:
Nitrate (NO3-) werden in schwach saurer Lösung durch Zink zu Nitrit (NO2-) reduziert:
Nitrit reagiert mit Sulfanilsäure zu einem Diazoniumsalz (Diazotierung):
Dieses setzt sich mit α-Naphthylamin zu einem roten Azofarbstoff um (Kupplung):
•
Schlussfolgerung:
Nitrat wurde somit als Bestandteil der Düngerlösung nachgewiesen.
2.2 Phosphor
Phosphat ist in der Pflanze an allen wichtigen Stoffwechselprozessen wie Blüten-, Fruchtund Samenbildung beteiligt und daher ein wichtiger Energieträger. Darüber hinaus stellt es
einen Baustein der Zellmembran dar und erhöht die Krankheits- und Frostresistenz.
3
Aufgenommen wird Phosphor in Form von Phosphaten, deren Löslichkeit von Temperatur
und der Bodenstruktur abhängt. Allerdings kann die Pflanze nur gelöste Phosphate
aufnehmen. [4]
„Phosphat unterliegt im Boden (…) der Alterung, d. h. gedüngtes Phosphat wird im Boden
recht schnell adsorbiert und steht den Pflanzen fortan nur eingeschränkt zur Verfügung. Eine
Phosphatdüngung sollte also möglichst zeitnah zum Bedarf der Pflanze ausgebracht werden,
um kurzfristig eine Erhöhung der Phosphatkonzentration im Boden zu erreichen.“ [4]
Bei
einem
aufgrund
Phosphatmangel
von
kommt
es
Stoffwechselstörungen
zu
einer rötlichen Blattfärbung (s. Abb. 4)
(Chlorophyll- und Anthocyananhäufung), und
zu einer schlechten Gesamtentwicklung in
Bezug auf die Blätter, Wurzeln und Blüten.
[3, 4]
Abb. 4: Phosphatmangel bei
einer Maispflanze [4]
Bei einer Überdüngung und somit bei erhöhtem Phosphatgehalt kann es zu einer
Eutrophierung von stehenden Gewässern kommen, d. h. zu einem vermehrten Auftreten von
Wasserpflanzen und Algen. Um die abgestorbene Pflanzenmasse wieder abzubauen, wird
sehr viel Sauerstoff verbraucht, der den Fischen dadurch fehlt. Durch den Sauerstoffmangel
kann ein Fischsterben die Folge sein. [1]
Versuch: Nachweis von Phosphat mit Ammoniummolybdat [6(b)]
•
Geräte und Chemikalien:
Reagenzglas, Pipette, Bunsenbrenner, Reagenzglasklammer
Düngerlösung, konzentrierte Salpetersäure HNO3, Ammoniummolybdat-Lösung
(NH4)2MoO4 · 4 H2O
•
Durchführung:
Die Düngerlösung wird mit konzentrierter HNO3 versetzt und
etwas Ammoniummolybdat-Lösung hinzugefügt. Anschließend
wird die Lösung erwärmt.
•
Beobachtung:
Es bildet sich ein feinkörniger, intensiv gelber
Niederschlag (s. Abb. 5).
Abb. 5 Phosphatnachweis
mit Ammoniummolybdat
4
•
Erklärung:
H2PO4- + 22 H+ + 3 NH4+ + 12 MoO42-
(NH4)3[P(Mo3O10)4 · aq] ↓ + 12 H2O
gelber Niederschlag
Bei dem Niederschlag handelt es sich um Triammoniumdodecamolybdophosphat(V).
•
Schlussfolgerung:
Die Düngerlösung enthält Phosphat.
2.3 Kalium
Kalium ist vor allem für die Steuerung des Wasserhaushalts
in der Pflanze verantwortlich. Die Kaliumkonzentration
regelt den osmotischen Druck in den Zellen und dadurch
das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen. Darüber
hinaus trägt es durch die Erhöhung der Salzkonzentration
zur Verbesserung der Frostresistenz bei, fördert die
Fotosyntheseaktivität und damit die Bildung von Stärke und
Zucker; dies wirkt sich wiederum aromasteigernd für Obst
und Gemüse aus. [3-5] Bei Kaliummangel kommt es vor
Abb. 6: Kaliummangel bei
einer Rapspflanze [3]
allem bei älteren Blättern zu Blattrandnekrosen (s. Abb. 6),
zu einer erhöhten Krankheitsanfälligkeit und bei Obst und
Gemüse sinkt die Haltbarkeit. [4]
Versuch: Nachweis von Kaliumionen mit Perchlorsäure [7]
•
Geräte und Chemikalien:
Reagenzglas, Bunsenbrenner
Düngerlösung, Perchlorsäure HClO4
•
Durchführung:
Die Düngerlösung wird mit Perchlorsäure versetzt.
•
Beobachtung:
Es fällt ein weißer Niederschlag (s. Abb. 7) aus, welcher sich
beim Erhitzen auflöst und beim Abkühlen wieder entsteht.
•
Erklärung:
+
K + HClO4
Abb. 7 Kaliumnachweis mit
Perchlorsäure
+
KClO4 ↓ + H
weißer Niederschlag
5
Der weiße Niederschlag ist Kaliumperchlorat, dessen Löslichkeit von der Temperatur
abhängt. „KClO4 ist in reinem Wasser bei 20 °C zu 1,67 % (≙ 0,12 mol/l) löslich, bei
100 °C (…) zu 22,2 % (≙ 1,6 mol/l) löslich.“ [7]
•
Schlussfolgerung:
In der Düngerlösung wurde Phosphat nachgewiesen.
3 Die NPK- Konzentration
Die Konzentration der Nährstoffe Stickstoff, Phosphor und Kalium wird mit der so genannten
NPK-Konzentration angegeben. Dabei handelt es sich um prozentuale Angaben - ein Dünger
mit einem NPK-Wert von 15-5-8 enthält also 15 % Stickstoffverbindungen, 5 % Phosphatverbindungen und 8 % Kaliumverbindungen. [6, 2] Die für die Versuche verwendete
Düngerlösung besitzt ein ausgewogenes Verhältnis von 15-15-15.
Die benötigte Zusammensetzung richtet sich nach der Pflanze, die damit gedüngt werden
soll. Wichtig dabei ist das Verhältnis der Nährstoffe zueinander. Als Faustregeln lassen sich
für reine Grünpflanzen Dünger mit reduziertem Phosphoranteil, für Blühpflanzen Dünger mit
einem ausgeglichenen Nährstoffverhältnis oder auch einem erhöhten Phosphoranteil
empfehlen. Typische Werte sind beispielsweise 7-3-6 (Grünpflanzen) oder 7-8-6 (Blühpflanzen). Kakteen oder auch Bonsai-Pflanzen brauchen besondere Zusammensetzungen:
sie „benötigen einen Dünger, bei dem der Stickstoff- deutlich kleiner als der Phosphoranteil
ist.“ [2] (z. B. NPK = 3-6-8) [2]
4 Lehrplanbezug
Das Thema Dünger wird im Lehrplan des Gymnasiums nicht als eigenständiger Punkt
angeführt, es lässt sich jedoch in verschiedene Sachbereiche integrieren. Beispielsweise
bietet sich in der 8. Klasse der Profilbereich (NTG) an, in welchem spezielle Inhalte vertieft
behandelt werden können. [8(a)] Eine weitere Möglichkeit das Thema Dünger im Unterricht
durchzunehmen, eröffnet sich fächerübergreifend mit dem Biologieunterricht. In der 10.
Klasse lässt es sich gut in das Stoffgebiet Ökologie - Bedeutung und Gefährdung von
Ökosystemen einbetten. [8(b)]
6
5 Literaturangaben
[1]
http://de.wikipedia.org/wiki/D%C3%BCnger
Stand: 19.05.2009
[2]
http://www.kuebelpflanzeninfo.de/pflege/duenger.htm
Stand: 19.05.2009
[3]
http://www.neudorff.de/garten-tipps/duengung/hintergruende/duengerartenformen.html
Stand: 19.05.2009
[4]
http://www.incona.de/
Stand: 19.05.2009
[5]
http://www.aelf-la.bayern.de/natur_umwelt/29017/
Stand: 19.05.2009
[6]
J. Strähle, E. Schweda, Jander-Blasius: Einführung in das anorganisch-chemische
Praktikum, 15. Auflage, Stuttgart: S. Hirzel Verlag. 2005:
[7]
(a)
S. 132
(b)
S. 138.
J. Strähle, E. Schweda, Jander-Blasius: Lehrbuch der analytischen und präparativen
anorganischen Chemie, 16. Auflage, Stuttgart: S. Hirzel Verlag. 2006, S. 375-376.
[8]
ISB – Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung
(a)
http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?
StoryID=26448
(b)
http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?
StoryID=26227
Stand: 11.06.2009
7
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