Dünger. Von nun an stand der Entwicklung moderner Düngemittel nichts mehr im Wege, wie nachfolgend aus der Tabelle zu entnehmen ist:

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie: Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvortrag im Sommersemester Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Schmittlein, Carina; Danner, Johannes Dünger 1. Was sind Düngemittel? Düngemittel sind Substanzen zur Ergänzung der Nährstoffversorgung von Pflanzen oder sonstige Stoffe zur Bodenverbesserung. Unter Düngung versteht man die Zufuhr von Düngern zum Substrat (meist Boden) oder direkt auf die Blätter. [1a] 2. Geschichtlicher Hintergrund [1b] Düngemittel spielen schon seit vielen tausend Jahren eine wichtige Rolle in der menschlichen Zivilisation. So richteten die Ägypter beispielsweise ihren ganzen Jahresablauf nach der Nilschwemme aus, die jedes Jahr fruchtbaren Schlamm mit sich führte. Andere Kulturen brachten Exkremente, Abfall, Asche oder Stallmist auf ihre Felder aus. Die Forschung von herausragenden Wissenschaftlern, wie Justus von Liebig (s. Abb. 1) oder auch Carl Sprengel ( ), ermöglichte die Durchsetzung und Verifizierung der Mineralstofftheorie. Diese besagt, dass Pflanzen die im Boden vorkommenden Mineralien zum Wachstum und zum Leben benötigen. In den folgenden Jahrzehnten wurde diese Theorie durch zahlreiche Experimente zum Pflanzenstoffwechsel und zur Agrikulturchemie erweitert und vorangetrieben. Abb. 1: Justus von Liebig ( ) [2] Von nun an stand der Entwicklung moderner Düngemittel nichts mehr im Wege, wie nachfolgend aus der Tabelle zu entnehmen ist: 1830 Erste Salpeterladung (Na(NO 3 ) aus Chile nach Europa 1840 Beginn regelmäßiger Einfuhr von Guano aus Peru 1843 Superphosphat (Ca(H 2 PO 4 ) 2 / Gips) als erstes Düngemittel aus der Fabrik (England) 1890 Ammoniumsulfat ((NH 4 ) 2 SO 4 ) aus Kokereien 1913 Synthetisches Ammoniak (NH 3 ) nach dem Haber-Bosch-Verfahren 1921 Harnstoff (Carbamid ((NH 2 ) 2 CO) aus Ammoniak 1927 Nitrophoska ((NH 4 ) 2 SO 4, (NH 4 ) 2 HPO 4, KNO 3 ) als erster NPK-Dünger Als nach weiteren Verbesserungen und Produktionskostensenkung der Mineralkunstdünger für jedermann erschwinglich wurde, steigerten sich die landwirtschaftlichen Erträge erheblich. Seither wird Dünger in vielen Ländern der Erde eingesetzt. 1

2 3. Einteilung der Dünger [1c] Die verschiedenen Düngemittel werden durch folgende Kriterien eingeteilt: Natürlich oder künstlich (industriell hergestellt) Pflanzendünger (direkte Wirkung) oder Bodendünger (indirekte Wirkung über Bodenverbesserung) Abb. 2: Branntkalk (CaO) [3] Wirtschaftsdünger oder Handelsdünger Zusätzliche Einteilung nach Wirkstoff bzw. Einsatzbereich: Abb. 3: Hornspäne [4] Name Beispiel Stickstoffdünger Ammoniumdünger, Nitratdünger Phospatdünger wasserlösliche Phosphat-Dünger, Rohphosphatdünger Kalidünger Kalium-Chlorid (KCl), Kali-Rohsalze Einzeldünger Schwefeldünger, Magnesiumdünger, Bordünger Mehrnährstoffdünger Zwei-/Dreinährstoffdünger (Stickstoff- Phosphat-Kalium-Dünger [NPK-Dünger], Stickstoff-Magnesium-Kupfer-Dünger [NMgCu-Dünger]) Kalkdünger Carbonat-Kalke, Branntkalk (s. Abb. 2) Organische Dünger Gülle, Stroh, Gründüngung, Hornspäne (s. Abb. 3) 4. Hauptbestandteile der Dünger Der in den Versuchen verwendete Dünger ist ein NPK-Dünger (Marke Mairol). Diese werden als Volldünger bezeichnet und gehören zu den bekanntesten und am häufigsten eingesetzten Mineraldüngemitteln, die ein vielfältiges Angebot von Nährstoff-Kombinationen zur Vereinfachung der praktischen Düngung liefern sollen. [1d] Wie bereits im Namen enthalten, besteht NPK-Dünger je nach Verwendungszweck aus verschiedenen Konzentrationen von Stickstoff-(N), Phosphor-(P), und Kaliumsalzen (K). Dabei wird der prozentuale Anteil der jeweiligen Bestandteile als Zahl angegeben. Zum Beispiel bedeutet 7-6-8, dass 7 % Stickstoff, 6 % Phosphor und 8 % Kalium enthalten sind, umgerechnet auf Ammoniak (NH 3 ) oder Nitrat (NO 3 - ), Phosphorpentoxid (P 2 O 5 ) und Kaliumoxid (K 2 O). [5] 4.1 Stickstoff Stickstoff ist besonders wichtig für das Pflanzenwachstum, da er ein wichtiger Bestandteil von Nucleinsäuren und Proteinen ist. [6a] Bei N-Mangel kommt es zu Wachstumseinschränkungen und Ernteausfällen, ausgelöst durch Spitzenchlorose (Vergilben der älteren Blätter an der Spitze) und Nekrose (einzelne Zellen oder Zellgruppen sterben). [1e] Pflanzen können Stickstoff in Form von Nitrat (NO 3 - ), Ammonium (NH 4 + ) oder Stickstoff (als N 2 ) aufnehmen. [7a] 2

3 Versuch 1: Nachweis von Nitrat mit Lunges-Reagenz [8a] Geräte: Kristallisierschale, Pipette, Spatel, Overhead-Projektor Chemikalien: NPK-Mineraldünger (N 14 %, P 12 %, K 14 %), Zinkpulver (Zn), Sulfanilsäurelösung (Lunge 1; C 6 H 7 NO 3 S), α-naphtylaminlösung (Lunge 2; C 10 H 9 N), verdünnte Essigsäure (CH 3 COOH), destilliertes Wasser (H 2 O) Man löst etwas Mineraldünger in destilliertem Wasser und säuert mit verdünnter Essigsäure an. Danach gibt man einige Tropfen Lunge 1 und Lunge 2 hinzu und versetzt die Lösung mit wenig Zinkpulver. Beobachtung: Nach der Zinkzugabe färbt sich die Lösung dunkelrot (s. Abb. 5). Abb. 5: positiver Lunge- Nachweis In schwach saurer Lösung wird Nitrat (NO 3 - ) durch Zink zu Nitrit (NO 2 - ) reduziert, wobei Zink oxidiert wird Redoxreaktion: NO Zn + 4 H + NO H 2 O + Zn 2+ [9] Zudem findet eine Diazotierung statt, da Nitrit mit Sulfanilsäure zu einem Diazoniumsalz reagiert. Das Diazoniumsalz reagiert mit α-naphthylamin zu einem roten Azofarbstoff über den Mechanismus der Azokopplung. [8b] Reaktionsgleichungen: 4.2 Phosphor Pflanzen können Phosphor als Dihydrogenphosphat (H 2 PO 4 - ) im sauren Milieu oder als Hydrogenphosphat (HPO 4 2- ) im neutralen Milieu aufnehmen. [6b] Phosphormangel führt zu einer Störung des Assimilationssystems der Pflanze (Adenosindiphosphat (ADP) / Adenosintriphosphat (ATP)-System) und damit einhergehend zu einer verminderten Bildung von Zuckern, Phosphorsäureestern und Nucleotiden. [6a] Äußerlich sichtbar wird dies an dunkelgrünen und aufrecht stehenden Blättern ( Starrtracht ) mit z.t. rötlicher Färbung. [1e] [10] 3

4 Versuch 2: Nachweis von Phosphat als Ammoniummolybdophosphat [8c] Geräte: großes Reagenzglas, Pipette, Bunsenbrenner, Reagenzglasklammer Chemikalien: NPK-Mineraldünger (N 14 %, P 12 %, K 14 %), konzentrierte Salpetersäure (HNO 3 ), destilliertes Wasser (H 2 O), Ammoniummolybdat ((NH 4 ) 2 MoO 4 ) Nachdem Mineraldünger mit destilliertem Wasser gelöst wurde, gibt man konzentrierte HNO 3 und einige Spatelspitzen voll Ammoniummolybdat hinzu und erwärmt vorsichtig. Anschließend stellt man das Reagenzglas mit der Lösung kurz in kaltes Wasser. Abb. 6: positiver Phosphatnachweis Beobachtung: Es bildet sich ein feinkörniger, gelber Niederschlag (s. Abb. 6). Es entsteht das Salz einer Heteropolysäure (Triammoniumdodecamolybdophosphat(V)). Dieses bildet den gelben Niederschlag. HPO H NH MoO 4 2- (NH 4 ) 3 [P(Mo 3 O 10 ) 4 * aq] + 12 H 2 O 4.3 Kalium Kaliumionen sind wichtige Cofaktoren von pflanzlichen Enzymen und spielen eine bedeutende Rolle sowohl bei der Spaltöffnungsbewegung der Pflanzen, als auch deren Zellstoffwechsel. [6c] Kaliummangel führt zu schlaffen, gelblich-braunen Blättern und Randchlorose/-nekrose. [1e] Versuch 3: Nachweis von Kaliumionen als Kaliumperchlorat [8d] Geräte: großes Reagenzglas, Bunsenbrenner Chemikalien: NPK-Dünger (N 14 %, P 12 %, K 14 %), destilliertes Wasser (H 2 O), Perchlorsäure (HClO 4 ) Mineraldünger wird in destilliertem Wasser gelöst. Danach gibt man Perchlorsäure zur Lösung. Beobachtung: Es fällt ein weißer Niederschlag (s. Abb. 7) aus. K + + HClO 4 KClO 4 + H + (weiß) Abb. 7: positiver Kaliumnachweis Kaliumperchlorat liegt als weißer Niederschlag vor, dessen Löslichkeit temperaturabhängig ist. In destilliertem Wasser können bei 20 C nur 1,67 % (0,12 mol/l) gelöst werden, bei 100 C werden 22,2 % (1,6 mol/l) gelöst. 4

5 5. Vor- und Nachteile der Düngung Vorteile Boden Geregelte und maßvolle Zufuhr von Nährstoffen Boden auf Dauer fruchtbarer Ansiedelung von mehr Bodenbewohnern [1f] Anpassung des ph-wertes von sauer /alkalisch reagierenden Böden [7b] Luft Vermehrter Pflanzenwuchs führt zu erhöhter Sauerstoffproduktion [1f] Nachteile Boden Mineralische Düngerbestandteile werden schnell ausgewaschen [7b] Luft Stickoxide, wie z. B. Lachgas (N 2 O), in der Atmosphäre [1f] Gewässer Belastung durch Eutrophierung Anreicherung von Nitrat im Grundwasser [1f] Hoher Energieaufwand Herstellungsverfahren von Mineraldüngern oft teuer [7c] 6. Lehrplanbezug Das Themengebiet Düngemittel wird im Gymnasium nicht explizit behandelt, jedoch können die Versuche an anderer Stelle sinnvoll in den Unterricht eingebaut werden. Es besteht die Möglichkeit, die Versuche zum Beispiel in der 8. Klasse im Themenbereich C (Naturwissenschaflich-technologisches Gymnasium) 8.3 Salze, Metalle und molekular gebaute Stoffe als eindrucksvolle Nachweisreaktionen von Ionen zu verwenden. [11] In Form von fächerübergreifendem Unterricht kann in der 10. Jahrgangsstufe das Thema Ökologie bzw. Auswirkungen des Menschen auf Umwelt und Natur in Kombination mit den Fächern Biologie und Geographie aufgegriffen werden. [12] Genauso könnten Dünger auch im Profilbereich angesprochen werden, da dieses Thema einen hohen Alltagsbezug für die Schüler aufweist. 7. Literatur- und Bildnachweise [1] A. Fink: Pflanzenernährung und Düngung, 6. Auflage, Stuttgart: Gebrüder Borntraeger [1a] S. 157 [1d] S. 167/168 [1b] S [1e] S [1c] S ; S [1 f] S. 176/177 [2] (aufgerufen am ) [3] (aufgerufen am ) [4] (aufgerufen am ) [5] (aufgerufen am ) [6] G. Richter: Stoffwechselphysiologie der Pflanzen, 6. Auflage, Stuttgart: Georg Thieme Verlag [6a] S. 50 [6c] S. 55/56 [6b] S. 54 [7] N. A. Campell, J. B. Reece: Biologie, 8. Auflage, München: Pearson Studium [7a] S [7c] S [7b] S [8] J. Strähle, E. Schweda, Jander Blasius: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorgansichen Chemie, 16. Auflage, Stuttgart: S. Hirzel Verlag [8a] S. 326 [8c] S. 338 [8b] S. 614 [8d] S. 375/376 [9] (aufgerufen am ) [10] Advanced Chemistry Development Inc., ACD/Labs ChemSketch Freeware 8.0, Toronto; 2010 [11] (aufgerufen am ) [12] (aufgerufen am ) 5