Азот, фосфор и сера.

Элементам V и VI групп наряду с углеродом принадлежит очень важная роль в биохимии живых организмов и в химии почв. С уг­леродом связана материальная основа построения биоорганических соединений, скелет жизненных процессов; азот и сера — необходи­мые элементы для формирования белков, с фосфором связаны энергетические процессы в организме. Кислород формирует важ­нейшие функциональные группы: карбоксилы, гидроксилы фенольные и спиртовые, хиноны и пр.

Элементы второго и третьего периодов V и VI групп играют конституционную роль в живых организмах и в почвах; элементы остальных периодов относят к микроэлементам (Таблица 1).

Таблица 1

Содержание элементов V и VI групп в почвах и породах, %

Наиболее высокое содержание характерно для кислорода, так как почвы в целом относятся к природным телам, формирующим­ся в условиях окислительных режимов. Исключения относятся к глеевым почвам, болотным и т. п. Но и в них содержание кислоро­да очень высокое, что обусловлено присутствием алюмосиликатов и гумусовых веществ. Азот, фосфор и сера — типичные и важнейшие органогены, но, несмотря на это, их среднее содержание в почвах мало отли­чается от такового в осадочных породах. Это не противоречит биогенности азота, фосфора и серы и объясняется следующим образом. Относительно высокое содержание фосфора в породах обу­словлено его накоплением с органическими остатками и образо­ванием фосфорных месторождений. Следует иметь в виду, что среднее содержание этих элементов в почвах характеризует метро­вую толщу, тогда как в верхних наиболее гумусированных и био­генных горизонтах содержание N и Р значительно выше. В верх­нем горизонте черноземов количество азота достигает 0,25 - 0,5 %, а фосфора и серы — 0,10 - 0,15 %, что в 1,5 - 2 раза выше, чем средние значения для метровой толщи.Соотношение между С, N, Р и S в верхних гумусированных го­ризонтах почв одного типа сравнительно постоянно. В органиче­ском веществе отношение С : N колеблется обычно от 8 до 15; со­держание органического фосфора в 4 - 5 раз меньше, чем содержа­ние азота. В наименьших количествах содержится сера; отношение С : S близко к 100 : 1. Соотношение этих элементов для некоторых почв показано в таблице 2 .

В живых организмах содержание этих элементов следующее: азот — 0,3, фосфор — 0,07, сера — 0,05 %. В золе растений фосфора около 7, а серы — 5 %. Азот накапливается преимущественно в жи­вых организмах и в почвах. Причина этого довольно проста: орга­нические соединения азота неустойчивы вне живых организмов и быстро разлагаются; образующиеся минеральные соединения азота легко растворимы, легко мигрируют и не образуют скоплений в биосфере, кроме областей безводных пустынь. Поэтому азота мно­го в организмах и в почвах, где он связан с живым органическим веществом или с гумусом. Только в форме гумусовых веществ орга­нические соединения азота приобретают сравнительно высокую ус­тойчивость вне живых организмов.

Таблица 2

Относительное среднее содержание углерода, азота, серы и органического фосфора в почвах Шотландии (количество азота принято за 10) (по Вильямсу и Скотту)

Фосфор и сера легко образуют труднорастворимые соединения, гипсы, фосфориты. Пройдя через стадию аккумуляции в организ­мах, они скапливаются в толще почв или осадочных пород. Поскольку N, Р и S — это органогены, то их аккумуляция свя­зана с накоплением в почвах органического вещества, хотя для се­ры характерны и широко распространенные солевые аккумуляции. Эти три элемента — типичные металлоиды с большим числом ва­лентных электронов, и их поведение существенно зависит от окис­лительно-восстановительного режима. Зависимость химического состояния азота, серы и фосфора от окислительного потенциала выражена отчетливо, хотя для соедине­ний фосфора она проявляется только косвенно. Эта зависимость характерна и для элементов последующих VII и VIII групп, особен­но для марганца и железа.

Таким образом, у рассматриваемой группировки элементов име­ется геохимическая общность, которая проявляется в том, что ми­грация и аккумуляция этих соединений, их подвижность и реакци­онная способность зависят от присутствия органических веществ и окислительно-восстановительных условий. Величина рН играет не менее важную роль, как это было показано на примере Аl и Si. Азот, фосфор и сера относятся к элементам, проявляющим раз­личную (переменную) валентность, причем при образовании хими­ческой связи они могут выступать как доноры или как акцепторы электронов. Используя представления В. Косселя и Р. Льюиса, можно говорить, что эти элементы проявляют в различных соеди­нениях как положительную, так и отрицательную валентность. Если водороду приписать валентность +1, а кислороду валент­ность —2, то валентность азота в NН₃ равна —3, а в NO равна +2. Аналогично, валентность фосфора в РНз равна —3, а в Р₂O₅ она равна +5. Соответственно для серы в Н₂S валентность равна -2, а в SО₃ она равна +6. Азот в природных соединениях может иметь ва­лентности: -3, +1, +2, +3 +4, +5. Фосфор, как правило, образует соединения с валентностью -3, +3 и +5; для почв характерны со­единения 5-валентного фосфора. Наконец, сера проявляет валентность от - 2 до +6, причем в почвах встречаются как наиболее окисленные, так и наиболее вос­становленные ее формы. Эти особенности обусловливают высокую химическую актив­ность N, Р и S, многообразие их соединений в почвах и участие в различных биохимических и абиотических почвенных процессах.

План практических (семинарских) занятий

К каждому лабораторному занятию студенты должны ответить на «Вопросы к допуску» и «Контрольные вопросы».

Вопросы к лабораторным работам « Лабораторный практикум по курсу «Химия почв» составители Затулей Е.Д., Прожорина Т.И.: Воронеж, 2004»