Хелатные удобрения: строение, характеристика, действие и поведение, применение

Хелатные удобрения уже около полустолетия применяются в агротехнике. Довольно давно освоен и массовый выпуск хелатированных удобрений для личных подсобных хозяйств. Эффект от применения хелатов элементов питания растений в ЛПХ оказался весьма значительным, а более чем 20-летний опыт огородников и садоводов подтвердил их безвредность и экологичность. Однако в ходе продвижения востребованного товара достоинства данного рода продукции порой чрезмерно превозносятся, а рекомендации по ее применению оказываются плохо согласованы с реальными свойствами хелатов. Производители, как правило, дают вполне обоснованные инструкции для своих препаратов, но сводки общих качеств и областей применения оказались во власти популярных источников интернета, описания в которых нередко туманны и далеки от действительности либо просто списаны с рекламных проспектов. Настоящая публикация призвана до некоторой степени восполнить этот досадный пробел, поскольку удобрения в форме хелатов не таблетки из фантастики, заменяющие завтраки, обеды и ужины, а конкретные питательные смеси или монопрепараты, имеющие определенные достоинства, недостатки и сферы применения.

Что такое хелаты

Что такое и зачем нужны хелаты? Название соединений этого типа происходит от chela – клешня по-латыни. Хелаты – особый тип веществ, внешне и по физико-химическим параметрам подобным химическим соединениям в общепринятом понимании. Но строение хелатов принципиально иное. Хелаты находят широкое применение в самых различных областях – от производства оружия массового поражения до фармацевтики, но мы далее ограничимся их свойствами и особенностями использования в качестве удобрений.

Общие понятия

Пример строения хелата показан на рис. справа. Сильный катион (как правило, металла) как бы проваливается в «лунку» органического соединения (в данном случае этилендиаминтетрауксуной кислоты, EDTA), не образуя с ней настоящей химической связи. Вещества, способные хелатировать («цапать») ионы металлов, называются хелатирующими агентами или хелатообразователями. Далее, краткости ради, будем именовать их просто агентами. В свою очередь, «клешня» не дает иону «выпустить» свой электрический заряд и тем самым в полной мере проявить свои химические свойства. Молекулу-«клешню», облекающую ион в хелате, называют лигандом. Металл также влияет на лиганд, т.к. в процессе хелатообразования своим электрическим полем меняет его пространственную конфигурацию (см. рис. ниже), от чего существенно зависят свойства органических соединений. Лиганд в хелате и свободная молекула того же соединения это в сущности разные вещества, поскольку по свойствам отличаются сильнее пространственных изомеров. В результате хелат хорошо растворимого хелатообразователя и активного металла может оказаться химически весьма инертным и нерастворимым, а по виду совершенно непохожим на то и другое. Именно таким оказался первый синтетический хелат, полученный в 1905 г. Л. А. Чугаевым.

Хелаты для удобрений

EDTA очень часто используется для промышленного приготовления удобрительных хелатов, т.к. прочно держит ион и конечные продукты весьма стабильны. Кроме того, этилендиаминтетрауксусная кислота может хелатировать и некоторые неметаллические микроэлементы питания растений, напр. бор. Чтобы хелат EDTA распался, нужно разрушить лиганд или «выдрать» из «клешни» металл. Так, напр., жидкие хелатированные удобрения практически все делаются на основе EDTA. Однако стойкость препарата может быть и помехой, если питательное вещество нужно отдать быстро и/или сквозь преграду, напр. при внекорневой подкормке, см. далее. Поэтому в агротехнике применяются и хелаты с двумя и более молекулами хелатирующих агентов, образующих лигандную оболочку. Используются для этого агенты, поляризованные молекулы которых имеют С-образную или (-образную конфигурацию, напр. лимонная кислота. Их стойкость на хранении ниже, а в растворе фактически нулевая, его нужно вносить немедленно по приготовлении. Но зато такие хелатообразователи не содержат азота и др. балластных или нежелательных в определенных условиях элементов; в почве, на воздухе и свету они быстро распадаются до углекислого газа и воды.

Схемы строения солевого минерального удобрения и хелатного с оболочкой из нескольких лигандов показаны на рис. ниже:

Солевое удобрение это катион – элемент питания E и некоторый неорганический остаток R. Связаны они сильной химической связью (как правило ионной), т.е. валентные электроны E и R образуют общую оболочку. Слабые хелатообразователи ChA берут металл уже не в «клешню», а в кольцо, «дыру» в лигандовой оболочке L. Вся «конструкция» держится уже фактически кулоновскими силами электрического притяжения, в то время как в «клешнях» сильных хелатирующих агентов ионы удерживаются силами, примерно равными таковым координационных химических связей; существенную роль в этом играют квантовые эффекты.

Сравнение сил

Хелатные соединения в целом менее стойки, чем обусловленные «нормальными» химическими связями – они распадаются под влиянием различных внешних факторов: в химически активной среде, под воздействием тепла, света и даже просто на хранении. Поэтому естественных хелатов, напр., в виде горных пород, нет. Но скорость распада хелатов с сильными агентами на порядок-два ниже, чем со слабыми. Это уже качественное различие. Однако в том другом случае «захваченный» ион начинает действовать с задержкой относительно времени внесения удобрения. Именно это обстоятельство важно для агротехники. Поведение вернувшихся к исходной конфигурации молекул агента может быть различным, что также имеет значение.

Поведение в почве

Удобрения на хелатной основе применяются в основном поливом под корень и для подкормок по листьям; реже – в форме водорастворимых гранул или микрокапсул. Плодородная почва – среда влажная, слабокислая или слабощелочная; нейтральные почвы с pH=(6,5-7,5) встречаются как исключение. Вследствие общих свойств хелатов (см. выше) поведение в ней хелатных удобрений существенно отличается от такового солевых.

Солевое удобрение во влажной среде (слева на рис.) немедленно диссоциирует на ионы питательного элемента и остатка. Последний также может содержать питательные элементы или микроэлементы, напр., в калиевой селитре, суперфосфате, калимагнезии, сульфате магния и др. Поскольку ионы весьма подвижны, часть элементов питания неизбежно теряется. Диссоциация это просто-напросто залповый выброс. Концентрация ионов поначалу оказывается слишком высокой, что и понуждает их «разбредаться» как можно скорее. Оказывается возможной ситуация, когда растения недокормлены, а почва вне их объемов питания перенасыщена удобрением, что никак не идет на пользу экологии. Если дозировать внесение по максимуму, то вероятны и химические ожоги корней, и накопление посторонних веществ в плодах (чаще всего – нитратов).

Примечание: в 70-х годах прошлого века Франция и ряд других европейских стран еле пережили «фосфатную катастрофу». Смыв остатков фосфатов с полей вызвал бурное цветение водоемов. Рыба передохла и завонялась, водные биоценозы погибли. Электростанции и предприятия останавливались, водоснабжение и канализация работали с перебоями оттого, что микроводорослями забивались водозаборные и очистные устройства.

Хелатные соединения в почве не диссоциируют, а распадаются на компоненты (справа на рис. выше) прежде всего под влиянием кислотности среды. Распад хелатов идет постепенно, т.к. кислотность почвы обусловлена гуминовыми веществами (ГВ). Расходуются на него почвенные кислоты, в первую очередь фульвовые. Кислотность падает, распад хелатов замедляется, но интенсифицируются процессы образования ГВ. Это снова провоцирует распад хелатов и т.д. Благодаря такому динамическому равновесию питательный элемент выделяется со скоростью, как бы «приноравливающейся» к текущим условиям. В результате вероятность ожогов корней и перекармливания растений уменьшается многократно.

Затем, катионы элемента питания, «не видя» анионов-партнеров, образуют комплексные соединения с другими почвенными кислотами – малоподвижными гуминовыми. Микроток в плодородном слое направлен к «насосам» – корням. Гуматы концентрируются в корневом коме, а вне объема питания их концентрация падает. Это по законам химического равновесия сдвигает почвенные процессы в сторону образования гуминовых кислот. Подвижные фульвовые связываются остатками лигандов и теряют способность быстро и далеко «растаскивать» питательные вещества. В целом же почва лучше сохраняет плодородие и меньше выщелачивается.

EDTA или «лимонка»?

Хелаты на слабых агентах в достаточно тучных и увлажненных почвах распадаются очень быстро. Удобрения на их основе в таких условиях применимы для лечебных (напр. от хлороза) или срочных питательных подкормок, но в качестве текущих сезонных мало эффективны, а вероятность перекармливания растений приближается к таковой минеральными солями.

Удобрения, хелатированные EDTA, на кислых и слабокислых почвах дозируют выделение элементов питания вполне приемлемо. Но один из продуктов их распада – этилен. Этот легкий газ – фитогормон, ускоряющий созревание плодов. Что и может произойти в ущерб их товарным качествам – крупности, сочности, вкусу. В общем, на своем участке начинать применение хелатных удобрений нужно с минимальных рекомендованных инструкцией доз, а далее вносить проверенные.

Примечание: в искусственные субстраты для растений лучше вносить удобрения, хелатированные EDTA. При более свободном, чем в плодородный грунт, доступе воздуха, хелаты этилендиаминтерауксусной кислоты распадаются быстрее, чем в земле, но легких хелатирующих агентов слишком быстро.

Поведение при опрыскивании

Наиболее эффективны удобрения в хелатной форме для внекорневых подкормок как транспортировочные агенты элементов питания, см. рис.:

Ион минерального питательного вещества как правило «отвергается» защитной восковой оболочкой листа, без нее растения «сгорели» бы от обычной пыли. Органический лиганд как бы раздвигает восковую пленку, а затем «захлопывает» ее за собой. Но здесь опять встает вопрос: сильные или слабые хелатообразователи? Многие сильные, и EDTA в том числе, физиологическим циклам в растении мало или совсем не нужны. Растительный организм их быстро нейтрализует, но в результате получаются тот же этилен или свободный азот. Так что внекорневые хелатные подкормки лучше проводить удобрениями на слабых агентах. Ххотя технологически они менее удобны, но, как правило, жизненно необходимы растениям сами по себе. Напр., лимонная кислота, наряду с янтарной – ключевые звенья т. наз. цикла трикарбоновых кислот, чем и объясняется стимулирующее действие удобрений, хелатированных ею.

Примечание: дополнительно о свойствах и особенностях хелатных удобрений см. видео:

Видео: хелатные удобрения — что это такое и для чего нужны?

Когда возможно хелатирование

Химики сначала думали, что хелатировать возможно только металлы. Однако практическая важность хелатов заставляет изыскивать способы «загнать в клешню» и неметаллы. Некоторые, и немалые, успехи в этом налицо, но до технологий хелатирования любых ионов и атомов еще далеко. Поэтому важный фактор, ограничивающий применение хелатных удобрений – сама возможность хелатирования элементов питания растений. Их потребность по сезону вегетации в тех или иных питательных веществах показана на рис.:

Касательно возможности связывания в хелатах питательные элементы распределяются таким образом:

1. основные NPK – азот не хелатируется. Лабораторные хелаты фосфора известны, но в агротехнике неприменимы. Калий хелатируется, но такому активному иону нужны очень прочные и стойкие «клешни», что существенно ограничивает применение калийных хелатов на удобрение;
2. мезоэлементы – магний и кальций хелатируются EDTA. Соотв. хелаты имеются в продаже как отдельные препараты и применяются по потребности как дополнительные подкормки в случае противопоказаний к основным или микроэлементам;
3. микроэлементы – EDTA хелатируются все. В последнее время в продаже появились и хелаты бора как отдельный препарат. Такие важные для лечебных и внеплановых подкормок элементы, как железо и медь, хелатируются слабыми агентами (лимонной кислотой) в кустарных условиях, см. видеоруководство:

Видео: приготовление халатов самостоятельно из железного и медного купороса

Примечание: бор и некоторые другие микроэлементы малоподвижны во внешних средах, но могут вызывать химические ожоги листьев. Дать бора по листьям сразу по потребности растения, он его обожжет. Внести под корень – практически весь потеряется, или корни сожжет, если передозирован. Внесение в хелатной форме решает проблему – в почве хелат выделит его постепенно, а на листе «протащит» сквозь кутикулу без вреда для растения.

Применение хелатных удобрений

И, наконец, один их главных факторов, определяющих применимость хелатных удобрений – их иная, чем у исходных компонент, химическая активность. Среди элементов питания растений известны пары антагонистов, т.е. при совместном внесении мешающих растениям усваивать оба. Классические примеры – фосфор и калий, калий и кальций. Хелатирование одного их антагонистов устраняет проблему – пока хелат «соберется» выделять свой элемент, растение достаточно «наестся» его антагониста. Исходя из всех описанных выше свойств хелатов, удобрения на их основе применимы в таких случаях:

• Комплексные хелатные удобрения – основные NPK даются солями, а мезо- и микроэлементы хелатами. Это устраняет антагонизм элементов и сокращает трудозатраты на обработку – вместо двух или нескольких внесений требуется всего одно. В больших механизированных агрохозяйствах также существенно экономится топливо и ресурс техники.
• Дражирование (инкрустация) семян удобрениями совместно с протравливанием. В сухой плотной среде хелаты EDTA не активны. Добавка хелатированных удобрений для проростков при протравливании семенного материала позволяет существенно увеличить урожайность сравнительно с применением чистых минеральных соединений, см. напр. табл.:

• Микроудобрения в хелатных формах. Исключается антагонизм микроэлементов и ожоги листьев. При необходимости давать лечебные подкормки (железо, магний и др. от хлорозов) можно давать максимальные дозы. Хелатные микроудобрения для ЛПХ – доминирующий продукт в данном сегменте рынка, см. ролик:

Видео: о микроудобрениях в хелатной форме

• Сезонные подкормки по листьям хелатными микроудобрениями. Стимулируют активизируют растения. Основные подкормки не отменяются, но вносятся в меньших дозах, т.к. лучше усваиваются растениями. Общие расходы на удобрения снижаются, экологическая чистота, потребительские качества и количество урожая увеличиваются. В целом хелатные микроподкормки нужны растениям прим. так же, как витамины нам, см. сюжет:

Видео: о хелатных удобрениях как «витаминах» для растений

Хелаты и органика

Хелатированные удобрения вполне применимы в органическом земледелии или в процессе перехода к нему, т.к. исключают залповый выброс в почву активных агентов, нарушающих сложившийся в ней биоценоз. Исключение – заправка почвы натуральным перепревшим (не гранулированным) навозом, навозные парники, теплицы и теплые грядки. Эти способы использования земли сами по себе обеспечивают в ней должный баланс гуматов и фульватов. Избыток хелатов его нарушит, что может вызвать выщелачивание и защелачивание почвы. Если навозная заправка открытого грунта производилась осенью, хелаты на этой площади применимы с весны; если же заправка было весенняя – на следующий сезон. А вот вносить хелатированное питание растений после птичьего помета можно уже через месяц, поскольку помет птиц не влияет коренным образом на баланс почвенных кислот.