Karamö, le prof virtuelLeçon 17 sur 18
Les engrais minéraux
Je connais les principaux engrais minéraux azotés, phosphatés et potassiques, je sais écrire leurs réactions de fabrication et calculer leur teneur en N, P2O5 ou K2O.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Citer les principaux engrais azotés, phosphatés et potassiques et leurs formules
- Écrire les réactions de fabrication de l'ammoniac, de l'urée, des sels d'ammonium et des superphosphates
- Calculer la teneur d'un engrais en N, en P2O5 et en K2O à partir de sa formule
- Comparer avantages et inconvénients des engrais minéraux et connaître les précautions d'emploi
Avant de commencer : Les leçons « Les engrais » et « Les engrais organiques » ; masse molaire, pourcentage massique, équilibrage des équations.
1Je découvre
À la coopérative agricole de Kankan, Ousmane lit les étiquettes des sacs : « Urée 46 % N », « Chlorure de potassium 60 % K2O », « Superphosphate triple 46 % P2O5 ». Un vendeur lui explique que ces engrais sont des composés chimiques fabriqués dans de grandes usines, à partir de l'air, du gaz naturel, de roches phosphatées ou de gisements de sels de potassium.
Ousmane est intrigué : comment peut-on fabriquer un engrais avec l'azote de l'air ? Et d'où viennent ces pourcentages ? Son professeur de chimie lui propose de les recalculer lui-même à partir des formules chimiques.
Quels sont les principaux engrais minéraux, comment les fabrique-t-on, et comment calculer leur teneur en éléments fertilisants ?
2Je comprends
1. Définition
Les engrais minéraux (ou chimiques) sont des composés minéraux : sels, urée de synthèse, roches traitées. Ils sont soit extraits de gisements naturels, soit fabriqués industriellement. Ils sont en général concentrés et solubles : les éléments sont rapidement disponibles pour la plante.
On distingue les engrais simples, qui apportent un seul élément majeur (azoté, phosphaté ou potassique), et les engrais composés (leçon suivante).
2. Calculer une teneur
Méthode
Pour calculer la teneur d'un composé pur en éléments fertilisants :
- Je calcule sa masse molaire M (N = 14 ; H = 1 ; O = 16 ; C = 12 ; P = 31 ; K = 39 ; S = 32 ; Ca = 40 ; Cl = 35,5 g/mol).
- Azote : %N = (nombre d'atomes N × 14)/M × 100.
- Phosphore : chaque paire d'atomes P correspond à une « molécule » P2O5 (142 g/mol) : %P2O5 = (nombre de P/2 × 142)/M × 100.
- Potassium : chaque paire d'atomes K correspond à K2O (94 g/mol) : %K2O = (nombre de K/2 × 94)/M × 100.
- Je compare avec l'étiquette : le produit commercial titre un peu moins que le composé pur (impuretés, humidité, additifs).
3. Les engrais azotés
a) Tout part de l'ammoniac. L'azote de l'air, N2, est très peu réactif. On le fait réagir avec du dihydrogène (obtenu surtout à partir du gaz naturel) : c'est la synthèse de l'ammoniac (procédé Haber-Bosch, mis au point au début du XXe siècle), vers 450 °C, sous forte pression, avec un catalyseur à base de fer :
N2 + 3 H2 rightleftharpoons 2 NH3
b) L'urée CO(NH2)2 est fabriquée à partir d'ammoniac et de dioxyde de carbone :
2 NH3 + CO2 → CO(NH2)2 + H2O
M = 12 + 16 + 2 × 16 = 60 g/mol ; \%N = 2860 × 100 ≈ 46,7 \%. C'est l'engrais azoté solide le plus concentré (le commerce indique 46 %). Dans le sol, l'urée se transforme en ammonium puis en nitrate.
c) Le nitrate d'ammonium NH4NO3 : NH3 + HNO3 → NH4NO3.
M = 80 g/mol ; \%N = 2880 × 100 = 35 \%. Il apporte à la fois de l'azote ammoniacal et de l'azote nitrique. Attention : c'est un comburant qui peut exploser s'il est chauffé ou contaminé ; stocké en grande quantité, il a déjà provoqué des catastrophes.
d) Le sulfate d'ammonium (NH4)2SO4 : 2 NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4.
M = 132 g/mol ; \%N = 28132 × 100 ≈ 21,2 \%. Il apporte aussi du soufre, mais il acidifie le sol.
En plus pour la série SM : l'acide nitrique est fabriqué par oxydation de l'ammoniac (procédé Ostwald) :
4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O (catalyseur : platine) ; 2 NO + O2 → 2 NO2 ; 3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO.
4. Les engrais phosphatés
La matière première est le phosphate naturel, une roche contenant surtout du phosphate de calcium Ca3(PO4)2. Il est insoluble dans l'eau : broyé et épandu tel quel, il agit très lentement (un peu mieux en sol acide).
M(Ca3(PO4)2) = 3 × 40 + 2 × 31 + 8 × 16 = 310 g/mol ; il contient 2 atomes P, soit un P2O5 : \%P2O5 = 142310 × 100 ≈ 45,8 \%.
Pour le rendre soluble, on le traite par un acide ; on obtient le dihydrogénophosphate de calcium Ca(H2PO4)2, soluble :
- Superphosphate simple (acide sulfurique) : Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4.
Le produit contient aussi du sulfate de calcium (gypse), ce qui le rend peu concentré.
- Superphosphate triple (acide phosphorique) : Ca3(PO4)2 + 4 H3PO4 → 3 Ca(H2PO4)2.
Plus concentré : il ne contient pas de gypse. Le commerce le vend sous la formule 0-46-0.
Exemple
Calculer la teneur en P2O5 du dihydrogénophosphate de calcium pur, puis du mélange théorique obtenu dans la fabrication du superphosphate simple.
M(Ca(H2PO4)2) = 40 + 2 × (2 + 31 + 64) = 40 + 194 = 234 g/mol ; 2 atomes P → 1 P2O5.
%P2O5 = 142/234 × 100 ≈ 60,7 %.
Superphosphate simple : 1 mol de Ca(H2PO4)2 (234 g) + 2 mol de CaSO4 (2 × 136 = 272 g), soit 506 g pour 142 g de P2O5.
%P2O5 = 142/506 × 100 ≈ 28,1 % (moins en pratique, à cause des impuretés de la roche).
5. Les engrais potassiques
Ils proviennent de gisements de sels de potassium, restes d'anciennes mers évaporées.
| Engrais | Formule | M (g/mol) | %K2O du composé pur |
|---|---|---|---|
| Chlorure de potassium | KCl | 74,5 | 942 × 74,5 × 100 ≈ 63,1 \% |
| Sulfate de potassium | K2SO4 | 174 | 94174 × 100 ≈ 54,0 \% |
| Nitrate de potassium | KNO3 | 101 | 47101 × 100 ≈ 46,5 \% (et 13,9 % N) |
Le chlorure de potassium est le moins cher ; le sulfate est préféré pour les cultures sensibles au chlore (tabac, pomme de terre, certains fruits).
Exemple
Vérifier la teneur en N et en K2O du nitrate de potassium pur.
M(KNO3) = 39 + 14 + 48 = 101 g/mol.
%N = 14/101 × 100 ≈ 13,9 %.
Un seul K par formule : il correspond à la moitié de K2O, soit 94/2 = 47 g : %K2O = 47/101 × 100 ≈ 46,5 %.
Le nitrate de potassium est donc à la fois azoté et potassique (13,9-0-46,5).
6. Avantages, inconvénients et précautions
- Riches en éléments : petites quantités à transporter
- Solubles : action rapide sur une carence
- Composition connue : dose précise
- Faciles à stocker et à épandre
- Coût élevé, souvent importés
- Facilement lessivés (nitrates) si mal utilisés
- N'apportent pas d'humus, n'améliorent pas le sol
- Certains acidifient le sol ; leur fabrication consomme beaucoup d'énergie
Précautions : respecter les doses conseillées, fractionner l'azote, ne pas épandre juste avant une grosse pluie, stocker les sacs au sec et loin de toute source de chaleur (nitrate d'ammonium), porter des gants et se laver les mains.
3Je retiens
Je retiens
Engrais minéraux : composés minéraux concentrés et solubles, extraits de gisements ou fabriqués industriellement.
Ammoniac : N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 (fer, vers 450 °C, forte pression) ; urée : 2 NH3 + CO2 → CO(NH2)2 + H2O.
Teneurs en N des composés purs : urée 46,7 % ; NH4NO3 35 % ; (NH4)2SO4 21,2 %.
Phosphate naturel Ca3(PO4)2 insoluble → traité par H2SO4 (superphosphate simple) ou H3PO4 (superphosphate triple) → Ca(H2PO4)2 soluble.
Potassiques : KCl (63,1 % K2O pur), K2SO4 (54,0 %), KNO3 (46,5 % K2O et 13,9 % N).
%P2O5 = (nP/2 × 142)/M × 100 ; %K2O = (nK/2 × 94)/M × 100.
4Erreurs fréquentes
- Calculer %N de l'urée avec un seul atome d'azote : CO(NH2)2 en contient deux (28 g/mol).
- Oublier de diviser par 2 le nombre d'atomes P ou K : un P2O5 contient deux P, un K2O contient deux K.
- Croire que le phosphate naturel est directement assimilable : il est insoluble, c'est pourquoi on fabrique les superphosphates.
- Confondre la teneur du composé pur et celle indiquée sur le sac : le produit commercial titre un peu moins.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Calcule la teneur en azote des composés purs suivants : a) nitrate d'ammonium NH4NO3 ; b) sulfate d'ammonium (NH4)2SO4 ; c) nitrate de calcium Ca(NO3)2.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) M = 80 g/mol ; \%N = 2880 × 100 = 35,0 \%.
b) M = 2 × 18 + 32 + 64 = 132 g/mol ; \%N = 28132 × 100 ≈ 21,2 \%.
c) M = 40 + 2 × (14 + 48) = 164 g/mol ; \%N = 28164 × 100 ≈ 17,1 \%.
2Exercice 2
Écris les équations de fabrication :
a) de l'ammoniac à partir du diazote et du dihydrogène ;
b) de l'urée à partir de l'ammoniac et du dioxyde de carbone ;
c) du sulfate d'ammonium.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) N2 + 3 H2 rightleftharpoons 2 NH3.
b) 2 NH3 + CO2 → CO(NH2)2 + H2O.
c) 2 NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4.
3Exercice 3
a) Pourquoi ne peut-on pas utiliser le phosphate naturel Ca3(PO4)2 comme engrais à action rapide ?
b) Écris l'équation de fabrication du superphosphate triple.
c) Calcule la teneur en P2O5 de Ca(H2PO4)2 pur.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Le phosphate naturel est insoluble dans l'eau : les racines ne peuvent absorber le phosphore que très lentement.
b) Ca3(PO4)2 + 4 H3PO4 → 3 Ca(H2PO4)2.
c) M = 234 g/mol ; \%P2O5 = 142234 × 100 ≈ 60,7 \%.
4Exercice 4
(Type examen) Un maraîcher de Kindia doit apporter, sur 2 ha, 30 kg d'azote et 60 kg de K2O par hectare. Il dispose d'urée à 46 % de N et de chlorure de potassium à 60 % de K2O.
a) Calcule les masses totales d'azote et de K2O à apporter.
b) Calcule les masses d'urée et de chlorure de potassium nécessaires.
c) Vérifie, par le calcul, la teneur en K2O du chlorure de potassium pur, et explique l'écart avec 60 %.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) m(N) = 30 × 2 = 60 kg ; m(K2O) = 60 × 2 = 120 kg.
b) m(urée) = 60 × 10046 ≈ 130 kg ; m(KCl) = 120 × 10060 = 200 kg.
c) M(KCl) = 74,5 g/mol ; 2 KCl (149 g) correspondent à 1 K2O (94 g) : \%K2O = 94149 × 100 ≈ 63,1 \%. Le produit commercial titre 60 % car il contient des impuretés (autres sels, humidité).
5Exercice 5
Une usine fabrique 1,0 t d'urée.
a) Calcule les masses d'ammoniac et de dioxyde de carbone nécessaires (réaction totale).
b) Calcule le volume de diazote nécessaire pour fabriquer cet ammoniac (Vm = 24 L/mol).
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) n(urée) = 1,0 × 10660 ≈ 16 667 mol. n(NH3) = 2 × 16 667 ≈ 33 333 mol ; m(NH3) ≈ 33 333 × 17 ≈ 567 kg. n(CO2) ≈ 16 667 mol ; m(CO2) ≈ 16 667 × 44 ≈ 733 kg.
Contrôle : 567 + 733 = 1 300 kg de réactifs pour 1 000 kg d'urée et 16 667 × 18 ≈ 300 kg d'eau.
b) n(N2) = 33 3332 ≈ 16 667 mol ; V = 16 667 × 24 ≈ 400 000 L = 400 m³.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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