Pupuk Kimia

Memberi makan populasi dunia yang meningkat pesat mengharuskan para petani menghasilkan tanaman yang semakin besar dan sehat. Setiap tahun mereka menambahkan ratusan juta ton pupuk kimia ke tanah untuk meningkatkan kualitas dan hasil panen. Selain karbon dioksida dan air, tanaman membutuhkan setidaknya enam unsur untuk pertumbuhan yang maksimal. Unsur-unsur itu adalah N, P, K, Ca, S, dan Mg. Persiapan dan sifat beberapa pupuk yang mengandung nitrogen dan fosfor menggambarkan beberapa prinsip yang diperkenalkan dalam bab ini.

Pupuk nitrogen mengandung garam nitrat (NO₃^-), garam amonium (NH₄⁺), dan senyawa lainnya. Tumbuhan dapat menyerap nitrogen dalam bentuk nitrat secara langsung, tetapi garam amonium dan amonia (NH₃) pertama-tama harus dikonversi menjadi nitrat melalui aksi bakteri tanah. Bahan baku utama pupuk nitrogen adalah amonia, disiapkan melalui reaksi antara hidrogen dan nitrogen:

3H₂ (g) + N₂(g)  →  2NH₃(g)

(Reaksi ini akan dibahas secara rinci dalam Bab 13 dan 14.) Dalam bentuk cairnya, amonia dapat disuntikkan langsung ke tanah.
Atau, amonia dapat dikonversi menjadi amonium nitrat, NH₄NO₃, ammonium sulfat, (NH₄)₂SO₄, atau amonium hidrogen fosfat, (NH₄)₂HPO₄, dalam reaksi asam-basa berikut:

NH₃(aq) + HNO₃(aq) → NH₄NO₃(aq)
2NH₃(aq) + H₂SO₄(aq) → (NH₄)₂SO₄(aq)
2NH₃(aq) + H₃PO₄(aq) → (NH₄)₂HPO₄(aq)

Metode lain untuk menyiapkan ammonium sulfat membutuhkan dua langkah:

2NH₃(aq) + CO₂(aq) + H₂O(l) → (NH₄)₂CO₃(aq)   (1)
(NH₄)₂CO₃(aq) + CaSO₄(aq) → (NH₄)₂SO₄(aq) + CaCO₃(s) (2) 

Pendekatan ini diinginkan karena bahan awal — karbon dioksida dan kalsium sulfat — lebih murah daripada asam sulfat. Untuk meningkatkan hasil, amonia dibuat sebagai reagen pembatas dalam Reaksi (1) dan amonium karbonat dibuat sebagai reagen pembatas dalam Reaksi (2).

Tabel ini mencantumkan komposisi persen berdasarkan massa nitrogen dalam beberapa pupuk umum. Persiapan urea dibahas dalam Contoh 3.15.

Persen Komposisi berdasarkan Massa Nitrogen dalam Lima Pupuk Umum

Beberapa faktor yang mempengaruhi pilihan satu pupuk atas yang lain: (1) biaya bahan baku yang diperlukan untuk menyiapkan pupuk; (2) kemudahan penyimpanan, transportasi, dan pemanfaatan; (3) persen komposisi berdasarkan massa unsur yang diinginkan; dan (4) kesesuaian senyawa, yaitu apakah senyawa tersebut larut dalam air dan apakah dapat segera diambil oleh tanaman. Mempertimbangkan semua faktor ini bersama-sama, kita menemukan bahwa NH₄NO₃ adalah pupuk yang mengandung nitrogen paling penting di dunia, meskipun amonia memiliki persentase tertinggi berdasarkan massa nitrogen.

Pupuk fosfor berasal dari batuan fosfat, yang disebut fluorapatite dengan rumus kimia Ca₅(PO₄)₃F. Fluorapatite tidak larut dalam air, sehingga harus terlebih dahulu dikonversi menjadi kalsium dihidrogen fosfat yang larut dalam air [Ca(H₂PO₄)₂] :

2Ca₅(PO₄)₃F(s) + 7H₂SO₄(aq) → 3Ca(H₂PO₄)₂(aq) + 7CaSO₄(aq) + 2HF(g)

Untuk hasil maksimal, fluorapatite dibuat sebagai reagen pembatas dalam reaksi ini.

Reaksi yang telah kita bahas untuk persiapan pupuk semuanya tampak relatif sederhana, namun banyak upaya telah dilakukan untuk meningkatkan hasil dengan mengubah kondisi seperti suhu, tekanan, dan sebagainya. Kimiawan industri biasanya menjalankan reaksi yang menjanjikan pertama kali di laboratorium dan kemudian mengujinya di fasilitas percontohan sebelum memasukkannya ke dalam produksi massal.