پایداری بیشتر کلات در هیدروپونیک
مقدمه
پایداری ریزمغذی‌ها در محلول هیدروپونیک در 5 دهه اخیر به طور عمیق مورد مطالعه قرار گرفته است (1). مولکول EDTA اولین لیگاند مصنوعی ارزان بود که کلات های بسیار پایداری را ایجاد کرد که می توانست برای تثبیت فلزات سنگین در محلول استفاده شود. پس از این، با معرفی HEDTA، DTPA، EDDHA و لیگاندهای مصنوعی دیگر، تلاش‌ها برای ایجاد کلات‌های پایدارتر ادامه یافت. با این حال، پایداری آهن در محلول هنوز یک مشکل باقی مانده است. این به دلیل شیمی فلزات سنگین در محلول و مسائلی است که با تغییر شرایط شیمیایی ناحیه ریشه در یک محصول هیدروپونیک ایجاد می شود. در این پست به یک ترفند ساده برای افزایش پایداری کلات آهن ارزان قیمت EDTA، رایج‌ترین مورد استفاده در محلول‌های مغذی می‌پردازیم. توجه داشته باشید، اصطلاح “فلز سنگین” در این پست برای اشاره به فلزات واسطه ای که در هیدروپونیک استفاده می شوند، به طور عمده آهن، روی، منگنز و مس استفاده می شود.
پایداری کلات
پایداری کلات ها توسط سه نیروی رقیب تحت سلطه است. اولین مورد تعادل اسید/باز لیگاند است. لیگاندهایی مانند EDTA تنها زمانی قادر به کلات کردن آهن هستند که مکان‌های فعال آنها توسط یونهای هیدروژن اشغال نشده باشد. با پایین آمدن pH، این مکان ها اشغال می شوند و EDTA-4 به HEDTA-3، سپس H2EDTA-2، H3EDTA-1 و در نهایت H4EDTA تبدیل می شود. این فرآیند با کاهش غلظت لیگاند فعال (EDTA-4) به مقادیر نزدیک به صفر، یون های فلزات سنگین را آزاد می کند. در مقادیر pH بسیار اسیدی، به دلیل این اثر، Fe2+ به طور موثر کاملاً غیرکله می‌شود، اگرچه این امر در مقادیر pH که در هیدروپونیک می‌بینیم تا حد زیادی اتفاق نمی‌افتد.
اثر دوم مربوط به تمایل لیگاند به فلز سنگین است. این همان چیزی است که ما آن را “ثبات” کلات می نامیم. از طریق استفاده از ثابت تعادل واکنش فلز با لیگاند اندازه گیری می شود. هر چه این مقدار بزرگتر باشد، پایداری کلات بیشتر خواهد بود و فلز آزاد کمتری در محلول خواهیم داشت. برای اطلاعات بیشتر در این مورد، می توانید این پست قبلی را مطالعه کنید، جایی که من جدولی با ثابت های پایداری زیادی برای لیگاندهای مختلف و فلزات سنگین به اشتراک می گذارم.
سومین مورد، رسوب یون های فلزات سنگین آزاد با تشکیل جامدات نامحلول است. این می تواند کاملاً حیاتی باشد، زیرا بسیاری از جامداتی که می توانند در هیدروپونیک تشکیل شوند، عمدتاً هیدروکسیدها و فسفات ها، ارزش حلالیت بسیار کمی دارند. اینها را می توان با استفاده از ثابت تعادل جامد با یونهای موجود در محلول مقایسه کرد، چیزی که در شیمی Ksp می نامیم. هر چه Ksp کوچکتر باشد، یک ماده نامحلول تر است. هنگامی که این جامدات رسوب می‌کنند، یون‌ها را از محلول دور می‌کنند و با واکنش تعادلی فلزات سنگین کلات دوباره تولید می‌شوند. این فلز سنگین را به آرامی از محلول تخلیه می کند.
یون های فلز سنگین آزاد
از آنجایی که یونهای آزاد فلزات سنگین می‌توانند رسوب کنند و در دسترس نباشند، چیزی که می‌خواهیم کاهش مقدار یونهای فلز سنگین آزاد در محلول و افزایش درصد یونهای کلات شده است. هرگاه یک منبع فلز سنگین کلات شده مانند Na2FeEDTA را در محلول قرار دهید، کلات با شکل غیرکلاته خود و تمام گونه‌های اسید/باز واکنش‌های تعادلی لیگاند به تعادل می‌رسد. این بدان معنی است که درصدی از آهن به طور موثر غیرکلاسه می شود. در محلولی که 1ppm آهن از Na2FeEDTA اضافه می‌شود، P با ppm 30 اضافه می‌شود و pH روی 6 تنظیم می‌شود، حدود 0.38 درصد از آهن بدون کله خواهد شد.
با افزایش pH مقدار آهن آزاد در واقع کاهش می‌یابد – با تغییر تعادل اسید/باز لیگاند به سمت شکل‌های باز – اما غلظت یونهای دیگر که می‌توانند نمک‌های واقعا نامحلول را رسوب دهند، مانند فسفات یا هیدروکسید، به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. در مقادیر pH بالاتر از 7، حتی بخش کوچکی از آهن آزاد می تواند منجر به رسوب برخی نمک های آهن شود. به همین دلیل است که کلات‌های آهن EDTA در pH پایه پایدار در نظر گرفته نمی‌شوند، نه به این دلیل که خود کلات ناپایدار است، بلکه به این دلیل است که حتی جامدات آهن پایدارتری وجود دارد که می‌توانند آهن را تشکیل داده و رسوب دهند.
یک ترفند ساده برای رفع مشکل
به طور سنتی، موضوع داشتن فلزات سنگین غیرکلیتی با ایجاد کلات های قوی تر مورد توجه قرار گرفته است. DTPA که دارای ثابت های پایداری بسیار بالاتری است، می تواند مقادیر بسیار کمتری آهن تولید کند که منجر به بارش کمتر می شود. ثابت تعادل با برخی ایزومرهای EDDHA در واقع آنقدر زیاد است که تقریباً در کل پنجره pH آب هیچ ماده جامد آهن تشکیل نمی شود. با این حال، این کلات ها گران تر هستند و – در مورد EDDHA – وجود چندین ایزومر مختلف وضعیت را پیچیده می کند.
یک ترفند بسیار ساده برای حل جزئی مشکل، افزودن مقدار اضافی عامل کیلیت به محلول هیدروپونیک است. اگر از EDTA استفاده می کنید، افزودن Na2H2EDTA در بالای کلات های فلزات سنگین می تواند به کاهش مقدار فلز سنگین آزاد در محلول کمک زیادی کند. این EDTA نیز بدون اتصال باقی نمی ماند، زیرا به سرعت منیزیم و کلسیم را در محلول کلات می کند. این کلات‌های کلسیم و منیزیم به‌عنوان ذخیره‌ای از لیگاند عمل می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که تقریباً تمام یونهای فلزات سنگین کلات می‌شوند. همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است، 20٪ اضافه مولار می تواند نتایج چشمگیری در مورد Fe2+ ایجاد کند. این لیگاند “ذخیره” 20 درصد، مقدار آهن آزاد را بسته به pH 10-100 برابر کاهش می دهد. توجه داشته باشید که اگرچه موارد بالا واکنش‌های بارشی را کاهش می‌دهند – چون آهن آزاد کمی در دسترس است – اگر PH به اندازه کافی افزایش یابد، یونهای هیدروکسید و فسفات همچنان برنده خواهند شد، زیرا ثابت پایداری واکنش Fe EDTA ثابت می‌ماند.
برای ایجاد 20 درصد مازاد EDTA به صورت مولی، 1.2mg/L EDTA دی سدیم را به ازای هر 1ppm آهن به محلول غذایی نهایی اضافه کنید. همچنین می‌توانید 100% مولر اضافی بدون هیچ اثر بدی روی گیاهان اضافه کنید، که تأثیر واضح‌تری خواهد داشت.
نتیجه
افزودن شکل فلز سنگین کلات شده به محلول هیدروپونیک تضمین نمی کند که فلز همیشه کلات شود. تعادل های شیمیایی که با شکل آزاد فلز سنگین وجود دارد همیشه اتفاق می افتد و همیشه درصدی از فلز آزاد و بدون کلیت تولید می کند. با افزودن مقدار اضافی عامل کیلیت، در این مورد Na2H2EDTA، می‌توانیم تعادل را به شدت جابجا کرده و مقدار فلز سنگین آزاد موجود را کاهش دهیم. مقدار کمتر فلز سنگین پنجره پایداری pH کلات را افزایش می‌دهد و مشکلات بارش را که در نتیجه وجود یونهای فلز سنگین آزاد در محلول اتفاق می‌افتد، کاهش می‌دهد.