Свыше 60 химических элементов периодической системы необходимы для жизнедеятельности растительных организмов.
Однако наиболее важную роль в питании растений играют три «кита» плодородия: азот, калий и фосфор. Сейчас опытами ученых убедительно показано, что четвертым «китом» можно считать магний. Источниками калия и магния являются соли океанической и морской воды. Происхождение фосфора также в значительной мере связано с морем и океаном.
Природные калийные соли обычно окрашены в красный цвет из-за присутствия в них мелкодисперсных примесей окислов железа. Правда, сильвин бывает совершенно бесцветным, а карналлит — темно-коричневым; полигалитовая соль окрашена в разные тона — серый, желтый и розовый.
Калий играет важную роль в образовании белков из аминокислот, способствует повышению содержания сахаров в растительном организме, в результате чего повышается стойкость растений, и в частности уменьшается полегание зерновых культур. Калий помогает передвижению полупродуктов фотосинтеза из листьев в стебли и корни.
Известный немецкий химик Юстус Либих, изучавший роль химических веществ в жизни растений, считал, что без калия и фосфора не может быть плодородия. Однако, в отличие от азота, в атмосфере нет калия и фосфора, и пополнять их содержание в почве возможно лишь путем внесения удобрений.
В земной коре имеется около 2,5% калия. Он входит в состав более ста минералов. В зависимости от типа почвы содержание калия в ней колеблется от 0,2 до 2,5%; например, в мощном черноземе 2—2,5%, в подзолистых суглинистых 1,7—2,2%, в подзолистых супесчаных 0,6—0,8%, в торфянистых 0,02—0,05%.
Почти 99% соединений калия, содержащихся в почве, представляют собой труднорастворимые в воде алюмосиликатные минералы, и, следовательно, они малопригодны для питания растений. Некоторое количество воднорастворимых соединений калия вносится в почву дождевыми водами, которые вымывают калий из отмерших растений и микроорганизмов.
С развитием сельского хозяйства происходит постепенное истощение почвы, так как калий и фосфор уходят из нее в растения, а затем с зерном и плодами увозятся с поля. Пополнение почвы этими питательными элементами за счет минеральных удобрений покрывает вынос фосфора лишь на 60, а калия — на 20%.
Установлено, что при внесении в почву 1 кг калия урожай зерна повышается на 6—8 кг, сахарной свеклы — на 50—60 кг, льна — на 10—12 кг.
На бедных кислых почвах нечерноземной зоны применение калийных удобрений повышает урожай картофеля в среднем на 28 ц/га.
Геологи затратили немало сил на поиски солей плодородия. В середине XIX в. были обнаружены мощные залежи калийных солей морского типа в Германии, и там сразу же начали добывать и перерабатывать их на калийные удобрения. Калийные соли были найдены затем во Франции, в США, Испании и других странах, и везде организовано производство калийных солей.
До Октябрьской революции у нас не было разведанных залежей калийных солей; калийные удобрения привозились из Германии (если не считать поташа, который выщелачивали из золы растений). Первооткрывателем калийных солей в нашей стране был академик Н. С. Курнаков. Исследуя в начале XX в. рассолы, получаемые при выпарке поваренной соли, добываемой из глубоких скважин в районе Соликамска, он обнаружил в них большое содержание калия. По мнению Курнакова, обогащение рассолов калием происходит за счет размывания имеющихся в этом районе залежей калийных солей. Чтобы проверить эту гипотезу, надо было провести большие геологоразведочные и буровые работы, и уже в первые годы Советской власти при BGHX был создан комитет, который должен был возглавить поисковые работы. Осуществлению этого замысла помешала гражданская война. Разведка залежей калийных солей была закончена только в 1925 г. под руководством известного геолога П. И. Преображенского.
Были обнаружены мощные залежи калийных солей в виде сильвинита и карналлита. Площадь распространения калийных отложений Верхне-камского месторождения оказалась равной 2000 км2, глубина залегания калийных солей — 90—220 м. В пересчете на K2О запасы калийных солей составляют 24 млрд. т. Это одно из крупнейших месторождений мира.
В 1927 г. в Соликамске начал разрабатываться первый в стране калийный рудник, при котором был создан химический комбинат по выработке минеральных удобрений; позже вступил в строй такой же комбинат в Березниках. На обоих предприятиях кроме калийных удобрений получают магний, щелочи, хлор и другие химические продукты.
В 1948 г. крупное месторождение калийных солей, имеющих тот же состав, что и Соликамские соли, открыто в Белоруссии; площадь распространения равна 250 км, запасы превышают 10 млрд. т. На базе этого месторождения созданы три комбината по производству калийных удобрений.
Значительные запасы калийных солей хлоридного и сульфатного типа имеются в Западной Украине.
На их базе работают стебниковский и два калушских химических комбината по производству сернокислых калийных удобрений.
Мощные залежи калийных и других солей в виде хлоридов (сильвинит, карналлит) и сульфатов (каинит, полигалит, кизерит) обнаружены на обширных территориях Южного Приуралья (Башкирская АССР, Оренбургская, Актюбинская, Гурьевская области) и Поволжья (Саратовская, Волгоградская области). Солевые отложения залегают в виде соляных куполов мощностью до нескольких километров. Эти соли пока еще не используются.
Намечается добыча калийных солей в районе Актюбинска, где обнаружены большие запасы полигалитовой соли. Измельченная в тонкий порошок, она служит прекрасным удобрением, особенно на засоленных почвах Средней Азии и Казахстана. Эта же соль может служить сырьем для получения сульфата калия и других калийных и магниевых бесхлорных удобрений.
Недавно разведаны месторождения сильвинита и карналлита в Средней Азии на юго-западных отрогах Гиссарского хребта. Это Тюбе-Гатанское (УзбССР), Гаурдакское и Карлюкское (ТуркмССР) месторождения.
Все это свидетельствует о том, что в нашей стране имеются большие потенциальные возможности для увеличения производства калийных удобрений. В настоящее время наши заводы уже вырабатывают несколько видов таких удобрений: хлористый калий с 58—60 или 30—40%-ным содержанием K2О; сильвинитовую руду (10— 12% K2О); сульфат калия (40—52% K2О); калимагнезию (двойная соль сульфата калия и магния, содержащая 22% К2O и 18% MgO). Кроме того, калийным удобрением может служить природная каинитолангбейнитовая соль (10—12% калия и 46% хлора), а также цементная пыль, образующаяся при получении цемента (20—35% K2О и 10% СаО).
Хлористый калий получают двумя способами: химическим, основанным на неодинаковой растворимости хлоридов калия и натрия, и флотационным, использующим различную степень смачиваемости поверхности минералов водой.
В первом случае природную сильвинитовую руду обрабатывают горячим (110—115° С) щелоком, содержащим 110—130 г/л хлорида калия и 240 г/л хлорида натрия. После такой обработки содержание КСl в щелоке повышается до 265 г/л; оставшийся нерастворенным хлористый натрий отделяется и идет в отвал. Осветленный горячий щелок, насыщенный хлоридами калия и натрия, охлаждают в кристаллизаторах (до 25°С), и из раствора выкристаллизовывается хлористый калий. Маточный раствор употребляют на выщелачивание новой порции сильвинитовой руды. Затем при флотации сильвинитовую руду измельчают (величина зерен 0,75 мм) и превращают в пульпу, через которую продувают пузырьки воздуха. При этом частицы плохо смачиваемого хлористого калия прилипают к пузырькам и всплывают на поверхность, образуя минеральную пену, а хорошо смачиваемые водой частицы хлористого натрия опускаются на дно. Пену периодически удаляют с поверхности пульпы. Для регулирования процесса к пульпе добавляют специальные флотационные реагенты, которые избирательно увеличивают или уменьшают смачиваемость хлоридов.