ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ В СИСТЕМЕ H3BO3–KNO3-Н2О

АННОТАЦИЯ

Взаимодействие борной кислоты (H₃BO₃) с нитратом калия (KNO₃), являющимся одним из основных компонентов NPK-удобрений, было изучено методом изомолярных серий в разбавленных водных растворах с концентрацией 0,01 М. Для выявления возможного химического взаимодействия в системе H₃BO₃–KNO₃–H₂O были проанализированы изменения физико-химических свойств смесей, таких как pH, плотность, вязкость, показатель преломления и температура кристаллизации при различных соотношениях компонентов. В ходе анализа установлено, что при молярном соотношении 9:1 на кривых зависимости «состав–pH», «состав–плотность», «состав–вязкость», «состав–температура кристаллизации» и «состав–показатель преломления» наблюдаются точки перегиба. Эти результаты свидетельствуют о возможном образовании ассоциаций или слабых комплексов между компонентами в растворе. Полученные данные имеют практическое значение для разработки новых комплексных микроудобрений, оптимизации соотношения бора и калия, а также для прогнозирования их поведения в водных растворах.

ABSTRACT

The interaction of boric acid (H₃BO₃) with potassium nitrate (KNO₃), one of the main components of NPK fertilizers, was studied using the isomolar series method in dilute aqueous solutions with a concentration of 0.01 M. To identify possible chemical interactions in the H₃BO₃–KNO₃–H₂O system, changes in physicochemical properties such as pH, density, viscosity, refractive index, and crystallization temperature were analyzed at various component ratios. The analysis revealed that at a molar ratio of 9:1, inflection points were observed on the curves “composition–pH,” “composition–density,” “composition–viscosity,” “composition–crystallization temperature,” and “composition–refractive index.” These findings indicate the potential formation of associations or weak complexes between the components in solution. The results can be useful for determining the optimal ratio of boron and potassium compounds in microfertilizers and for synthesizing new complex compounds.

Ключевые слова: борная кислота, нитрат калия, изомолярная серия, показатель преломления, микроэлементы, плотность, вязкость, температура.

Keywords: boric acid, potassium nitrate, isomolar series, refractive index, microelements, density, viscosity, temperature.

Введение

Природные почвы содержат множество различных элементов, однако лишь девять из них считаются жизненно важными микроэлементами для растений, так как выполняют незаменимые функции в их физиологии. К числу этих микроэлементов относятся железо (Fe), цинк (Zn), медь (Cu), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), бор (B) и хлор (Cl), которые необходимы для нормального развития высших растений. Несмотря на то, что потребность в этих элементах невелика, их избыток в почве может приводить к серьёзным морфологическим и физиологическим нарушениям в растениях [1].

Микроэлементы необходимы растениям в весьма ограниченных количествах, составляя менее 0,1% их сухой массы. Однако при избыточном накоплении некоторые из них могут проявлять токсические свойства и оказывать негативное воздействие на организм растения [2]. Микроэлементы играют ключевую роль в обеспечении жизненных функций человека, животных и растений, проявляя своё положительное воздействие при низких концентрациях [3]. Помимо специфических функций микроэлементов накоплен большой объем данных об их положительном влиянии на активность ферментативных реакций и процессов, сходных с обменом веществ [4].

В растениеводстве бор является одним из важнейших микроэлементов, необходимых для нормального роста большинства сельскохозяйственных культур [5].

Основные функции бора связаны с прочностью и развитием клеточной стенки, делением клеток, развитием плодов и семян, транспортом сахаров и гормональной активностью [6]. Недостаток бора в растениях повреждает цветение и формирование зерна, что приводит к потерям урожая. Фаза полового размножения растений более чувствительна к дефициту бора, чем вегетативная фаза [7].

Такие растения, как лён, цветная капуста и сахарная свёкла, быстро повреждаются и увядают в питательных растворах с дефицитом бора. В целом, двудольным растениям требуется больше бора, чем однодольным [8].

Одним из наиболее эффективных способов получения сельскохозяйственной продукции высокого потребительского качества является создание благоприятных условий для питания растений, то есть установление правильного соотношения микро- и макроэлементов и определение их оптимальных доз [9-12].

Для реализации этой цели был использован метод изомолярной последовательности, позволивший зафиксировать момент поворота, связанный с образованием новой фазы. С помощью этого метода теоретически обосновано взаимодействие борной кислоты и нитрата калия в различных соотношениях. В ходе исследования изомолярные растворы компонентов с одинаковой молярной концентрацией смешивались в определённых пропорциях при поддержании постоянного суммарного объёма, и проводились экспериментальные анализы. На основании полученных результатов с помощью графического анализа объяснён процесс комплексообразования борной кислоты и нитрата калия.

Материалы и методы

Для теоретического обоснования взаимодействия борной кислоты и нитрата калия исследованы физико-химические свойства их разбавленных водных растворов методом изомолярной последовательности. Этот подход предполагает определение pH, плотности, показателя преломления, кинематической вязкости и температуры кристаллизации смесей с концентрацией 0,01 М, приготовленных путем изменения объемного соотношения компонентов в системе [H₃BO₃ (0,01 М) + KNO₃ (0,01 М)].

Первоначально готовили 0,01 М растворы борной кислоты и нитрата калия по отдельности. Затем к раствору борной кислоты постепенно добавляли увеличивающиеся объёмы раствора нитрата калия. Измеряли pH, показатель преломления, плотность и вязкость полученных смесей. Все эксперименты проводили в водяном термостате при постоянной температуре 20 ± 0,1 °C.

Измерение pH растворов проводили с использованием рН-метра Mettler-Toledo FiveGo^TMF2. Относительную плотность определяли пикнометрическим методом по ГОСТ. Кинематическая вязкость определялась при помощи капиллярного вискозиметра VPJ-4 с внутренним диаметром капилляра 1,12 мм с точностью ±0,00001 мм²/с.

Результаты зависимости изменения физико-химических свойств растворов от соотношения компонентов в системе H₃BO₃ и KNO₃ представлены в таблице 1 и на рисунке 1.

Результаты и обсуждение

Анализ диаграммы «Состав – pH» для системы, содержащей 0,01 М растворы борной кислоты и нитрата калия, показал, что при увеличении объёма раствора KNO₃ от 3 до 30 мл значение pH возрастает от 6,05 до 6,40. При этом, при соотношении [H₃BO₃ (0,01 М)] : [KNO₃ (0,01 М)] = 9:1 на кривой изменения pH фиксируется излом при значении pH = 5,40. Подобный характер изменения pH среды может свидетельствовать о возможном протекании реакции с образованием нового соединения или комплексного образования в растворе.

Таблица 1.

Изменение физико-химических свойств растворов в зависимости от соотношения компонентов в системе  [H₃BO₃ (0,01M)+KNO₃ (0,01M)]

На диаграммах «Состав – Плотность» при увеличении количества нитрата калия и уменьшении количества борной кислоты плотность растворов постепенно уменьшается от 1,13160 г/см³ до 1,12794 г/см³. Изменение плотности до 1,12826 г/см³ наблюдается также при соотношении компонентов [H₃BO₃ (0,01 М)] : [KNO₃ (0,01 М)] = 9:1. Это изменение можно объяснить взаимодействием ионов нитрата калия с ионами борной кислоты, приводящим к образованию нового соединения.

Рисунок 1. Изменение физико-химических свойств растворов в зависимости от соотношения компонентов в системе [H₃BO₃ (0,01M)+KNO₃ (0,01M)]

Данные анализа диаграммы показателя преломления показывают, что показатели преломления в системе первоначально увеличиваются от 1,3330 до 1,3331, затем уменьшаются до 1,3330, а затем снова возрастают до 1,3331. При добавлении 3 мл раствора [KNO₃ (0,01М)] наблюдается точка перегиба при показателе преломления 1,3331 для соотношения компонентов 9:1. Значения вязкости раствора исследуемой системы [H₃BO₃ (0,01 М)] : [KNO₃ (0,01 М)] уменьшаются от 1,05251 до 1,02932 мм²/с. При соотношении 9:1 наблюдается точка перегиба при значении вязкости 1,03821 мм²/с.

На диаграмме «Состав – Температура кристаллизации» при увеличении количества 0,01 М раствора нитрата калия от 3 мл до 30 мл температура кристаллизации растворов понижается с +0,5 °C до 0 °C. Согласно анализу диаграммы «Состав – Температура кристаллизации», при добавлении к раствору борной кислоты 3 мл раствора нитрата калия температура кристаллизации повышается с 0 °C до  +0,5 °C, и при соотношении [H₃BO₃ (0,01 М)] : [KNO₃ (0,01 М)] = 9:1 наблюдается точка разрыва.

Заключение.

Проведено тщательное физико-химическое исследование взаимодействия компонентов в системе H₃BO₃–KNO₃–H₂O изомолярным методом на основе 0,01 М растворов нитрата калия и борной кислоты. На основании полученных экспериментальных результатов сделаны следующие основные выводы:

− При изменении соотношения компонентов в изомолярном ряду существенно изменяются физико-химические свойства растворов, такие как pH, плотность, вязкость, показатель преломления и температура кристаллизации;

− При мольном соотношении борной кислоты и нитрата калия 9:1 наблюдается переломный момент по всем физико-химическим параметрам, что свидетельствует о возможности образования в данном соотношении новой химической фазы или соединения;

− При том же мольном соотношении 9:1 отмечено резкое снижение pH, минимальный уровень плотности и вязкости, значительные изменения показателя преломления и температуры кристаллизации;

− Результаты данного исследования могут быть полезны для определения оптимального соотношения соединений бора и калия в микроудобрениях, а также для синтеза новых комплексных соединений.Для установления состава образующегося соединения будет выделен осадок из концентрированного раствора солей при их соотношении 9:1 и изучатся химический и элементный анализ соеденений.

Список литературы:

1. Gui J. Y. et al. Interaction between selenium and essential micronutrient elements in plants: A systematic review //Science of the Total Environment. – 2022. – Т. 853. – С. 158673.   https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.158673
2. Nieder, R., Benbi, D. K., Reichl, F. X. (2018). Microelements and their role in human health. Soil components and human health, 317-374. 
3. Жуйков Д. В. Сера и микроэлементы в агроценозах (обзор) //Достижения науки и техники АПК. – 2020. – Т. 34. – №. 11. – С. 32-42.doi: 10.24411/0235-2451-2020-11105
4. Ёрова Б. С., Бекова Г. М. Роль микроэлементов в жизни растений: авторское исследование //Вестник науки. – 2024. – Т. 2. – №. 2 (71). – С. 693-697. 
5. Jehangir, I. A., Wani, S. H., Bhat, M. A., Hussain, A., Raja, W., & Haribhushan, A. (2017). Micronutrients for crop production: role of boron. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, 6(11),5347-5353.https://doi.org/10.20546/ijcmas.2017.611.510
6. Rasheed M. K. Role of boron in plant growth: a review //J Agric Res. – 2009. – Т. 47. – №. 3. – С. 329-338.
7. Nadeem F., Farooq M. Application of micronutrients in rice-wheat cropping system of South Asia //Rice Science. – 2019. – Т. 26. – №. 6. – С. 356-371. https://doi.org/10.1016/j.rsci.2019.02.002
8. Alijonovna A. G., Qizi Q. G. X., Qizi E. J. N. O ‘simliklar hayotida mikroelementlarning roli //Science and innovation. – 2024. – Т. 3. – №. Special Issue 30. – С. 10-14.
9. Nosirjanovna H. X., Makhkamova D.N., Latifov M.Z., Turayev Z. STUDY OF THE INTERACTION OF COMPONENTS IN THE NiSO₄–(NH₄)₂SO₄–H₂O SYSTEM //Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – 2025. – №. 3-4. – С. 119-123.
10.  Turayev Z. et al. STUDYING THE SOLUBILITY OF THE SYSTEM ZnSO 4-KNO 3-H 2 O //Journal of Chemical Technology & Metallurgy. – 2024. – Т. 59. – №. 1. https://doi.org/10.59957/jctm.v59.i1.2024.16
11.  Makhkamova D., Turayev Z., Kucharov B. Research on the effect of microelement salt with fertilizer //E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2024. – Т. 486. – С. 01012. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202448601012
12.  Xurshida H., Dilnoza M., Malika M., Zokirjon T. Study of The Interaction of Components in the NiSO₄ – KNO₃ – H₂O System // Universum: технические науки. 2025. – Т. 7. – No. 3 (132). – P. 50–53. https://doi.org/10.32743/UniTech.2025.132.3.19625