화학비료의 종류 : 질산칼륨 인산칼륨 황산칼륨 질산칼슘 황산마그네슘 인산암모늄 킬레이트철 붕산 황산망간 황산아연 황산구리 몰리브덴산나트륨

이 자료는 식물에 필요한 비료의 종류와 성분에 관한 것입니다. 그와 함께 비료 조제에 필요한 여러 개념들을 이해하기 위해 작성했습니다.

 

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1. 식물에게 필요한 필수원소의 원자량, 원자가, 당량, 흡수형태

원자량atomic weight은 해당 원소 1몰의 평균 질량값을 말하며 원자량을 표시하는 단위는 g/mol입니다. 1몰은 해당 원소나 분자가 6.02214076 ☓ 1023개 있는 것을 말합니다. 원자 하나의 질량은 원자질량atomic mass이라고 합니다. 

 

원자가valence는 한 원자가 다른 원자와 화학결합을 할 수 있는 숫자를 의미합니다. 예를 들어 칼륨이온 K⁺은 +1가이므로 음이온 1개와 결합할 수 있고, 칼슘이온 Ca²⁺은 +2가이므로 음이온 2개와 결합할 수 있으며, 붕산이온 BO₃^3-은 -3가이므로 양이온 3개와 결합할 수 있습니다. 

 

당량equivalent의 개념에는 여러가지가 있지만 여기서는 원소당량을 말합니다. 원소당량은 원자량을 원가가로 나눈 값입니다. 예를 들어 산소의 원자량은 16이고 원자가는 -2이므로 16÷2=8로 산소의 당량은 8이 됩니다.

 

흡수형태는 식물이 해당 원소나 분자를 흡수하는 형태입니다. 식물의 뿌리나 잎이 탄소, 수소, 산소 이외의 영양소를 흡수하기 위해서는 먼저 이온형태를 물에 용해되어 있어야 합니다. 

 

 

 

[표] 식물에게 필요한 필수원소의 종류

원소 이름	영어 이름	기호	원자량	원자가	당량	흡수형태
탄소	Carbon	C	12	+4	3	CO2
수소	Hydrogen	H	1	+1	1	H2 O
산소	Oxygen	O	16	-2	8	H2 O, O2
질소	Nitrogen	N	14	+3	4.7	NO3- , NH4+
인	Phosphorus	P	31	+5	6.2	H2 PO4- , HPO42-
칼륨	Potassium	K	39.1	+1	39.1	K+
칼슘	Calcium	Ca	40.1	+2	20.05	Ca2+
마그네슘	Magnesium	Mg	24.3	+2	12.15	Mg2+
황	Sulfur	S	32.1	+6	5.35	SO42-
염소	Chlorine	Cl	35.5	-1	35.5	Cl-
철	Iron	Fe	55.9	+2, +3	28, 18.6	Fe2+ , Fe3+
붕소	Boron	B	10.8	+3	3.6	BO33-
망간	Manganese	Mn	54.9	+2	27.45	Mn2+
아연	Zinc	Zn	65.4	+2	32.7	Zn2+
구리	Copper	Cu	63.5	+2	31.75	Cu2+
몰리브덴	Molybdenum	Mo	95.9	+6	16	MoO42-
니켈	Nickel	Ni	58.7	+2	29.4	Ni2+

 

2. 비료의 종류 : 분자식, 분자량, 용해도

식물에게 필요한 영양소는 물에 녹아 원자이온이나 분자이온의 형태로 분해되어야 합니다. 칼륨을 비료로 사용할 때는 순수한 칼륨 결정이 아니라 물에 녹을 수 있도록 다른 원자나 분자와 결합한 물질을 이용합니다. 순수하게 한 가지 원소만 추출한 물질은 자연상태에서 존재하기 힘들기 때문입니다. 

 

다른 성분들도 마찬가지입니다. 철분이 부족하다고 해서 쇠막대기를 갈아서 주면 식물은 흡수하지 못하므로 이온형태로 녹여야 합니다. 뿐만 아니라 철이온은 다른 원자나 분자와 결합해서 물에 녹지 않는 침전물인 수산화철Fe(OH₃)을 형성하기 쉬우므로 킬레이트제chelator를 이용해서 식물이 흡수하기 쉬운 형태로 공급해야 합니다.

 

분자식molecular formula은 분자를 구성하는 원자의 종류와 수를 원소기호 및 숫자를 이용하여 나타낸 식입니다. 인산칼륨의 분자식은 KH₂PO₄이므로 인산칼륨은 K(칼륨)원자 1개, H(수소)원자 2개, P(인)원자 1개, O(산소)원자 4개로 구성되어 있다는 것을 알 수 있습니다.

 

분자량은 분자를 구성하는 각각의 원자량을 더한 값입니다. 인산칼륨KH₂PO₄의 분자량은 K원자량 39.1+(H원자량 1×2) + P원자량 31 + (O원자량 16×4) = 136.1입니다. 단위는 g/mol입니다.

 

물에 대한 용해도solubility in water는 해당 물질이 주어진 온도에서 주어진 부피의 용매에 대해 용해되어 평형을 이루는 최대량을 말합니다. 즉 물에 녹는 양이 얼마나 되는가를 측정한 것입니다. 아래의 표에서 볼 수 있듯이 보통 상온(섭씨 20도 정도)보다는 물의 온도가 높을 수록 더 많이 녹습니다. 예를 들어 질산칼륨의 경우 20도의 물 1리터에는 242g 밖에 녹지 않지만 100도의 물 1리터에는 2439g이 녹습니다. 

 

질산칼륨은 질산가리라고도 부릅니다. 질산칼륨을 물에 녹이면 질산과 칼륨으로 분해됩니다. 질산이온은 NO₃^-이고 칼륨이온은 K⁺입니다. 그러니까 질산칼륨으로 질소와 칼륨을 동시에 공급할 수 있습니다. 따라서 비료의 양을 계산할 때는 두 가지를 다 고려해야 합니다.

 

질산칼슘은 질산석회라고도 합니다. 질산칼슘은 물을 흡수하는 성질이 매우 강해서 수화물 형태로 판매되고 있습니다. 질산칼슘의 경우 질산칼슘 1분자와 물 4분자가 결합한 4수염과 물분자 10개와 질산암모늄과 결합한 10수염이 있습니다. 질산칼슘 4수염의 분자식은 Ca(NO₃)₂·4H₂O이고 분자량은 236.2g/mol입니다. 질산칼슘 10수염의 분자식은 5[Ca(NO₃)₂·2H₂O]NH₄NO₃이고 분자량은 1080.6g/mol입니다. 

 

어떤 수경재배 배양액 조성표에 질산칼슘을 40g 넣으라고 나와있으면 4수염인지 10수염인지를 확인해야 합니다. 4수염, 10수염에 들어있는 원자의 갯수와 분자량이 다르기 때문에 비료를 배합할 때 양을 다르게 계산해야 하기 때문입니다.

 

또 질산칼슘 4수염과 10수염에는 다른 차이점도 있는데 4수염에는 질산이 질산NO₃^-형태(질산태)로 들어있고 10수염에는 질산 NO₃^-형태와 암모늄 NH₄⁺형태(암모늄태) 두 가지 형태로 들어있습니다. 식물에 따라 질산태 질소를 먼저 흡수하는 식물과 암모늄태 질소를 먼저 흡수하는 식물의 종류가 다릅니다. 일반적으로 영양생장기에는 식물이 질산태 질소를 중점적으로 흡수하고 그 결과 배양액의 pH가 높아질 수 있으므로 이를 방지하기 위해 암모늄태 질소를 10% 미만으로 공급하는 것이 좋다고 합니다. 질산칼슘 10수염에는 질산태 질소 11분자와 암모늄태 질소 1분자가 들어있어서 질산태 질소만 들어있는 4수염보다 더 효과적입니다.

 

황산마그네슘은 황산고토라고도 합니다.

 

질산암모늄은 강력한 폭발력이 있기 때문에 우리나라에서는 비료보다는 실험실의 시약용으로 판매되고 있습니다. 얼마전에 있었던 베이루트 폭발의 원인도 6년간 방치되어 있었던 질산암모늄이 원인인 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 암모늄태 질소가 필요하다면 질산암모늄보다는 인산암모늄을 사용합니다.

 

인산암모늄은 인산과 암모늄의 결합비율에 따라 제1인산암모늄 또는 인산일암모늄 (NH₄)H₂PO₄, 제2인산암모늄 (NH₄)₂HPO₄, 제3인산암모늄 (NH₄)₃PO₄의 세 가지로 나뉘는데 이중에서 제1인산암모늄이 비료로 많이 사용됩니다.

 

인산칼륨도 제1인산칼륨이 많이 쓰입니다. 제1인산칼륨은 수소가 2개 있어서 인산이수소칼륨이라고도 부릅니다.

 

킬레이트철은 NaFe(III)-EDTA인데 여기서 EDTA(ethylenediamine tetra acetic acid)가 킬레이트입니다. 시판되는 킬레이트철에는 여러 형태가 있지만 NaFe(III)-EDTA가 많이 판매됩니다. 킬레이트에 철과 나트륨이 결합한 형태입니다.  

 

 

[표] 비료의 종류

비료 이름	영어 이름	분자식	물에 대한 용해도 (g/L)	분자량 (g/mol)	당량중 (mg/me)	성분함량 (%)
질산칼륨	Potassium nitrate	KNO3	316 (20 ℃) 2439 (100 ℃)	101.1	101	N 14 K 39
제1인산칼륨	Potassium dihydrogen phosphate	KH2PO4	226 (20 ℃) 835 (90 ℃)	136.1	45.3	K 29 P 23
황산칼륨	Potassium sulfate	K2SO4	111 (20 ℃) 240 (100 ℃)	174.3	87	K 45 S 18
질산칼슘	Calcium nitrate	Ca(NO3)2	1212 (20 °C) 2710 (40 °C)	164.1
	질산칼슘 4수염	Ca(NO3)2·4H2O	1290 (20 °C) 3630 (100 °C)	236.2	118	N 12 Ca 17
	질산칼슘 10수염	5[Ca(NO3)2·2H2O]NH4NO3		1080.6	108	N 15.5 Ca 19
황산마그네슘	Magnesium sulfate	MgSO4
	황산마그네슘 7수염	MgSO4·7H2O	351 (20 °C) 502 (100 °C)	246.5	123	Mg 10 S 13
제1인산암모늄	Ammonium dihydrogen phosphate	(NH4)H2PO4	360 (20 °C) 1730 (100 °C)	115	38.3	N 12 P 27
질산암모늄 (초안)	Ammonium nitrate	NH4NO3	1500 (20 °C) 10240 (100 °C)	80	80	N 35
킬레이트철	EDTA-Fe(13%)	C10H12FeN2NaO8	90 (20 °C) 300 (80°C)	430	55.9	Fe 13
	DTPA-Fe(6%)	C14H26FeN5O10	? (20 °C)	932	55.9	Fe 6
	EDDHA-Fe(6%)	C18H16N2O6FeNa	120 (20 °C)	1118	55.9	Fe 6
붕산	Boric acid	H2BO3	47 (20 °C) 280 (100 °C)	61.8	20.6	B 18
황산망간	Manganese(II) sulfate	MnSO4	520 (5 °C) 700 (70 °C)	151
	황산망간 1수염	MnSO4·H2O		169	84.5	Mn 33
황산아연	Zinc sulfate	ZnSO4	577 (20 °C)	161.5
	황산아연 7수염	ZnSO4·7H2O		287.5	144	Zn 23
황산구리	Copper(II) sulfate	CuSO4	201 (20 °C) 770 (100 °C)	159.6
	황산구리 5수염	CuSO4·5H2O	316  (0 °C) 2033 (100 °C)	250	125	Cu 25
몰리브덴산나트륨	Sodium molybdate	Na2MoO4	39.4 (25 °C) 840 (100 °C)	206
	몰리브덴산나트륨 2수염	Na2MoO4·2H2O		242	95.9	Mo 40

 

 

베란다에서 수경재배를 하면서 각각의 비료를 직접 조합해서 배양액을 만들어보려고 했는데 어려운 점이 많이 있습니다. 

 

최근 수경재배가 많이 보급되고 있기는 하지만 연구가 많이 이뤄지고 있지는 못해서 작물의 종류별 최적의 배양액 조합에 관한 자료가 부족합니다. 몇 십년전에 일본에서 시행된 연구자료가 아직 쓰이고 있을 정도입니다. 

 

또한 공장에서 생산되는 수경재배 전용비료의 순도에 대해서도 보장할 수 없습니다. 수경재배는 토경재배와 달리 이물질을 흡착할 수 있는 토양이 없기 때문에 비료의 순도가 그대로 식물에 영향을 미칩니다. 따라서 토경재배용 비료보다 더 깨끗하고 이물질이 없어야 하지만 수경재배에 사용할 수 있는 순도를 가진 비료가 따로 판매되고 있지는 않습니다.

뿐만 아니라 개인이 구입할 수 있을 정도로 비료를 소분해서 판매하지도 않습니다. 정말로 아주 적은 양만 필요한 미량원소조차 최소 500g이나 1kg 단위로 판매하고 있습니다. 수경재배 양액을 만들 때  물 1톤에 붕산 3g, 황산망간 2g, 황산아연 0.22g, 황산구리 0.05g, 몰리브덴산나트륨 0.02g 밖에 들어가지 않지만 500g이나 1kg은 구입해야 하니 가격이 부담이 됩니다.

 

하이포넥스나 제너럴 하이드로포닉스처럼 수경재배 전용비료를 생산하는 업체에서는 각각의 성분을 따로 판매하지 않고 한꺼번에 혼합해서 판매하고 있으며 그 가격도 만만치 않습니다. 하지만 이러저러한 이유들로 인해서 당분간은 수경재배 전용비료를 계속 구입해서 사용하는 수밖에 없는 것같습니다.