POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA

INSTYTUT INZYNIERII ŚRODOWISKA I ROLNICTWA

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia: Kompleks sorpcyjny gleby. Kwasowość gleby. Oznaczanie kwasowości hydrolitycznej metodą Kappena. Oznaczanie zawartości wymiennego glinu i wodoru metodą Sokołowa

Numer ćwiczenia: 8

Laboratorium z przedmiotu:

Gleboznawstwo

KOD:                

Opracował:

mgr inż. Sławomir Roj-Rojewski

1999

Instytut Inżynierii Środowiska i Rolnictwa

Katedra Ochrony Gleby i Powierzchni Ziemi

KOD:

Zawartość Instrukcji:

1. Wprowadzenie

2. Cel

3. Zakres ćwiczeń laboratoryjnych

4. Metodyka badań

1. opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu

2. prezentacja i analiza wyników badań

5. Wymagania BHP

6. Literatura

1. Wprowadzenie

Kompleks sorpcyjny gleby

Właściwości gleby polegające na zatrzymywaniu i pochłanianiu w niej różnych związków chemicznych i jonów nazywane są właściwościami sorpcyjnymi. Odgrywają one bardzo ważną rolę w przyrodzie. Dzięki zdolnościom sorpcyjnym gleby możliwe jest magazynowanie składników pokarmowych i pobieranie ich przez rośliny, regulacja odczynu gleby oraz neutralizacja szkodliwych dla organizmów żywych substancji. Decydujące znaczenie odgrywa tu sorpcja wymienna. Polega ona na wymianie jonów pomiędzy roztworem glebowym a kompleksem sorpcyjnym gleby.

Kompleks sorpcyjny gleby to koloidalna część stałej fazy gleby wraz z zaadsorbowanymi jonami wymiennymi. W skład kompleksu sorpcyjnego wchodzą:

1. Koloidy mineralne

• glinokrzemiany - głównie minerały ilaste z grupy montmorylonitu, kaolinitu i illitu,

• krystaliczne wodorotlenki i tlenki żelaza (np. getyt, limonit) i glinu (np. gibsyt),

• minerały amorficzne (niekrystaliczne) jak np. alofan, niekrystaliczne tlenki żelaza i glinu.

2. Koloidy organiczne - głównie próchnica glebowa.

3. Koloidy organiczno-mineralne, tj. kompleksowe połączenia próchnicy z minerałami ilastymi.

Największą rolę w sorpcji wymiennej odgrywa próchnica i minerały ilaste.

Kompleks sorpcyjny gleby może zawierać ładunki dodatnie i ujemne, wskutek czego mogą być sorbowane zarówno kationy, jak i aniony. Jednak zdecydowana większość koloidów glebowych tworzących kompleks sorpcyjny gleby jest nośnikiem ładunków ujemnych (próchnica, minerały ilaste). Dlatego sorpcja wymienna w glebie ma charakter przeze wszystkim sorpcji wymiennej kationów.

Wielkością charakteryzującą zdolności sorpcyjne gleby jest pojemność sorpcyjna.

Pojemność sorpcyjna gleby jest to ilość wszystkich jonów jaką może zabsorbować dana gleba. Wyraża się ją w centymolach na kg suchej gleby (cmol(+)/kg = me/100 g). Ze względu na dominującą rolę ładunku ujemnego w glebie mamy do czynienia głównie z kationową pojemnością sorpcyjną. Wielkość ta waha się od kilku do kilkudziesięsciu cmol(+)/kg. Zależy ona przeze wszystkim od: ilości minerałów ilastych, rodzaju minerałów, zawartości i jakości próchnicy, która ma największe zdolności sorpcyjne, a także od pH gleby (zazwyczaj im wyższe pH tym więcej ładunków ujemnych i tym większa pojemność sorpcyjna).

W charakterystyce sorpcji wymiennej określa się: całkowitą kationową pojemność sorpcyjną, sumę zasad i kationy wymienne.

Całkowita kationowa pojemność sorpcyjna T jest to suma wszystkich kationów zasadowych (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺) i kwasowych (H⁺ i Al³⁺) zasorbowanych przez glebę. Wyraża się ją w centymolach na kg suchej gleby (cmol(+)/kg). Pozostałe kationy nie są uwzględniane, gdyż stanowią < 1 % całkowitej pojemności sorpcyjnej.

Suma zasad S jest to suma kationów o charakterze zasadowym, tj. Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺ zasorbowanych przez glebę. Wyraża się ją również w centymolach na kg suchej gleby (cmol(+)/kg).

Kationy wymienne Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, H⁺ są to wymienne formy poszczególnych kationów występujących w glebie. Powszechnie oznacza się wymienionych 5 kationów, gdyż stanowią one absolutną większość (>99%) w kompleksie sorpcyjnym.

Metody oznaczania kationów wymiennych składają się z dwóch etapów:

- wyparcia (wymycia) wszystkich wymiennych form poszczególnych kationów z gleby do roztworu. Do tego celu stosowane są najczęściej odczynniki: 1n CH₃COONH₄ o pH 7,0 dla Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺; 0,5n BaCl₂ + trójetyloamina o pH 8,2 dla Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺ i H⁺ oraz 1n CH₃COONJa dla H⁺.

- oznaczenia wypartych kationów zawartych w przesączu, dostępnymi metodami, przy czym największe zastosowanie znalazły przy oznaczeniu:

Ca²⁺, Mg²⁺ - metoda miareczkowa z wersenianem sodu lub metoda absorpcji atomowej,

K⁺, Na⁺ - metoda fotometrii płomieniowej,

H⁺ - metoda miareczkowania ługiem.

Kwasowość gleby

Kwasowość gleby jest to stan gleby, w którym odczyn jej ma charakter kwaśny, czyli pH < 7. Kwasowość dzieli się na dwa rodzaje: kwasowość czynną i kwasowość potencjalną.

Kwasowość czynna to kwasowość spowodowana przez stężenie wolnych jonów wodorowych w roztworze glebowym. Mierzymy ją w wyciągach wodnych gleb (pH w H₂O). Stanowi ona niewielki ułamek kwasowości potencjalnej, która może być od niej większa 1000-100 000 razy.

Kwasowość potencjalna to kwasowość wywołana przez jony wodorowe i glinowe zasorbowane w kompleksie sorpcyjnym gleby. Pomiędzy kwasowością potencjalną i czynną zachodzą stale reakcje wymiany. Kwasowość potencjalna dzieli się na dwa rodzaje: wymienną i hydrolityczną.

Kwasowość wymienna jest kwasowością ujawniającą się po zadziałaniu na glebę solami obojętnymi np.: KCl. W tym przypadku z kompleksu sorpcyjnego przechodzi do roztworu glebowego tylko część (słabo związane) jonów H⁺ i Al³⁺.

KS^{- 2 H+} + 2 KCl KS^{- 2 K+} + 2 HCl

Kwasowość hydrolityczna jest kwasowością ujawniającą się po zadziałaniu na glebę solami hydrolizującymi zasadowo (sole słabych kwasów i mocnych zasad) np.: CH₃COONa. W tym przypadku z kompleksu sorpcyjnego przechodzą do roztworu glebowego praktycznie wszystkie (słabo i silnie związane) jony H⁺ i Al³⁺.

KS^{- H+} + CH₃COONa KS^{- Na+} + CH₃COOH

2. Cel ćwiczenia laboratoryjnego

- poznanie teoretycznych wiadomości na temat kompleksu sorpcyjnego gleby oraz kwasowości gleb,

- poznanie metod oznaczania kationów wymiennych oraz metod oznaczania kwasowości gleby.

3. Zakres ćwiczenia laboratoryjnego

- oznaczenie kwasowości hydrolitycznej gleby metodą Kappena,

- oznaczenie zawartości wodoru i glinu ruchomego w glebie metodą Sokołowa.

4. Metodyka badań

A. Oznaczanie kwasowości hydrolitycznej

Kwasowość hydrolityczna H_h ujawnia się przy działaniu zasadowym octanem sodowym lub wapniowym, który z kompleksu sorpcyjnego gleby wypiera kationy o charakterze kwasowym, głównie wodoru i glinu. Kwasowość ta jest wskaźnikiem stopnia wysycenia kompleksu sorpcyjnego jonami wodoru i glinu.

Octan sodu (wapnia) hydrolizuje w wodzie na słaby kwas octowy i silną zasadę sodową (wapniową). Kationy sodu (wapnia) ze zdysocjowanej zasady sodowej (wapniowej) wypierają kationy wodoru i glinu z kompleksu sorpcyjnego gleby. W wyniku tej reakcji powstaje w roztworze kwas octowy, którego ilość określana przez miareczkowanie jest miernikiem kwasowości hydrolitycznej. Ze względu na to, że jednorazowe traktowanie gleby roztworem nie prowadzi do całkowitej wymiany jonów, wprowadzono eksperymentalnie dobrany współczynnik.

1. Opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu

Oznaczanie kwasowości hydrolitycznej metodą Kappena

• Umieścić 40 g suchej gleby w kolbie lub bidonie 250 cm³.

• Dodać 100 cm³ 1-molowego CH₃COONa o pH 8,2.

• Wytrząsać na mieszadle rotacyjnym przez 1 h.

• Przesączyć zawiesinę odrzuciwszy pierwsze krople.

• Pobrać 50 cm³ do kolby Erlenmayera, dodać 3-4 krople fenoloftaleiny i miareczkować NaOH, np. 0,1-molowym, do lekko różowego zabarwienia.

Sprzęt:

Waga laboratoryjna, mieszadło rotacyjne, kolby 250 cm³ z korkiem gumowym, lejki, sączki, statywy, kolby Erlenmayera 300 cm³, zlewki 250 cm³, pipety 50 i 100 cm³, biureta.

Odczynniki:

1-molowy roztwór CH₃COONa o pH 8,2, 0,1-molowy roztwór NaOH, 1 % roztwór fenoloftaleiny.

2. Prezentacja i analiza wyników badań

Kwasowość hydrolityczną należy obliczyć ze wzoru:

H_h = V ⋅ m ⋅ 5 ⋅ 1,5 (cmol (+)/kg gleby),

gdzie:

V - objętość NaOH zużyta do miareczkowania (cm³),

m - molowość NaOH,

5 - współczynnik przeliczeniowy,

1,5 - współczynnik empiryczny ustalony przez Kappena.

B. Oznaczanie zawartości wodoru i glinu ruchomego w glebie metodą Sokołowa

Oznaczanie zawartości wodoru i glinu ruchomego w glebie (kwasowości wymiennej) metodą Sokolowa polega na wyparciu z kompleksu sorpcyjnego gleby jonów H⁺ i Al³⁺ w wyniku jej wytrząsania z roztworem soli obojętnej wg. reakcji:

H⁺ - KS ≡ Al³⁺ + 4 KCl ↔ KS - 4 K⁺ + HCl + AlCl₃

Chlorek glinu ulega hydrolizie i powstaje wodoroltlenek glinu, który jako słaba zasada jest zdysocjowany w bardzo małym stopniu, w efekcie czego roztwór jest kwaśny:

AlCl₃ + 3 H₂O ↔ Al(OH)₃ + 3 HCl

Tak więc bez względu na to, czy jony K⁺ wypierają z kompleksu sorpcyjnego jony H⁺, czy jony Al³⁺, końcowym efektem jest zakwaszenie.

Przez miareczkowanie wyciągu glebowego mianowanym roztworem NaOH oznacza się sumę wymiennych jonów H⁺ i Al³⁺ (ściślej mówiąc, oznacza się sumę jonów wodorowych wymiennych i jonów wodorowych powstałych na skutek hydrolizy soli glinu), czyli kwasowość wymienną:

HCl + NaOH ↔ NaCl + H₂O

W celu oznaczenia zawartości samych jonów Al³⁺ wykonuje się oznaczenie zawartości jonów H⁺ przez miareczkowanie NaOH, po uprzednim strąceniu fluorkiem sodu jonów Al³⁺ w formie soli obojętnej - kriolitu:

AlCl₃ + 6 NaF ↔ Na₃AlF₆ + 3 NaCl

Ilość wymiennych jonów glinu wylicza się z różnicy miedzy ilością zużytego NaOH przy pierwszym (kwasowość wymienna) i drugim miareczkowaniu.

Uzyskany wynik kwasowości hydrolitycznej badanej próbki glebowej należy porównać wartościami podawanymi dla różnych utworów glebowych w literaturze.

1. opis stanowiska badawczego

Sprzęt

Waga laboratoryjna, kolby lub bidony, mieszadło rotacyjne, zlewki (250 cm³), pipety (3 i 25 cm³) cylinder miarowy (100 cm³), zestaw do sączenia, zestaw do zagotowania roztworów, biureta.

Odczynniki

• 1 - molowy KCl

• 0,01 - molowy NaOH

• 3,5 % NaF

• 1% roztwór fenoloftaleiny

2. przebieg realizacji eksperymentu

• odważyć 40 g gleby

• zalać 100 cm³ 1 n KCl

• wytrząsać przez 1 godzinę

• przesączyć przez średnie sączki, odrzucając pierwsze krople przesączu

• pobrać pipetą dwie porcje po 25 cm³ przesączu do kolbek Erlenmayera

• podgrzać i utrzymywać w stanie wrzenia przez 5 min

• do jednej kolbki dodać kilka kropel fenoloftaleiny i miareczkować na gorąco 0,01 N NaOH do utrzymującego się jasnoróżowego zabarwienia ( I miareczkowanie)

• do drugiej kolbki dodać 3 cm³ 3,5% roztworu NaF (fluorku sodowego) i miareczkować 0,01 N NaOH wobec fenoloftaleiny do utrzymującego się jasnoróżowego zabarwienia (II miareczkowanie)

Uwaga!

Wszystkie miareczkowania należy wykonać dwa razy, a do obliczeń należy wziąć średnią arytmetyczną z dwóch pomiarów.

c) prezentacja i analiza wyników badań

Zawartość glinu należy obliczyć z zależności:

Al_w³⁺ = (d₁ - d₂) ∗ n ∗ 10 (cmol(+)/kg)

gdzie:

Al_w³⁺ - zawartość glinu wymiennego

d₁ - ilość NaOH zużyta w I miareczkowaniu (zobojętnienie kwasowości wywołanej przez jony H i Al) (cm³)

d₂ - ilość NaOH zużyta w II miareczkowaniu (zobojętnienie kwasowości wywołanej przez jony H, tj. po wytrąceniu Al) (cm³)

n - miano NaOH

10 - przeliczenie na 100 g gleby

Zawartość samego wodoru należy obliczyć z zależności:

H⁺ = d₂ ∗ n ∗ 10 (cmol(+)/kg)

gdzie:

H⁺ - zawartość wodoru

d₂ - ilość NaOH zużyta w II miareczkowaniu (zobojętnienie kwasowości wywołanej przez jony H, tj. po wytrąceniu Al) (cm³)

n - miano NaOH

10 - przeliczenie na 100 g gleby

Należy porównać ze sobą uzyskane w oznaczeniu zawartości glinu i wodoru wymiennego oraz porównać je z wartościami podawanymi w literaturze dla różnych utworów glebowych.

5. Wymagania BHP

• odzież ochronna typu fartuch

• ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia

6. Literatura

Dobrzański B., Zawadzki S. (red.). Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. 1995.

Drzymała S., Mocek A., Maszner P. Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. AR w Poznaniu. Poznań. 1997.

Drzymała S., Mocek A., Maszner P., Michałek K. Analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. AR w Poznaniu. Poznań. 1985.

Ostrowska A., Gawliński S., Szczubiałka Z. Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin - katolog. Instytut Ochrony Środowiska. Warszawa. 1991.

Uglla H. Gleboznawstwo rolnicze. PWN. Warszawa. 1981.

---