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 wymiennej metodą Mehlicha w modyfikacji Peecha oraz kwasowości hydrolitycznej metodą Kappena

Numer ćwiczenia: 11

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

- określenie kwasowości wymiennej wg metody Mehlicha w modyfikacji Peecha badanej gleby,

- określenie kwasowości hydrolitycznej wg metody Kappena badanej gleby.

4. Metodyka badań

1. Oznaczanie kwasowości wymiennej

Większość metod stosowanych do oznaczania kwasowości wymiennej H_w (wodór wymienny) polega na wyparciu (wyekstrahowaniu) z kompleksu sorpcyjnego do roztworu jonów H⁺ i Al³⁺ oraz określeniu ilości wypartych jonów, najczęściej przez miareczkowanie. Do ekstrakcji stosuje się powszechnie roztwory: BaCl₂ + trójetyloamina o pH 8,0, CH₃COONa o pH 8,2 (w tym przypadku oznacza się tzw. kwasowość hydrolityczną), CH₃CONH₄ o pH 7,0 oraz KCl + trójetyloamina.

1. Opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu

Oznaczanie kwasowości wymiennej metodą Mehlicha w modyfikacji Peecha

• Umieścić 10 g gleby w kolbie Erlenmayera 150 cm³,.

• Dodać 100 cm³ roztworu ekstrakcyjnego.

• Zamieszać kilkakrotnie, zamknąć kolbę i pozostawić na noc.

• Przenieść zawartość kolby na lejek Büchnera, opłukać kolbę roztworem ekstrakcyjnym.

• Przemywać glebę na lejku małymi porcjami roztworu ekstrakcyjnego aż do uzyskania ok. 225 cm³ przesączu.

• Przesącz przenieść do kolby 250 cm³ i uzupełnić roztworem ekstrakcyjnym.

• Przenieść roztwór do kolby Erlenmayera 500 cm³ i dodać 5 kropli indykatora mieszanego.

• Miareczkować 0,2-molowym HCl do różowego koloru (pH 5,1).

• Zmiareczkować w analogiczny sposób „ślepą” próbę, tj. 250 cm³ roztworu ekstrakcyjnego.

Sprzęt:

Waga laboratoryjna, kolby Erlenmayera 150 i 500 cm³, kolby miarowe 250 cm³, lejki Büchnera, kolby do sączenia pod ciśnieniem, biureta.

Odczynniki:

Roztwór ekstrakcyjny: 0,25-molowy BaCl₂ + 0,025-molowa trójetyloamina; indykator mieszany: 0,22 g zieleni bromokrezolowej, 0,075 g czerwieni metylowej, 96 cm³ C₂H₅OH i 3,5 cm³ 0,1-molowy NaOH; 0,2-molowy HCl.

2. Prezentacja i analiza wyników badań

Kwasowość wymienną należy obliczyć ze wzoru:

H_w = (V₀ - V) ⋅ m ⋅ 10 (cmol (+)/kg gleby),

gdzie:

V₀ - objętość HCl zużyta do zmiareczkowania 250 cm³ roztworu ekstrakcyjnego (cm³),

V - objętość HCl zużyta do zmiareczkowania badanej próby (cm³),

m - molowość HCl,

10 - współczynnik przeliczeniowy.

2. 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.

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.

---