POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA
INSTYTUT INZYNIERII ŚRODOWISKA I ROLNICTWA
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Charakterystyka kationów o charakterze zasadowym w środowisku glebowym. Oznaczanie zawartości kationów wymiennych Ca2+ i Mg2+ metodą kompleksometryczną
Numer ćwiczenia: 9
Laboratorium z przedmiotu:
Gleboznawstwo
KOD:
Opracował:
mgr inż. Sławomir Roj-Rojewski
2000
Instytut Inżynierii i Ochrony Środowiska
Katedra Ochrony Gleby i Powierzchni Ziemi
KOD:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zawartość Instrukcji:
Wprowadzenie
Cel
Zakres ćwiczeń laboratoryjnych
Metodyka badań
opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu
prezentacja i analiza wyników badań
Wymagania BHP
Literatura
Wprowadzenie
Wapń w środowisku glebowym
Formy występowania
trudno dostępny - minerały, substancja organiczna, związki nierozpuszczalne lub trudno rozpuszczalne w wodzie,
łatwo dostępny:
Ca2+ wymienny - zasorbowany na powierzchni lub w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych;
Ca w roztworze glebowym, głównie Ca(HCO3)2.
Dwiema najważniejszymi formami Ca w glebach są Ca2+ w KS i CaCO3. W tych formach Ca przeciwdziała zakwaszaniu się gleby. W środowisku glebowym w naszej strefie klimatycznej z biegiem czasu następuje wypieranie Ca2+ z KS przez jony H+, natomiast CaCO3 reaguje z H2CO3 dając rozpuszczalny w wodzie Ca(HCO3)2. W ten sposób zapasy Ca przechodzą do roztworu glebowego i są wypłukiwane, czego konsekwencją jest obniżenie pH gleby. Formami przyswajalnymi dla roślin są Ca2+ i Ca(HCO3)2.
Źródła i straty
Źródłem Ca w glebie uprawnej są przede wszystkim nawozy mineralne, minerały glebowe (np. kalcyt, apatyt, gips, hornblenda, fosforyt, dolomit) oraz resztki roślinne i obornik. Ponadto występuje on w kompleksie sorpcyjnym jako kation wymienny Ca2+, w związkach organicznych (głównie próchnicy) oraz w formie soli rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych w roztworze glebowym.
Ubytek Ca z gleby uprawnej występuje głównie na skutek: wymywania i erozji, a także w wyniku pobierania przez rośliny.
Rola w glebie i roślinie
Rola Ca w glebie:
zmniejsza kwasowość gleby,
powoduje koagulację koloidów glebowych,
sprzyja tworzeniu struktury gruzełkowej - powoduje zgruźlenie gleb lekkich, natomiast spulchnia gleby ciężkie,
poprawia w ten sposób stosunki powietrzno-wodne gleby,
zwiększa przyswajalność Mo, P, Mg a obniża - Fe, Al, B, Mn (w środowisku kwaśnym występują one w formach toksycznych),
bardzo korzystnie wpływa na organizmy glebowe podwyższając pH gleby,
stymuluje proces humifikacji,
korzystnie wpływa na nitryfikację.
Fizjologiczna rola Ca w roślinie:
usztywnia tkanki roślin,
uodparnia na porażenia przez patogeny (grzyby, wirusy),
korzystnie wpływa na podział komórek,
reguluje gospodarkę wodną,
wpływa na procesy metaboliczne,
kontroluje właściwą strukturę oraz funkcjonowanie błon cytoplazmatycznych jądra i mitochondriów.
Rozmieszczenie w profilu glebowym
Wapń jest rozmieszczony nierównomiernie w profilu glebowym. Najczęściej nagromadzenie wapnia ogólnego i wymiennego obserwuje się w głębszych partiach profili glebowych ze względu na procesy wymywania i ługowania.
Zawartość w glebie
Zawartość ogólna Ca w glebie wynosi 0,07 - 3,6 %, lecz gleby wytworzone ze skał węglanowych mogą zawierać go więcej. Natomiast zawartość wymiennego Ca2+ najczęściej przyjmuje wartości: w poziomach Ap gleb ornych 0,6-13,2 cmol(+)/kg, w warstwach organicznych gleb leśnych 2,9-31,2 cmol(+)/kg, w warstwach mineralnych gleb leśnych 0,05-5,6 cmol(+)/kg.
Najwięcej Ca zawierają rędziny, gleby brunatne właściwe, czarne ziemie, czarnoziemy, mniej - gleby płowe, bielicowe, bielice, najmniej zaś - gleby torfowisk wysokich.
Magnez w środowisku glebowym
Formy występowania
trudno dostępny - minerały, substancja organiczna;
łatwo dostępny:
Mg2+ wymienny - zasorbowany na powierzchni lub w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych;
Mg w roztworze glebowym - w postaci soli kwasów, głównie Mg(HCO3)2.
Rośliny pobierają Mg z roztworu glebowego jako Mg2+ oraz Mg(HCO3)2.
Źródła i straty
Głównym źródłem Mg są minerały np. magnetyt, dolomit, serpentyn, hornblenda, augit, talk, biotyt, oliwin. Inne źródła to: resztki roślinne i nawozy mineralne.
Straty Mg z gleby uprawnej są spowodowane przede wszystkim procesami wymywania i erozji, a także pobieraniem przez rośliny.
Rola w glebie i roślinie
Rola Mg w glebie:
zmniejsza kwasowość gleby;
powoduje koagulację koloidów glebowych;
sprzyja tworzeniu struktury gruzełkowej - powoduje zgruźlenie gleb lekkich, natomiast spulchnia gleby ciężkie;
poprawia w ten sposób stosunki powietrzno-wodne gleby;
Fizjologiczna rola Mg w roślinie:
podstawowy składnik chlorofilu,
udział w procesach fosforylacji,
zasadnicza rola w syntezie RNA i białek,
aktywator wielu reakcji enzymatycznych.
Rozmieszczenie w profilu glebowym
Magnez ogólny i wymienny jest rozmieszczony nierównomiernie w profilu glebowym. Często jest go więcej w dolnych partiach gleby, co jest związane z procesami wymywania i ługowania.
Zawartość w glebie
Zawartość ogólna Mg w glebie wynosi 0,06 - 1,2 %, a zawartość wymiennego Mg2+ kształtuje się następująco: w poziomach Ap gleb ornych 0,08-2,18 cmol(+)/kg, w warstwach organicznych gleb leśnych 0,76-2,55 cmol(+)/kg, w warstwach mineralnych gleb leśnych 0,05-0,3 cmol(+)/kg.
Najwięcej jest go w glebach brunatnych, czarnoziemach, mniej w glebach płowych , a najmniej w bielicowych. W glebach lekkich często występuje niedobór Mg, a sprzyja temu odczyn kwaśny (jon Mg2+ jest przy odczynie kwaśnym łatwiej usuwany z KS przez H+ niż jon Ca2+).
Potas w środowisku glebowym
Formy występowania
stosunkowo nieprzyswajalny - krzemiany i glinokrzemiany, podstawowe źródło to ortoklazy i miki;
trudno przyswajalny - w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych, illit, montmorylonit;
łatwo przyswajalny - 1-2 % ogólnej zawartości K:
K+ w roztworze glebowym;
K+ wymienny, czyli zasorbowany na powierzchni minerałów ilastych lub substancji organicznej.
Źródła i straty
Prawie cały K występuje w mineralnej frakcji gleby, a źródłem jego są ortoklazy i miki oraz minerały ilaste (najwięcej K zawiera illit). Inne źródła K w glebie to nawozy mineralne, resztki roślinne i zwierzęce oraz obornik.
Straty K glebowego odbywają się głównie wskutek wymywania z gleby (jest to pierwiastek bardzo mobilny) i pobierania przez rośliny, ale także w wyniku erozji oraz wiązania. Potas ulega tzw. retrogradacji polegającej na uwstecznieniu, unieruchomieniu go w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych (szerokość takiej przestrzeni = wielkość uwodnionego jonu K). Unieruchamianie K w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych następuje często podczas wysychania uprzednio zwilżonej gleby. Natomiast kolejne zmiany temperatury przyczyniają się do uwalniania jonów K.
Rola w glebie i roślinie
Rola K w glebie:
zmniejsza kwasowość gleby;
powoduje peptyzację koloidów glebowych,
pogarsza w ten sposób fizyczne właściwości gleb niszcząc strukturę gruzełkową,
powoduje wzrost pęcznienia i kurczliwości oraz spadek pulchności gleb.
Fizjologiczna rola K w roślinie:
istotną rola w procesie fotosyntezy, oddychania i regulacji uwodnienia tkanek,
przeciwdziała przeazotowaniu powodującemu wyleganie zbóż,
zapobiega przyśpieszonemu dojrzewaniu roślin powodowanemu przez P,
niezbędny przy tworzeniu skrobi i przemieszczaniu cukrów,
potrzebny przy wytwarzaniu chlorofilu,
duże znaczenie przy wykształcaniu się ziarna zbóż,
Liście roślin mających niedobór K są pożółkłe na brzegach, uschnięte, na powierzchni mają plamki. Nadmiar K w glebie nie jest szkodliwy dla roślin, które mogą go nawet pobierać w większych ilościach niż potrzebują (tzw. konsumpcja luksusowa).
Rozmieszczenie w profilu glebowym
Potas ogólny jest rozmieszczony w profilu glebowym mniej więcej równomiernie, natomiast potas wymienny występuje w większych ilościach w poziomach wierzchnich.
Zawartość w glebie
Zawartość ogólna K w wierzchniej warstwie wynosi od 0,01 % (torf) do 2 % (mady ciężkie). Jego ilość rośnie wraz ze wzrostem zawartości części spławialnych w glebie. Zawartość wymiennego K+ przyjmuje wartości: w poziomach Ap gleb ornych 0,05-0,5 cmol(+)/kg, w warstwach organicznych gleb leśnych 0,93-2,98 cmol(+)/kg, w warstwach mineralnych gleb leśnych 0,01-0,92 cmol(+)/kg.
Najwięcej K występuje w czarnoziemach, madach i rędzinach, mniej w glebach brunatnych i płowych, natomiast najmniej w glebach bielicowych, bielicach i glebach torfowych.
Sód w środowisku glebowym
Formy występowania
trudno dostępny - głównie minerały, a także substancja organiczna;
łatwo dostępny:
Na+ wymienny - zasorbowany na powierzchni lub w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych;
Na w roztworze glebowym.
Źródła i straty
Podstawowym źródłem sodu w glebie są pierwotne minerały glinokrzemianowe (ortoklaz, albit, hornblenda) oraz wtórne minerały ilaste. Inne źródła to: stosowanie nawozów sztucznych, nawadnianie pól wodami bogatymi w NaCl, zalewanie gleb wodami kopalnianymi lub morskimi, posypywanie solą dróg i ulic w okresie zimowym. Sód jest pierwiastkiem mobilnym, dlatego największe jego straty w glebie powoduje wymywanie. O prócz tego ubytek Na z gleby następuje w wyniku erozji oraz pobierania przez rośliny.
Rola w glebie i roślinie
Rola Na w glebie:
zmniejsza kwasowość gleby,
powoduje peptyzację koloidów glebowych, pogarszając w ten sposób fizyczne właściwości gleb niszcząc strukturę gruzełkową,
powoduje wzrost pęcznienia i kurczliwości oraz spadek pulchności gleb,
gromadząc się w większych ilościach powoduje zasolenie gleb.
Fizjologiczna rola Na w roślinie:
ma niewielkie znaczenie w żywieniu roślin,
wpływa na fizykochemiczne właściwości plazmy,
wpływa na gospodarkę wodną roślin,
w nadmiarze niekorzystnie oddziaływuje na strukturę chloroplastów i syntezę chlorofilu.
Rozmieszczenie w profilu glebowym
Sód ogólny i wymienny jest rozmieszczony w profilu glebowym mniej więcej równomiernie, oprócz gleb słonych, w których obserwuje się jego akumulację w poziomach wierzchnich.
Zawartość w glebie
Zawartość ogólna sodu w glebach Polski jest niewielka i kształtuje się najczęściej w granicach 0,10-0,37 %. Natomiast zawartość kationów wymiennych Na+ najczęściej przyjmuje wartości: w poziomach Ap gleb ornych 0,02-0,56 cmol(+)/kg, w warstwach organicznych gleb leśnych 0,11-0,63 cmol(+)/kg, w warstwach mineralnych gleb leśnych 0,01-0,78 cmol(+)/kg.
Większe jego ilości gromadzą się w glebach słonych i glebach terenów nadmorskich. W takich glebach występuje zjawisko zasolenia.
Cel ćwiczenia laboratoryjnego
poznanie wiadomości dotyczących roli fizjologicznej, przyswajalności dla roślin oraz znaczenia w środowisku glebowym wapnia, magnezu, potasu i sodu,
poznanie metody przygotowania wyciągów glebowych do oznaczenia kationów zasadowych,
poznanie metody kompleksometrycznej oznaczania kationów wymiennych Ca2+ i Mg2+ w glebie.
Zakres ćwiczenia laboratoryjnego
oznaczenie zawartości kationów wymiennych Ca2+ i Mg2+ w próbkach glebowych metodą miareczkową z wersenianem sodowym.
Metodyka badań
Przygotowanie wyciągów glebowych do oznaczania metalicznych kationów wymiennych (Ca, Mg, K, Na) w glebie
Opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu
Istnieje wiele metod ekstrakcji kationów zasadowych z gleby do roztworu, w których stosuje się różne związki chemiczne. Jedną z najpopularniejszych jest metoda z wykorzystaniem 1 n roztworu CH3COONH4. Kationy metaliczne są tu wypierane do kompleksu sorpcyjnego przez jony amonowe NH4+.
Odważyć od 2 do 10 g gleby powietrznie suchej (gleby zasobne w części spławialne i substancje próchniczne - 2-2,5 g, gleby średnio zasobne - do 10 g, zaś mało zasobne >10 g), roztartej i przesianej przez sito o Φ oczek 1 mm.
Umieścić glebę w zlewce o pojemności 100 ml i zalać taką ilością 1 n roztworu CH3COONH4 o pH 7, aby pokrył glebę warstwą grubości ok. 1 cm.
Dokładnie wymieszać zawartość zlewki i pozostawić na 24 godziny.
Po upływie doby ponownie dokładnie wymieszać zawartość zlewki, a następnie sączyć przez twardy sączek do suchych kolb miarowych o pojemności 100 ml. Do całkowitego przeniesienia gleby na sączek używa się małych porcji 1 n roztworu CH3COONH4.
W momencie uzyskania ok. 90 ml przesączu sprawdzić, czy jony Ca zostały wyparte z badanej próbki glebowej. W tym celu pod lejek z glebą podstawić szkiełko zegarkowe i zebrać na nim około 0,5 ml eluatu. Następnie dodać za pomocą kroplomierza kilka kropel 1 n kwasu szczawiowego. Brak reakcji (nie powstaje zmętnienie) z tym kwasem wskazuje, że z badanej próbki glebowej zostały wyparte metaliczne kationy wymienne. Przerywa się wówczas przemywanie gleby i zawartość w kolbach miarowych uzupełnia się do objętości 100 ml 1n roztworem octanu amonowego. Natomiast reakcja z kwasem szczawiowym świadczy o nie zakończonym procesie wymywania kationów z gleby i wówczas należy kontynuować ekstrakcję. Przesącze zbierać do zlewki podstawionej w miejsce kolby miarowej. Po zakończeniu przemywania połączyć wyciągi glebowe i zagęścić w zlewce przez odparowanie na łaźni wodnej do takiej objętości, aby można było przenieść ilościowo roztwór do kolby miarowej o pojemności 100 ml.
Przygotowany wyciąg glebowy powinien być klarowny i natychmiast analizowany. Przechowywać w lodówce lub chłodni (temp. 0-50C), dodając kilka kropel chloroformu.
Oznaczanie wapnia i magnezu metodą miareczkową z wersenianem sodu
Opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu
Wapń
Odpipetować 10 ml (z roztworu do analizy) do kolby stożkowej o pojemności 100 ml.
Rozcieńczyć wodą do objętości około 20 ml i dodać 10 ml 10 % roztworu KOH, pH roztworu powinno wynosić 12 lub więcej.
Dodać około 0,15 g mureksydu lub kalcesu jako indykatora.
Miareczkowąć 0,02 n wersenianem sodowym (EDTA) do zmiany koloru z czerwonego na fioletowy lub fioletowoniebieski.
Wapń + magnez
Odpipetować 10 ml roztworu do analiz do kolby stożkowej o pojemności 100 ml.
Rozcieńczyć wodą do pojemności około 20 ml i dodać 5 ml roztworu buforowego NH4Cl-NH4OH, pH powinno wynosić około 10 (9,6 do 10,4).
Dodać 5-6 kropel czerni eriochromowej T (EBT).
Miareczkowąć 0,02 n wersenianem sodowym (EDTA) do zmiany koloru z winnoczerwonego na niebieski.
Sprzęt:
Kolby stożkowe 100 ml, biurety, pipety
Odczynniki:
10 % roztwór KOH, kalces, 0,02 n wersenian sodowy (EDTA), roztwór buforowy NH4Cl-NH4OH, roztwór czerni eriochromowej T,
Prezentacja i analiza wyników badań
Zawartość kationów Ca2+ obliczyć ze wzoru:
Ca2+ cmol(+)/kg = V1
gdzie:
V1 - objętość w cm3 0,02 n wersenianu sodowego zużyta do I miareczkowania (Ca2+).
Zawartość kationów Mg2+ obliczyć ze wzoru:
Mg2+ cmol(+)/kg = V2 - V1
gdzie:
V1 - objętość w cm3 0,02 n wersenianu sodowego zużyta do I miareczkowania (Ca2+).
V2 - objętość w cm3 0,02 n wersenianu sodowego zużyta do II miareczkowania (Ca2+ + Mg2+).
W analizie wyników należy zinterpretować uzyskane zawartości kationów wapnia i magnezu w badanej próbce glebowej porównując je do typowych wartości podawanych w literaturze dla danego rodzaju gleby oraz wnioskować co do właściwości i przydatności rolniczej tej gleby.
Wymagania BHP
odzież ochronna typu fartuch
ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia
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.
Fotyma M., Mercik S. Chemia rolna. Wyd. Naukowe PWN. Warszawa. 1995.
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.
1