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:

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

1. Wapń w środowisku glebowym

1. 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.

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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

2. Magnez w środowisku glebowym

1. 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.

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.

3. 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.

4. 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.

5. 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⁺).

3. Potas w środowisku glebowym

1. 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.

2. 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.

3. 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).

4. Rozmieszczenie w profilu glebowym

Potas ogólny jest rozmieszczony w profilu glebowym mniej więcej równomiernie, natomiast potas wymienny występuje w większych ilościach w poziomach wierzchnich.

5. 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.

4. Sód w środowisku glebowym

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

2. 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.

3. Zakres ćwiczenia laboratoryjnego

• oznaczenie zawartości kationów wymiennych Ca²⁺ i Mg²⁺ w próbkach glebowych metodą miareczkową z wersenianem sodowym.

4. Metodyka badań

1. Przygotowanie wyciągów glebowych do oznaczania metalicznych kationów wymiennych (Ca, Mg, K, Na) w glebie

1. 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.

2. Oznaczanie wapnia i magnezu metodą miareczkową z wersenianem sodu

1. 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,

2. 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.

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.

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

---