факторы, которые могут повлиять на результаты определения.

Лабораторная работа № 1. Определение влажности почвы

Цель работы: определить содержание влаги и сухого вещества почвы.

Теоретическое обоснование

Основной метод определения влаги в почве состоит в высушивании пробпри 105°С. Гумусовые глинистые почвы с высокой влажностью нагревают при температуре 105±2⁰С в течение 8 ч, а песчаные – 3 ч. Загипсованные почвы сушат 8 ч при 80±2⁰С.

Влажность почвы и способность ее к удерживанию влаги зависят от типа почвы, ее гранулометрического состава, содержания органических веществ, ее структурных характеристик и других факторов.

ИСО 11465 устанавливает гравиметрический метод определения содержания влаги и сухой материи в пробах почвы любых типов.

Сущность метода заключается в высушивании пробы почвы до постоянной массы и определении разницы в массе почвы до и после высушивания.

Приборы и посуда: cушильный шкаф с терморегулятором и вентиляцией или с влагопоглотителем; аналитические весы с точностью 0,0001г; контейнеры с крышкой для хранения сухих проб; фарфоровые чашки; мерные ложки.

Ход анализа

Воздушно-сухие пробы. Контейнер с крышкой емкостью от 25 до 100 мл нагревают в сушильном шкафу до 105 ± 5°С и охлаждают вместе с печью не менее 45 мин. Определяют массу закрытого контейнера с точностью до 10 мг. Мерной ложкой помещают в контейнер 10–15 г воздушно-сухой пробы почвы и определяют массу закрытого контейнера с пробой с точностью до 10 мг. При работе с пробами загрязненной почвы следует проявлять осторожность и избегать любого контакта с кожей рук.

Следует также избегать загрязнения атмосферы лаборатории парами, выделяющимися при сушке пробы.

Контейнер с пробой помещают в сушильный шкаф, нагретый до температуры 105 ± 5°С и высушивают пробу до постоянной массы. Крышку контейнера высушивают вместе с открытым контейнером с пробой. При сушке необходимо обратить внимание, чтобы мелкие частички почвы не выдувались из контейнера.

Разложением органического материала почвы при сушке в общем случае можно пренебречь. Однако пробы с высоким содержанием органических веществ (торфяные, например) предварительно высушивают до постоянной массы при 50°С. Необходимо учитывать также, что у проб почвы с летучими органическими веществами по этому методу трудно получить надежные результаты. Это относится и к пробам почвы с различными минералами, которые как, например, гипс могут терять кристаллогидратную воду при 105°С. Поэтому ГОСТ 5180 устанавливает температуру сушки загипсованных грунтов 80°С.

После выдержки пробы в сушильной печи (обычно песчаные фунты высушивают 3 ч, а остальные – в течение 2 ч) контейнер с закрытой крышкой охлаждают вместе с печью не менее 45 мин. Массу закрытого контейнера, с высушенной пробой определяют с точностью до 10 мг.

Влажные пробы. Пробу почвы помещают на чистую поверхность, которая не абсорбирует влагу, и хорошо перемешивают. При этом удаляют камни, прутки и другие включения размером более чем 2 мм. Если пробу готовят к анализу на наличие органических микрозагрязнителей, то включения не удаляют.

Контейнер с крышкой высушивают в сушильном шкафу при 105 ± 5°С и охлаждают вместе с печью не менее 45 мин. Определяют массу закрытого контейнера с точностью до 10 мг. Мерной ложкой помещают в контейнер 30–40 г почвы и определяют массу закрытого контейнера с точностью до 10 мг. Пробу высушивают при 105 ± 5°С до достижения постоянной массы, затем закрывают контейнер с крышкой и охлаждают вместе не менее 45 мин. Массу закрытого контейнера с высушенной пробой определяют с точностью до 10 мг.

Обработка результатов

Содержание влаги в почве (%) определяют по уравнению:

W = [(m – m₂)/(m – m₀)]∙100,

где m₀ – масса пустого контейнера с крышкой, г; m – масса контейнера с влажной пробой почвы, г; m₂ – масса контейнера с сухой пробой почвы, г:

Лабораторная работа № 2. Определение гидролитической

Кислотности почв по методу Каппена

Цель работы: определить гидролитическую кислотность почвенных образцов по методу Каппена.

Теоретическое обоснование

Почва – особое органо-минеральное естественноисторическое при­родное образование, возникшее в результате воздействия живых орга­низмов на минеральный субстрат и разложения мертвых организмов, влияния природных вод и атмосферного воздуха на поверхностные горизонты горных пород в различных условиях климата и рельефа в гравитационном поле Земли. Почва характеризуется плодородием. Мощность почвы – до 2–3 м. Она является одним из важнейших природных ресурсов.

Одним из важнейших показателей почвы является ее кислотность. Она обусловливается концентрацией ионов водорода в почвенном растворе (активная или актуальная кислотность) и в почвенном поглощающем комплексе (потенциальная кислотность).

Кислотность почвы повышается или понижается в зависимости от естественного загрязнения и загрязнений антропогенного характера, которое возникает при применении пестицидов, фунгицидов, дефолиан­тов и т.п. агентов, внесении удобрений в количествах, не усваиваемых культурными растениями, сбросе отходов животноводства, кислотных дождей.

Приборы, посуда, реактивы: аппарат для встряхивания суспензий, иономер, колбы конические, стаканы химические, раствор NaАс 1 М c рН=8,3, раствор НАc 10%–ный, раствор 10%–ный NaOH, буферные растворы для настройки иономера.

Ход анализа

1. Приготовление раствора NaАс 1 М: взвешивают 62,0 безводного или 136,0 г трехводного ацетата натрия и растворяют в воде, доводя объем до 1 л. Затем измеряют рН приготовленного раствора, если рН > 8,4, прибавляют 10%–ный раствор НАс, если рН<8,4 – 10%–ный раствор NaOH . Готовят стандартные буферные растворы, настраивают по ним иономер.

2. Для приготовления образцов почвы взвешивают 30,0 г почвы и помещают в конические колбы. К пробам прибавляют по 75 мл 1 М NaAc. Почву c раствором перемешивают в течение 6 мин и оставляют на 18–20 ч.Перед измерением рН суспензии перемешивают в течение 5 мин.

3. Для определения гидролитической кислотности измеряют рН на иономере не ранее, чем через 1 мин после погружения электродов. Значение рН записывают до сотых долей. Гидролитическую кислотность анализируемых почв определяют по значениям рН суспензий, пользуясь табл. 2.1 и 2.2.

Лабораторная работа № 3. Определение органического

Вещества в почвах по методу Тюрина

Цель работы : определить содержание органического вещества в почвенных образцах методом Тюрина.

Таблица 2.1

Гидролитическая кислотность почвы (малогумусные),

ммоль в 100 г почвы

Таблица 2.2

Гидролитическая кислотность почвы (торфяные и

другие органические горизонты), ммоль в 100 г почвы

Теоретическое обоснование

Почвенный гумус – основа почвы, ее плодородия, адсорбционной способности и биологической деятельности. Реакции, происходящие с участием органических веществ многочисленны и разнообразны: они включают ионный обмен, буферность, сорбцию химических веществ, окислительно-восстановительные реакции. Содержание и состав органических соединений в почвах агроэкосистем оказывают огромное влияние практически на все свойства и функции этих почв. Особую роль при этом играют специфические почвенные органические соединения – вещества гумусовой природы.

Влияние гумусовых веществ на плодородие почв чрезвычайно многообразно. Присутствие в почве достаточного количества гумусовых веществ способствует формированию прочной структуры и обеспечивает, таким образом, благоприятный водно-воздушный режим. Гумусовые вещества придают почве буферность в отношении элементов питания растений, особенно азота. Высокий уровень микробиологической активности почв также поддерживается высоким уровнем содержания гумуса. Таким образом, гумус является важным показателем плодородия почвы. Гумусовые вещества играют огромную роль в предотвращении или снижении поступления в растения различных загрязняющих веществ (тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов и т.д.).

Гумус является источником поступления в почву белков, углеводов, липидов и ароматических соединений. Гумусовые вещества по растворимости и способности экстрагироваться делятся на большие группы: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин. Иногда выделяют особую группу гиматомелановых кислот. Точное определение гумусовых веществ затруднено. Гумусовые вещества состоят из углерода (25–60%), кислорода (30–50%), азота (1–5%) и водорода (2–5%).

Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем средневзвешенные молекулярные массы гумусовых веществ в целом. Фульвокислоты – фракция органических веществ, растворимая как в кислых, так и в щелочных растворах. Содержание углерода в этих соединениях более низкое, чем у представителей других групп гумусовых веществ. Они обладают относительно более выраженными кислотными свойствами и склонностью к образованию комплексных соединений. Фульвокислотам характерна более светлая окраска, чем веществам других групп. Они преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах, некоторых почвах тропиков, сероземах.

Гуминовые кислоты – группа темно-окрашенных гумусовых соединений, которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в воде и минеральных кислотах. Гуминовые кислоты имеют в среднем более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62 %), менее выраженный кислотный характер. Преобладают в черноземах, каштановых почвах, иногда в серых лесных и хорошо окультуренных дерново-подзолистых. Преобладание в составе гумуса гуминовых кислот, особенно связанных с кальцием, наиболее благоприятно сказывается на плодородии почв и составе микроорганизмов в почве.

Гумусовые кислоты относятся к органическим объектам стохастического характера наряду с такими классами соединений как нефти, лигнины, таннины, хитозаны и др. По своей химической природе они представляют собой рандомизованные полимеры ароматических океиполикарбоновых кислот, в структуру которых также входят азотсодержащие и углеводные фрагменты (рис. 2.1).

В силу специфики строения, обусловленной наличием гидрофобного ароматического каркаса и богатой функциональными группами углеводно-пептидной периферии, гумусовые кислоты проявляют макролигандные свойства. Они образуют комплексы с ионами металлов и вступают в донорно-акцепторные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия с различными классами органических соединений.

Рис. 2.1. Гипотетический структурный фрагмент гумусовых кислот (Kleinhempel, 1970)

Указанные свойства определяют протекторные функции (термин введен Д.С. Орловым) гумусовых кислот в биосфере: связывая экотоксиканты в комплексы, гумусовые кислоты снижают их биодоступность. Данное обстоятельство позволяет рассматривать гумусовые кислоты как перспективный класс соединений для получения детоксицирующих агентов природного происхождения, которые могут быть использованы в целях рекультивации водных и почвенных сред без опасности их вторичного загрязнения.

Гумин – негидролизуемая часть гумуса. Совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почв.

Гуминовые кислоты и гумины растворимы только в щелочном растворе и осаждаются при подкислении. Имеют молекулярную массу от 30000 до 50000, несущую отрицательный заряд и обладающую функцией кислот, которая обусловлена наличием карбоксильной и фенольной групп.

Гуминовые кислоты и гумины образуют комплексы с ионами металлов, обладают большой адсорбционной способностью (как ионной, так и молекулярной). Кроме того, гуминовые вещества способны к адсорбции и абсорбции воды, а также к коагуляции.

В связи с нередким переходом на использование в основном искусственного плодородия почвы (обусловленного внесением минеральных удобрений, мелиорацией и т.п. ) взамен естественного, а также ошибками в агротехнике и других приемах земледелия в ряде случаев наблюдается резкое снижение гумуса (до 50% и более от ранее наблюдавшегося содержания , например, в черноземной зоне России). Поскольку гумус необходим для нормального развития наземной растительности, в том числе сельскохозяйственных культур, потеря гумуса ведет к потенциальной опасности полного истощения почв и к опустыниванию.

При оценке гумусного состояния почв принято определять ряд показателей, из которых наиболее существенны для оценки почвенного плодородия:

1) общее содержание гумуса в почве;

2) соотношение различных типов органических соединений, входящих в состав гумуса, групповой и фракционный состав гумусовых веществ.

Наиболее часто при оценке гумусного состояния почвы определяют общее содержание в почве веществ гумусовой природы. Прямое гравиметрическое определение органических веществ почвы не меняется из-за множества возникающих при этом затруднений: сложности выделения органических веществ, прочно связанных с минеральной частью почвы, возможного изменения их состава в процессе реакции, а также из-за трудоемкости анализа, что немаловажно для такого широко используемого определения.

Поэтому для оценки содержания гумуса в почве прибегают к косвенным методам, основанным на разложении гумуса почвы до углекислого газа и воды. В ходе анализа определяют количество углерода, содержащегося в органическом веществе, подвергшемся разложению.

Таким образом, эти методы основаны на предположении о том, что

состав органических веществ относительно постоянен, а по количеству углерода, входящего в состав гумуса, можно судить о содержании последнего. Этот подход является единственным принятым в аналитической практике для определения содержания гумуса в почвах и, как правило, в применении к большинству используемых в сельском хозяйстве почв дает достаточно корректные оценки этого показателя.

Разложение органического вещества до углекислого газа и воды может быть осуществлено методами сухого или мокрого озоления.

Сухое озоление органического вещества. При использовании метода сухого озоления по Г.Г. Густавсону достигается практически полное разложение органических веществ, так как реакция протекает при температуре около 600°С. Количество выделившегося в результате разложения углекислого газа может быть определено гравиметрически, волюмометрически или титриметрически. В классической модификации этот метод отличается большой трудоемкостью и длительностью проведения анализа. Однако поскольку метод отличается высокой точностью и воспроизводимостью, то именно его обычно используют в автоматических анализаторах для определения углерода. Так как в этих приборах температура, при которой происходит сжигание, может быть установлена точно, то исключается практически единственный недостаток этого метода – возможность разложения присутствующих в почве карбонатов с выделением углекислого газа при температуре более 700°С.

Мокрое озоление органического вещества. Как правило, в аналитической практике при определении углерода органических соединений используют метод Кнопа-Сабанина – мокрое озоление почвы раствором бихромата калия (К₂Сr₂О₇) в серной кислоте. О количестве углерода органических соединений, подвергшихся мокрому озолению, можно судить как непосредственно по количеству выделившегося углекислого газа, так и по количеству окислителя, пошедшего на сжигание opганического вещества. Классический метод Кнопа-Сабанина предусматривает прямое гравиметрическое определение выделившегося при разложении органических веществ углекислого газа.

Многие современные модификации предусматривают определениеостаточного количества окислителя титриметрическими (метод Тюрина)или фотометрическими (метод Орлова-Гриндель) методами.

Поскольку все предлагаемые ниже методы представляют собой модификации этого подхода, т.е. мокрого сжигания органического вещества с последующим определением избытка окислителя, рассмотрим вначале общие принципы, лежащие в его основе.

При химическом исследовании почвы наибольший интерес представляет, как правило, определение содержания в почве специфических гумусовых соединений. Между тем в процессе мокрого озоления разложению до углекислого газа и воды могут повергаться все органические вещества, содержащиеся в пробе, в том числе негумифицированные растительные остатки и органические вещества негумусовой природы. Поэтому при подготовке почвы к анализу особое внимание следует обратить на возможно полное отсутствие в ней корешков и различных органических остатков растительного и животного происхождения. Тем не менее, при определении общего содержания углерода органических соединений в почвах даже после тщательной подготовки проб следует иметь в виду, что получаемые результаты могут характеризовать количество углерода не только гумусовых веществ, но и не подвергшихся гумификации неспецифических органических соединений, поступивших в почву с навозом или различными компостами.

Навеска почвы при определении общего содержания углерода весьма невелика, ее однородность также имеет большое значение.

Из взятого в поле и доведенного до воздушно-сухого состояния образца берут среднюю пробу почвы массой около 50 г. Корни и видимые глазом органические остатки тщательно отбирают пинцетом.

Раздавливают почвенные комки и вновь тщательно отбирают корешки. Почву растирают в агатовой или фарфоровой ступке и отбирают аналитическую пробу массой около 5 г, которую пропускают сито с диаметром отверстий 1 мм, и вновь отбирают корешки. В процессе отбора корешков надо неоднократно перемешивать почву и вновь распределять ее тонким слоем.

Очищенную от органических остатков почву снова растирают в ступке и пропускают через сито с диаметром отверстий 0,25 мм. Трудно поддающуюся растиранию часть образца отбрасывать нельзя.

Особенности мокрого озоления органического вещества почв. Озоление (окисление) органических соединений почвы до углекислого газа и воды проводят 0,4 н. раствором К₂Сr₂О₇ в серной кислоте, разбавленной водой в соотношении 1:1. Этот реактив часто называют хромовой или окислительной смесью.

Процесс окисления углерода гумуса можно условно представить уравнением:

2 К₂Сr₂О₇+8 H₂SO₄+ЗС(гумуса)→2Cr₂(SO₄)₃+2K₂SO₄+ 8H₂O + 3СО₂

Полнота окисления органического вещества составляет около 85–95%, причем в оторфованных горизонтах она обычно ниже. Она также cильно зависит от температуры и времени протекания реакции.

Воспроизводимость результатов обычно невелика, и поэтому определение следует проводить в не менее чем трехкратной повторности. В классической модификации, используемой в методе Тюрина, нагревание проводят на электрической плитке. В этом случае следует весьма тщательно контролировать идентичность условий сжигания для каждой пробы. Б.А. Никитин рекомендовал проводить окисление в сушильном шкафу при температуре 150°С в течение 20 мин, что позволило несколько повысить воспроизводимость результатов и весьма упростило саму процедуру анализа. Хорошо воспроизводимые результаты дает также модификация метода, предложенная З.П. Антоновым и др. (1984).

Метод мокрого озоления достаточно быстр, удобен в использовании, не требует сложной аппаратуры и в большинстве почв дает вполне приемлемые результаты. Исключение могут составлять лишь карбонатные почвы и почвы с избыточным количеством извести. Карбонаты не подвергаются разложению хромовой смесью, но образующийся при взаимодействии карбоната кальция и серной кислоты гипс может обволакивать частицы почвы, препятствуя проникновению окислительного раствора и разложению органического вещества внутри частиц.

Особенности определения содержания углерода органических соединений по расходу бихромата калия. Во всех предлагаемых модификациях количество углерода органических соединений оценивается косвенно - по количеству восстановленного или оставшегося в избытке бихромата калия. Это значительно упрощает процедуру анализа, но при этом следует иметь в виду: фактически определяется не количество углерода, а окисляемость органических веществ, содержащихся в пробе, и почвы в целом.

Величина окисляемости органических веществ количественно совпадает с содержанием углерода только в том случае, если соотношение водорода и кислорода в составе органических соединений равно 2. Если Н:О более 2, то получаются завышенные результаты определения углерода, так как бихромат калия вступает во взаимодействие с “избыточным” водородом. Если соотношение Н:О менее 2, окисление углерода происходит отчасти за счет кислорода самих органических соединений, что занижает результаты. Некоторые неорганические восстановители, присутствующие в почве, также могут подвергаться окислению хромовой смесью. В частности, происходит количественной окисление присутствующих в почве хлорид-ионов с выделением свободного хлора:

Сr₂О₇ ^2-+ 6Сl^- + 14Н⁺ → 2Сr³⁺ + ЗС1₂+ 7Н₂О

Влияние хлорид-ионов на результаты определения углерода в засоленных или удобренных хлоридными солями почвах может быть учтено при параллельном определении их в отдельной навеске. Можно также перед озолением отмыть почву от хлоридсодержащих солей.

Взаимодействие закисного железа и марганца в низких степенях окисления с бихроматом, по-видимому, может оказывать заметное;

влияние только при анализе невысушенных образцов почвы, что, как правило, не практикуется при определении общего содержания углерода органических соединений в почвах.

Пересчет содержания углерода органических соединений на содержание гумуса. Результаты определения углерода органических соединений используются для оценки содержания гумуса в почве. Поскольку доля углерода в составе гумуса может сильно варьировать в разных почвах, и, кроме того, определяемый в пробе углерод может входить не только в состав гумуса, но и в состав неспецифических органических соединений, то такая оценка является несколько условной. Однако так называемый пересчет углерода на гумус получил широкое распространение. Обычно для этого результаты определения углерода в почве умножают на коэффициент 1,724, предполагая, что в гумусе содержится в среднем 58 % углерода.

Приборы, посуда, реактивы: фотоколориметр, кюветы с толщиной слоя 1–2 см, пробирки на 20 мл, стеклянные палочки, водяная баня, пипетки на 10 мл, хромовая смесь, оксалат натрия 0,05 н.

Ход анализа

1. Из размолотой почвы отбирают представительную пробу 3–5 г для тонкого измельчения в фарфоровой ступке, затем просеивают через сито диаметром 0,25 мм. Пробы почвы помещают в пробирки, установленные в штативы.

2. Готовят хромовую смесь (200 мл 2 н. раствора серной кислоты смешивают со 100 мл 0,05 н.бихромата натрия) и раствор оксалата натрия 0,05 н.

3. В пробирки с образцами почв приливают по 10 мл хромовой смеси. Затем штативы с пробирками опускают в водяную баню, уровень воды в бане должен быть на 2–3 см выше уровня хромовой смеси в пробирках. Продолжительность нагревания суспензии 1 ч с момента закипания воды в бане после погружения в нее пробирок. Содержимое пробирок перемешивают каждые 20 мин. По истечении 1 ч штативы с пробирками помещают в водяную баню с холодной водой. После охлаждения проб добавляют 40 мл воды, вставляют до полного осветления над осадочной частью раствора.

4. Для приготовления растворов сравнения в 10 пробирок наливают по 10 мл хромовой смеси и нагревают аналогично пробиркам с пробами почвы. После охлаждения в пробирки добавляют указанные в табл. 2.3 объемы дистиллированной воды и раствора оксалата натрия, растворы тщательно перемешивают.

Таблица 2.3

Приготовление растворов сравнения

6. Фотометрирование растворов проводят в кювете с толщиной слоя 1–2 см относительно раствора сравнения № 1 при длине волны равной 590 нм.

Обработка результатов

Массу органического вещества в анализируемой пробе определяют по градуировочному графику, построенному по данным оптической плотности растворов сравнения.

Массовую долю органического вещества Х, %, вычисляют по формуле:

,

где m – масса органического вещества в анализируемой пробе, найденная по градуировочному графику, мг; К – коэффициент поправки раствора оксалата натрия; m₁ – масса пробы почвы, мг; 100 – коэффициент пересчета в проценты.

Лабораторная работа № 4. Определенис суммы поглощенных

Оснований в почве по методу Каппена

Цель работы : определить сумму поглощенных оснований в почвенных образцах по методу Каппена.

Теоретическое обоснование

Нормирование качества почв – установление пределов, в которых допускается изменение ее естественных свойств. Важное значение имеет бонитировочная оценка земель (производительность почвы). Оценка производительности осуществляется на основе оценки факторов плодородия почв.

Одним из таких факторов является сумма поглощенных оснований, которая определяется по различным методикам. Метод Каппена устанавливает сумму поглощенных оснований в почвах при выполнении почвенно-агрохимических и мелиоративных обследований. Он не распространяется на карбонатные, засоленные и гипсосодержащие почвы.

Приборы, посуда, реактивы: фотоколориметр, встряхиватель, магнитная мешалка, колбы конические, стеклянные воронки, мерный цилиндр, пипетки на 25 мл, бюрека на 50 мл, фильтры «синяя лента», раствор соляной кислоты 0,1 н, гидроксида натрия 0,05 н, фенолфталеин.

Ход анализа

1. Пробы почв массой 10,0 г (для черноземов – 5 г) взвешивают с погрешностью не более 0,1 г, пересыпают в конические колбы. К пробам приливают 60 мл 0,1 н. раствора соляной кислоты.

2. Почвенные образцы с раствором соляной кислоты перемешивают на встряхивателе и оставляют на 24 ч. Определение суммы поглощенных оснований возможно как в отстоявшемся растворе, так и в фильтрате. В последнем случае раствор взбалтывают вручную и фильтруют через бумажные фильтры «синяя лента».

3. Для анализа отбирают 25 мл отстоявшейся жидкости и титруют, контролируя рН с помощью иономера или ндикатора фенолфталеина, до появления ярко-розовой окраски, не исчезающей в течение 1 мин. Титрование проводят 0,05 н. раствором гидроксида натрия. В случае выпадения осадка полуторных оксидов при титровании с фенолфталеином окраску следует наблюдать в прозрачном слое над осадком.

Обработка результатов

Сумму поглощенных оснований (в миллимолях на 100 г почвы) вычисляют по формуле:

,

где V₀ – объем 0,05 н. раствора гидроксида натрия, израсходованный на титрование пробы соляной кислоты, мл; V – объем раствора гидроксида натрия, израсходованный на титрование пробы вытяжки, мл; С – концентрация раствора гидроксида натрия, ммоль/л; 100 – коэффициент пересчета на 100 г почвы; m – масса навески почвы, cоответcтвующая взятому для титрования объему вытяжки,г

Лабораторная работа № 5. Определение нитрат-ионов в почве

Цель работы: определить содержание нитрат-ионов в почвенных образцах.

Теоретическое обоснование

Азот – один из важнейших элементов на Земле. Продукты гниения белков и разложения мочевины – аммиак и аммиачные соли, обычно превращаются в нитраты – соли азотной кислоты.

NH₃→NH₄OH→NH₂OH→HNO→HNO₂ + 274,3 кДж

HNO₂→HNO₃ + 87,6 кДж

В черноземных почвах процесс нитрификации протекает более интенсивно. Накопление нитратов в почве влияет на жизнедеятельность растения. Внесение в почву азотных удобрений увеличивает содержание белка в зерновых культурах, выход муки, влияет на содержание клейковины.

Токсичность удобрений для человека и животных определяется химическим составом и агрессивностью отдельных компонентов в них. Предельно допустимая концентрация нитрат-ионов в почвах составляет 130 мг/кг.

Почвенный азот является основным питательным веществом для растений и микроорганизмов. Оптимальное соотношение необходимого для питания растений азота и азота, внесенного в почву, имеет большое значение для оценки экологического состояния данной местности. Избыточное внесение азотных удобрений в почву приводит к загрязнению грунтовых вод нитратами. Минеральные соединения азота составляют 1–5% от общего содержания азота в почве. Эти соединения представлены в основном нитратами и аммонием.

Сущность метода определения нитрат-иона с использованием ионоселективного электрода состоит в приготовлении вытяжки из почвы 1%-ным раствором алюмокалиевых квасцов в измерении активности нитрат-иона с использованием ионоселективного электрода.

Определение содержания нитратов в почве по Грандваль-Ляжу проводится в день взятия пробы и при естественной влажности почвы. Метод основан на взаимодействии нитратов с дисульфофеноловой кислотой с образованием тринитрофенола (пикриновой кислоты), который в щелочной среде даёт жёлтую окраску за счёт образования тринитрофенолята калия (или натрия в зависимости от используемой щёлочи) в количестве, эквивалентном содержанию нитратов:

3HNO₃ + С₆Н₃(НSО₃)₂ОН → C₆H₂(NO₂)₃ОН + 2H₂SO₄ + Н₂О

C₆H₂(NO₂)₃OH + КОН →C₆H₂(NO₂)₃OK + Н₂О

желтое окрашивание

Интенсивность окраски определяют на фотоколориметре.

Метод определения нитратов по методу ЦИНАО в почвах, вскрышных и вмещающих породах используется при проведении экологического почвенного, агрохимического, мелиоративного обследований угодий, контроля за состоянием почв и других изыскательских и исследовательских работ.

Сущность метода заключается в извлечении нитратов из почвы раствором хлористого калия, последующем восстановлении нитратов до нитритов гидразином в присутствии меди в качестве катализатора и фотометрическом определении их в виде окрашенного диазосоединения.

Метод а. Ионоселективное определение концентрации

Нитрат-ионов

Приборы, посуда, реактивы: иономер, ионоселективный нитратный электрод, хлорсеребряный электрод, магнитная мешалка, 1%-ный раствор алюмокалиевых квасцов, стандартные растворы нитрата калия 0,01 М, 0,001 М, 0,0001 М в 1%-ном растворе алюмокалиевых квасцов.

Ход анализа

1. Для определения нитрат-иона настраивают прибор с использованием стандартных растворов нитрата калия.

2. Переносят в стеклянный стакан 20 г воздушно-сухой почвы, приливают 50 мл 1%-ного раствора алюмокалиевых квасцов и взбалтывают 30 мин.

3. В полученной суспензии измеряют активность нитрат-ионов. Содержание нитратов в пробе определяют по показаниям прибора. Для чего после настройки прибора электроды погружают в подготовленную пробу и проводят отсчет величины

,

где – концентрация нитрат-ионов в пробе, которую вычисляют по формуле

Обработка результатов

Концентрацию нитратов С в почве, мг/кг, вычисляют по формуле

где – концентрация нитратов в вытяжке, моль; 14 – атомная масса азота; 10⁵– коэффициент, учитывающий отношение навески почвы к экстрагирующему раствору и пересчета с граммов на миллиграммы; ω – влажность почвы, взятой для анализа, %.

Метод б. Определение содержания нитратов

В почве по Грандваль-Ляжу

Приборы, посуда, реактивы: дисульфофеноловая кислота; 20%-ный раствор NaОН или КОН (20 г NаОН или КОН растворить в 80 см³ дистиллированной воды); лакмусовая бумага.

Ход определения

На технических весах берут 20 г свежей почвы и помещают в колбу объёмом 150–200 см³. Приливают цилиндром 100 cм³ дистиллированной воды (или 0,02 н. раствора K₂SO₄) и взбалтывают на ротаторе в течение 3 мин по песочным часам. Фильтруют в сухую посуду через воронку с двойным складчатым бумажным фильтром, стараясь перенести максимальное количество почвы на фильтр. Не следует наливать раствор в воронку более 1/2 её объёма. Если фильтрат мутный, в колбу с почвой прибавляют 3–5 г активированного угля, либо фильтруют до конца и добавляют в фильтрат 0,4 см³ 7%-ного раствора щелочи и 0,6 см³ 13%-ного раствора Al₂(SO₄)₃ на 100 см³ вытяжки. Выпавший осадок отфильтровывают через чистый фильтр.

Отбирают пипеткой 25–50 см³ прозрачного фильтрата и фарфоровую чашку объёмом 50–100 см³ и выпаривают содержимое на водяной бане до 1 капли. При пересушивании сухого остатка могут быть потери нитратов.

Чашку снимают с водяной бани и осадок досушивают на воздухе.

В фарфоровую чашку после охлаждения приливают пипеткой 1 см³ дисульфофеноловой кислоты и тщательно растирают сухой остаток небольшой стеклянной палочкой. Для удобства работы чашку ставят на специальную подставку, приливают в нее 10–15 см³ дистиллированной воды, перемешивают и опускают в раствор кусочек лакмусовой бумаги.

Небольшими порциями из бюретки приливают 20%-й раствор щёлочи до окрашивания лакмусовой бумаги в синий цвет. При этом образуется комплексное соединение устойчивой жёлтой окраски. Если раствор помутнеет, добавляют 2–3 капли щёлочи, постоянно перемешивая стеклянной палочкой.

Переносят количественно содержимое чашки в мерную колбу на 50 или 100 см³ через небольшую воронку без фильтра. Доводят раствор до метки, закрывают пробкой и взбалтывают. Раствор колориметрируют с синим светофильтром при длине волны 400–440 нм.

Построение градуировочного графика.

Приготовление стандартного раствора нитрата калия.

Растворяют в дистиллированной воде перекристаллизованный KNO₃ (массой 0,1631 г) в мерной колбе на 1 дм³.

Приготовление образцового раствора.

10 см³ стандартного раствора переносят пипеткой в мерную колбу на 100 см³ и доводят дистиллированной водой до метки. В 1 см³ полученного раствора содержится 0,01 мг NO3- или 0,00226 мг N.

В мерных колбах на 50 или 100 см³ готовят стандартную шкалу в соответствии с табл. 2.4, предварительно выпарив соответствующее количество образцового раствора.

Таблица 2.4

Стандартная шкала

При выпаривании небольших количеств (1–5 см³) образцового раствора. В чашку приливают 5–10 см³ дистиллированной воды во избежание пересушивания сухого остатка. Окрашивание растворов калибровочной шкалы проводится в соответствии с описанной выше методикой.

Обработка результатов

Содержание нитратов (в мг на 100 г почвы) рассчитывают по уравнению:

,

где a – содержание нитратов по графику, мг; Р – разведение (100/Х, здесь Х – количество исходного раствора, взятого для упаривания, см3); К – коэффициент влажности почвы (учитывается только при анализе свежей почвы); Н – навеска свежей почвы, г; 100 – пересчёт на 100 г почвы.

После этого рассчитывают количество азота нитратов на 100 г почвы:

С_N = С∙14,008/62,008,

где 14,008 – масса азота; 62,008 – масса иона NO^3-.

Лабораторная работа № 6. Определение содержания азота

В почве методом Кьельдаля

Общее количество азота (аммонийный, нитратный, нитритный и органический) в почве определяют по методу Кьельдаля, который стандартизован ИСО 11261. Сущность метода заключается в минерализации пробы до сульфата аммония, из которого выделяют аммиак для последующего анализа. Метод применим для всех типов почв.

Органические соединения азота со связями типа N-N-, N-O- и некоторые гетероциклические соединения (особенно пиридин) определяются по данному методу только частично. В данном модифицированном методе вместо селена в качестве катализатора используют двуокись титана, соединения которого являются экологически менее вредными, чем соединения селена.

Установка, представленная на рис.2.2, предназначена для определения азота в органических веществах.

Состоит из колбы Кьельдаля – 3 вместимостью 250 мл, испарительной колбы – 1, насадки Кьельдаля – 4, холодильника ХПТ-1-300-14/23 – 5, алонжа – 6 и конической колбы – 2 вместимостью 500 мл. Детали аппарата соединены между собой с помощью шлифов конических взаимозаменяемых по ГОСТ 8682-93, закрепленных хомутами и пружинами.

5

4

1

6

3

2

а б

Рис. 2.2. Установка для определения азота: а – классическая

установка: 1– испарительная колба; 2 –коническая колба; 3 – колба Кьельдаля; 4 – насадка Кьельдаля; 5 – холодильник; 6 – аллонж; б – дистилляционные аппараты Къельдаля Velp Scientifica.

Принцип действия основан на разложении органического вещества воздействием концентрированной серной кислоты. При этом азот переходит в аммиак, который взаимодействует с избытком серной кислоты и образует сульфат аммония. Сульфат аммония разлагают действием щелочи, а выделяющийся при этом аммиак титруют серной кислотой.

Новый аппарат UDK 127 – базовая модель в ряду дистилляционных аппаратов Къельдаля Velp Scientifica. UDK 127 разработан для выполнения многих стандартных задач, таких как определение аммонийного азота, белкового азота (отгонка по Къельдалю или прямое выщелачивание. UDK 127 оснащен новым запатентованным парогенератором, который обеспечивает абсолютно безопасный процесс работы. UDK 127 имеет функцию автоматического задания времени и добавление гидроксида натрия. Подача воды автоматически прекращается при остановках, вызванных отключением электроэнергии. Прибор оснащен системой безопасности, которая сигнализирует, если защитный чехол и пробирка не приведены в рабочее положение (без этого прибор не начинает работу). Прибор также позволяет использовать различные размеры рабочих пробирок и приемные колбы до 500 мл.

Приборы, посуда, реактивы: колбы или пробирки объемом 50 мл; аппарат для сжигания, состоящий из алюминиевого блока с просверленными отверстиями, в которые вставляют пробирки; дистилляционный аппарат; бюретки с ценой деления 0,01 мл;раствор салициловой кислоты в концентрированной серной кислоте (25 г салициловой кислоты растворяют в 1 л концентрированной серной кислоты (ρ=1,84г/см3)); каталитическая смесь (тщательно перемешивают и размалывают 200 г сульфата калия (K₂SO₄), 6 г сульфата меди (CuSO4∙5H20) и 6 г диоксида титана (ТiO₂)); натрия тиосульфат, пудра (кристаллы тиосульфата натрия (Na₂S₂О₈∙5H₂O) должны проходить через сито с размером ячеек 0,25 мм); 10 моль/л раствор гидроксида натрия; раствор борной кислоты, с(Н₃ВО₃) = 20 г/л; смешанный индикатор (0,1 г бромкрезолового зеленого и 0,02 г метилового красного растворяют в 100 мл этанола); серная или соляная кислота, с(Н+) = 0,01 моль/л.

Ход определения

Предварительную обработку проб почвы проводят согласно требованиям ИСО 11464. В ходе предварительной обработки, если сушку проводят при высоких температурах (до 105°С), потери азота могут наблюдаться у проб с высоким содержанием аммонийного и нитратного азота.

Навеску воздушно-сухой пробы около 0,2 г (при ожидаемом содержании азота до 0,5%) или около 1 г (до 0,1% азота) помещают в колбу, добавляют 4 мл раствора салициловой кислоты в концентрированной серной кислоте и вращают для тщательного перемешивания. Затем смесь выдерживают несколько часов или оставляют на ночь. После выдержки через сухую воронку по стеклянной палочке добавляют 0,5 г тиосульфата натрия осторожно нагревают смесь до прекращения вспенивания.

В охлажденную колбу добавляют 1,1 г каталитической смеси и нагревают до осветления смеси. Затем смесь осторожно кипятят около 5 ч, при этом ее температура не должна превышать 400°С. Во время кипячения серная кислота конденсируется на 1/3 расстояния от поверхности смеси до шейки колбы. В большинстве случаев достаточно кипячения в течение 2 часов. После завершения этой процедуры колбу остужают и добавляют в нее при перемешивании 20 мл воды. Вращением колбы образуют суспензию и переносят ее в аппарат для дистилляции.

Колбу промывают водой три раза и переносят все в дистилляционную колбу объемом 100 мл. В нее затем добавляют 5 мл раствора борной кислоты, присоединяют к конденсатору так, чтобы конец конденсатора был погружен в раствор. В воронку дистилляционного аппарата добавляют 20 мл раствора NaOH и медленно направляют ток щелочи в дистилляционную камеру. Отгоняют примерно 40 мл конденсата, промывают конец конденсатора, добавляют несколько капель индикатора в дистиллят и титруют его серной кислотой до фиолетового окрашивания.

Холостую пробу обрабатывают аналогичным способом.

Обработка результатов

Общее содержание азота С_N в мг/г определяют по уравнению:

где V₁ – объем серной кислоты, использованной для титрования пробы, мл; V_o – объем серной кислоты, использованный для титрования холостой пробы, мл; С – концентрация ионов водорода в серной кислоте для титрования, моль/л (если используют 0,01 M H₂SO₄, то С(Н+)=0,02 моль/л); M_N – молярная масса азота, (M_N = 14); m – масса воздушно-сухой пробы почвы, г; ω – процентное содержание воды (по массе), определенное по ИСО 11465. Результат определения округляют до двух значащих цифр.

Лабораторная работа № 7. Определение сульфат-ионов

Гравиметрическим и хелатометричеким методами в почве

Цель работы: определить содержание сульфат-ионов в почвенных образцах различными методами.

Теоретическое обоснование

Соединения серы являются важнейшими веществами в производственных химических процессах. Однако предприятия по производству серной кислоты, удобрений вносят в окружающую среду значительную часть выбросов соединений серы. Они, попадая в атмосферу и воду, загрязняют в дальнейшем и почву.

Минерализация серы в почве осуществляется микроорганизмами, которые в аэробных условиях доводят ее до сульфатов, в анаэробных –восстанавливают серосодержащие белки до сероводорода и частично до меркоптанов.

Серобактерии – аэробы окисляют в две стадии :

1. 2H₂S + O₂ → 2H₂O + 2S + 532,1 кДж

2. 2S + 3O₂ + 2H₂O→2H₂SO₄ + 1231,9 кДж

Поэтому важнейшим показателем загрязненности почвы является

концентрация сульфат-ионов.

Для определения сульфат-ионов используют различные методики. Чаще всего они основаны на осаждении сульфат-ионов хлоридом бария в растворе хлороводородной кислоты, с последующим определением гравиметрическим, турбидиметрическим и хелатометрическим методами.

Приборы, реактивы, посуда: муфельная печь, аппарат для встряхивания, электрическая плитка, филътры «синяя лента», воронки стеклянные, пипетки аликвотные на 10 мл, стакан термостойкий, конические колбы на 200 мл, 1000 мл, бюретка на 25 мл, хлороводородная кислота 10%-ный раствор, 10%-ный раствор ВаС1₂, 0,2%-ный раствор метилового красного в 60%-ном растворе этанола, 0,02 М раствор ЭДТА, хлороводородная кислота (ρ=1,19 г/см³), 25%-ный раствор аммиака, аммиачная буферная смесь pH=9,0, гидроксиламин солянокислый, индикаторная бумага «конго красный», эриохром черный Т.

Ход анализа

Гравиметрический метод

1. 60,0 г почвы помещают в колбу на 1 л, приливают 250 мл дисводы, закрывают пробкой и встряхивают в течение 3 мин. Вытяжку фильтруют через складчатый фильтр «синяя лента». Переносят 10 мл фильтрата в химический стакан, добавляя хлороводородную кислоту до появления розовой окраски по метиловому красному.

2. Раствор нагревают до кипения и приливают к нему по каплям 10 мл горячий 10%-ный раствор хлорида бария, тщательно перемешивая.

3. Раствор переносят в колбу, разбавляют водой до 100 мл. Колбу покрывают часовым стеклом и кипятят 10 мин., затем переносят в кипящую водяную баню на 2 ч и фильтруют через фильтр «синяя лента». Осадок промывают 10 мл дисводы, подкисленной 0,5 мл 10%-ного раствора соляной кислоты. Фильтр подсушивают, помещают в тигель и ставят в муфель при температуре 750°С. Пробу выдерживают 60 мин., доводя до постоянной массы, и по разнице масс тигля с пробой и пустого вычисляют массу сульфата бария.

Обработка результатов

Концентрацию сульфат-ионов в почве в пересчете на серу мг/кг, вычисляют по формуле:

С = 0,137m/m₁

где m – масса сульфата бария, мг; 0,137 – коэффициент пересчета сульфата бария на серу ; m₁- масса исследуемой почвы, кг.

Полученные результаты могут быть пересчитаны на различные формы серы ( табл. 2.5).

Таблица 2.5

Различные формы серы

Хелатометрический способ

I. Аликвотной пипеткой на 10 мл пробу вытяжки иэ почвы переносят в колбу для титрования, добавляют 60 мл дисводы, 1 мл хлороводородной кислоты (р =1,19 г/см³) и нагревают до 70–80⁰С. Осаждение сульфата бария проводят в горячем растворе, добавляя при перемешивании по каплям из бюретки 25 мл 0,02 М раствор хлорида бария. Осадок оставляют под маточным раствором на I ч для старения. После этого в раствор с осадком помещают кусочек индикаторной бумаги «конго красного» и нейтрализуют раствор по каплям аммиаком до изменения окраски из сине-фиолетовой в красную (рН=5,0).

2. Затем добавляем 5 мл аммиачной буферной смеси, индикатор эриохром черный Т (0,5 г эриохрома черного Т и 50 г NaCl растирают в ступке и берут несколъко крупинок ), солянокислый гидроксиламин и титруют из бюретки раствором ЭДТА до изменения окраски из фиолетовой в синюю.

3. В отдельной порции водной вытяжки определяем этим же методом в присутствии гидроксиламина солянокислого суммарное содержание кальция и магния.

4. Стандартизацию раствора хлорида бария, используемого для осаждения сульфатов, проводят по титранту ЭДТА. К 25 мл раствора хлорида бария в колбе добавляют 50 мл дисводы, 5 мл аммиачной буферной смеси, индикатор эриохром черный Т и титруют медленно ЭДТА до изменения окраски из фиолетовой в синюю.

Обработка результатов

Результаты анализа выражают количеством, мг-экв, SO₄^2- (Q ) на 100 г почвы

,

где V₃– объем ЭДТА, затраченный на титрование раствора хлорида бария, мл; V₂ – разность в объемах ЭДТА, израсходованных на титрование Са²⁺, Mg²⁺, и избытка хлорида бария на титрование Ca²⁺, Mg²⁺, мл; P – навеска почвы в объеме титруемой порции, г; М – молярность раствора ЭДТА.

Лабораторная работа № 8. Определение хлорид-ионов

В почве

Цель работы: определить содержание хлорид-ионов в почвенных образцах различными методами.

Теоретическое обоснование

Настоящий стандарт устанавливает методы определения иона хлорида в водной вытяжке из засоленных почв при проведении почвенного контроля за состоянием солевого режима почв, а также при других изыскательских и исследовательских работах.

Сущность метода определения иона хлорида аргентометрическим методом по Мору заключается в титровании иона хлорида в водной вытяжке раствором азотнокислого серебра, образующим с ионом хлорида труднорастворимое соединение. Для установления конечной точки титрования в раствор добавляют хромат калия, образующий с избытком серебра осадок, вызывающий переход окраски раствора от желтой к красно-бурой. Метод не применяют для анализа темно-окрашенных вытяжек.

В таких случаях применяют метод прямой ионометрии или метод титровании иона хлорида в водной вытяжке раствором азотнокислого серебра, образующим с ионом хлорида труднорастворимое соединение. Индикацию конечной точки титрования проводят ионометрически с помощью хлоридного ионоселективного электрода (рис. 2.3).

Сущность метода заключается в определении разности потенциалов хлоридного ионоселективного и вспомогательного электродов, значение которой зависит от концентрации иона хлорида в растворе. В качестве вспомогательного электрода используют насыщенный хлорсеребряный электрод. Для предотвращения загрязнения анализируемого раствора хлористым калием из солевого контакта вспомогательного электрода применяют переходную электролитическую ячейку, заполненную раствором азотнокислого калия концентрации 1 моль/дм³.

Рис. 2.3. Установка для ионометрии

Приборы, реактивы, посуда: аналитические весы; дозаторы; пипетки и бюретки; посуда лабораторная мерная; колбы конические вместимостью 250 см³; 10%-ный раствор К₂Сr₂О₇; 0,1 н раствор КС1; 0,02 моль/дм³ раствора азотнокислого серебра; вода дистиллированная.

Подготовка к анализу.

Приготовление 0,1 моль/дм³ раствора хлорида калия: 7,456 г хлористого калия, прокаленного до постоянной массы при температуре 500 °С, взвешивают с погрешностью не более 0,001 г, помещают в мерную колбу вместимостью 1000 см³ и растворяют в дистиллированной воде, доводя объем раствора до метки. Приготовленный раствор тщательно перемешивают. Раствор хранят в склянке с притертой пробкой не более 1 года. В случае помутнения, образования хлопьев, осадка, раствор заменяют свежеприготовленным. Для приготовления раствора допускается использовать стандарт-титр хлористого калия или хлористого натрия.

Приготовление 0,02 моль/дм³ раствора азотнокислого серебра: 3,4 г азотнокислого серебра, взвешенного с погрешностью не более 0,1 г, помещают в мерную колбу вместимостью 1000 см³ и растворяют в дистиллированной воде, доводя объем до метки.

Точную концентрацию раствора проверяют титрованием. Для этого отбирают 10 см³ раствора хлорида концентрации 0,01 моль/дм³ в коническую колбу, приливают 1 см³ раствора хромовокислого калия с массовой долей 10% и титруют раствором азотнокислого серебра до перехода окраски от желтой к красно-бурой. Титрование проводят три раза и для расчета точной концентрации используют среднее арифметическое результатов трех титрований. Точную концентрацию раствора азотнокислого серебра (X), моль/дм³, вычисляют по формуле:

где 0,01 – концентрация раствора хлорида, взятого для титрования, моль/дм³; V – объем раствора хлорида, взятый для титрования, см³; V₁ – объем раствора азотнокислого серебра, пошедший на титрование, см³.

Раствор хранят в склянке оранжевого стекла с притертой пробкой. Концентрацию раствора проверяют титрованием не реже одного раза в неделю.

Ход анализа

Для анализа используют фильтраты водных вытяжек. Пробу водной вытяжки объемом от 2 до 20 см³ отбирают дозатором или пипеткой в коническую колбу, приливают дистиллированную воду до объема 20–30 см³, 1 см³ раствора хромовокислого калия с массовой долей

10% и титруют раствором азотно- кислого серебра до перехода окраски от желтой к красно-бурой.

Объем пробы вытяжки устанавливают по величине удельной электрической проводимости или по величине плотного остатка: 20 см³ – при удельной электрической проводимости вытяжки до 1,5 мСм/см или массовой доле плотного остатка до 0,7%; 10 см³ – при удельной электрической проводимости 1,5–3 мСм/см или массовой доле плотного остатка 0,7–1,5%; 2 см³ – при удельной электрической проводимости свыше 3 мСм/см или массовой доле плотного остатка свыше 1,5%.

Обработка результатов

Количество эквивалентов иона хлорида (X), ммоль в 100 г почвы,

вычисляют по формуле:

где V – объем раствора азотнокислого серебра, пошедший на титрование, см³; C – концентрация раствора азотнокислого серебра, ммоль/см³; 500 – коэффициент пересчета на 100 г почвы; V₁ - объем пробы водной вытяжки, см³.

Массовую долю иона хлорида в почве (Х₁) в процентах вычисляют по формуле:

Х₁ = С·0,0355,

где С – количество эквивалентов иона хлорида в почве, моль в 100 г; 0,0355 – коэффициент пересчета в проценты.

За результат анализа принимают значение единичного определения иона хлорида. Результат выражают в миллимолях в 100 г почвы и в процентах с округлением до трех значащих цифр.

Лабораторная работа № 9. Фотометрический метод

Определения ионов марганца в почве

Цель работы: определить фотометрическим методом содержание ионов марганца в образцах почвы.

Теоретическое обоснование

Одной из важнейших групп токсикантов, загрязняющих почву, яв-яются тяжелые металлы (ТМ). К ним относятся металлы с плотностью более 8 тыс. кг/м³ ( кроме благородных и редких ) : РЬ, Сu, Zn, Ni, Cd, Hg, Со, Sb, Sn, Be. В прикладных работах к cписку тяжелых металлов нередко добавляют также Рt, Ag, W, Fe, Mn. Почти все тяжелые металлы токсичны.

В почве протекают различные физические, химические и биологические процессы, которые в результате загрязнения нарушаются. Загрязнение почвы связано с загрязнением атмосферы и гидросферы. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы. Основными загрязняющими веществами являются металлы и их соединения, удобрения и пестициды, радиоактивные отходы. По пищевым цепям эти загрязнения попадают в организм человека, оказывая токсическое, канцерогенное, мутагенное действие, подавляя иммунитет.

Особую биологическую опасность среди загрязняющих веществ представляют тяжелые металлы (ТМ), к ним относится более 40 химических элементов таблицы Д.И. Менделеева. Здесь следует особо выделить хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, кадмий, олово, сурьму, теллур, ртуть, галлий, свинец, висмут.

Поступление тяжелых металлов в литосферу вследствие техногенного рассеяния осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах (черная и цветная металлургия, обжиг цементного сырья, сжигание минерального топлива). Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием ТМ, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения, вторичное загрязнение вследствие выноса ТМ из отвалов рудников или металлургических преприятии водными или воздушными потоками, поступление больших количеств ТМ при постоянном внесении высоких доз орган ческих, минеральных удобрений и пестицидов.

Несмотря на значительное разнообразие соединений ТМ, потупающих в почву из окружающей среды, фазовый состав элементов в составе газопылевых выбросов предприятий цветной металлургии довольно однотипен; они представлены преимущественно оксидами.

Первым этапом трансформации оксидов ТМ в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и его компонентами. даже в такой простой системе, как вода, находящаяся в равновесии с СО2 атмосферного воздуха, оксиды ТМ подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости.

Процесс трансформации тяжелых металлов, поступивших в почву в процессе техногенеза, включает следующие стадии: 1) преобразование оксидов ТМ в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты); 2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидроксокарбонатов) ТМ и адсорбция соответствующих катионов ТМ твердыми фазами почв; 3) образование фосфатов ТМ и их соединений с органическими веществами почвы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Основная масса выбросов осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения. Теоретически техногенные аномалии представляют систему концентрических колец, в которых концентрация ТМ убывает от центра к периферии. В реальной природной обстановке форма и размеры зон загрязнения существенно отличаются от теоретических; обычно наблюдается неплохая корреляция формы и размеров зон загрязнения с конфигурацией розы ветров. Вокруг крупных предприятий цветной металлургии образуются сильные техногенные аномалии металлов, на пример вокруг Норильского горного металлургического комбината. Для таких предприятий характерно наличие зоны максимальных концентраций тяжелых металлов на расстоянии до 5 км от источника и зоны повышенных содержаний на расстоянии до 20–50 км.

В зонах максимального загрязнения нередко формируется "техногенная пустыня" территория сильно эродированная, личная верхнего гумусового горизонта, растительности. Вокруг промышленных предприятий меньшей мощности зона максимального загрязнения простирается на расстояние до 1–2 км, и площадь загрязненных земель значительно меньше.

Локальные техногенные геохимические аномалии образуются также вокруг предприятий, которые перерабатывают сырье, содержащее тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества в виде примесей. Так, геохимические аномалии меди, цинка, свинца образуются вокруг суперфосфатных заводов. Вокруг крупных тепловых электростанций образуются зоны загрязнения металлами 10–20 км в диаметре. Любые городские территории являются значительным источником загрязнения ТМ.

Вблизи автострад обнаружено сильное загрязнение ТМ, особенно свинцом, а также цинком, кадмием. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Определение степени загрязнения почв тяжелыми металлами не представляется простой задачей. Главная причина заключается в том, что любые элементы в почве присутствуют в форме различных соединений, только часть которых доступна растениям. Но эти соединения могут трансформироваться и переходить из одних форм в другие, поэтому для целей мониторинга выбирают в известной мере условно две или три важнейшие группы. Обычно определяют общее (валовое) содержание элементов или подвижные формы соединений, иногда отдельно определяют обменные формы и водорастворимые соединения.

Химические элементы неравномерно распределены по органам растений. Значительная часть элементов накапливается в наземных частях растений (листьях, стеблях): Mn, Mo, Sr, La, Cu, Ti, Ni, в меньшей степени Fe, Al, Co. В корнях растений аккумулируются такие элементы, KaKAg, Pb, Sn, W, Cr, V, U. Равномерно распределены в органах растений цинк (в растительности таежной зоны), олово и цинк (в альпийских и субальпийских лугах), хром (в растительности альпийских регионов).

Валовое содержание тяжелых металлов определяют методом эмиссионного спектрального анализа без предварительного разложения пробы почвы или методами атомно-абсорбционной спектрометрии после переведения пробы почвы в раствор путем разложения кислотами.

В случае эмиссионного спектрального анализа навеску почвы в 5–10 г растирают в агатовой ступке до состояния пудры. Из растертой пробы берут навеску около прокаливают ее в муфельной печи при 450–500°С в течение 2 ч для удаления воды и разложения органического вещества. Определяют потерю от прокаливания для пересчета результатов анализа на исходную массу почвы. В ходе анализа пробу почвы сжигают в дуге переменного тока, и эмиссионные спектры регистрируют на фотопленке. Для сжигания пробы почвы ее набивают в канал (концентрическую выточку) нижнего электрода спектрографа, верхний электрод изготовлен в форме усеченного конуса с площадкой на торце диаметром около 1 мм. Электроды устанавливают в держатели спектрографа, начинают сжигание при небольшой силе тока в 3–5 А, а затем повышает ее до 18–20 А и проводят сжигание в течение 2,5–3 мин до полного испарения пробы.

Для определения подвижных соединений тяжелых металлов используют кислотные, солевые и водные вытяжки из почв.

Соединения марганца являются сильными окислителями. Предельно допустимая концентрация 2 мг/кг почвы. Для определения содержания тяжелых металлов в почве чаше используют атомно-абсорбционный и полярографический методы. В данном случае используется фотометрический метод определения, который основан на окислении ионов марганца персульфатом аммония в сернокислом растворе.

Приборы, реактивы, посуда: фотоэлектрокалориметр (λ=530 нм), сито с диаметром пор 1 мм, кюветы с толщиной слоя 50 мм, аппарат для встряхивания, ступка фарфopовая, пипетки, колбы конические, стаканы химические, воронки стеклянные, фильтры бумажные «синяя лента», растворы серной кислоты 10%-ный, 5%-ный и 0,1 н., азотная кислота (ρ = 1,4 г/см³), 30%-ный раствор пероксида водорода, ортофосфорная кислота (ρ = 1,7 г/см³) 1%-ный раствор нитрата серебра, персульфат аммония, растворы перманганата калия 0,1 н., 0,001 н. (1мл 0,001 н. раствора содержит 11 мг Мn).

Ход анализа

1. Почву доводят до воздушно-сухого состояния, просеивают через сито с диаметром пор 1 мм. Помещают 5 г почвы в колбу с притертой пробкой, приливают 50 мл 0,1 н. раствора серной кислоты и встряхивают в течение 1 ч.

2. Смесь фильтруют, 10 мл фильтрата помещают в стакан вместимостью 50 мл, приливаю 5 мл азотной кислоты и 2 мл пероксида водорода, нагревают до образования сухого остатка. Затем остаток растворяют в .5 мл 10%-ного раствора серной кислоты, нагревая до полного растворения. К раствору приливают 15 мл воды, 2 мл раствора нитрата серебра и 2 мл фосфорной кислоты. Смесь нагревают 5–10 мин на электрической плитке. Если раствор помутнеет, отфильтровывают. Затем прибавляют 2 г персульфата аммония, перемешивают и ставят на горячую плитку на 10–15 мин. По окончании выделения пузырьков озона раствор охлаждают, переливают в мерную колбу на 50 мл, доводят объем дисводой до метки.

3. Измеряют оптическую плотность раствора при λ = 530 нм по отношению к 5%-ному раствору серной кислоты. Содержание перманганата калия (мл) при анализе пробы находят по градуировочному графику.

4. Построение градуировочного графика.

В мерные колбы вместимостью 50 мл вносят 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 25,0 мл 0,001 н. раствора перманганата калия и объем доводят до метки водой. Измеряют оптическую плотность окрашенных растворов при λ=530 нм. Строится градуировочный график зависимости оптической плотности от объема 0,001 н. перманганата калия, мл.

Обработка результатов

Концентрация марганца в пробе С, мг/кг, вычисляют по формуле

С= а·11/ В ,

где а – содержание 0,001 н. раствора перманганата калия, найденное по градуировочному графику; В – масса почвы, соответствующая исследуемому объему раствора пробы ; 11 – содержание марганца в 1 мл 0,001н. раствора перманганата калия, мкг/мл.

Лабораторная работа № 10. Определение

Поверхностно-активных веществ ( пав ) в почвах

Цель работы: определить содержание анионоактивных ПАВ в образцах почвы.

Теоретическое обоснование

В настоящее время насчитывается около 4000 областей применения ПАВ. Недостатком ПАВ является невозможность извлечения из сточных вод для использования в технологическом процессе. Попадая в водоемы, а затем и в почву они могут отрицательно влиять на биологические и биохимические процессы в них.

Основная нагрузка в процессе самоочищения почвы от загрязнителей ложится на микроорганизмы. В этой связи обращает внимание способность ПАВ изменять количественный и качественный состав микрофлоры почвы. Имеются данные об ингибирующем действии алкилбензосульфонатов на процесс нитрификации, проявление которого в различных почвах зависит от степени разветвленности алкильной цепи ПАВ. Анионное ПАВ алкилсульфонат натрия угнетает целлюлозо-разлагающую активность микроорганизмов. Имеется ряд других примеров отрицательного влияния детергентов на микрофлору почвы. ПАВ внедряются в пищевые цепочки, загрязняют продовольственное сырье и продукты питания, оказывая неблагоприятное воздействие на здоровье человека. ПАВ способны образовывать в почве нитрозосоединения. В сточных водах, предназначенных для орошения, обнаружено и идентифицировано около 200 ПАВ.

Методика определения предназначена для суммарного содержания анионоактивных ПАВ в почве, куда входят детекторы естественного и экзогенного происхождения : соли карбоновых кислот СООН, алкилосульфонаты первичные ROSO₃Na, вторичные R₂CHOSO₃Na, сульфонаты карбоновых кислот RCH(S0₃Na)COONa, их эфиры и амиды, алкилсульфонаты фосфор- и кремнийорганических соединений анионного типа.

Предельно допустимая концентрация ПАВ в почвах составляет 0,2 мг/кг почвы.

Приборы, посуда, реактивы: фотоэлектроколориметр с λ= 625–750 нм, кювета с толщиной слоя 3 см, сушильный шкаф, делительные воронки; ступка фарфоровая, пипетки, раствор гидроксида натрия (5,04 г NaОН в 630 мл воды ), раствор KH₂PO₄ (16,3306 г KH₂PO₄ в 1,2 л воды), фосфатный буферный раствор с рН = 10 ( готовят смешением равных количеств растворов NaОН и KH₂PO₄ ), метиленовый синий ( водный раствор 0,35 г/л), серная кислота ( р = 1,84 г/см³), метиленовый синий (0,35 г МС в 500 мл воды в мерной колбе на 1 л, добавляют 6,5 мл концентрированной сepой кислоты, до метки доводя водой), хлороформ, этанол 70%-ный водный раствор, алкилсульфонат натрия (0,5 г ПАВ в мерной колбе на 1 л).

Ход анализа

1. Методом квартования отбирают часть средней пробы (100–150 г)и высушивают в сушильном шкафу при температуре 105°С до постоянной массы (3–4 ч ). Затем почву растирают до состояния пудры в фарфоровой ступке, навеску массой 1 г переносят в коническую колбу вместимостью 100 мл. В колбу приливают 25 мл 70%-ного раствора этанола нагретого до кипения, и смесь перемешивают в течение 3 мин. Экстракт фильтруют в мерную колбу вместимостью 100 мл, объем фильтрата доводят до метки дистиллированной водой и перемешивают.

2. Раствор переносят в делительную воронку вместимостью 250 мл, добавляют 10 мл фосфатного буферного раствора, 5 мл водного раствора метиленового синего, перемешивают и оставляют на 15 мин. Затем до-бавляют 8 мл хлороформа в воронку и интенсивно встряхивают 1 мин. После расслоения жидкостей хлороформный слой переносят в другую делительную воронку, содержащую 110 мл дисводы и 5 мл кислотного метиленового синего. Смесь встряхивают 1 мин и оставляют для расслоения жидкостей. Хлороформный слой фильтруют через воронку с плотным фильтром в пробирку с притертой пробкой. Извлечение ПАВ из водного раствора повторяют. Хлороформное экстракты объединяют и измеряют оптическую плотность окрашенного раствора на фотоэлектрокалориметре при λ= 625–750 нм. Содержание ПАВ находят по калибровочнону графику.

3. Построение калибровочного графика.

В мерные колбы вместимостью 100 мл вносят 0; 2; 5; 10; 15; 20; 25 мл рабочего стандартного раствора ПАВ, объем доводят до метки водой. Измеряют оптическую плотность окрашенных растворов-экстрактов по отношению к контрольной пробе, не содержащей ПАВ, по средним результатам строят график зависимости оптической плотности от содержания ПАВ (мкг/кг).

Обработка результатов

Концентрацию анионоактивных ПАВ С, мг/кг, вычисляют по формуле

С = а/в,

где а – количество исследуемого ПАВ, найденного в пробе, мкг; в – масса исследуемой почвы, г.

Лабораторная работа № 11. Определение нефтепродуктов в почвах

Цель работы: определить содержание нефтепродуктов в образцах почв.

Теоретическое обоснование

Нефть – маслянистая жидкость, представляющая собой сложный природный раствор органических соединений, в основном углеводородов. В углеводородах растворены высокомолекулярные смолисто-асфальтеновые вещества, а также низкомолекулярные кислород-, азот- и серусодержащие органические соединения. Кроме того, в нефти растворены и некоторые неорганические вещества: вода, соли, сероводород, соединения металлов и других элементов.

Нефть в природе довольно разнообразна. По внешнему виду она различается по цвету (от почти бесцветной до темно-коричневой) и вязкости (от весьма подвижной до густой малоподвижной). Соотношение компонентов, входящих в состав нефти, определяет ее тип, физические свойства, состав. Изменение состава и свойств нефти отражается прежде всего на удельном весе, который колеблется от 0,80 до 0,95. Нефть с большим или меньшим удельным весом встречается редко.

В составе нефти различают следующие классы углеводородов:

Среди метановых углеводородов в нефти имеются газообразные, жидкие и твердые. Газообразные (метан, этан, бутан и др.) растворены в жидких углеводородах и выделяются при изменении давления. Твердые высокомолекулярные углеводороды (парафины) также находятся в растворенном состоянии. Их попадание в почву особенно опасно, так как, имея низкую температуру застывания, парафины прочно закупоривают все каналы, по которым происходит обмен веществ между почвой и растением, почвой и атмосферой.

Нефть с преобладанием метановых углеводородов относится к метановому типу. Среди ее разновидностей выделяется высокопарафинистая нефть (содержание парафина более 6%), парафинистая (1,5–6,0%) и малопарафинистая (менее 1,5%).

Нафтеновые углеводороды присутствуют во всех типах нефти, но нефть с преобладанием этого класса углеводородов встречается редко. Среди ароматических углеводородов преобладают низкомолекулярные структуры (бензол, толуол, ксилол, нафталины). В подчиненном количестве имеются гомологи 3–6-кольчатых углеводородов (полициклические ароматические углеводороды – ПАУ). В некоторых разновидностях нефти ПАУ содержат значительное количество 3,4-бенз(а)пирена и других канцерогенных углеводородов.

Высокомолекулярные ароматические структуры, содержащие также кислород, серу, азот, представляют смолы и асфальтены. Смолы – вязкие вещества, асфальтены – твердые. Те и другие растворены в жидких углеводородах. Высокое содержание смол и асфальтенов в нефти определяет увеличение ее удельного веса и вязкости. Такие нефти малоподвижны, но могут создать устойчивый очаг загрязнения в почве.

Смолистые нефти не содержат, как правило, твердых парафинов, а высокопарафинистые нефти – заметного количества смолисто-асфальтеновых веществ. Нафтеновые нефти содержат минимальное количество тех и других.

Существенное значение имеет содержание серы в нефти. Кроме элементной серы, в нефти присутствуют некоторые специфические сернистые соединения (меркаптаны, сульфиды, тиофаны), дающие специфический запах. Присутствие сернистых соединений увеличивает токсичность нефти.

По содержанию серы нефть бывает малосернистая (менее 0,5 %), сернистая (0,5–2,0%), высокосернистая (более 2,0%).

Нефть разделяется на фракции по температуре кипения смесей различных углеводородов. Углеводороды, вскипающие до 200°С, относятся к бензиновой, вскипающие в интервале 200–300 °С, – керосиновой, от 300 до 400 °С – газоилевой фракциям.

Нефть, богатая бензиновой фракцией, быстрее испаряется, и ее воздействие на природную среду относительно кратковременно. Углеводороды, вскипающие при высоких температурах, довольно устойчивы и очищение от них компонентов природной среды проходит с трудом.

Тип нефти зависит от многих условий, связанных с формированием и существованием ее скоплений. В одном и том же районе можно встретить разные типы нефти. Часто наблюдается определенная зональность по площади и по толще нефтеносных пород в изменении состава нефти.

Из нефти получают несколько тысяч различных продуктов, которые делятся на следующие основные группы: