Аналіз проблеми кислотної деградації ґрунтів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

кислотний деградація ґрунт меліорація

Вступ

1. Причини та масштаби розвитку кислотної деградації ґрунтів

2. Хімічна меліорація як засіб профілактики втрати родючості ґрунту

3. Огляд методів визначення кислотності ґрунтів

3.1 Визначення обмінної кислотності методом Соколова

3.2 Визначення гідролітичної кислотності за Каппеном потенціометричним методом

3.3 Визначення рН водної та сольової витяжки

4. Характеристика методів визначення кислотності ґрунтів

4.1 Характеристика титриметричного методу аналізу

4.2 Характеристика потенціометричного методу аналізу

5. Експериментальна частина

5.1 Обґрунтування вибору методу аналізу

5.2 Підготовка проби

5.3 Приготування розчинів

5.4 Калібрування приладу

6. Статистична обробка результатів аналізу

6.1 Обробка результатів визначення потенційної кислотності

6.2 Обробка результатів визначення обмінної кислотності

Висновок

Перелік посилань

Вступ

Зростаюча кислотність ґрунтового покриву -- одна з найгостріших проблем сучасності та найближчою майбутнього. Процес підкислення ґрунтів набуває глобальних масштабів, спричинюючи негативні агрогеохімічні наслідки.

Особливу тривогу викликає те, що явище підкислення ґрунтів має прихований і в багатьох випадках вторинний характер. Спочатку відбувається процес декальцинації, а потім, значно пізніше, спостерігається підкислення ґрунту. Нерідко вже провапновані ґрунти знов стають кислими. З'являються кислі ґрунти і в районах, де їх раніше не було.

Причин, що обумовлюють підкислення, багато. Найістотнішими з них є кислотні дощі, низький рівень удобрювання ґрунтів органікою, необґрунтовано інтенсивне застосування засобів хімізації в землеробстві. Отже, вторинне підкислення ґрунтів має переважно антропогенне походження. За даними ЮНЕСКО, в атмосферу надходить 109 т/рік кислотних реагентів газового та аерозольного характеру. Це насамперед сполуки cульфуру, нітрогену, карбону і хлору. При їх окисненні та конденсації утворюється сульфатна, хлоридна, карбонатна й нітратна кислоти, які випадають на ґрунти з дощовою водою.

Найбільше кислотних дощів випадає у країнах Скандинавського півострова. Нині добре відомо, що підкислення ґрунтів -- це проблема східних районів: США, Канади, Німеччини, Великої Британії, Бельгії, Польщі, України, Молдови, країн Прибалтики, низки областей Росії.

Метою даної роботи є визначення кислотності ґрунтів.

Робота актуальна тим, що підвищена кислотність негативно впливає на ріст і розвиток більшості культурних рослин, заважає сприятливому ходу мікробіологічних процесів в ґрунті.

1. Причини та масштаби розвитку кислотної деградації ґрунтів

За останні 50--60 років спостерігається загальнопланетарне підвищення кислотності дощових опадів. Сильне зростання цього показника зареєстровано в багатьох індустріальних районах Швеції, Норвегії, США та Канади. У цих країнах рН дощової води знизився з 6--6,5 до 5--4,6, а в окремі періоди до 4--3,5. За свідченням В. А. Ковди, у Підмосков'ї (Росія) спостерігались випадки, коли рН дощової води опускався до 3--2,6 [1].

Особливо висока кислотність вод виникає під час весняного сніготанення. Реакція таких вод може досягати рН 4--3,5. Кислі талі та дощові води, потрапляючи у ґрунт, спричинюють підкислення всього профілю ґрунту, а нерідко підкислюють і підґрунтові води. Кислоти, потрапляючи в ґрунт, взаємодіють з його органічною та мінеральною частинами.

Підсилювались процеси декальцинації і вторинного підкислення чорноземів вилугованих, типових і звичайних через широке впровадження у виробництво індустріальних та інтенсивних технологій вирощування сільськогосподарських культур з внесенням підвищених і високих норм мінеральних добрив.

У 2000-х роках рівень внесення мінеральних добрив різко зменшився і 2002--2003 pp. становив лише 17--20 кг діючої речовини на 1 га. У той же час знизились і норми внесення органічних добрив та хімічних меліорантів. Тому ситуація щодо підкислення і декальцинації ґрунтів наприкінці 2000-х років не змінилася. На підкислення і декальцинацію ґрунтів істотно впливають також кислотні дощі, викиди промислових підприємств, перенесення водою і вітром продуктів з териконів та відвалів розкривних робіт.

Встановлено, що внесення мінеральних добрив без вапнякових матеріалів спричинює підкислення чорноземів типових, початкова реакція яких була близькою до нейтральної. При тривалому внесенні підвищених доз мінеральних добрив спостерігається зростання активної кислотності. Внесення азотних добрив ще більш підвищує активну кислотність ґрунту порівняно з внесенням фосфорно-калійних добрив. Аналогічні зміни при внесенні мінеральних добрив відбуваються і з обмінною кислотністю, але найбільш істотно збільшується обмінна титрована та гідролітична кислотність. Перша зростає у 2--2,3 раза, друга -- у 2,5--3,8 рази [2].

Під впливом підвищених норм мінеральних добрив змінюється також склад обмінних катіонів. Знижується сума увібраних основ. Ємність катіонного обміну чорнозему типового дещо зростає під впливом внесення добрив, але збільшення її відбувається за рахунок гідролітичної кислотності. Наведені дані свідчать, що на чорноземах типових за наявності високих норм мінеральних добрив потрібно вносити вапнякові матеріали.

Втрати гумусу супроводжуються погіршенням агрофізичних властивостей ґрунтів. Дослідження В. В. Медведєва (1982) свідчать про таке їх погіршення порівняно з цілиною: на 4--11 % маси ґрунту зросла брилистість, на 3--6 % -- розпорошеність, на 10-- 18 % знизився вміст агрономічне цінних агрегатів (розмір 10-- 0,25 мм), на 15--19 % -- водотривкість ґрунтової структури, на 16--26 % -- механічна міцність, на 2--4 % -- пористість агрегатів розміром від 5 до 0,25 мм при середніх значеннях цих показників на цілині 8, 15, 17, 55, 90, 42 % відповідно. Водопроникність ґрунтів в максимально розпушеному стані становить 120-- 142 мм/год, а при рівноважній щільності -- 55 мм/год. Зміна структурного стану, погіршення водно-фізичних властивостей обумовили підсилення процесів водної ерозії, дефляції, зниження потенціальної і ефективної родючості [1].

Агрофізична деградація призвела до зменшення глибини коренемісткого шару, зниження польової вологоємності, діапазону активної вологи, її доступність рослинам, а також рухомість елементів живлення. Погіршилась якість обробітку ґрунту і збільшились затрати на його проведення.

Істотним чинником змін в агроекосистемі є застосування сільськогосподарських машин. Сучасні трактори, автомобілі та сільськогосподарські машини активно взаємодіють з ґрунтом, атмосферою і рослинами, в багатьох випадках це спричинює порушення ходу природних процесів в агроландшафті. Через неправильне та надмірне використання сільськогосподарської техніки вплив її на довкілля супроводжується забрудненням атмосфери, ґрунту та водойм, руйнуванням структури і переущільненням ґрунту. Машинно-тракторні агрегати (МТА), виконуючи корисну роботу, у багатьох випадках надмірно ущільнюють оброблюваний шар ґрунту. Особливо зріс негативний вплив МТА на ґрунт за останні роки, коли середня маса трактора збільшилась у 1,5--2,4 раза, а кількість їх проходів по полю за вегетаційний період зросла з 3--4 до 10--15 при вирощуванні зернових і до 20--25 -- просапних культур.

Людство планети, яке озброєне потужними технічними засобами, прямо і опосередковано впливає на стан ґрунтового покриву практично на всій території суші. Чим вищий рівень розвитку продуктивних сил, тим більший цей вплив. Здебільшого людина завдає великої шкоди ґрунтам у процесі виробничої діяльності. В результаті значні площі родючих ґрунтів стають непридатними для використання [3].

Основними причинами зменшення площі продуктивних земель є ерозія, вторинне засолення зрошуваних земель, затоплення і підтоплення навколо штучних водосховищ, знищення рослинності і ґрунтів при добуванні корисних копалин, відведення земель під будівництво різноманітних об'єктів, забруднення ґрунтів шкідливими речовинами, виснаження на гумусні речовини, надмірне ущільнення ґрунтів важкими машинами та ін. Вони свідчать про те, що існуючі тепер типи землекористування завдають значної шкоди ґрунтовому покриву і природі в цілому. Отже, людина втрачає продуктивні землі в результаті нераціонального їх використання.

Рослинний опад в лісах і відмерла травяна рослинність після розкладу мікроорганізмами дають багато органічної речовини, збільшуючи потужність ґрунту. Частково гумус мінералізується і знову під впливом мікроорганізмів переходить в доступні рослинам мінеральні сполуки.

Ґрунт містить мікроелементи (нітроген, флуор, сульфур, ферум) і мікроелементи (бор, манган, молібден, купрум, цинк), які рослини споживають у невеликих кількостях. Їх співвідношення і визначає хімічний склад ґрунту. Він залежить від вмісту елементів в материнській породі, кліматичних факторів, рослинності. Чим більше зволожений ґрунт, тим переважно бідніше мінеральними сполуками її верхні горизонти.

Хімічний склад ґрунту постійно видозмінюється під впливом життєдіяльності організмів, клімату, діяльності людини. При внесенні добривами ґрунт збагачується живильними речовинами.

В залежності від наявності тих чи інших хімічних елементів виділяють кислотність ґрунту. Основне природне джерело кислотності ґрунту - органічні кислоти. Вони утворюються при розкладі рослинних залишків мікроорганізмів без доступу повітря і просочуються в товщу ґрунту з атмосферною вологою. Підкислення ґрунту відбувається також, коли осади вимивають кальцій і магній з кореневоживого шару. Кислоти можуть накопичуватися в ґрунті і від систематичного застосування так званих фізіологічних кислотних добрив (сульфат амонію, хлористий амоній тощо) [1].

Кислотність ґрунту зумовлюють іони водню, які утворюються при дисоціації кислот і гідролітичних кислих солей, а також поглинуті самими дрібними частинками ґрунту - колоїдами, які можуть переходити в ґрунтовий розчин [3].

2. Хімічна меліорація як засіб профілактики втрати родючості ґрунту

Для постійного невпинного підвищення врожайності ґрунтів необхідно здійснити ряд меліоративних заходів.

Меліорація -- докорінне поліпшення природних умов ґрунтів з метою підвищення їхньої родючості.

Меліорація земель визначається як комплекс агротехнічних, гідротехнічних, культуртехнічних, хімічних, агро лісотехнічних та інших меліоративних заходів, що здійснюються з метою регулювання водного, теплового, повітряного і поживного режиму ґрунтів, збереження і підвищення їх родючості та формування екологічно збалансованої раціональної структури угідь.

Агротехнічні меліорації передбачають суттєве поліпшення агрономічних властивостей ґрунту шляхом оптимального обробітку із застосуванням спеціальних прийомів -- переривчастого боронування, щілинування, лункування та інших прийомів для затримання снігу та стічних вод [3].

Лісотехнічні меліорації здійснюються з метою поліпшення водного режиму та мікроклімату, захисту ґрунтів від ерозії шляхом заліснення схилів, балок і ярів, вододілів і рухомих пісків, розведення лісів загального агрономічного призначення.

Хімічна меліорація передбачає комплекс заходів, спрямованих на поліпшення фізичних та фізико-хімічних властивостей ґрунтів і здійснюється шляхом вапнування, гіпсування і фосфоритування.

Гідротехнічна меліорація здійснюється з метою поліпшення водного і повітряного режимів ґрунтів та захисту їх від шкідливої дії води (затоплення, підтоплення, ерозії тощо). Основними меліоративними заходами, що здійснюються при гідротехнічній меліорації, є зрошувальні, осушувальні, осушувально-зволожувальні, протиповеневі, протипаводкові, протисельові та протиерозійні. Цей вид меліорації капіталомісткий і передбачає створення спеціальних гідротехнічних споруд.

Культуртехнічна меліорація -- це заходи щодо проведення впорядкування поверхні землі та підготовки до використання її в сільськогосподарському виробництві. До таких заходів відносяться викорчовування дерев і чагарників, зрізування купин, вирівнювання поверхні, розчищення землі від каміння, меліоративна оранка, залуження тощо. Всі ці види меліорації потрібно застосовувати лише на основі науково обґрунтованих потреб, щоб не погіршити стан земель.

Найбільш значимими на сьогодні є агрозаходи, що здатні істотно покращити агроекологічний стан кислих ґрунтів та сприяти підвищенню їх родючості за умов високої економії ресурсів та екологічної надійності. Використовують такі види меліорацій для покращання агроекологічного стану: технологію локальної і “підтримувальної” хімічної меліорації, фітомеліорації, комплексного окультурювання тощо. У концептуальному ракурсі нові технології на відміну від існуючих, побудовані на гармонійному поєднанні всіх агрозаходів з відтворенням родючості ґрунтів, зокрема висвітлюються принципово нові положення щодо основного внесення добрив і меліорантів, які не передбачають кардинальної зміни кислотно-основної природи всього об'єму орного шару ґрунту.

Одним видом меліорації є вапнування. Вапнування - це засіб хімічної меліорації кислих ґрунтів, який здійснюють для підвищення їхньої родючості. Зниження шкідливої дії підвищеної кислотності на фізичні властивості, мікробіологічні процеси,гумусоутворення і на поживний режим ґрунту, біохімічні процеси в рослинах, на формування врожаю та його якість досягається внесенням у ґрунт вапна. При внесенні у ґрунт вапна карбонат кальцію (або магнію) під впливом СО₂ ґрунтового розчину перетворюється поступово в гідрокарбонат кальцію (або магнію), який дисоціює на Йони Са²⁺ і НСО^-₃.Частково гідрокарбонат кальцію гідролізує з утворенням Са(ОН)₂, який дисоціює на йони Са²⁺ і ОН^-.

Катіони кальцію витісняють з ґрунтового вбирного комплексу (ГВК) іони водню й алюмінію, які переходять у ґрунтовий розчин і нейтралізуються:

Н⁺

[ГВК]+Са²⁺+2НСО^-₃=[ГВК]Са²⁺+2СО₂+2Н₂О;

Н⁺

Н⁺

[ГВК]+ Са²⁺+2 ОН^-=[ГВК]Са²⁺+2Н₂О;

Н⁺

Al³⁺ Са²

[ГВК]+3Са²⁺+ОН^-=[ГВК]Са²+2Al(OH)₃.

Al³⁺ Са²⁺

При цьому нейтралізуються також органічні та мінеральні кислоти ґрунтового розчину. Вільні іони тривалентного феруму й алюмінію, які при гідролізі в ґрунті можуть вивільнити іони гідрогену, при вапнуванні утворюють гідроксиди.

При внесенні повної норми вапна нейтралізується нейтральна й обмінна кислотності, знижується гідролітична кислотність, підвищується вміст кальцію в ґрунтовому розчині і ступінь насичення ґрунту основами. Ефективність вапнування залежить від того, чи правильно визначено потребу в ньому і норму внесення вапна. Недостатнє або надмірне вапнування призводить до зменшення врожаю сільськогосподарських культур. При визначенні потреби у вапнуванні кислих ґрунтів враховують відношення культур до кислотності ґрунту, рН сольової витяжки, ступінь насичення основами, гранулометричний склад ґрунту.

В умовах інтенсивного землеробства при визначенні потреби у вапнуванні ґрунту слід враховувати також рівень хімізації господарства. Збільшення кількості внесення мінеральних добрив посилює вимивання кальцію з орного шару ґрунту і підвищує його кислотність. В Україні в районах Центрального Полісся на неудобрених ґрунтахз орного до підорного шарів вимивається 140-150 кг/га СаСО₃, при внесенні 5,5-6 ц/га мінеральних добрив - 200-210 кг/га. Для нейтралізації підкислюючої дії на 100 кг азотних добрив додатково вносять 80-100 кг СаСО₃ або на 1 кг азоту 2,5-3,5 кг вапна.Негативна дія азотних добрив підвищується при внесенні їх разом з калійними добривами. Внесення вапна в ґрунт не тільки знижує кислотність ґрунту, а й збагачує його кальцієм.

Для зниження кислотності ґрунту і зменшення площ кислих ґрунтів при вапнуванні треба вносити кальцію більше, ніж виноситься його з ґрунту. Потребу у вапнуванні ґрунтів залежно від величини рН сольової витяжки і ступення насичення основами показано в табл. 2.1.

Табл. 2.1

Потреба вапнування ґрунтів залежно від рН і ступення насичення їх основами

Ґрунти
мінеральні	торф'яні
рН (KCl)	V, %	потреба у вапнуванні	рН (KCl)	V, %	потреба у вапнуванні
<4,5	<50	Cильна	<3,5	<35	Cильна
4,5-5,0	50-70	Середня	3,6-4,2	35-55	Середня
5,1-5,5	70-80	Слабка	4,3-4,8	55-65	Слабка
>5,5	>80	Відсутня	>4,8	>65	Відсутня

При вапнуванні ґрунту в сівозмінні враховують те, як реагують на вапнування культури сівозміни, а також гранулометричний склад ґрунту. Одні культури (люцерна, конюшина, цукрові буряки, озима пшениця, ячмінь, кукурудза, горох, капуста, цибуля) для нормального росту і розвитку потребують близької до нейтральної і навіть слабко-лужної реакції ґрунтового розчину, інші (люпин, картопля, льон, чайний кущ, помідори) добре ростуть на слабко- і середньо кислих ґрунтах [2].

Норми вапна визначають за величиною гідролітичної кислотності, оскільки вона найбільш повно характеризує кислотність ґрунту.

Меліорація сприяє підвищенню врожайності сільськогосподарських культур і забезпечує стабільність виробництва [2].

3. Огляд методів визначення кислотності ґрунтів

На ріст та розвиток рослин, мікробіологічні, хімічні і біохімічні процеси ґрунту великий вплив має реакція ґрунту. Від реакції ґрунту значною мірою залежить засвоєння рослинами поживних речовин ґрунту і добрив, мінералізація органічної речовини, ефективність внесених добрив, урожайність сільськогосподарських культур та його якість.

Важливою проблемою сільського господарства є підвищення кислотності ґрунтів, яке є лімітуючим фактором біорізноманіття на даній території та заважає нормальному розвитку рослин. Наслідком цього є зниження врожайності сільськогосподарських культур, а подекуди й розвиток хвороб у рослин. Тому землероби повинні знати тип ґрунту на своїй ділянці та його особливості, враховувати та контролювати значення рН при вирощуванні різних культур.

Розрізняють такі види кислотності: актуальну (або активну) і потенціальну. Актуальна кислотність - це кислотність ґрунтового розчину, зумовлена підвищеною концентрацією в ньому іонів гідрогену. Ця кислотність створюється карбонатною кислотою (Н₂СО₃),водорозчинними органічними кислотами, які виділяються при розкладанні органічної речовини. Актуальна кислотність виражається величиною рН (від'ємний логарифм концентрації іонів гідрогену в розчині). Реакцію ґрунтового розчину характеризують величиною рН водної витяжки.

Потенціальна кислотність зумовлена наявністю іонів гідрогену та алюмінію в твердій фазі ґрунту в поглинутому стані. Характеризує сумарну концентрацію кислот і кислотних агентів, що існують у даному ґрунті як у дисоційованому, так і не дисоційованому стані. Вона поділяється на обмінну та гідролітичну кислотність [4].

Обмінна кислотність ґрунту зумовлена обмінно-поглинутими іонами гідрогену та алюмінію, які можуть бути витіснені з ґрунтово вбирного комплексу (ГВК) катіонами нейтральних солей. Обмінна кислотність виражається в міліграм-еквівалентах на 100 г. ґрунту і виличиною рН сольової витяжки. За показниками рН сольової витяжки визначають ступінь кислотності ґрунту.

Гідролітична кислотність характеризує повну кислотність ґрунту, оскільки вона включає всю потенціальну та актуальну кислотність. Гідролітична кислотність виражається в міліграм-еквівалентах на 100 г. ґрунту. За гідролітичною кислотністю визначають ному вапна для вапнування кислих ґрунтів.

Для характеристики всіх ґрунтів визначають рН водної витяжки; для ґрунтів, ненасичених основами, взачають рН сольової витяжки, обмінну та гідролітичну кислотність. Ці показники використовують для визначення потреби у вапнуванні кислих ґрунтів. Найчастіше рН визначають за допомогою приладів рН-метрів. При визаченні обмінної кислотності застосовують метод Соколова, гідролітичної кислотності - метод Каппена.

3.1 Визначення обмінної кислотності методом Соколова

Метод застосовують для визначення обмінної кислотності та рухомого алюмінію в підзолистих та опідзолених ґрунтах. Суть методу. Із ґрунтово вбирного комплексу (ГВК) витісняють йони Н⁺ та Al³⁺ обробляючи ґрунт 1 н. розчином нейтральної солі (КCl). У розчині утворюються хлорид на кислота та хлорид амонію, який гідролітично розкладається з утворенням хлоридної кислоти і гідрооксиду амонію:

AlCl₃+3H₂O=Al(OH)₃+3HCl.

Загальну обмінну кислотність визначають титруванням 0,01 н розчином NaOH:

HCl+NaOH=NaCl+H₂O.

Після осадженняу витяжці алюмінію фторидом натрію визначають кислотність, спричинену тільки поглинутими іонами Н⁺. Після взаємодії алюмінію з фторидом натрію утворюється нейтральна комплексна сіль - креоліт Na₃AlF₆, яка випадає в осад:

AlCl₃+6NaF=Na₃AlF₆+3NaCl.

За різницею між загальною обмінною кислотністю і кислотністю, зумовленою іонами гідрогену, визначають вміст алюмінію в ґрунті.

3.2 Визначення гідролітичної кислотності за Каппеном потенціометричним методом

Гідролітичною називають кислотність, зумовлену взаємодією ґрунту з розчином гідролітично лужної солі СН₃СООNа. Як сіль сильної основи і слабкої кислоти СН₃СООNа у водних розчинах гідролізує з утворенням іонів ОН^-. Реакція відбувається до утворення слабкодисоційованої сполуки - оцтової кислоти. Гідроген ГВК реагує з іонами ОН^-, утворюючи воду, а натрій заміщає гідроген. Це призводить до зміщення рівноваги гідролізу вправо й утворення додаткової кількості оцтової кислоти, яка еквівалентна кількості натрію, витраченого на витіснення гідрогену [4].

Кількість оцтової кислоти, що утворилася, визначають після титрування лугом. Слід зазначити, що в умовах лужного середовища в розчин переходять не тільки іони водню обмінної кислотності, а й іони водню, міцніше зв'язані з колоїдним комплексом ґрунту. Тому гідролітична кислотність - це сума актуальної й потенціальної кислотності. Експериментально встановлено, що при одноразовій обробці ґрунту СН₃СООNа іони гідрогену витісняються не повністю. Величина гідролітичної кислотності в 1,75 рази більша.

Суть методу полягає в обробці ґрунту 1н розчином СН₃СООNa у співвідношенні 1:2,5 з наступним потенціометричним взначенням кислотності добутої суспензії за допомогою рН-метра.

3.3 Визначення рН водної та сольової витяжки витяжки

Суть методу. Йони водню вільних кислот вилучають дистильованою водою при співвідношенні ґрунту до води 1:2,5 для мінеральних і 1:25 для торф'яних ґрунтів. Активність водню у витяжці визначають потенціометричним методом.

Визначення рН сольової витяжки. Суть методу полягає у виявленні обмінних йонів Н⁺ і Al³⁺ 1н. розчином KCl (рН=5,5...6) при співвідношенні ґрунту до розчину 1:2,5 для мінеральних ґрунтів і 1: 25 для торф'яних з наступним вимірюванням активності йонів водню потенціометричним методом [4].

4. Характеристика методів визначення кислотності ґрунтів

4.1 Характеристика титриметричного методу аналізу

Титриметрія - це метод кількісного аналізу, який ґрунтується на вимірюванні кількості реагенту необхідного для взаємодії з визначуваним компонентом. Речовини реагують між собою відносно їх масам еквівалентів.

C₁/M_E1= C₂/M_E2,

де C₁ - концентрація визначуваної речовини;

C₂ - концентрація титранту;

M_E1 - маса еквіваленту визначуваної речовини;

M_E2 - маса еквіваленту титранту.

Титрант - це розчин з відомою концентрацією.

Титрування - це реакція між визначуваним компонентом і титрантом.

Вимоги до реакцій титрування:

- в умовах проведення реакцій вона повинна бути специфічною;

- реакція повинна протікати кількісно;

- реакція повинна бути стехіометричною;

- повинна протікати швидко;

- повинен існувати спосіб визначення точки еквівалентності.

За реакцією титрування розрізняють:

- кислотно-основне;

- окисно-відновне;

- комплексометричне;

- осаджувальне титрування.

За способом виконання розрізняють:

- пряме титрування використовують, коли реакція титрування задовольняє всі вище вказані вимоги.

- зворотнє титрування використовують, якщо швидкість реакції невисока, не можна підібрати індикатор для визначення точки еквівалентності або якщо при прямому титруванні можливі втрати речовини через леткість.

- титрування замісника використовують, якщо реакція протікає нестехіометрично.

Визначення точки еквівалентності. Закінчення реакції титрування встановлюють візуально або за допомогою фізико-хімічних методів. Візуально - за зміною забарвлення індикаторів. Інструментальна індикація визначається за зміною фізико-хімічної характеристики розчину пов'язаної з концентрацією речовини, що бере участь в реакції титрування. Кінцева точка титрування - це точка, в якій припиняється титрування [5].

Крива титрування - це графічне зображення зміни концентрації однієї з речовин, що бере участь в реакції титрування, або величини її пропорційної в процесі титрування. На вісі ординат відкладають концентрацію речовини, або величину їй пропорційну і отримують лінійну криву титрування. Якщо на вісі ординат відкладають логарифм концентрації, або величину їй пропорційну отримують логарифмічну криву титрування. Ділянка різкої зміни логарифмічного параметру системи концентрації називають стрибком титрування. Криві титрування бувають теоретичні і експериментальні.

Теоретичні криві будуються за розрахунками на основі константи рівноваги реакції титрування. Теоретичні криві використовують для вибору індикатора та для оцінки похибки вимірювань.

Експериментальні криві будують за даними вимірювань властивостей системи в процесі титрування в залежності від об'єму титранту. Використовують для визначення кінцевої точки титрування.

Дамо характеристику кислотно-основному титруванні, оскільки воно використовувалось у визначенні кислотності ґрунту методом Соколова.

Використовується для визначення концентрації розчинів кислот, основ та деяких солей.

Титранти: розчини сильних кислот, та лугів. Для визначення концентрацій розчинів кислот використовуються такі первинні стандартні розчини: Na₂CO₃, Na₂C₂O₄ та Na₂B₄O₇•10H₂O.

Індикатори. Кислотно-основні індикатори - це слабкі органічні основи та кислоти молекулярна та йонна форма яких має різну структуру та різне забарвлення. Існують 1-но (фенолфталеїн) та 2-во (метил оранжевий) кольорові індикатори. Кожен кислотно-основний індикатор змінює своє забарвлення у певному інтервалі рН.

Вимоги до кислотно-основних індикаторів:

- висока інтенсивність забарвлення;

- перехід забарвлення індикатора повинен бути контрасним;

- інтервал переходу забарвлення має бути вузьким.

Середина інтервалу переходу забарвлення індикатора називається показником індикатора рТ. Кислотно-основні індикатори змінюють своє забарвлення в інтервалі рН незалежно від того досягнута, чи не досягнута точка еквівалентності. Правильно підібраний індикатор змінює своє забарвлення в межах стрибка титрування. Зміна забарвлення неправильно підібраного індикатора відбувається задовго до або після досягнення точки еквівалентності.

Індикатор потрібно вибирати наступним чином:

- на криву титрування наносять інтервал зміни забарвлення індикатора;

- індикатор можна використовувати, якщо інтервал переходу забарвлення індикатора повністю або частково перекривається стрибком титрування або індикатор можна використовувати, якщо його рТ знаходиться в межах стрибка титрування [5].

Метод кислотно-основного титрування точний, похибка в межах 0,1-0,2 %, існує великий вибір кислотно-основних індикаторів для визначення кінцевої точки титрування.

4.2 Характеристика потенціометричного методу аналізу

Ґрунтується на залежності величини рівноважного електродного потенціалу від активності речовини, що беруть участь в електрохімічній реакції або іонообмінному процесі, що протікає на електродах.

При цих вимірюваннях складають гальванічний елемент з індикаторного електрода та електрода порівняння і вимірюють електрорушійну силу.

В потенціометрії використовують 2 класи індикаторних електродів:

- електроди на між фазних границях яких протікають електронообмінні процеси;

- електроди на границях яких протікають іоннообмінні процеси такі електроди називають іон селективними (ІСЕ). Іон селективні або мембранні електроди мають напівпроникну мембрану - тонку пліку, яка буде відділяти внутрішню частину електрода від досліджуваного розчину. Напівпроникність мембрани полягає у її здатності пропускати йони тільки одного знаку заряду (або тільки катіони, або тільки аніони). А в багатьох випадках пропускати тільки Йони одного знаку в присутності інших йонів того ж знаку заряду.

Іон селективні електроди бувають:

- з твердими мембранами;

- з рідкими мембранами;

- з плівковими мембранами.

А також їх поділяють на:

- первинні (з кристалічними мембранами і скляні);

- з рухомими носіями;

- сенсибілізовані.

Пряма потенціометрія визначає активність йонів за величиною потенціалу індикаторного електрода. Якщо індикаторний електрод іон селективний то такий варіант методу називається іонометрією. Редоксометрія - це варіант методу прямої потенціометрії, при якому визначають окисно-відновні потенціали розчинів.

Переваги прямої потенціометрії:

- не змінюється склад досліджуваного розчину;

- метод високочутливий і непотрібне попереднє відокремлення визначуваного йона;

- метод можна легко автоматизувати:

- можна використовувати в дистанційному аналізі;

- обладнання недороге та доступне.

Потенціометричне титрування (непряма потенціометрія). Для проведення потенціометричного титрування потрібно мати індикаторний електрод, який реагує на зміну концентрації однієї з речовин, що бере участь в реакції титрування; електрод порівняння, магнітну мішалку та бюретку. Титрування здійснюють після додавання кожної порції титранту, вимірюють потенціал індикаторного електрода і далі будують криву титрування, далі визначають об'єм кінцевої точки титрування.

Індикаторні електроди:

- скляний, використовують при кислотно-основному титруванні;

- платиновий, використовують при окисно-відновному титруванні;

- іон селективний або металевий, використовують при осаджувальному та комплексометричному титруванні [4].

Переваги потенціометричного титрування:

- низька границя визначення, можна визначати концентрацію більш розбавлених розчинів;

- метод можна легко автоматизувати;

- можна титрувати мутні та забарвлені розчини;

- можна визначати декілька компонентів одночасно.

5. Експериментальна частина

5.1 Обґрунтування вибору методу аналізу

При визначенні обмінної та гідролітичної кислотності ґрунту було використано потенціометричний метод аналізу, тому що він високочутливий та точний.

5.2 Підготовка проби

Відібраний для аналізу ґрунт висушують на повітрі протягом декількох діб. Повітряно-сухий ґрунт розміщують на чистому папері, вилучають корені рослин, каміння та інші включення і перемішують з основною масою. Пересівають ґрунт через сито діаметром 1мм.

Для визначення обмінної кислотності зважують у стакані на технічних терезах 20 г ґрунту, добавляють 50 мл розчину КСl з С=1моль/л і збовтують протягом 5 хв, через 10-15 хв після збовтування, коли основна проба осяде, відбирають порцію розчину, фільтрують через фільтрувальний папір і визначають рН за допомогою рН-метра.

Для визначення гідролітичної кислотності беруть наважку ґрунту 30 г переносять в стакан, заливають 75 мл розчину СН₃СООNa, струшують 5 хв, відстоюють 10-15 хв і фільтрують. Перед початком роботи настроюють рН-метр буферними розчинами з рН=4,01; 6,86; 9,18, під час виконання роботи справність приладу періодично контролюють за буферним розчином з рН=6,86. Переносячи електроди з одного ґрунтового розчину в інший, їх споліскують дистильованою водою і витирають залишки води на електродах фільтрувальним папером.

5.3 Приготування розчинів

Для проведення аналізу необхідно приготувати розчини:

- розчин КСl з С=1 моль/л;

- розчин СН₃СООNa•3H₂O з С=1 моль/л;

- 1 % розчини КОН, НСl, NaОН, СН₃СООН;

- буферні розчини з рН₁=4,01; рН₂=6,86; рН₃=9,18.

Молярну концентрацію речовини в розчині обчислюють за формулою:

С= m_р.р./(M•V_р-ну)

де С - молярна концентрація речовини;

m_р.р - маса речовини;

M - молярна маса речовини;

V_р-ну - об'єм розчину.

Для приготування 1 л розчину КСl з С=1 моль/л потрібно:

m_р.р=1•74,5•1=74,5 (г).

На терезах зважують 74,5 г солі КСl, потім розчиняють в 0,4-0,5 л дистильованої води і доводять об'ємом до розчину 1 л. За допомогою рН-метра перевіряють рН. Коректування розчину проводиться при рН>5,61 1 % розчином КОН, при рН>6,1 1 % розчином НСl.

Готують 1 % розчин КОН об'ємом 1 л, вважають густину розчину за 1 г/см³.

W= m_р.р/(сV_р-ну),

де с - густина розчину.

m_р.р=0,01•1•1=0,01 (г).

На терезах зважують 0,01 г кристалічного КОН і розчиняють в 1л дистильованої води.

Також готують 1 % розчин НСl об'ємом 1 л. Для цього використовують таблицю - густина водних розчинів кислот при 20 є С [6]. Стандартний розчин хлоридної кислоти має густину 1,19 г/см³ та масову частку 38 %. Для того, щоб приготувати 1 % розчин НСl, використовують правило хреста.

38 % > 1 в.ч.

1 %

0 % > 37 в.ч.

Перетворюють вагові частини у мілілітри, поділивши їх на густину.

1/119=0,84 мл (38 % розчину НСl)

37/1=37 мл (дистильованої води)

Таким чином загальний об'єм розчину буде становити 37,84 мл.

Щоб знати скільки мілілітрів 38 % розчину НСl, потрібно взяти 1 л 1 % розчину НСl і скласти пропорцію:

37,84 мл - 0,84 мл

1000 мл - х мл.

х=(1000•0,84)/37,84=22,2 (мл).

Для приготування 1 л розчину КСl з с=1 моль/л потрібно:

m_р.р=1•136•1=136 (г).

136 г СН₃СООNa•3H₂O розчиняють у дистильованій воді і доводять об'ємом до 1 л. Розчин повинен мати рН=8,3-8,4. Коректування проводять при рН<8,31 1 % розчином NaОН, при рН>8,41 1 % розчином СН₃СООН.

Готують 1 % розчин NaОН об'ємом 1 л, вважають густину розчину за 1 г/см³.

W= m_р.р/(сV_р-ну),

де с - густина розчину.

m_р.р=0,01•1•1=0,01 г.

На терезах зважують 0,01 г кристалічного NaОН і розчиняють в 1 л дистильованої води.

Також готують 1 % розчин СН₃СООН об'ємом 1 л. Стандартний розчин СН₃СООН має густину 1,05 г/см³ та масову частку 100 %. Для того, щоб приготувати 1 % розчин СН₃СООН, використовують правило хреста.

100 % > 1 в.ч.

1 %

0 % > 99 в.ч.

Перетворюють вагові частини у мілілітри, поділивши їх на густину.

1/1,05=0,95 мл (100 % розчину СН₃СООН)

99/1=99 мл (дистильованої води)

Таким чином загальний об'єм розчину буде становити 99,95 мл.

Щоб знати скільки мілілітрів 100 % розчину СН₃СООН, потрібно взяти, 1 л 1 % розчину СН₃СООН і скласти пропорцію:

99,95 мл - 0,95 мл

1000 мл - х мл.

х=(1000•0,95)/99,95=9,5 мл.

Для приготування буферних розчинів по ГОСТу 8.134-74 і ГОСТу 8.135-74, необхідно вміст ампули кількісно перенести в колбу об'ємом 1 л і розчинити в дистильованій воді.

Для приготування буферних розчинів фосфатів, гідрату оксиду кальцію повинна використовуватись дистильована вода, що не містить вуглекислоти. Приготовлені розчини цих речовин повинні бути захищені від доступу вуглекислого газу повітря. Інші буферні розчини такі, як калій фталевокислий кислий, можуть готуватись на звичайній дистильованій воді і не потрібно захищати від вуглекислого газу повітря.

Перед застосуванням стандарт-титру необхідно зняти етикетку з ампули і промити її поверхню дистильованою водою.

В мірну колбу об'ємом 1 л вставляють лабораторну воронку. В заглибленні ампули пробивають отвір, за допомогою скляного бойка і дерев'яного молотка. Вміст ампули кількісно переносять в мірну колбу дистильованою водою. Після того як вміст ампули розчинився, обєм розчину дистильованою водою доводять до риски і ретельно перемішують.

5.4 Калібрування приладу

Калібрування іономіру проводять в такій послідовності:

- занурюють електроди в розчин 1 з найменшим значенням рН і ручкою “КАЛИБРОВКА” встановлюють стрілку приладу на початкову відмітку на діапазоні “-1-4”;

- після промивання і видалення води занурють електроди в розчин 2 з найбільшим значенням рН і ручкою “КРУТИЗНА” встановлюють стрілку приладу на відмітку, яка відповідає різниці значень рН розчинів 1 і 2 на відповідному діапазоні;

- ручкою “КАЛИБРОВКА” встановлюють стрілку приладу на значення, яке відповідає рН розчину 2;

- калібрування за розчинами 1 та 2 можна проводити методом послідовних наближень, встановлюючи послідовно кілька разів спочатку ручкою “КАЛИБРОВКА” значення рН розчину 1, а потім ручкою “КРУТИЗНА” значення рН розчину 2. Калібрують до отримання допустимої похибки показів в обох розчинах, при чому похибка вимірювань не повинна перевищувати 0,05 рН;

- занурюють електроди в розчин 1 і ручкою “pX_и” встановлюють стрілку приладу на значення рН розчину;

- занурюють електроди в буферний розчин з рН 6,86 і вимірюють величину рН цього розчину.

Після калібрування приладу проводять вимірювання рН досліджуваного розчину:

- рН водної витяжки (потенціальна кислотність) становить: рН₁=6,51; рН₂=6,46; рН₃=6,34;

- рН сольової витяжки (обмінна кислотність) становить: рН₁=6,73; рН₂=6,76; рН₃=6,79.

6. Статистична обробка результатів аналізу

6.1 Обробка результатів аналізу потенціальної кислотності

Визначена потенціальна кислотність становить: рН₁=6,51; рН₂=6,46; рН₃=6,34.

Проводять статистичну обробку отриманих даних. При обробці даних розраховують такі основні характеристики вибірки: середнє (математичне очікування), дисперсію, стандартне відхилення, довірчий інтервал.

Середнє для вибірки обчислюють за формулою:

де - одиничний результат серії вимірювань;

n -- число вимірювань.

Потім обчислюють дисперсію вибірки V, яка характеризує розсівання результатів відносно середнього:

та стандартне відхилення s, яке є квадратним коренем з дисперсії і має розмірність вимірюваної величини:

.

Використовується також відносне стандартне відхилення s_r:

.

Далі обчислюють довірчий інтервал , в який із заданою ймовірністю потрапляє результат хімічного аналізу:

,

де t_p,f - коефіцієнт Стюдента;

f - число ступенів свободи.

Довірчу ймовірність Р зазвичай приймають рівною 0,95. Число ступенів свободи обчислюють за формулою f=n-1. Значення коефіцієнта Ст'юдента для різної довірчої ймовірності наведено в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1

Значення коефіцієнта Ст'юдента для різної довірчої ймовірності

f	P = 0,90	P = 0,95	P = 0,99
1	6.31	12.7	63.7
2	2.92	4.30	9.92
3	2.35	3.18	5.84
4	2.13	2.78	4.60
5	2.01	2.57	4.03
6	1.94	2.45	3.71
7	1.89	2.36	3.50
8	1.86	2.31	3.36
9	1.83	2.26	3.25
10	1.81	2.23	3.17

Оброблені дані заносимо до таблиці 6.2.

Таблиця 6.2

Значення потенціальної кислотності ґрунту

рНі	n		V	s(sr)
6,34	3	6,44	0,0076	0,087	0,22	6,440,22
6,46
6,51

6.2 Обробка результатів аналізу обмінної кислотності

Визначена обмінна кислотність становить: рН₁=6,73; рН₂=6,76; рН₃=6,79.

Проводять статистичну обробку отриманих даних. При обробці даних розраховують такі основні характеристики вибірки: середнє (математичне очікування), дисперсію, стандартне відхилення, довірчий інтервал.

Середнє для вибірки обчислюють за формулою:

Потім обчислюють дисперсію вибірки V,

та стандартне відхилення s.

.

Використовується також відносне стандартне відхилення s_r:

.

Далі обчислюють довірчий інтервал .

,

Довірчу ймовірність Р зазвичай приймають рівною 0,95. Число ступенів свободи обчислюють за формулою f=n-1.

Оброблені дані заносимо до таблиці 6.3.

Таблиця 6.3

Значення обмінної кислотності ґрунту

рНі	n		V	s(sr)
6,73	3	6,76	0,0009	0,003	0,07	6,760,07
6,76
6,79

Кислотність ґрунту вважається прийнятною для нормального росту та розвитку, якщо вона знаходиться в межах рН 6,5 - 7,5. З таблиці 6.2 та 6.3 видно, що експериментально визначена кислотність ґрунту становить 6,440,22 та 6,760,07, отже на даному ґрунті можуть нормально функціонувати рослини.

Висновки

В курсовій роботі досліджено вплив кислотності ґрунту на рослинність. Відомо, що рівень розвитку продуктивних сил дуже сильно впливає на зміну рН ґрунту. Здебільшого людина завдає великої шкоди ґрунтам у процесі виробничої діяльності. В результаті значні площі родючих ґрунтів стають непридатними для використання. Встановлено, що внесення мінеральних добрив без вапнякових матеріалів спричинює підкислення чорноземів типових. При тривалому внесенні підвищених доз мінеральних добрив спостерігається зростання активної кислотності. Внесення азотних добрив ще більш підвищує активну кислотність ґрунту порівняно з внесенням фосфорно-калійних добрив.

Охарактеризовано всі види хімічної меліорації як засобу профілактики втрати родючості ґрунту. Оскільки меліорація сприяє підвищенню врожайності сільськогосподарських культур і забезпечує стабільність виробництва.

Розглянуто методи визначення кислотності ґрунту. Найбільшого розповсюдження при визначенні кислотності ґрунту отримав потенціометричний метод, тому що він високочутливий та точний.

Наведена характеристика аналітичних методів визначення кислотності ґрунту: титрування та потенціометричного.

Експериментально визначено кислотність ґрунту потенціометричним методом. Проведено статистичну обробку результатів аналізу. рН в досліджуваному ґрунті складає 6,440,22 та 6,760,07. Проаналізований зразок має нейтральне середовище рН, це свідчить про те, що на ньому можуть нормально рости та розвиватися рослини.

Перелік посилань

1. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. М.: Издательство Московского университета, 2003. 448 с.

2. Трускавецький Р.С. Осушені, кислі і солонцеві землі. Земельні ресурси України. К.: Аграрна наука, 1998. 350 с.

3. Ромащенко М.І. Сталий розвиток меліорації земель - основа стабільності сільськогосподарського виробництва в умовах посухи. Наукові основи землеробства в умовах недостатнього зволоження. К.: Либідь, 2001. 221 с.

4. Городній М.М., Лісовал А.П., Бикін А.В. Агрохімічний аналіз. К.: Арістей. 468 с.

5. Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Аналитическая химия. Физико-химичес-кие методы анализа. М.: Высш.шк., 2000. Кн. 1. 351 с.; Кн. 2. 494 с.

6. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. С.: Издательство “Наукова думка”, 1987. 530 с.

Размещено на Allbest.ru

...