Определение содержания в почве сульфат-ионов

Определение содержания в почве сульфат-ионов

1. Общие сведения о сульфатных соединениях.

2. Получение водного раствора сульфатов.

3. Методики количественного и качественного анализа наличия сульфата в растворе.

Список литературы

1. Общие сведения о сульфатных соединениях.

В почвах содержатся несколько видов сульфатных соединений. Среди них - как труднорастворимые соединения, так и ряд легкорастворимых соединений, которые и составляют основное количество сульфатов водной вытяжки из почвы.

Среди растворимых сульфатных соединений почв наиболее известны сульфат аммония, сульфат магния, натрия и калия. Эти соединения часто используются в качестве удобрений - источников соответствующих катионов.

Сульфат аммония используют в качестве азотного удобрения, так как NO4+ легко отделяется от сульфатного аниона и усваивается растениями в качестве источника азота. На песчаных почвах и спесчаненных суглинках сульфат аммония может служить источником серы. В целом, сульфат аммония очень сильно влияет на химический состав почв, так как легко распадается и составные компоненты активно взаимодействуют с другими почвенными анионами и катионами, формируя в свою очередь соединения с иногда слабой растворимостью. Это затрудняет определение сульфатов в почвах.

Сульфат магния оказывает существенное влияние на прорастание пыльцевых зерен. Сульфат кальция ингибирует выделение метана из почв затопляемого поля (что очень важно при возделывании риса - культуры, выращиваемой на затопляеиых полях).

Вместе с тем повышенная концентрация тех или иных сульфатных соединений в почве может оказаться опасной: так, например, повышенное содержание в почве сульфата аммония проводило к полиэнцефаломаляции овец и крупного рогатого скота в результате отравления травой, выросшей на этих почвах.

Сульфаты наиболее характерны для засоленных почв. Из соединений сульфатов, характерных для солончаков, можно привести в пример часто встречающиеся мирабилит Na2SO4*2H2O, эпсомит MgSO4*10H2O, тенардит. Na2SO4 .

Растворимость сульфатных соединений, г/л при 20 градусах Цельсия, наиболее высокая у сульфата натрия (185 г/л), чуть ниже у сульфатов калия и магния.

Растворимость слаборастворимой соли водного сульфата кальция CaSO4*2H2O (гипса) составляет 2,06 г/л. Вытяжка из почвы слаборастворимых соединений представляет собой насыщенный по отношению к содержанию данной соли в почвенной влаге раствор.

2. Получение водного раствора сульфатов.

Растворы веществ, содержащихся в почве, получают многими способами, которые принципиально можно разделить на две группы:

- получение почвенного раствора;

получение водной вытяжки из почвы.

В первом случае мы получаем так называемую несвязанную или слабо связанную почвенную влагу - ту, которая содержится между частицами почвы и в почвенных капиллярах. Это слабо насыщенный раствор, но его химический состав является актуальным для растения, поскольку именно эта влага омывает корни растений и именно в ней идет обмен химическими веществами между почвой и корневыми волосками.

Во втором случае мы вымываем из почвы связанные с ее частицами растворимые химические соединения. Выход соли в водную вытяжку зависит от соотношения почвы и раствора и увеличивается при возрастании температуры экстрагирующего раствора (до определенных пределов, так как слишком высокая температура может разрушить какие-либо вещества или перевести их в иное состояние) и увеличении объема раствора и степени измельченности почвы (опять-таки, до определенных пределов, так как слишком мелкие пылеобразные частицы могут сделать затруднительной или невозможной экстракцию и фильтрацию раствора).

Почвенный раствор получают с помощью ряда инструментов. Основные из них - это опрессование, центрифугирование, вытеснение несмешивающимся раствором жидкости, вакуум-фильтрационный метод и лизиметрический метод.

Опрессование проводится с образцом почвы, взятым из полевых в лабораторные условия. Чем большее количество раствора необходимо, тем крупнее должен быть образец или выше применяемое давление, или и то, и другое одновременно. Соответственно повышается сложность техники.

Центрифугирование обычно проводится при 60 об/мин в течение длительного времени. Метод не очень эффективен, и подходит лишь для образцов почв с влажностью, приближенной к полной возможной влажности данной почвы. Для пересушенной почвы такой способ неприменим.

Вытеснение почвенной влаги веществом, не смешивающимся с почвенным раствором, удобно тем. что позволяет получеть фактически всю влагу почвы, включая капиллярную, без использования сложной техники. В качестве вытесняющей жидкости обычно используется спирт или глицерин. Метод неудобен тем, что эти вещества. кроме высокой плотностью, обладают хорошей экстрагирующей спрособностью по отношению к некоторым соединениям (например, спирт легко экстрагирует почвенную органику), поэтому можно получить завышенные показатели содержания ряда веществ по сравнению с их реальным содержанием в почвенном растворе (а не почвенной вытяжке, о которой речь пойдет далее). Кроме того, метод подходит для легких почв, с высоким содержанием песчаных элементов; из суглинков и глинистых почв раствор извлекаться не будет.

При вакуум-фильтрационном методе над образцом с помощью вакуума (обычно используется сильный вакуумный насос) создается разрежение, превышающее уровень натяжения почвенной влаги. При этом не извлекается капиллярная влага, так как силы натяжения в капилляре выше сил натяжения поверхности свободной жидкости.

Лизиметрический метод удобен тем, что он используется в полевых условиях, тогда как почти все остальные доступны только в лаборатории. Лизиметрический метод позволяет не столько оценить гравитационную влагу (то есть влагу, способную к перемещению по почвенным слоям благодаря силе гравитации - за исключением капиллярной влаги) определенного участка, сколько провести сравнение содержания и миграции химических элементов почвенного раствора. Свободная влага почвы фильтруется через толщу почвенного горизонта по гравитационным силам до пробоотборника, расположенного на поверхности почвы. В засуху этот метод также непригоден.

Для получения более полного представления о химическом составе почвы, готовят почвенную вытяжку Для ее получения образец почвы измельчают, пропускают через сито с ячейками диаметром 1 мм, добавляют воду в массовом соотношении 1 часть почвы на 5 частей бидистиллированной (очищенной от любых примесей, дегазированной и деионизированной) воды, рН 6.6 - 6,8, температура 200 С. Дегазация проводится главным образом для того, чтобы освободить воду от примесей растворенного газообразного углекислого газа, который при соединении с некоторыми веществами дает нерастворимый осадок, снижая точность эксперимента. В частности, в его присутствии растворимые карбонаты кальция и магния переходят в нерастворимую форму гидрокарбонатов. Примеси других газов также могут оказывать негативное влияние на результаты эксперимента.

Для более точного взвешивания навески следует учитывать ее естественную влажность, полевую (для только что взятого образца) или гигроскопическую (для высушенного и хранившегося образца). Определенную в процентах от массы образца его влажность переводят в массу и суммируют с требуемой массой. Например, для получения 100 г образца влажностью 20% берется навеска 120 г. Навеска помещается в сухую колбу объемом 500-750 мл, добавляется вода (характеристики и количество приливаемой к образцу воды давались выше).

Колба с образцом почвы и водой плотно закрывается пробкой и встряхивается в течение двух-трех минут. Далее полученный раствор фильтруется через обеззоленный бумажный складчатый фильтр. Важно, чтобы в помещении при этом не было летучих паров кислот (поэтому работу предпочтительнее проводить под тягой, где не хранятся растворы кислот). Перед фильтрованием раствор с почвой хорошо взбалтывают, чтобы мелкие частицы почвы закрыли самые крупные поры фильтра и фильтрат получился более прозрачным. Примерно 10 мл начального фильтрата выбрасывается, так как он содержит примеси с фильтра. Фильтрование остальной части первичного фильтрата повторяют несколько раз.

К работе по определению содержания химических веществ в водной вытяжке лучше приступать сразу после ее получения, так как с течением времени происходят химические процессы, изменяющие щелочность раствора, его окисляемость и т.п. Уже скорость фильтрации может показать относительное суммарное содержание солей в растворе. Если водная вытяжка богата солями, то фильтрация будет проходить быстро и раствор получится прозрачным, поскольку соли препятствуют пептизации почвенных коллоидов. В случае, если раствор беден солями, фильтрация будет проходить медленно и не очень качественно. При этом имеет смысл отфильтровать раствор несколько раз, несмотря на низкую скорость, поскольку при дополнительных фильтрациях возрастает качество водной вытяжки благодаря снижению содержанию в ней частиц почвы.

4. Методики количественного и качественного анализа наличия сульфата в растворе.

После фильтрации перед непосредственными экспериментами по определению содержания сульфат-ионов в почвенной вытяжке проводят предварительный опыт, позволяющий приблизительно оценить количество сульфат-ионов в растворе и взять для анализа адекватное количество раствора.

Для первичной пробы к 5 мл водной вытяжки добавляют 2 капли 10%-ной соляной кислоты (важно, чтобы в ней не было никаких примесей серной кислоты, поскольку это завысит концентрацию сульфат-ионов). Серная кислота добавляется для разрушения возможных карбонатов и бикарбонатов водной вытяжки, которые дают такой же белый осадок, как тот, по которому мы будем идентифицировать наличие сульфатов. К полученному раствору добавляется 2-3 капли 5%-го раствора хлорида бария, все перемешивается до образования осадка. По количеству и характеру полученного осадка оценивают содержание сульфат-ионов и размер необходимой для анализа пробы согласно следующей таблице:

Объем вытяжки, который необходим для комплексонометрического определения сульфат-ионов (см. далее) можно определить методом сравнения со шкалой из стандартных растворов. Метод во многом аналогичен описанному выше, но является чуть более точным и наглядным. Для получения шкалы стандартных растворов в три градуированные пробирки помещают 1, 5 и 10 мл стандартного раствора, содержащего 1мг/мл SO42-. Объем жидкости в пробирках доводят до 10 мл, в пробирки добавляют по 2 капли разбавленной 1:1 соляной кислоты, по 10 капель 10%-го раствора хлорида бария и содержимое пробирок перемешивают.

В аналогичную пробирку помещают 2 мл водной вытяжки, добавляют воду до метки, затем добавляют соляную кислоту и BaCl2 . Содержимое пробирки перемешивают и сравнивают пробирку со шкалой. Если осадок в пробирке с водной вытяжкой соответствует осадку в пробирке с 1 мг SO42-, то для анализа берут 50 мл и больше водной вытяжки, если осадок соответствует осадку в пробирке с 5 мг SO42- - то 25 мл вытяжки, если осадку в пробирке с 10 мг SO42-. То анализируют 10 мл вытяжки.

Основные химические методы определения сульфат-ионов в водной вытяжке - гравиметрические и титриметрические. Используют методы комплексонометрического и осадительного титрования. Все методы определения сульфат-ионов основаны на образовании труднорастворимых сульфатов, главным образом сульфатов бария и свинца.

Гравиметрический метод определения сульфат-ионов основан на осаждении раствором BaCl2 в виде BaSO4. Для получения крупнокристаллического осадка осаждение ведут из горячего подкисленного раствора. Рекомендуется в анализируемую систему добавлять пикриновую кислоту. Осадитель BaCl2 приливают по каплям при постоянном перемешивании. После добавления осадителя раствор с осадком оставляют на несколько часов для старения или рекристаллизации осадка. Далее осадок отфильтровывают и промывают холодной дистиллированной водой, подкисленной соляной кислотой. Фильтр с осадком подсушивают, помещают в фарфоровый тигель, озоляют и тигель с осадком прокаливают при температуре 800-900 градусов Цельсия. Гравиметрической формой является BaSO4.

По массе сульфата бария вычисляют количество сульфат-ионов, извлеченное из почвы методом водной вытяжки. Расчет проводят по уравнениям:

Страницы: 1, 2