Текст книги "Химия почв"

При хранении шлифованной посудой между шлифами прокладывают небольшие полоски бумаги.

Уход за посудой. Стеклянная посуда должна быть всегда хорошо вымыта и, если необходимо, высушена. От этого зависит успех эксперимента и зачастую безопасность работы.

Мытье посуды необходимо проводить сразу после окончания эксперимента. Хорошо вымытой считается посуда, со стенок которой вода при ополаскивании стекает равномерно, не оставляя на поверхности капель. Для выбора способа мытья посуды нужно знать свойства загрязняющих ее веществ. Водорастворимые вещества отмывают водой, растворами мыла или моющего порошка. При этом предварительно надо убедиться, что оставшиеся в посуде вещества не реагируют с моющим средством. Нерастворимые в воде вещества удаляют подходящим органическим растворителем. Растворитель после мытья посуды собирают, очищают и вновь используют. Труднорастворимые загрязнения удаляют с помощью щеток и ершей. Проволочный кончик ерша либо изгибают в дугу, либо надевают на него кусочек резинового шланга. Ерши и щетки применяют только при работе с водными растворами. Хорошие результаты дает мытье хромовой смесью, которую применяют лишь после удаления остатков органических веществ. В зависимости от степени загрязнения посуду выдерживают в хромовой смеси от нескольких минут до нескольких часов. Отмытую посуду тщательно ополаскивают обычной, а затем дистиллированной водой и сушат.

При сушке посуды в сушильном шкафу ее раскладывают на листах фильтровальной бумаги, доводят температуру шкафа до 110 – 140 °C и выдерживают до высыхания. Нельзя помещать мокрую холодную посуду в нагретый сушильный шкаф, особенно если там уже лежит горячая посуда. Категорически запрещается сушить посуду в пламени горелки или на электроплитке.

Лабораторное оборудование

Для проведения химических операций используют различное лабораторное оборудование, инструменты и принадлежности.

Лабораторный штатив Бунзена. Штатив представляет собой железный стержень, ввинченный в массивное чугунное основание прямоугольной формы. На этом стержне укрепляют различные приспособления для сборки приборов (рисунок 2.9). Муфты служат для крепления лапок и колец на штативе. Они имеют два отверстия с прорезями, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одно отверстие служит для закрепления муфты на штативе, а во второе вкладывают лапки или кольца, закрепляя их винтами. Муфты надевают так, чтобы прорезь на отверстии для штатива была обращена к работающему, а прорезь второго отверстия – вверх. Лапки служат для закрепления на штативе частей прибора, например колбы.

1 – основание; 2 – стержень; 3 – муфта; 4 – лапки.

Рисунок 2.9 – Лабораторный штатив с принадлежностями

Внутри они имеют прокладки (резиновые, кожаные или из корковой пробки), которые амортизируют сжимающее действие и предохраняют стеклянную посуду от непосредственного соприкосновения с металлом. По мере износа прокладки заменяют на новые. Кольцо можно использовать поразному. Например, на него можно положить асбестовую сетку, на которую ставятся плоскодонная колба или стакан для нагревания. Кольцо можно использовать для укрепления конической воронки и т. п.

Металлические зажимы. При необходимости регулирования процесса подачи газов и жидкостей с помощью резиновых шлангов на них надевают зажимы.

Сдавливая шланг, зажим препятствует прохождению по нему жидкости или газа. Наиболее распространены винтовой зажим Гофмана (рисунок 2.10 а) и пружинный зажим Мора (рисунок 2.10 б). Зажимом Мора пользуются при частом прерывании подачи вещества по шлангу.

а– винтовой (Гофмана); б – пружинный (Мора).

Рисунок 2.10 – Зажимы

Он особенно удобен, когда подачу вещества надо быстро прекратить (например, при титровании). Зажим Гофмана завинчивается и развинчивается медленнее, и его применяют, когда он должен длительное время находиться в одном состоянии (открытом или закрытом). Незаменим он при необходимости постепенного изменения тока жидкости или газа.

Подъемные столики. Для конструирования сложных приборов с разноуровневым расположением деталей удобно использовать подъемные столики (рисунок 2.11). Практически они выполняют те же функции, что и штатив Бунзена, но в отличие от последнего позволяют более плавно регулировать высоту подъема прибора или отдельных его частей.

Рисунок 2.11 – Подъемный столик

Соединительные шланги. Для гибкого соединения различных частей лабораторных установок, подачи жидкостей, газов, их отвода и многих других целей служат разнообразные шланги. Наиболее употребительны резиновые шланги диаметром 5 и 7 мм (толщина стенок 2 мм). Вакуумные и полувакуумные шланги отличаются большей толщиной стенок, что исключает пережимание при создании внутри шланга разрежения. Наиболее ходовые вакуумные шланги имеют внутренний диаметр 2, 4, 6 и 8 мм. У полувакуумных шлангов стенки тоньше, чем у вакуумных. Полувакуумные шланги предназначены для работы в неглубоком вакууме, создаваемом водоструйным насосом (от 10 до 20 мм рт. ст.), вакуумные шланги можно использовать для работы в глубоком вакууме (до 10 мм рт. ст.). Резиновые шланги соединяют между собой с помощью отрезков стеклянных трубок подходящего диаметра (концы трубок должны быть обязательно оплавлены). Чтобы надеть резиновый шланг на конец стеклянной трубки, конец трубки смачивают водой или вазелиновым маслом. Шланг надевают вращательным движением, «ввинчивая» трубку в шланг. При этом стеклянную трубку нужно держать максимально близко к концу, на который надевается шланг, иначе можно сломать трубку и порезаться осколками стекла.

При необходимости разделить или, наоборот, объединить газовые или жидкостные потоки используют стеклянные переходы – тройники Y– или Тобразной форм. Удобно, когда стеклянные переходы имеют на концах утолщения (оливы) для предохранения от самопроизвольного соскакивания шланга. Такие переходы особенно пригодны для работы под давлением. В последнее время в лабораторную практику все шире входят полимерные шланги: полиамидные, полихлорвиниловые, полиэтиленовые и силиконовые. Полимерные шланги обладают большей химической устойчивостью, чем резиновые. Это свойство особенно ценно, так как резиновые шланги быстро разрушаются при пропускании через них таких газов, как хлор, оксид серы (IV), хлороводород, аммиак, кислород.

Пробки. В химической лаборатории используют резиновые, стеклянные, полиэтиленовые и корковые пробки. Пробки в зависимости от диаметра различаются по номерам. Номер соответствует диаметру горловины посуды, выраженному в миллиметрах.

Резиновые пробки нельзя мыть хромовой смесью и большинством органических растворителей, они сильно подвержены разрушающему действию нитрующей смеси и галогенов, легко набухают в парах многих органических растворителей. Все это ограничивает их применение. Резиновые пробки перед употреблением нужно вымыть водой и высушить на воздухе, потому что при хранении их присыпают тальком.

Корковые пробки сравнительно устойчивы к действию органических растворителей, но мало устойчивы к действию кислот и щелочей.

Полиэтиленовые пробки широко применяют в последнее время в связи с их устойчивостью к агрессивным средам.

При сборке приборов постоянно возникает необходимость в пропускании через пробку стеклянной трубки, термометра и т. п. Для этого в пробках просверливают отверстия с помощью специальных сверл. Сверла представляют собой металлические трубки, один конец которых снабжен ручкой, а второй заточен. Для высверливания отверстия пробку кладут меньшим основанием на плоскую поверхность, слегка нажимая на сверло, предварительно смазанное вазелиновым маслом или глицерином, вращают его в одном направлении. Сверло должно входить строго перпендикулярно к поверхности пробки, а его диаметр должен быть несколько меньше диаметра трубки, которую предстоит вставить в полученное отверстие. Это обеспечит герметичность соединения.

Нагревательные приборы. Выбор нагревательного прибора зависит от целей и задач эксперимента.

Газовые горелки являются одним из основных видов нагревательных приборов в лаборатории, хотя в последнее время переходят на электронагревательные приборы как более пожаробезопасные. Наибольшее распространение имеют горелка Бунзена (рисунок 2.12 а) и горелка Теклю (рисунок 2.12 б).

а – горелка Бунзена; б – горелка Теклю; в – колбонагреватель.

Рисунок 2.12 – Нагревательные приборы

Электроплитки бывают с открытой и закрытой спиралью, с терморегулятором и без него. В химической лаборатории предпочтение отдают плиткам с закрытой спиралью и терморегулятором. Закрытая спираль обеспечивает безопасность в работе.

Колбонагреватели представляют собой разновидность электроплиток (рисунок 2.12 в). Наиболее удобны мягкие колбонагреватели, представляющие собой кусок токопроводящей ткани, сшитый в виде мешка по размеру колбы. Они обеспечивают равномерный нагрев. В сеть колбонагреватели включают только через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).

Перед началом работы с электронагревательным прибором следует убедиться в его исправности (проверяют исправность электрошнура, вилки, наличие заземления, если оно необходимо).

Термометры. Применяемые в лаборатории ртутные термометры бывают двух типов: массивные (палочные) и трубчатые с впаянной шкалой из белого стекла. Последние более точны, так как возможность визуальной ошибки при считывании значений в них меньше. Учитывая, что ртуть замерзает при минус 39 °C, для измерения более низких температур применяют термометры с другой жидкостью (толуолом, пентаном или спиртом, иногда подкрашенным). Для измерения температуры выше 500 °C пользуются термопарами.

2.3 Подготовка почвенных проб к анализу

Подготовка почвы к химическому анализу заключается в придании взятому в поле образцу однородности с тем, чтобы каждая отобранная для анализа проба в полной мере отражала состав всего образца (была репрезентативной). Однородность образца достигается его тщательным перемешиванием, измельчением структурных отдельностей, составляющих твердую среду почвы, удалением микроскопических включений органического и минерального происхождения, а также новообразований.

Схема подготовки почвы к химическому анализу изображена на рисунке 2.13.

Приборы и материалы:

– техно-химические весы с разновесами;

– почвенные сита с отверстиями диаметром 0,25мм, 1 мм;

– фарфоровая, агатовая или яшмовая ступка;

– пинцет;

– лупа;

– листы кальки для отобранных проб;

– почвенный образец;

– штапель и лопатка.

Ход определения

Взять навеску предварительно высушенного образца почвы массой от 600 до 800 г. Разместить его на листе бумаги, с помощью пинцета и лупы, удалить крупные корни, новообразования и включения.

Провести квартование почвенного образца.

Взять среднюю лабораторную пробу.

Взять аналитическую пробу массой 10 г для определения углерода и азота. Тщательно удалить корни и др. органические остатки. Просеять почву через сито с диаметром отверстий 0,25 мм. Оставшуюся на сите почву перенести в ступку, растереть и снова просеять. Операцию повторять до тех пор, пока все частицы не пройдут через сито. Подготовленную пробу поместить в пакетик из кальки.

Аналитическая проба для определения рН, легко – растворимых солей и др. анализов

Оставшуюся часть средней лабораторной почвенной пробы измельчить в ступке, просеять через сито с диаметром отверстий от 1 до 2 мм. Пробу (m=300 г) хранят в банке с притертой крышкой, коробках или пакетах.

Аналитическая проба для валового анализа почв

Почву, просеянную через сито с отверстиями диаметром от 1 до 2 мм, распределить равномерно на листе бумаги, разделить шпателем на квадраты и составить еще одну аналитическую пробу m=5-7 г.

Почву небольшими порциями растереть в агатовой (яшмовой) ступке до состояния пудры. Подготовленную пробу сложить в пакетик из кальки. Пакеты, коробки, банки, в которых хранятся почвенные пробы, должны быть подписаны и снабжены этикетками.

а– квартование почвенного образца; б– взятие лабораторной пробы для определения углерода и азота; в– отбор корешков; е – просеивание через сито с отверстиями диаметром 0,25 мм; жхранение пробы, подготовленной для определения угле – рода и азота; г– измельчение образца почвы в фарфоровой ступке; д– просеивание через сито с отверстиями диаметром 1 мм; з – взятие лабораторной пробы на разложение почвы; и– растирание пробы в халцедоновой или агатовой ступке до пудры; л – хранение подготовленной для разложения почвы; к – хранение образца почвы, просеянного через сито с отверстиями диаметром 1 мм.

Рисунок 2.13 – Схема подготовки почвы к химическому анализу

Приготовление водной вытяжки из почвы

К взвешенному с погрешностью не более 0,1 г образцу почвы приливают дистиллированную воду в соотношении 1:5. Почву с водой перемешивают в течении 3-5 минут на встряхивающем устройстве и оставляют на 18-24 часа до полного отстаивания.

Почвенная влага оказывает большое влияние на свойства почвы. Основной метод определения влаги в почве состоит в высушивании проб при 105 °C. Если для определения почвенной влаги применять метод прокаливания, то влагу теряют органические компоненты почвы. При этом наблюдается изменение окраски прокаливаемых образцов. Влажность почвы и способность ее к удерживанию влаги зависят от типа почвы, ее гранулометрического состава, содержания органических веществ, ее структурных характеристик и других факторов.

Определение гигроскопической влаги

Влажность взятых в поле почвенных проб зависит от свойств почв, их водного режима, погодных условий. Анализируют же воздушно-сухие почвенные пробы. Однако они содержат влагу, которая может быть удалена при температуре от 100 °C до 105 °C и называется гигроскопической. Ее наличие связано со способностью почвы сорбировать парообразную влагу из окружающего воздуха.

Массовая доля гигроскопической влаги неодинакова в разных почвах и зависит от гранулометрического, химического, минералогического составов почв и состояния окружающего воздуха. Чтобы исключить влияние гигроскопической влаги на результаты анализа почв, их выражают на высушенную при 100-105 °C почву.

Зная содержание гигроскопической влаги, можно:

1) по массе воздушно-сухой почвы рассчитать соответствующую ей массу высушенной почвы;

2) по массовой доле (в процентах) компонента в воздушно-сухой почве рассчитать его массовую долю (в процентах) в высушенной почве.

Приборы и материалы:

– сушильный шкаф;

– техно-химические весы;

– аналитические весы;

– эксикатор;

– щипцы с резиновыми наконечниками;

– образец почвы.

Ход определения

Для определения гигроскопической влаги в почве берут одинаковые небольшие стеклянные бюксы диаметром от 2,5 до 3 см, высушивают их с открытыми крышками в термостате при 100 °C – 105 °C до постоянного веса (30-40 мин.). Охлажденные в эксикаторе бюксы взвешивают сначала на технических весах, затем на аналитических. Операцию повторяют до тех пор, пока вес бюкса не будет изменяться. Вес бюкса устанавливают с точностью до 0,0001 г.

Из лабораторной пробы отбирается в бюкс от 2 до 5 г воздушно-сухой почвы, пропущенной через сито с отверстиями 0,25 мм, взвешивают на технохимических, а затем на аналитических весах и помещают в термостат, нагретый до 100 °C -105 °C. Крышка бюкса должна быть снята и поставлена вертикально на стакан.

Через 3-6 часов бюксы вынимают щипцами с резиновыми наконечниками, охлаждают в эксикаторе и взвешивают на аналитических весах.

В эксикаторе для сушки воздуха находится H₂SO₄ (конц.) или безводный CaCl₂.

После этого почву высушивают еще 1 час, охлаждают и снова взвешивают. Если результат второго взвешивания отличается от первого не более чем на 0,002 г, высушивание прекращают. Если после второго высушивания вес оказался больше, высушивание тоже не повторяют, а берут меньший вес, т. е. результат первого взвешивания. Если вес продолжает убывать, то почву высушивают еще в течение 1 часа.

Многочисленный опыт позволяет считать, что выдерживание почвы в течение 5 часов при 100-105 °C приводит к полной потере гигроскопической влаги. Поэтому почву выдерживают в течение 5-6 часов при этой температуре, а затем бюксы закрывают, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Результаты записывают в виде таблицы 2.1.

Таблица 2.1 – Форма записи результатов

Процентное содержание гигроскопической влаги вычисляют по разнице в весе. Расчет проводят по формуле (1):

где m₁-масса воздушно-сухой почвы, г;

m₂-масса высушенной почвы, г.

Результаты любого химического анализа, вычисленные на воздушносухую навеску, пересчитывают на абсолютно сухую навеску, умножая процентное содержание искомого химического элемента или соединения на коэффициент:

Определение потери при прокаливании

Потерей при прокаливании (п.п.п) называют убыль в весе при нагревании почвы до 900 °C. При прокаливании почва теряет адсорбированную или химически связанную воду, гумус, СО₂ карбонатов, адсорбированные газы и частично хлориды. Величиной потери пользуются для вычисления общего содержания минеральных веществ в почве, для вычисления содержания химически связанной воды и для пересчета содержания элементов питания минеральной части почвы на прокаленную навеску.

Приборы и материалы:

– муфельная печь, муфельные щипцы;

– аналитические весы;

– фарфоровый тигель;

– эксикатор.

Ход определения

В доведенном до постоянного веса фарфоровом тигле на аналитических весах отвешивают 1,0000 г почвы, пропущенной через сито с отверстиями 0,25 мм. Тигель с навеской почвы ставят в холодную муфельную печь, нагревают ее до 900 °C и прокаливают почву при этой температуре 1 час, считая время с момента установления требуемой температуры.

Вынимают тигель из муфеля, охлаждают в эксикаторе. Взвешивают на аналитических весах. Прокаленная почва гигроскопична, поэтому взвешивание производят до сотых долей грамма, после чего повторяют прокаливание 10-20 мин и после охлаждения вновь взвешивают тигель. При этом сначала на правую чашку весов ставят все необходимые разновесы и только после этого вынимают тигель из эксикатора, быстро ставят на весы и устанавливают точный вес прокаленной почвы. Результаты записывают в виде таблицы 2.2.

Таблица 2.2 – Форма записи результатов.

Величину потери при прокаливании выражают в % от высушенной почвы и вычисляют по формуле (3):

где m₁– масса летучих компонентов, удаленных из почвы при прокаливании;

m-навеска воздушно-сухой почвы, г;

W-массовая доля (%) гигроскопической влаги;

– коэффициент пересчета результатов на высушенную почву.

Вычисление содержания химически связанной воды

Содержание химически связанной воды используют для пересчета данных валового анализа на безводную почву. Максимальное содержание этой воды приурочено к горизонту накопления полуторных окислов, минимальное – к горизонту накопления кремнезема.

Содержание химически связанной воды вычисляют по формуле:

1 Для карбонатных почв:

% хим. связ. воды = % п. п.п. – (%гумуса+%СО₂ карбонатов)

2 для безкарбонатных почв:

% хим. связ. воды = %п.п.п. – % гумуса

3 для безгумусовых почв:

% хим.связ. воды = % п.п.п. – %СО₂ карбонатов

Вычисление общего содержания минеральных веществ в почве

Общее содержание минеральных веществ называют также минеральным или прокаленным остатком (ПО) В органогенных горизонтах ПО называют зольностью. Общее содержание минеральных веществ в почве узнают по разности, вычитая из 100 % общего содержания всех компонентов почвы % – ное содержание П.П.П.:

Вычисление общей потери при нагревании почвы

Общая потеря почвы (ОП) включает в себя гигроскопическую влагу (W) и ППП. Для ее вычисления находят коэффициент, позволяющий пересчитывать содержание каждого компонента от воздушно – сухой почвы на прокаленную:

где ОП – общая потеря массы почвы при сушке и прокаливании, %.

3 Соединения щелочных и щелочно–земельных металлов

Элементы первой и второй группы периодической системы Д.И. Менделеева играют значительную роль в ряду ЭПП (элементарных почвообразовательных процессов) и плодородии почв. Минеральные элементы почвенное тело наследует от почвообразующих пород. Не смотря на наличие целого ряда сходств в строении и свойствах эти элементы значительно различаются по своей роли в генезисе и плодородии почв. Наличие в составе ППК натрия в незначительных количествах благоприятно воздействует на почвообразование, а также рост и развитие растений. Но увеличение его концентрации определяет развитие целого ряда негативных процессов: осолонцевание и засоление почв, коркообразование, обесструктуривание и тд. Другие химические элементы первой группы присутствуют в почве в незначительном количестве, они рассматриваются как элементы питания растений. Из элементов второй группы Д.И. Менделеева необходимо отметить кальций, который выполняет важную конституционную роль и определяет целый комплекс генетических свойств почв (структурное состояние, плотность, ЕКО, рН почвенного раствора и др.).

3.1 Вопросы для самоконтроля «Соединения щелочных и щелочноземельных металлов»

1. Щелочные металлы в почвах: основные элементы, формы их соединений.

2. Какова специфика распределения калия и натрия в зональном ряду почв?

3. Схема распределения элементов по различным видам резервов Н.И. Горбунова (общий, непосредственный, ближний и потенциальный).

4. Щелочно-земельные металлы в почвах: основные элементы, формы их соединений, их растворимость.

5. Закон Фика. Общие закономерности распределения и накопления солей в почвах В.А.Ковда.