8486956

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
«Определение кислотности почв»
Цель работы:
1. Ознакомление с прибором для определения кислотности почв
(рН- метром), изучение принципа действия прибора;
2. Ознакомление с приготовлением почвенных вытяжек,
методами пробоотбора;
3. Обучение методам калибровки прибора и измерения рН
почвенной вытяжки и пересчет его на рН почв;
4. Оценка погрешности измерения.
Введение
Кислотность и щелочность почвы представляет собой фактор,
который существенно влияет на ее плодородие. В науке для измерения
кислотности и щелочности раствора применяется величина рН. Различные
виды растений имеют различные требования к данному показателю
химического состава почв. В лабораторной работе рассматривается влияние
кислотности почв на состояние биосферы.
Определение показателя кислотности почв осуществляется путем
приготовления почвенных вытяжек, т.е. перевода всех находящихся в почве
ионов водорода в водный раствор. В лабораторной работе дан обзор методов
приготовления
почвенных
вытяжек.
Студентам
предлагается
самостоятельно приготовить почвенную вытяжку
Кислотность
почв
определяется
химическими
или
электрохимическими методами. В данной лабораторной работе для
измерения показателя кислотности почв используется потенциометрический
электрохимический метод измерения. Этот метод предполагает наличие
двух опущенных в анализируемый раствор электродов – измерительного и
сравнительного.
Между
пропорциональное
этими
логарифму
электродами
от
возникает
концентрации
иона
напряжение,
водорода
в
анализируемом растворе. В работе дан обзор существующих типов
электродов. Используемый при выполнении заданий прибор, называемый
рН-метром, в качестве электрода сравнения содержит хлор-серебрянный
электрод, а в качестве измерительного электрода – стеклянный.
Краткая теория
Одним из основных показателей химического состава вод является
содержание в них иона водорода Н+. Концентрация данного иона
оценивается
показателем
кислотности
рН,
который
определяется
выражением:
РН = - lg [H+],
где: Н+ - концентрация иона водорода, выраженная в молях на м3. При
температуре +250С рН < 7 для кислых растворов, рН = 7 для нейтральных
растворов и рН > 7 для щелочных растворов. При других температурах
значение рН нейтрального раствора сдвигается.
Потенциометрический метод широко применяется в лабораторной
практике и в производстве при автоматическом контроле и регулировании
кислотности растворов. При этом измеряют ЭДС электрохимической цепи,
составленной из индикаторного электрода, потенциал которого зависит от
рН раствора, и электрода сравнения. Электрод сравнения в отличие от
индикаторного должен иметь потенциал, не зависящий от состава
электролита. Это требование может быть выполнено только тогда, когда
система электрода сравнения, формирующая его потенциал, отделена от
измеряемой среды диафрагмой. При этом электрод сравнения работает с
переносом ионов.
В результате электрохимической реакции между электролитом и
погруженным в него электродом возникает электродвижущая сила (ЭДС).
Она называется электродным потенциалом. Потенциал Е между двумя
погруженными в электролит электродами описывается уравнением Нернста:
E  E0 
RT
 ln( aOx / aRe d ),
zF
где Е0, В – стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары
электродов; R = 8,31 (Дж/моль) – универсальная газовая постоянная; Т –
абсолютная температура; z – число электронов, участвующих в электродных
реакциях (одинаковое для обоих электродов); F – постоянная Фарадея;
a иa
Ox
Re d
- активности соответственно окисленной и восстановленной форм
вещества электролита и электрода, пропорциональные их концентрации.
Стандартный потенциал для электродов из различных материалов
принято определять относительно водородного электрода (потенциал
стандартного водородного электрода произвольно принят при любой
температуре равным нулю). Водородный электрод представляет собой
платиновую пластинку, погруженную в раствор, через который пропускают
водород.
Основным
достоинством
водородного
электрода
является
независимость его потенциала от изменений состава окружающего раствора.
Для различных металлов в водной среде стандартные электродные
потенциалы имеют следующие значения: Li – (-0,045B); Na – (-2,714B); Al –
(-1,662B); Fe – (-0,440B); Ni – (-0,250B); Pb – (-0,126B); H2, Pt – (0,000B); Cu
– (+0,337B); Ag – (+0,799B); Cl – (+1,359B); Co – (+1,808B).
В основе электрохимических методов анализа лежат процессы,
протекающие
на
межэлектродном
электродами
погруженных
пространстве.
называют
в
жидкость
Жидкость
с
электрохимической
электродах
или
погруженными
ячейкой. При
в
в
нее
изменении
напряжения на электроде при нулевом токе имеем метод анализа состава
вещества, называемый потенциометрия.
Для
определения
концентрации
иона
какого-либо
вещества
потенциометриче6ским методом в анализируемый раствор погружают два
электрода и замеряют их ЭДС. Затем по градуировочному графику находят
концентрацию
определяемого
иона
в
анализируемом
растворе.
В
соответствии с приведенной формулой зависимость ЭДС от концентрации
логарифмическая.
Один из электродов электрохимической ячейки должен реагировать
на изменение концентрации определяемого вещества. Такой электрод
называют
индикаторным
или
рабочим.
Другой
электрод
называют
электродом сравнения. Его потенциал должен быть устойчив во времени и
независим от состава электролита.
Наилучшим электродом сравнения является водородный электрод.
Его использование требует баллона с водородом и поэтому неудобно.
Обычно используют хлорид-серебряный и каломельный электроды с
двойным
солевым
мостиком.
Эти
электроды
представляют
собой
погружаемые в исследуемые растворы стеклянные колбы. Колбы заполнены
раствором KCl. В днище колб впаяно асбестовое волокно для создания
электрического контакта внутреннего и внешнего растворов. Во внутренний
раствор погружена дополнительная колба с крошечным отверстием. У
хлорид-серебряного электрода эта колба заполнена KCl и AgCl, в которую
погружен серебряный электрод. Дополнительная колба каломельного
электрода заполнена пастой из каломели Hg2Cl2, Hg и KCl, в которую
погружен электрод из Pt. Потенциалы хлорид-серебряного и каломельного
электродов при постоянной температуре равны 0,222 В + 0,02 мВ и 0,242 В +
0,01 мВ соответственно.
Индикаторными электродами для потенциометрических измерений
могут быть металлические и мембранные электроды. Металлические
электроды изготавливают из металлов Ag, Cu, Cd, Pb, Pt. Они позволяют
анализировать составы с одним растворенным веществом, так как одинаково
чувствительны к различным ионам.
Мембранные электроды называют также ионоселективными. Они
состоят из заполненной внутренним раствором колбы с погруженным в него
металлическим электродом. Внутренний раствор отделен от анализируемого
тонкой пленкой, называемой полупроницаемой мембраной. Мембраны
обладают способностью пропускать ионы только одного знака заряда, а
часто и только одного сорта в присутствии других ионов. В зависимости от
используемого материала различают следующие мембраны:
Твердая мембрана – кристалл или прессованная из порошков
таблетка. Например, фторид-селективный электрод с мембраной из LaF3 для
измерения рF в диапазоне от 0 до 6, или электрод для измерения Cu+ с
мембраной из CuS.
Стеклянные мембраны изготавливают из специальных стекол,
пропускающих преимущественно Н+ - ионы. Такие мембраны имеют
большое
электрическое
сопротивление
(десятки
МОм).
Известны
стеклянные мембраны для измерения K+, Na+, Ag+ - ионов.
Жидкие мембраны представляют собой пористый полимерный
носитель с нанесенным на него раствором органических соединений.
Наиболее часто используются для измерения концентрации K+ и Ca2+.
В качестве индикаторных электродов применяют преимущественно
стеклянные. Стеклянный электрод представляет собой полый тонкостенный
стеклянный
шарик.
В
его
внутреннее
пространство
помещаются
хлорсеребряный электрод и соляная кислота, концентрация которой не
изменяется во время измерений.
Ферментные
электроды
–
это
ионоселективные
электроды,
покрытые слоем фермента. Они обладают высокой селективностью
измерений, используются для определения CO(NH2)2, NH 4 .
Методы отбора проб для измерения рН
Пробоотбор – отбор проб объектов окружающей среды (почвы,
растений, природных и промышленных вод и т.д.) проводится при
мониторинге окружающей среды и имеет важное значение для анализа
загрязняющих веществ.
Большинство твердых веществ имеют весьма неоднороджную по
объему структуру, так как под действием молекулярных, внешних
механических, химических и других сил слагающие вещество компоненты
мигрируют, и крайне редко бывают равномерно перемешаны. Для снижения
погрешностей, вызываемых данным эффектом, обычно осуществляют отбор
нескольких проб в разных местах объекта исследований. В самом
распространенном случае производят усреднение содержания определяемого
компонента путем объединения и перемешивания нескольких проб. При этом
введены следующие понятия:
- точечная проба – материал (почва), взятый из одного места
горизонта или одного слоя (типичного) почвенного профиля;
- объединенная проба – смесь не менее 2-х точечных проб.
Отбор проб проводится на пробных площадках различного размера,
но они закладываются так, чтобы исключить искажения результатов анализа
под влиянием окружающей среды.
Пробная площадка – часть исследуемой территории со сходными
условиями (рельеф, тип почв, распределение по площади загрязняющего
вещества и т.д.).
При общем загрязнении почв пробные площадки намечают по
координатной сетке указывая их номер и координаты. Расстояние между
пробными площадками регламентируется характером продолжительного
загрязнения. При равномерном загрязнении интервалы между площадками
должны быть равными, а при неравномерном – разными.
Пробы почв отбирают по профилю из почвенных горизонтов или
слоев (пахотного, подпахотного) с расчетом, чтобы в каждом случае проба
представляла собой часть почвы, типичной для генетических горизонтов или
слоев данного типа.
Глубина отбора проб колеблется от 0-5 до 5-20 см (две отдельные
пробы) пахотного горизонта.
При мощности горизонта или слоя свыше 40 см пробы почвы
отбирают раздельно: не менее 2-х проб с различной глубины.
Для контроля загрязнения почвы сельскохозяйственных угодий, в
зависимости от характера источника загрязнения, возделываемой культуры и
рельефа местности на каждые 0,5 – 20 га территории закладывают не менее
1-й пробной площадки размером 10 x 10 м. А в случаях контроля
санитарного состояния почвы в зоне влияния промышленного источника
загрязнения пробные площадки закладывают на площади, равной 3-х кратной
величине санитарно-защитной зоны. При контроле загрязнения почвы
выбросами промышленных предприятий пробные площадки закладывают
вдоль векторов “розы ветров”. В этих же целях, но на территории
расположения детских садов, игровых площадок, выгребов, мусорных
ящиков и других объектов (с малой площадью), размер пробной площадки
должен быть не более 5 х 5 м.
Точечные пробы почв отбираются на пробной площадке из одного
или нескольких слоев или горизонтов методом “конверта” (по углам и в
центре – всего 5 точек).
Точечные пробы отбирают ножом или шпателем из прикопок или
почвенным буром.
Объединенную пробу почвы составляют смешивая не менее пяти
точечных проб, взятых с одной пробной площадки. Масса объединенной
пробы должна быть не менее 1 кг. Отобранные пробы нумеруются и
регистрируются в отдельном журнале с указанием: порядкового номера,
места отбора, рельефа местности, типа почвы; целевого назначения
территории, вида загрязнения и даты отбора.
Способы приготовления почвенных вытяжек
Некоторые методы электрохимического анализа требуют перевода
определяемых загрязнителей почв в жидкое состояние, т.е. приготовление
почвенных вытяжек. При этом наиболее распространен метод ионометрии,
основанный на измерении потенциала подходящего ионоселективного
электрода, погруженного в анализируемый раствор, относительно электрода
сравнения. Для снижения влияний на результаты измерения неопределяемых
ионов в анализируемый раствор вводят избыток электролита, не влияющего
на потенциал электрода.
Для определения бромид-ионов образцы почвы встряхивают 30 мин. с
водой, отфильтровывают и разбавляют нитратом натрия.
При анализе содержания в почве хлорид-ионов навеску высушенной
измельчённой пробы встряхивают 30 мин. с деионизированной водой,
отстаивают, отбирают часть надосадочной жидкости и разбавляют раствором
нитрата натрия.
Калий влияет на рост растений, поэтому контроль его содержания в
почвах важен. Для определения ионов калия навеску высушенной почвы
смешивают с равным количеством воды, прибавляют 50-кратный объём 5М
раствора хлорида натрия, периодически перемешивают в течение 2 час., затем
фильтруют.
Для
поддержания
необходимого
уровня
азота
в
почве
можно
контролировать содержание аммиака. Для этого измельчённую и высушенную
пробу в течение часа обрабатывают 2М раствором соляной кислоты, фильтруют
и разбавляют 10М раствором гидроксида натрия до рН11.
Более подробно методики подготовки почв к ионометрии даны в [3].
Там же описаны некоторые процессы подготовки твёрдых проб для анализа
фотометрическими, хроматографическими и другими методами.
Применяемые приборы
Для выполнения лабораторной работы необходимы следующие приборы:
1. Мешалка магнитная
рис.5.4.1. мешалка магнитная
Описание мешалки магнитной
1. Передняя панель корпуса.
2. Ручка регулирования скорости вращения.
3. Верхняя часть корпуса.
4. Электродвигатель.
5. Электроплитка.
6. Кожух.
7. Магнит.
8. Стержень перемешивающий.
9. Диск.
10. Плата.
11. Переключатель для включения электроплитки.
12. Лампа сигнальная «СЕТЬ».
13. Переключатель для включения электродвигателя.
14. Лампа сигнальная «НАГРЕВ».
15. Шнур питания с вилкой.
16. Амортизатор
17. Стойка.
18. Держатель емкости.
Мешалка
магнитная
ММ
–
5М1
(рис.5.4.1.)
предназначена
для
перемешивания и подогрева неагрессивных и агрессивных водных растворов, не
взаимодействующих со стеклом в стандартных стеклянных цилиндрических
сосудах диаметром до 130 мм.
Мешалка предназначена для применения в лабораториях предприятий и
научно-исследовательских
учреждений
различных
областей
народного
хозяйства.
Принцип работы:
1. Принцип работы мешалки основан на передаче движения от
вращающегося магнита к перемешивающему стержню с помощью магнитного
поля.
2. Раствор перемешивается вращением стержня, помещенного в сосуд.
3. Стержень герметически запаян в стеклянную или полиэтиленовую
оболочку для предохранения от коррозии и химической реакции с растворами.
4. Интенсивность перемешивания зависит от скорости вращения магнита,
длины стержня, перемешиваемого раствора.
Конструкция мешалки обеспечивает при перемешивании растворов их
подогрев до температуры (40±5) оС.
Электроплитка может работать только при включенном электродвигателе.
5. Для предохранения магнита от саморазмагничивания служит стержень
перемешивающий, который по окончании работы мешалки накладывается на
кожух.
Подготовка изделия к работе и порядок работы
1. Перед началом работы:
- снимите стержень перемешивающий;
- установите на кожух сосуд с раствором и погрузите в него
стержень перемалывающий;
- подключите шнур питания к сети переменного тока напряжением
220 В (сеть должна иметь заземление);
- поверните ручку регулирования скорости вращения магнита в
крайнее левое положение;
- переключателем включите электродвигатель;
- поворотом
ручки
подберите
оптимальный
режим
перемешивания, пользуясь градуированной шкалой на панели.
2. При необходимости подогрева растворов включите электроплитку
переключателем.
3. После окончания работы выключите плитку и электродвигатель, ручку
регулирования скорости поверните в левое крайнее положение,
снимите сосуд с раствором и цстановите стержень перемешивающий в
центре кожуха.
4. При необходимости пользуйтесь держателем емкости, для чего
установите стойки и держатель емкости на корпусе.
Примечание:
Если произойдет срыв вращения стержня в сосуде, необходимо уменьшить скорость
вращения вала электродвигателя поворотом ручки регулирования скорости в левое крайнее
положение; когда стержень начнет плавно вращаться, постепенно увеличивайте скорость
вращения поворотом ручки по часовой стрелке, или установите ручку в крайнее левое
положение, выключите электропитание переключателем для включения электродвигателя,
повторно включите и плавным поворотом ручки по часовой стрелке установите необходимую
скорость вращения стержня.
2. Цифровые весы
рис. 6.4.2. цифровые
весы
ОПИСАНИЕ ВЕСОВ
1. Платформа для взвешивания.
2. Платформа из нержавеющей стали только для HL-2000 (приобретается
дополнительно).
3. Дисплей.
4.ON/OFF - клавиша включения/отключения питания.
5. UNITS - специальная клавиша, которая находится под панелью между
клавишами ON/OFF и RE-ZERO.
6. RE-ZERO - клавиша установки 0 или компенсации веса тары.
Цифровые весы НL-200 (рис. 6.4.2.) предназначены для взвешивания
объектов массой до 200 г. Прибор позволяет взвесить объект и при
необходимости вычесть вес тары. Эти весы имеет функцию автоматического
отключения при неиспользовании их в течение 5 минут, что позволит продлить
срок службы батарей и увеличит ресурс работы.
Взвешивание без использования тары
1. Включите весы, используя клавишу [ON/OFF]. Все сигналы дисплея
появятся на несколько секунд, затем появятся индикаторы [STABLE],
[ZERO] и 0.0 g. Если на дисплее появится значение отличное от 0.0
(при этом на платформе ничего нет), нажмите кнопку [RE-ZERO].
2. Положите взвешиваемый объект на платформу. На дисплее появится
индикатор [STABLE] и вес объекта.
3. Для того, чтобы взвесить следующий объект, перейдите к шагу 2.
Взвешивание с использованием тары
1. Включите весы, используя клавишу [ON/OFF]. Все сигналы дисплея
появятся на несколько секунд, затем появятся индикаторы [STABLE],
[ZERO] и 0.0 g. Если на дисплее появится значение отличное от 0.0
(при этом на платформе ничего нет), нажмите кнопку [RE-ZERO].
2. Поместите на платформу пустую тару, На дисплее появится индикатор
[STABLE] и вес тары. Затем нажмите клавишы [RE-ZERO], при этом
весы запомнят вес тары и на дисплее появится 0.0 g.
3. Поместите взвешиваемый объект с тарой на платформу. На дисплее
появится индикатор [STABLE] и вес объекта без тары.
4. Если следующий объект необходимо взвесить без использования тары,
освободите весы от груза и нажмите клавишу [RE-ZERO].
3. рН-Метр
рН-Метр используется для определения водородного показателя рН
водных растворов. Гальванический преобразователь всегда состоит из двух
полуэлементов: измерительного электрода, помещаемого в исследуемый
раствор, и электрода сравнения, электродный потенциал которого должен
оставаться постоянным. Данный прибор в качестве электрода сравнения
содержит хлорсеребряный электрод, а в качестве измерительного электрода –
стеклянный.
Использование рН-метра
1.
Устранить
защитный
колпачок
и
включить
рН-метр
переключателем [ON/OFF].
2.
Погрузите рН-метр в образец и ждите, пока показания прибора
стабилизируются.
3.
После использования прибора прополощите его в проточной воде,
чтобы минимизировать загрязнение.
4.
По окончании работы с прибором обязательно наденьте защитный
колпачок на электрод.
Примечание. Не используйте дистиллированную воду в целях хранения.
Большие разногласия в рН показаниях (± 0,5 рН) могут быть вследствие
недостатка калибровки или неисправности батарей.
Также используются приборы:
- Фильтр из стекловаты
- Стакан низкий с носиком, объем 250 мл – 4 шт.
В качестве реактива для калибровки рН-метра будет использоваться
дистиллированная вода.
Порядок выполнения лабораторной работы
1. Калибровка рН-метра.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сущность метода потенциометрии.
2. Дать понятие электродного потенциала. Каким уравнением он описывается?
3. Виды электродов, применяемых в потенциометрическом методе анализа.
4. Каковы особенности:
а) электродов сравнения;
б) индикаторных (измерительных) электродов.
5. Какие электроды используют в качестве:
а) электродов сравнения;
б) измерительных электродов.
6. Описать следующие типы электродов:
а) водородный;
б) хлорсеребряный;
в) каломельный;
г) стеклянный;
д) ферментные электроды;
е) металлические электроды.
7а. Какие электроды относятся к ионоселективным? Их описание.
7б. Что представляют собой твердые мембраны в ионоселективных электродах?
7в. Что представляют собой стеклянные мембраны в ионоселективных
электродах?
7г. Что представляют собой жидкие мембраны в ионоселективных электродах?
8. Что представляет собой водородный показатель рН?
9а. Что такое пробоотбор?
9б. Что называют точечной пробой твердого вещества?
9в. Что называют объединенной пробой твердого вещества?
9г. Зачем создают объединенные пробы твердого вещества?
9д. Как отбирают точечные пробы твердых веществ?
9е. Что такое пробная площадка?
9ж. Каковы размеры пробных площадок при определении химического
загрязнения почв?
10а. Каково расстояние между пробными площадками при исследовании
химического загрязнения почв?
10б. Сколько проб почвы отбирают в одной точке?
10в. Из скольки точечных проб составляют объединенную пробу?
10г. Какова масса объединенной пробы?
10д. Правила регистрации отобранной пробы.
Список литературы
1. Ерохин А.И., Рихванов Л.П., Язиков Е.Г. Руководство по оценке загрязнения
объектов окружающей природной среды химическими веществами и методами
их контроля. Учебное пособие. – Томск: изд. ТПУ, 1995.
2. Отбор и подготовка проб
для анализа состава твердых веществ.
Методические указания к выполнению практических занятий по курсу
«Мониторинг и контроль окружающей среды» для студентов специальности
330200 «Инженерная защита окружающей среды». – Томск:Изд. ТПУ, 1999.
3. Физическая химия. В 2 кн. Кн. 2. Электрохимия. Химическая кинетика и
катализ: Учеб. Для вузов/ К.С. Краснов, Н.К. Воробьев, И.Н. Годнев и др.; Под
ред. К.С. Краснова – 2-е изд., перераб. и дополн. – М.: Высш. Шк., 1995.
4. А.М. Туричин, П.В. Новицкий, Е.С. Левшина и др. электрические измерения
неэлектрических величин. Изд. 5-е, перераб. И доп. Л., «Энергия», 1975.