Задание №7

Задание №7
Физико-химические процессы в почве
Почва – особое природное образование, обладающее рядом свойств,
присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных
горизонтов (образует почвенный профиль), возникающих в результате
преобразования поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием
воды, воздуха, живых организмов.
Поскольку почва содержит живые и неживые компоненты и поэтому
обладает рядом свойств, присущих живой и неживой природе, ее называют
биокосным телом.
Важнейшим свойством почвы является плодородие, т.е. способность
обеспечивать органическое и минеральное питание растений.
Почва крайне неоднородна. Ее можно представить как некоторое
микроотражение глобальной экосистемы. Поскольку она тоже делится на твердую
(минеральные и органические вещества), жидкую (почвенный раствор) и
газообразную (почвенный воздух) составляющие. Между ними происходит обмен
веществ. Этот обмен происходит, в основном, через почвенный раствор, который
перемещается по тонким капиллярам. Перемещение почвенного раствора по
капиллярам происходит медленно, поэтому состав почвы крайне неоднороден.
1 ГИПЕРГЕНЕЗ И ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ
Процесс разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли
обычно называют выветриванием, хотя ветер к этому почти никакого отношения
не имеет. А. Е. Ферсман в 1922 г. предложил другое название этого процесса –
гипергенез.
В настоящее время под выветриванием, или гипергенезом, понимают
сумму процессов преобразования твердого вещества земной коры на
поверхности суши под влиянием воды, воздуха, колебаний температуры и
жизнедеятельности организмов. Сущность этих процессов заключается в
перегруппировке атомов и образовании новых, устойчивых к условиям земной
поверхности соединений.
Различают два типа выветривания: физическое и механическое.
Физическое выветривание приводит к чисто механическому разрушению
пород. Частые изменения температуры, морозное выветривание с образованием
трещин и солевое растрескивание пород (возникновение трещин под давлением
кристаллов образующихся солей) обусловливают разрыхление структуры и
распад пород на минеральные зерна.
Химическое выветривание – разрыхление коренных пород под действием
кислорода воздуха, СО2, Н2О, органических кислот, сопровождающееся
изменением их состава.
Часто выделяют еще третий тип выветривания – биологическое
(органогенное). Но этот процесс связан либо с физическим воздействием
(например, давлением корней растений), либо с химическим воздействием
(например, воздействием органических кислот, выделяемых корнями растений).
В зависимости от климатической зоны, времени года и местных условий
процессы выветривания различных типов протекают с различной
интенсивностью.
Процессы выветривания горных пород происходили на Земле и до
появления живых организмов. В то же время дальнейшее преобразование горных
пород, связанное с возникновением почв, всегда протекает только при
непосредственном участии живых организмов.
Почвообразованием называется сложный процесс перехода горной
породы в качественно новое состояние. Этот процесс протекает при
взаимодействии минерального вещества земной коры с живыми организмами
и продуктами их жизнедеятельности. Причем такое взаимодействие в
земных условиях происходит при прямом и косвенном влиянии других
факторов внешней среды.
Растительные сообщества извлекают из горных (материнских) пород
питательные элементы, синтезируют сложные органические соединения –
биомассу – и возвращают эти соединения в почву в виде отмирающих и опавшей
на землю растительной массы корней и листьев. Одним из главных факторов,
играющих важную роль в преобразовании этих органических остатков, являются
дождевые черви, личинки многочисленных насекомых и микроорганизмы. В
процессе питания они измельчают растительную массу, перемещают ее,
перемешивая органические и минеральные вещества. Находясь в тесном
взаимодействии между собой и с минеральной частью горных пород и почв,
живые организмы активно участвуют в малом биологическом круговороте
веществ. В результате этого процесса в верхних горизонтах, почвообразующих
породах и почвах накапливаются биогенные элементы (N, C, P, S и др.),
происходит образование и дальнейшее развитие почв.
2 ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ПОЧВ
Элементный состав почв – одна из основных химических характеристик
почв, на которой базируется понимание свойств почв, их генезиса и плодородия.
Без знания элементного состава почв глубокие почвенно-химические
исследования невозможны.
Элементным составом почв называют набор и количественное
соотношение химических элементов в почвенной массе.
Элементный состав отражает многие наиболее важные итоги
почвообразовательного процесса. По элементному составу различают
генетические горизонты почв: в частности перегнойно-аккумулятивные
горизонты отличаются повышенным содержанием углерода, фосфора, азота; в
элювиальных горизонтах повышено содержание кремния и понижено содержание
многих других элементов; в иллювиальных горизонтах накапливаются железо,
алюминий и ряд других элементов.
Элементный состав дает представление о потенциальном плодородии
почв. Высокое содержание углерода органических соединений и азота обычно
считают признаком плодородной почвы. Высокий уровень накопления хлора –
показатель неблагоприятных для растений условий. Конечно, растениям доступна
только часть находящихся в почве элементов питания. Элементы, входящие в
кристаллические решетки алюмосиликатов, в состав трудно растворимых
соединений или в состав негидролизуемых компонентов гумусовых веществ,
становятся доступными растениям после их полной мобилизации, т.е. после
полного или частичного разрушения исходной структуры и перехода элемента в
форму растворимого соединения. Тем не менее валовое содержание, или запасы
элемента, показывают, как долго та или иная почва потенциально может
обеспечивать растения при условии полной мобилизации запасов.
Элементный состав – один из важнейших факторов, который
обусловливает выбор методов химического и физико-химического анализа
почв.
Почвы содержат практически все природные элементы периодической
системы Д.И.Менделеева. По набору элементов и их количественному
содержанию почвы существенно отличаются от живых организмов, минералов и
горных пород. Живые организмы состоят главным образом из элементоворганогенов – углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы; так
называемые минеральные компоненты входят в их состав в сравнительно
небольших количествах. Индивидуальные минералы содержат, как правило,
небольшой набор элементов.
В почвах практически все входящие в их состав элементы являются
обязательными и необходимыми. Большой набор элементов – первая
отличительная особенность почв. Вторая особенность заключается в
сочетании высокого содержания углерода и кремни, что отражает взаимное
влияние двух факторов почвообразования: растительного и животного мира,
с оной стороны, и почвообразующих пород – с другой. Третья особенность большой диапазон концентраций, охватывающий 4-5 порядков и даже
достигающий 9-10 порядков.
3 ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОЧВ
Почва представляет собой многофазную систему. Она состоит из твердых
частиц, воды (почвенного раствора) и почвенного воздуха. Если почвенный
раствор и почвенный воздух можно считать отдельными фазами почвы, то
твердые частицы нельзя считать отдельной фазой. Общее число твердых фаз в
почве может быть очень велико. Отдельные фазы составляют совокупности
частиц кварца, слюд, обломков полевых шпатов или обломков кристаллов
каолинита и т.д. Особыми фазами представлены скопления трудно растворимых
или растворимых солей, оксидов, гидроксидов. Одинаковые по составу, но
различные по кристаллическому строению вещества образуют отдельные фазы.
Так, карбонат кальция CaCO3 может быть представлен кристаллами кальцита или
арагонита.
Фазовый состав почвы не тождествен вещественному составу почвы. Число
фаз может быть больше числа веществ, составляющих почву (явление
полиморфизма), и наоборот – число фаз может быть меньше числа составляющих
веществ, например в почвенном растворе.
На долю твердых частиц приходится 40-65% объема почвы. Объем
почвенного раствора может изменяться в широком диапазоне. До 35% объема
почвы обычно занимает почвенный воздух. Для типичных почв характерно
следующее соотношение объемов твердых частиц, жидкой и газообразной фаз:
Т : Ж : Г = 2 : 1 : 1.
95% твердых частиц типичной плодородной почвы состоят из
неорганических соединений и 5% − из неорганических. Некоторые виды почв,
например торфяные, содержат иногда более 95% органических соединений, тогда
как в так называемых «бедных» почвах содержание органических веществ может
быть менее 1%.
Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы, существующая в природных
условиях. Состав почвенного раствора меняется в очень широких пределах. В
незасоленных почвах в почвенном растворе содержится от десятых долей до
нескольких г/л, или примерно от 5-7 до 100-150 ммоль/л катионов и анионов.
Наиболее типичными компонентами почвенных растворов, концентрации
которых значительно превосходят концентрации других катионов и анионов
являются катионы Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, Na+ и анионы HCO3-, SO2-, NO3- и Cl-. При
изменении влажности почвы концентрация отдельных ионов меняется по
различным законам. Так, концентрации ионов Na+, Cl-, NO3- возрастают
пропорционально влажности почвы, а концентрация фосфат-иона, обусловленная
произведением растворимости фосфатов, почти не изменяется.
Почвенный воздух отличается от атмосферного более высоким
содержанием CO2 (обычно от 0,1 до 2-3%), а в торфяных почвах на глубине 20-30
см концентрация CO2 достигает 10-12% об. Содержание кислорода в воздухе
верхнего слоя почвы (толщиной 20 см) на 0,5-1,5% ниже его концентрации в
атмосферном воздухе. В почвенном воздухе могут содержаться H2S, CH4, N2O и
органические летучие соединения (углеводороды, спирты, эфиры, альдегиды).
4 ОГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ
На долю органических веществ приходится 5-95% общей массы твердой
фазы почв. Их количественный и качественный состав определяет практически
все агрономически ценные свойства почв. Перечень различных органических
соединений, входящих в состав почв, очень велик, их содержание в почвах
меняется в широких пределах – от нескольких % до следовых количеств – и
определяется в основном процессами почвообразования.
В настоящее время органическим веществом почвы называют всю
совокупность органических соединений присутствующих в почве, за
исключением веществ, которые входят в состав живых организмов.
Все органические вещества по своему происхождению, характеру и
функциям делятся на 2 группы: органические остатки и гумус. Первую из них
составляют остатки животных и растений, не утратившие исходного
анатомического строения. Это, в основном, остатки корневой системы растений.
ГУМУС – часть органического вещества почвы, представленная
совокупностью специфических и неспецифических органических веществ
почвы, за исключением соединений, входящих в состав живых организмов
и их остатков.
Следовательно, гумус составляют индивидуальные органические
соединения, находящиеся в форме органоминеральных образований.
В составе гумуса выделяют три группы соединений: специфические
гумусовые вещества, неспецифические органические соединения и
промежуточные продукты распада и гумификации. Третья группа включает в
себя продукты частичного разложения органических остатков, которые по сумме
признаков еще не могут быть отнесены к специфическим гумусовым веществам,
но уже не являются веществами, характерными для живых организмов.
Специфические вещества и неспецифические гумусовые соединения образуются в
результате протекания процессов образования почв. Поэтому их содержание и
состав полностью определяется условиями почвообразования.
Неспецифические гумусовые соединения синтезируются в живых
организмах и поступают в почву в составе растительных и животных
остатков. Специфические гумусовые вещества образуются непосредственно в
почве в результате протекания процессов гумификации. Среди них выделяют
гуминовые вещества, гумусовые кислоты и гумин.
ГУМИН, или негидролизируемый остаток – это та часть органического
вещества почвы, которая нерастворима в кислотах, щелочах и органических
растворителях.
Прогуминовые вещества сходны с промежуточными продуктами распада
органических остатков. Их присутствие обнаруживается при детальном
фракционировании выделенных из почвы препаратов.
ГУМУСОВЫЕ КИСЛОТЫ – класс высокомолекулярных азотсодержащих
оксикислот с ароматическим ядром, входящим в состав гумуса и
образующимся в процессе гумификации.
На основании различной растворимости в воде, кислотах и щелоча, а также
спирте гумусовые кислоты подразделяют на гуминовые кислоты (ГК),
гиматомелановые и фульвокислоты (ФК).
Гуминовые кислоты – группа темноокрашенных гумусовых кислот,
растворимых в щелочах и не растворимых в кислотах.
Гиматомелановые кислоты – группа гумусовых кислот, растворимых в
этаноле.
Фульвокислоты – группа гумусовых кислот, растворимых в воде,
щелочах и кислотах.
Обычно при проведении анализов гумусовые кислоты экстрагируют из
почвы растворами щелочей (0,1-0,5 н. NaOH). При подкислении щелочной
вытяжки до рН = 1-2 ГК и гиматомелановые кислоты выпадают в осадок. В
растворе остаются только ФК. При обработке образовавшегося осадка этанолом
гиматомелановые кислоты переходят в спиртовой раствор, окрашивая его в
вишнево-красный цвет.
ГК, обогащенные углеродом (преимущественно в черноземных почвах) в
отечественной литературе называют черными, а в зарубежной – серыми. Черные и
бурые ГК могут быть разделены методом высаливания: при обработке 2 н.
раствором NaCl черные ГК коагулируют и выпадают в осадок.
5 ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ
Поглотительная способность почвы – это свойство поглощать
(задерживать в себе) газы, жидкости, солевые растворы и твердые частицы.
Различают пять видов поглотительной способности почв: механическую,
физическую, химическую, биологическую и физико-химическую.
Механическая поглотительная способность – свойство задерживать
взвешенные частицы в процессе фильтрации воды через почву. В результате
процесса механического поглощения в пойменных и орошаемых почвах
образуется наилок, происходит очистка сточных вод от грубых примесей на полях
фильтрации, при миграции по профилю глинистых и коллоидных частиц,
образуется иллювиальный горизонт.
Физическая поглотительная способность – изменение концентрации
растворенного вещества в слое раствора, пограничном с твердой фазой почвы,
обусловленное действием физических сил. Почвенные коллоиды (твердые
частицы размером менее 0,01 мкм) способны адсорбировать на своей поверхности
анионы и катионы почвенного раствора и диполи воды. В почвах наиболее часто
происходит увеличение концентрации растворенных компонентов в
поверхностном слое. Однако возможно и уменьшение концентрации
компонентов, например анионов, вблизи коллоидных частиц и увеличение их
содержания в фильтрующемся растворе. В результате протекания этого процесса
возможна потеря питательных компонентов почвы. Поэтому, например,
удобрения, содержащие ионы NО3-, не рекомендуется вносить в почву задолго до
посева и осенью.
Химическая поглотительная способность – образование нерастворимых
или малорастворимых солей в почвенных растворах. Очень часто эта способность
почв проявляется в карбонатном горизонте при образовании кальцита СаСОз. При
внесении в почву фосфорных удобрений, например двойного суперфосфата
Са(H2РО4)2, возможно образование нерастворимых солей железа FePO4 или
кальция Са3(РО4)2
Биологическая поглотительная способность – поглощение различных
веществ из почвенного раствора живыми организмами. Существенной
особенностью этого процесса является избирательное поглощение определенных,
наиболее важных для жизнедеятельности организмов веществ. Благодаря этой
избирательной биологической способности растений в верхних горизонтах почвы
вместе с гумусом аккумулируются многие биогенные элементы.
Физико-химическая (или обменная) поглотительная способность –
свойство почвы эквивалентно обменивать ионы почвенного раствора и твердой
фазы почв. На поверхности частиц твердой фазы почв присутствуют активные
центры, имеющие положительный или отрицательный заряд. Поэтому по
характеру ионообменной способности почвы следует отнести к амфоболитам.
Однако практически во всех видах почв количество активных центров, имеющих
отрицательный заряд, значительно больше, чем заряженных положительно,
поэтому для почв характерна преимущественно катионообменная способность.
6 КАТИОНООБМЕННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ
Катионообменную способность почв относят к числу фундаментальных
свойств почвы. Катионный обмен – это обратимый процесс стехиометрического
обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Реакцию обмена в общем
виде можно представить следующим уравнением:
где М1n+
комплекс.
ППК(М1n+)m + nМ2m+ = ППК(М2m+)n + mМ1n+,
и М2m+ – обменные катионы; ППК – почвенно-поглощающий
Почвенно-поглощающий
комплекс
–
материальный
носитель
катионообменной способности почв. Это понятие объединяет совокупность
минеральных, органических и органоминеральных компонентов твердой фазы
почв, обладающих ионообменной способностью. Катионы, которые входят в
состав почвенно-поглощающего комплекса и могут быть замещены в процессе
ионного обмена, называют обменными катионами. Наиболее часто в реакции
обмена принимают участие катионы Са2+, Mg2+, K+, Na+, H+, А13+.
Одной из важнейших характеристик почвенно-поглощающего
комплекса является емкость катионного обмена (ЕКО). В настоящее время
различают стандартную, реальную и дифференциальную ЕКО.
Стандартная ЕКО – общее количество катионов одного рода,
удерживаемых почвой при стандартных условиях и способных к обмену на
катионы взаимодействующего с почвой раствора. При определении
стандартной ЕКО почву насыщают ионами Ва2+ из буферного раствора с рН = 6,5.
После насыщения емкость определяют по количеству поглощенного почвой Ва2+
и выражают в смоль(р+)/кг (сантимолях положительных зарядов в 1 кг почвы).
Реальную, или эффективную, ЕКО определяют при обработке почвы
небуферными растворами солей. О реальной емкости катионного обмена
можно судить по сумме обменных катионов.
Дифференциальную ЕКО характеризует приращение емкости
катионного обмена с увеличением рН равновесного раствора: ∆ЕКО/∆рН. Для
определения дифференциальной ЕКО почву насыщают катионами одного рода из
буферных растворов с различными значениями рН (например, 6,5 и 8,2), а затем
рассчитывают или общее приращение ЕКО, или ее приращение на единицу рН.
Влияние рН на ЕКО особенно заметно для органической части почв,
поскольку в нейтральной и кислой средах в реакциях обмена будет участвовать
только водород карбоксильных групп, а в щелочной среде становится подвижным
и водород фенольных ОН-групп.
Величина ЕКО зависит от механического состава почв, преобладающей
группы минералов и, в первую очередь, от содержания гумусовых веществ в
почвенно-поглощающем комплексе. Численное значение ЕКО меняется в
широких пределах: от нуля (главным образом, для обломков кварца) до 500-900
смоль (р+)/кг (для гуминовых кислот). Поглощающая способность почв
определяется илистой фракцией. Структурные элементы почв с размерами
более 0,2-0,5 мм практически лишены способности к катионному обмену.
7 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример 1. Определите содержание кислорода и кремния в %(масс.) в
нефелине K[AlSiO4]. Сравните полученные результаты с массовыми кларками
элементов.
Решение:
Массовое содержание элемента в минерале, в частности в нефелине,
определяется следующим выражением:
 (эл) = (mэл / Мнефелина)∙ 100%,
где mэл − общая масса элемента в моле соединения, г;
Мнефелина − молярная масса нефелина, г/моль.
Значение молярной массы соединения определяется суммированием
молярных масс составляющих его элементов с учетом их количеств в соединении:
Мнефелина = M(K)∙1 + M(Al)∙1 + M(Si)∙1 + M(O)∙4 = 39 + 27+ 28 + 64 = 158
г/моль.
Тогда содержание кислорода и кремния в % (масс.) будет равно:
 (О) = (m(O) / Мнефелина)∙ 100% = (16∙4/158) ∙100% = 40%;
 (Si) = (m(Si) / Мнефелина)∙ 100% = (28∙1/158) ∙100% = 18%.
Полученные значения 40 и 18% отличаются от массовых кларков кислорода
и кремния соответственно, поскольку по определению кларк − среднее
содержание элемента в земной коре, а в задаче определено содержание элементов
в конкретном минерале.
Ответ: содержание кислорода и кремния в нефелине составляет 40 и 18%
(мас.) соответственно.
Пример 2. Глинистые и песчаные почвы имеют удельную поверхность 70 и
7 м /г абс. сухой почвы соответственно. При условии, что воздушно-сухая почва
адсорбирует воду только поверхностью однородного слоя толщиной 1 нм,
вычислите содержание воды в каждой почве.
2
Решение:
Рассмотрим почву с удельной поверхностью Sуд = 70 м2/г. Согласно
условию задачи вода в 1г почвы равномерно адсорбирована на поверхности 70м 2
с толщиной слоя h = 1нм = 10 м-9 м. Определим объем, который занимает вода в
1г почвы этого образца:
V = Sуд h;
V = 70∙1∙10-9 = 7 ∙10-8 м2/г.
Масса воды m в 1г образца определяется следующей формулой:
m =  V,
где  − плотность воды.
Табличное значение плотности воды при стандартных условиях составляет
3
10 кг/м3 = 106 г/м3. Таким образом, масса воды в 1г воздушно-сухой почвы
составит:
m = 106 ∙7∙10-8 = 7 ∙10-2г H2O/г почвы.
Процентное содержание воды в почве есть отношение массы воды в почве
m к массе навески mн (mн = 1г):
 (H2O) = (m/mн)∙ 100% = (7∙10-2 /1)100% = 7%.
Таким образом, масса и процентное содержание воды в образце почвы с
удельной поверхностью 70 м2/г составляет соответственно 7 ∙10-2 г H2O/г почвы и
7%.
Аналогичным образом рассчитываются масса и процентное содержание
воды в почве с удельной поверхностью 7м2/г. В результате соответствующих
вычислений получим: 7∙10-3г и 0,7% соответственно.
Ответ: масса воды равна 70 и 7 мг/г абс. сухой почвы (глинистой и песчаной
соответственно), или 7 и 0,7%.
Пример 3. Карбонатная почва имеет следующий гранулометрический
состав: 24% песка и 28% пыли и 20% глины. Содержание CaCO3 в почве
составляет: 5% в песке, 10% в пыли и 20% в глине. Рассчитайте
гранулометрический состав почвы (%): а) в ее начальном состоянии; б) после
удаления карбоната кальция с кислотой.
Решение:
Определим массу карбоната кальция в каждой гранулометрической части
почвы. Согласно условию задачи в 100г почвы содержится 42г песка, 38г пыли и
20г глины. Соответственно карбоната кальция содержится:
в песке 42∙0,05 = 2,1г,
в пыли 38∙0,10 = 3,8г,
в глине 20∙0,2 = 4,0г.
Таким образом масса чистых компонентов после обработки кислотой (mi)
составит:
42 – 2,1 = 39,9г песка,
38 – 3,8 = 34,2г пыли;
20 – 4,0 = 16,0г глины.
Процентное содержание компонентов в исходной почве (  i) определяется
соотношением:
ω i = (mi/100)∙ 100%.
Отсюда процентное содержание компонентов в исходной почве после
округления составит:
ω песка = 40%;  пыли = 34%;  глины = 16%.
Процентное содержание компонентов в почве после удаления из нее
карбонатов (  *i) определяем с учетом изменения массы навески почвы:
 m =  m i = 2,1 + 3,8 + 4,0 + 9,9г.
ω *i = [mi/(100 −  m)]∙100% = [mi/(100 − 9,9)]∙ 100% = (mi/90,1)∙ 100% ;
ω * песка = 44%;  *пыли = 38%;
 *глины = 18%.
Ответ: а) 40%. 34% и 16%; б) 44%. 38% и 18%.
Пример 4. Из пробы почвы взята навеска массой 10г и обработана 25 мл 2М
раствора HCl. По завершении реакции избыток кислоты оттитрован стандартным
раствором NaOH. Расчеты показывают, что на реакцию с почвой расходуется 22,5
мл кислоты. При условии, что кислота реагирует только с CaCO3, вычислите
процентное содержание этого вещества (по массе) в почве. Если кислота
реагирует с доломитом CaMg(CO3)2, найдите процентное содержание этого
вещества в почве.
Решение:
Соляная кислота взаимодействует с карбонатом кальция по уравнению:
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O.
Определим количество кислоты, которое провзаимодействовало с CaCO3:
ν (HCl) = C(HCl) ∙ V(HCl),
где C(HCl) − концентрация соляной кислоты; V(HCl) − объем раствора кислоты,
который пошел на взаимодействие с почвой (V = 22,5 мл = 22,5 ∙10-3л).
Количество карбоната кальция, вступившего в реакцию:
ν(CaCO3) = 1/2ν(HCl) = 1/2 ∙ 2 ∙ 22,5 ∙10-3 = 2,25 ∙ 10-2 моль.
Масса карбоната кальция в образце почвы составит:
m (CaCO3) = M(CaCO3)∙ν(CaCO3) = 100∙2,25∙10-2 = 2,25 г.
Процентное содержание CaCO3 в навеске почвы массой 10г составит:
 (CaCO3) = (2,25/10)∙100% = 22,5%.
Аналогично определяется содержание доломита, при этом примем, что
соляная кислота взаимодействует как с карбонатом кальция, так и с карбонатом
магния по следующим химическим уравнениям:
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O;
MgCO3 + 2HCl → MgCl2 + CO2 + H2O.
Учитывая, что в доломите карбонаты кальция и магния находятся в
эквимолярном соотношении, т.е. ν(CaCO3) = ν(MgCO3), получим, что количества
CaCO3 и MgCO3 равны и составляют 1,12 ∙10-2 молей.
Пересчитаем моли в граммы, используя ранее приведенное выражение:
m (CaCO3) = 100 ∙ 1,12 ∙10-2 = 1,12г;
m (MgCO3) = 84 ∙ 1,12 ∙ 10-2 = 0,94г
(здесь 84 г/моль − молярная масса карбоната магния).
Масса доломита будет определяться суммой масс его составляющих −
карбонатов кальция и магния, и процентное содержание доломита в этом случае
составит:
 [CaMg(CO3)2] =[(1,12 + 0,94)/10]100% = 21%
Ответ: содержание в почве CaCO3 − 22,5%; CaMg(CO3)2 − 21%.
Пример 5. Почва содержит 3,15 органического вещества. Вычислите
процентное содержание углерода и азота в почве, если органическое вещество
содержит 60% углерода и массовое отношение C:N равно 10:1.
Решение:
В соответствии с условием задачи в 100г почвы содержится 3,1г
органического вещества. Содержание углерода:
m(C) = (3,1/100) 60 = 1,86г.
По условию задачи содержание азота в почве составляет одну десятую от
содержания углерода. т.е. m(N) = 0,186г.
Процентное содержание элементов равно:
 (C) = [m(C)/100]100% = 1,9%;
 (N) = [m(N)/100]100% = 0,19%.
Ответ: процентное содержание углерода и азота в почве равно 1,9% и
0,19% соответственно.
Пример 6. 1 м2 пахотного слоя почвы содержится 6,5 кг органического
углерода, а интенсивность дыхания почвы составляет 9г CO2/(м2∙сут). Какая часть
органического углерода теряется в сутки на дыхание? Средняя скорость
выделения CO2 в течение года − 2,5 г CO2/(м2∙сут), а содержание органического
углерода поддерживается за счет поступления растительных остатков.
Рассчитайте время оборота для углерода.
Решение:
В первую очередь определим массу углерода (mС), выделяющегося в виде
CO2 при дыхании почвы. При этом необходимо учесть массу углерода, которая
содержится водной молекуле диоксида углерода, Составим пропорцию:
в 44г CO2 содержится 12г углерода
в 9г CO2/(м2 ∙ сут) содержится mС углерода/(м2 ∙ сут).
Отсюда mС = 9 M(C)/ М(CO2) = 9 ∙12/ 44 = 2,45 г углерода/(м2 ∙сут),
где M(C) и M(CO2) − молярные массы углерода и диоксида углерода.
Определим часть углерода (PC, %), которая теряется в сутки с дыханием, при
этом содержание органического углерода в почве (Сорг) необходимо перевести в
граммы:
PC = (mС/ Сорг) 100% = [2,45/(6,5∙103)] ∙100% = 0,038%.
ля ответа на второй вопрос определим отношение общего содержания
углерода в почве к средней массе, выделяющейся при дыхании в течение года
(365 дней):  оборота = 6500/(2,5
12
365) = 26 лет.
44
Ответ: на дыхание теряется в сутки 0,038% углерода; время оборота
углерода составляет 26лет.
Пример 7. Представьте, что чистый гумус имеет 60 смоль карбоксильных
групп на 1 кг, причем все они имеют pKД = 4,0. Рассчитайте долю групп, которые
продиссоциируют при pH = 3; pH = 4; pH = 5; и pH = 6. Для
продиссоциировавших фракций рассчитайте заряд, связанный с гумусом, при
каждом значении pH.
Решение:
Карбоновые кислоты, содержащие карбоксильные группы, диссоциируют
по следующему уравнению:
RCOOH  RCOO- + H+.
В соответствии с этим уравнением константа диссоциации (КД)
определяется следующим соотношением:
КД =
RCOO H  ,


RCOOH 
где [RCOO ], [H ] и [RCOOH] − равновесные концентрации.
Примем, что х − равновесная концентрация продиссоциировавших
-
+
карбоксильных групп (х = [RCOO-]). Тогда, в соответствии с химическим
уравнением выражение для КД можно записать следующим образом:
КД =
С
 
х H
0
RCOOH
х
,
откуда
х=
K Д C 0 RCOOH
H   K

,
Д
где С0RCOOH − исходная концентрация карбоксильных групп.
Как видно из полученной формулы, концентрация продиссоциировавших
карбоксильных групп зависит от концентрации присутствующих в системе ионов
водорода (pH).
При pH = 3, т.е. [H+] = 10-3 моль/л, концентрация [RCOO-] составит:
10 4  60  10 2
[RCOO ] =
= 5,5 ∙10-2 моль/кг.
3
4
10  10
-
Аналогичным образом рассчитываются концентрации [RCOO-] при других
значениях pH. доля продиссоциировавших карбоксильных групп (  3) при pH=3
есть отношение концентрации карбоксильных групп [RCOO-] к начальной
концентрации карбоксильных групп С0(RCOOH):
RCOO  ;  3 = 5,5  10 2 = 0,09.
3 = 0
60  10  2
C (RCOOH)
Аналогичным образом определяются доли продиссоциировавших
карбоксильных групп при pH = 4; pH = 5 и pH = 6. Они равны  4 = 0,50;  5 = 0,90;
 6 = 0,99 соответственно.
Поскольку заряд, связанный с продиссоциировавшими фракциями,
определяется карбоксил-анионом, а общая величина заряда определяется
содержанием карбоксильных групп, то искомый заряд при pH=3 равен 5,5
смользар/кг. При pH=4 заряд составит 30 смользар/кг, при pH = 5 − 54 смользар/кг и
при pH = 6 − 59 смользар/кг.
Ответ: при pH=3;4;5 и 6 доля продиссоциировавших карбоксильных групп
составит: 0,09; 0,50; 0,91 и 0,99 соответственно; заряд, связанный с гумусом,
составит 5,5; 30; 54 и 59 смользар/кг соответственно.
Пример 8. Доза меди, рекомендуемая для внесения в конкретную почву,
составляет 115 мг/кг почвы. (Медь входит в состав хлорофилла и играет важную
роль в процессах метаболизма и фотосинтеза. Дефицит меди приводит к
снижению урожая.) Если почва содержит 2,5% гумуса с отрицательным зарядом
65 смользар/кг гумуса и вся медь прочно связывается гумусом при образовании
хелатных комплексов, какой процент заряда гумуса компенсируется?
Решение:
В соответствии с условием задачи в почве протекает следующая реакция:
Cu2+ + 2А- → Cu2A.
Таким образом, решение задачи сводится к определению избытка одного из
реагентов. Количество вносимой меди равно:
ν(Сu) = m(Cu)/ M(Cu),
где m(Cu) − масса меди, вносимая в почву; M(Cu) = 63,5 г/моль − молярная масса
атомов меди;
ν(Сu) = 115 · 10-3/63,5 = 1,8 · 10-3 моль/кг почвы.
Поскольку заряд катиона меди равен +2, то суммарный заряд, вносимый
медью (qзар), будет равен удвоенному количеству атомарной меди и составит 1,8
∙ 10-3∙ 2 = 3,6∙10-3 моль зар/кг. Заряд, связанный с гумусом (qпочв), составит:
qпочв = mгум qгум,
где mгум − масса гумуса; qгум − заряд, связанный с гумусом в 1кг почвы;
qпочв = 0,025 ∙1 ∙ 65 ∙10-2 = 16,25 ∙ 10-3 мользар/кг.
r = [3,6∙ 10-3 / (16,25∙10-3)] ∙100% = 22%.
Ответ: компенсируется 22% заряда гумуса.
Пример 9. Емкость катионного обмена (ЕКО) почвы составляет 25
смользар/кг; 65% ЕКО обусловлены ионами H+ и Al3+. Рассчитайте количество
извести (г CaCO3/кг почвы), необходимое для нейтрализации этой обменной
кислотности
Решение:
Согласно условию задачи количество зарядов, обусловленное ионами H+ и
Al3+, составляет:
q = ЕКО ∙  ,
где  − доля заряда, обусловленная ионами H+ и Al3+;
q = 25 ∙ 10-2∙ 0,65 = 16,25 ∙ 10-2мользаркг.
Необходимое количество CaCO3 для нейтрализации с учетом того факта,
что ионы кальция несут заряд +2, определяется из следующего равенства:
0,5q =  (CaCO3) = m(CaCO3)/ M(CaCO3),
где M(CaCO3) − молярная масса карбоната кальция, равная 100г/моль.
Отсюда
m(CaCO3) = 0,5q M(CaCO3);
m(CaCO3) = 0,5 ∙ 16,25 ∙ 10-2 ∙ 100 = 8,1 г/кг почвы.
Ответ: для нейтрализации обменной кислотности необходимо 8,1 г
CaCO3/кг почвы.
Пример 10. В 100г дерново-подзолистой почвы в поглощенном состоянии
содержится 240мг подвижного кальция, 26мг магния, 3,6мг аммония, 1мг
подвижного водорода и 2,7мг алюминия. Рассчитайте ЕКО.
Решение:
Решение задачи сводится к нахождению суммарного заряда (ЕКО),
определяемого перечисленными ионами, выраженного в молях:
ЕКО =
1
mн
 mк i
  M

кi

z i  ,

где mкi − масса ионов i-того сорта в навеске почвы; M кi− молярная масса ионов iтого сорта; zi − заряд ионов i-того сорта; mн − масса навески.
ЕКО =
1
100  10  3
 240  10 3
26  10 3
3,6  10 3
1  10 3 2,7  10 3 

2
2
1

 3  =
40
24
18
1
27


= 15∙10-2мользар/кг почвы = 15 смользар/кг почвы.
Ответ: ЕКО = 15 смользар/кг почвы.
Пример 11. Потребность в извести почвы с pH = 5,2, предназначенной для
производства сельскохозяйственных культур, равна 8т CaCO3/га. Рассчитайте,
сколько времени должно было бы пройти после внесения этого количества
извести до следующего внесения, если предположить, что фермер позволил pH
снизиться до 6,0. Примите, что после внесения в почву карбоната кальция
значение pH должно достичь 6,7. Известно, что ежегодное поступление ионов
водорода в почву составляет: в результате дыхания − 4,4, нитрификации − 2,0,
поглощения питательных веществ − 0,7 и атмосферных поступлений − 1,3
кгН+/(га ∙ год).
Решение:
В основе решения задачи лежит представление о существовании диапазона
концентраций
ионов
водорода
(pH),
оптимальных
для
развития
сельскохозяйственных растений. Примем для решаемой задачи оптимальную
величину pH, равную 6,7. Тогда
потребность CaCO3 = БЕ ∙ ΔpH,
где БЕ − буферная емкость почвы, ΔpH − изменение pH.
БЕ = 8/(6,7 – 5,2) = 5,3 т CaCO3/(pH∙га).
В соответствии с условием задачи определим
количество CaCO3,
необходимое для доведения pH почвы до 6,0:
Потребность CaCO3(pH=6) = 5,3(6,0 -5,2) = 4,2 т CaCO3/ га.
Таким образом, оставшаяся часть CaCO3 (mост = 8,0 − 4,2 = 3,8т) идет на
взаимодействие с поступающими из различных источников ионами водорода по
уравнению:
CaCO3 + 2H+  Ca2+ + H2O + CO2.
Количество CaCO3 составит
ν( CaCO3) = mост/M( CaCO3) = 3800/100 = 38 кмоль,
где M( CaCO3) − молярная масса карбоната кальция, равная 100 кг/кмоль.
Сумма всех поступлений ионов водорода в почву  (H+) равна:
ν (H+) =( 4,4 +2,0 + 0,7 + 1,3)/ 1 = 8,4 кмоль H+/(га∙год).
Поскольку реагенты вступают в реакцию в стехиометрическом
соотношении,
ν ( CaCO3) = 0,5  (H+)  ,
где τ − время до следующего внесения CaCO3 в почву;
τ = 2 ν( CaCO3) /  (H+) = 2 ∙38/8,4 = 9 лет.
Ответ: до следующего внесения извести в почву должно пройти 9 лет.
3.8 ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1. Определите содержание кислорода, кремния и алюминия в % (масс.) в
ортоклазе K[AlSi3O8]. Сравните полученные результаты с массовыми кларками
элементов.
2. Определите содержание кислорода, кремния и натрия в % (масс.) в альбите
Na[AlSi3O8]. Сравните полученные результаты с массовыми кларками
элементов.
3. Определите содержание кислорода, кремния и кальция в % (масс.) в анорите
Сa[AlSi3O8]. Сравните полученные результаты с массовыми кларками
элементов.
4. Определите содержание кислорода, кремния и калия в % (масс.) в лейците
К[AlSi2O8]. Сравните полученные результаты с массовыми кларками
элементов.
5. Определите содержание кислорода, кремния и магния в % (масс.) в диопсите
СaMg[Si2O8]. Сравните полученные результаты с массовыми кларками
элементов.
6. В образце лунного грунта обнаружен минерал, содержащий 16,2% кальция,
22,5% железа, 22,6% кремния и 37,8% кислорода. Определите эмпирическую
формулу минерала.
7. Для анализа образца торфа взята навеска 1,6340 г, из которой после
прокаливания до постоянной массы получилось 0,4102 г золы. Какова
зольность образца?
8. Из навески криолита массой 0,4525 г получили 0,0809 г Al2О3. Вычислите
массовую долю (%) Na3AlF3 в криолите.
9. Из навески силикатной породы массой 1,500г получили 0,1322г смеси NаСl и
КСl. Из этой смеси осадили 0,1022г КСlO4. Вычислите массовые доли (%)
Na2O и K2O в силикате.
10.Почва содержит 5,2г органического вещества на 100г абсолютно сухой почвы.
Вычислите содержание органического вещества в граммах на 100 г воздушносухой почвы, если в воздушно-сухом состоянии она содержала 2,3г Н2О на 100
г абсолютно сухой почвы.
11.Почва содержит 3,1% органического вещества. Вычислите массовые доли
углерода и азота в почве, если органическое вещество содержит 60% С и
массовое отношение C:N равно 10:1.
12.Почва содержит 2,6% органического вещества. Вычислите массовые доли
углерода и азота в почве, если органическое вещество содержит 50% С и
массовое отношение C:N равно 8:1.
13.В 1 м2 пахотного слоя почвы содержится 6,5кг органического углерода, а
интенсивность дыхания почвы составляет 9г СО2/(м2∙сут). Какая часть
органического углерода теряется в сутки на дыхание? Средняя скорость
выделения СО2 в течение года − 2,5 г/(м2∙сут), а содержание органического
углерода поддерживается за счёт поступления растительных остатков.
Рассчитайте время оборота углерода.
14.Чистый гумус имеет 50 смоль карбоксильных групп на 1кг, причем все они
имеют рКд = 5,0. Рассчитайте заряд, связанный с гумусом, при рН = 3, рН = 4,
рН = 5, рН = 6.
15.Чистый гумус имеет 75 смоль карбоксильных групп на 1кг, причем все они
имеют рКд = 4,5. Рассчитайте заряд, связанный с гумусом, при рН = 3, рН = 4,
рН = 5, рН = 6.
16.Чистый гумус имеет 75 смоль карбоксильных групп на 1кг. Половина
карбоксильных групп имеет рКд = 4,0, другая половина − рКа = 5,5.
Рассчитайте заряд, связанный с гумусом, при рН = 3, рН = 4, рН = 5, рН = 6.
17.Чистый гумус имеет 60 смоль карбоксильных групп на 1кг. Одна четверть
карбоксильных групп имеет рКа = 3,5 и три четверти − рКа = 5,5. Рассчитайте
заряд, связанный с гумусом, при рН = 3, рН = 4, рН = 5, рН = 6.
18.Чистый гумус имеет 60 смоль карбоксильных групп на 1кг. Одна треть
карбоксильных групп имеет рКа = 4,0 две трети − рКа = 5,0. Рассчитайте заряд,
связанный с гумусом, при рН = 3, рН = 4, рН = 5, рН = 6.
19.Доза меди, рекомендуемая для внесения в конкретную почву, составляет
115мг/кг почвы (дефицит меди приводит к снижению урожая). Если почва
содержит 2,5% гумуса с отрицательным зарядом 65 смользар/кг гумуса и вся
медь прочно связывается гумусом при образовании хелатных комплексов,
какая доля заряда гумуса нейтрализуется?
20.Доза меди, рекомендуемая для внесения в конкретную почву, составляет 100
мг/кг почвы (дефицит меди приводит к снижению урожая). Если почва
содержит 1,5% гумуса с отрицательным зарядом 60 смользар/кг гумуса и вся
медь прочно связывается гумусом при образовании хелатных комплексов,
какая доля заряда гумуса нейтрализуется?
21.ЕКО составляет 30 смользар/кг; 50% ЕКО обусловлены ионами Н+ и Аl3+.
Рассчитайте количество извести (г СаСО3/кг почвы), необходимое для
нейтрализации этой обменной кислотности.
22.ЕКО составляет 25 смользар/кг; 65% ЕКО обусловлены ионами Н+ и Аl3+.
Рассчитайте количество извести (г СаСО3/кг почвы), необходимое для
нейтрализации этой обменной кислотности.
23.В 100г дерново-подзолистой почвы в поглощённом состоянии содержится 240
мг подвижного кальция, 26 мг магния, 3,6мг аммония, 1 мг подвижного
водорода и 2,7 мг алюминия. Рассчитайте ЕКО.
24.В 100г дерново-подзолистой почвы в поглощённом состоянии содержится 200
мг подвижного кальция, 40 мг магния, 3,5 мг аммония, 2 мг подвижного
водорода и 4 мг алюминия. Рассчитайте ЕКО.
25.При определении в почве подвижного калия были использованы следующие
данные: масса навески воздушно-сухой почвы − 10г, объём водной вытяжки −
50мл, концентрация ионов К+ в вытяжке 14,3 мкг К+/мл. Определите
содержание подвижного калия в 1 кг почвы.
26.Образец почвы был взять из верхнего горизонта влажной почвы. Из образца
массой 50г были экстрагированы нитраты при помощи 200 мл 2М KCl.
Концентрация нитрат-ионов в вытяжке составила 6 мг/л. Содержание воды во
влажной почве 26г/100г абсолютно сухой почвы. Рассчитайте количество
нитрат-ионов в почве в мг/кг абсолютно сухой почвы. Какова концентрация
NO3- в почвенном растворе? Рассчитайте количество нитрат-ионов в верхнем
слое почвы (2500т/га) в кг/га.
27.Рассчитайте потери фосфора, серы и азота на 1га в 250мм дренажной воды,
если концентрации этих элементов составляли соответственно 0,02; 2,5 и
12мг/л.
28.В почву были внесено азотное удобрение NH4NO3 в количестве 110кг N/га.
Какова масса использованного удобрения, если оно содержит 96%
действующего вещества?
29.Урожай сельскохозяйственной культуры равен 12т сухого вещества на 1га.
Культура содержит 16г N/кг сухого вещества. Какую массу азотного
удобрения (NH4)2HPO4 необходимо ввести на гектар, чтобы компенсировать
вынос N с урожаем?
30.Рассчитайте массу каждого из следующих веществ, которая могла бы
обеспечить поступление 40мг N/кг сухой почвы: NH4NO3; (NH4)2SO4; мочевина
(NH2)2CO; сухой навоз, содержащий 1,6% N.
31.Для понижения кислотности почву подвергают известкованию. В результате
известкования почвы в ней протекают химические реакции. Приняв, что ионы
водорода вступают в реакцию с СаСО3 только в стехиометрическом
соотношении 2:1, рассчитайте объём газа (при нормальных условиях), который
выделяется при обработке 250л грунтовой воды с рН = 3,3 избытком СаСО3.
32.При недостатке азота в почве листва яблонь становится бледно-зелёной, рано
желтеет и опадает, рост веток замедляется. Какой объём 2%-ного раствора
нитрата аммония (плотность раствора 1006 г/л) следует использовать для
подкормки яблоневого сада площадью 200 м2 при норме внесения этого
удобрения на суглинистых почвах, равной 50 г/м2?
33.Если в почве не хватает фосфора, то листья яблони становятся мелкими,
тёмно-зелёными с голубым, а иногда с бронзовым или пурпурным оттенком.
Цветение яблонь при недостатке фосфора задерживается, а плоды становятся
кислыми. Норма внесения в почву двойного суперфосфата Са(Н2РО4)2
составляет 32 г/м2, а площадь фруктового сада − 700м2. Какой объём воды
потребуется для приготовления 4%-го раствора всего Са(Н2РО4)2, вносимого в
почву по этой норме?
34.Раствор фосфата объёмом 4 мл концентрации 0,4г/л смешали с 40г почвы и
инкубировали её во влажном состоянии в течение одной недели. 5г этой почвы
встряхивали с 50мл 0,01М р-ра KCl. Суспензию отфильтровали и в фильтрате
определили концентрацию фосфат-ионов. Она составила 1,1мкг РО43-/мл.
Сколько внесённого фосфата адсорбировалось на почве?
35.Рассчитайте поступление серы в кг S/(га∙год), если годовое количество осадков
составляет 980мм и общая концентрация серы в них равна 1,5мг/л. Рассчитайте
поступление Н+, связанное с SО2, в кг Н+/(га∙год) при условии, что поступление
диоксида серы в виде сухих выпадений и осадков составляет 12 кг S/(га∙год) и
его окисление в почве происходит по уравнению:
2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4.
36.Рассчитайте поступление серы в кг S/(га∙год), если годовое количество осадков
составляет 800мм и общая концентрация серы в них равна 1,2мг/л. Рассчитайте
поступление Н+, связанное с SО2, в кг Н+/(га∙год) при условии, что поступление
диоксида серы в виде сухих выпадений и осадков составляет 10 кг S/(га∙год) и
его окисление в почве происходит по уравнению:
2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Кларки важнейших химических элементов земной коры
Элемент
Кислород
Кремний
Алюминий
Железо
Кларк
массовый,
объемный,
% (мас.)
% (об.)
47,0
91,97
29,5
0,89
8,05
0,77
4,65
0,68
Элемент
Кальций
Калий
Натрий
Магний
Кларк
массовый,
объемный,
% (мас.)
% (об.)
2,96
1,48
2,50
2,14
2,50
1,60
1,87
0,56