Определение органического вещества почвы методом И.В. Тюрина в модификации Цинао

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение органического вещества почвы методом И.В. Тюрина в модификации Цинао

Содержание

Введение

1. Почва, ее строение и виды

2. Особенности почвы как объекта химического исследования и показатели химического состояния почв

3. Химические и инструментальные методы анализа почв

4. Углерод в почвах и методы определения углерода органических соединений

4.1 Методы, основанные на отгонке диоксида углерода

4.2 Характеристика фотометрического метода анализа

4.3 Фотометрический метод определения углерода органических соединений

5. Практическая часть

Заключение

Список использованных источников

Введение

Органическим веществом почвы называют всю совокупность органических соединений, присутствующих в почвах. Среди соединений углерода они играют наибольшую роль в почвообразовании и плодородии почв.

Роль органических соединений настолько велика, что проблема органического вещества почв всегда занимала одно из центральных мест в теоретическом и прикладном почвоведении.

Содержание, запасы и состав гумуса относится к числу важнейших показателей, от уровня которых зависят практически все агрономические ценные вещества почв.

В формировании почв и почвенного плодородия гумус выполняет многочисленные функции. Оптимальное содержание гумуса в почве обеспечивает агрономически ценную структуру и благоприятный водно-воздушный режим, улучшает прогреваемость почв. С гумусом связаны важнейшие физико-химические показатели почв, в том числе высокая емкость катионного обмена, кислотно-основная буферность почв; от качества и уровня содержания гумуса зависят кислотность и развитие восстановительных процессов. Поэтому в настоящее время количественный анализ гумуса в различных породах почв и оценка запасов почвенного органического углерода является важнейшим аспектом для регулирования гумусного состава используемых в сельскохозяйственном производстве почв.

Одним из количественных методов определения органического вещества в почвах является фотометрический метод И.В. Тюрина, который является в настоящее время основным методом и принятым во всех лабораториях. Поэтому целью нашей работы является определение количества органического вещества по методу Тюрина в модификации Цинао

1. Почва, ее строение и виды

Почва -- поверхностный слой Земли, обладающий плодородием. Почва является полифункциональной четырёхфазной системой, образовавшейся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности организмов. Её рассматривают как особую природную мембрану, регулирующую взаимодействие между биосферой, гидросферой и атмосферой Земли. Формируется под влиянием климата, рельефа, исходной почвообразующей породы, а также живых организмов и меняется со временем. Почва - это смесь твердых частиц, воздуха и воды.

Твердые частицы почвы это:

а) минеральные частицы больших размеров, начиная от камней значительной величины до весьма мелких песчинок. При введении большого количества воды эти составные части быстро осаждаются на дне сосуда.

б) чрезвычайно мелкие, пылеобразные частицы, которые долго могут оставаться взвешенными в воде. Они легко отделяются от песка путем отмачивания.

в) гумусовые вещества, которые образовались при распаде мертвых органических тел или продуктов жизнедеятельности организмов. В его образовании главную роль играют микроорганизмы (бактерии, грибы, монеры и др.) и дождевые черви. Многие гумусовые вещества несут в себе явственные следы своего органического происхождения и придают почве по большей части черную или бурую окраску.

Эти три составные части содержаться почти во всех видах почв.

Часть почвы, не проходящей через сетку с отверстиями в 0,3 мм. Называется скелетом почвы (грубый песок, гравий, камни).остальные частицы называются мелкоземом. Мелкозем играет главную роль в жизни растений. Примесь камней и гравия в значительной степени изменяет физические свойства почвы.

Объем пор. Смешение этих составных частей почвы, их относительные количественные отношения и способ их сложения бывают в разных видах почв весьма различны. Частицы почвы оставляют между собой небольшие пустые пространства (поры). Сумма таких не выполненных твердыми частицами пространств называется поровым объемом данной почвы. Почва весьма богата такими пустыми, соединенными друг с другом пространствами, превращающимися в капилляры, по мере того как суживается их просвет. Это имеет огромное значение для растительности. Связность почвы. Сила сцепления частиц почвы между собой бывает весьма различна. В виде примера приведем такие крайности как дюны, песчинки которых в сухом виде совсем не связаны друг с другом, и такие как глинистая почва. Чернозем также обладает незначительной связностью. Волосность почвы играет весьма важную роль в ее физическом строении. Она находится главным образом в зависимости от величины и способа залегания слагающих ее частиц; волосность тем больше, чем меньше зерна и чем чаще они расположены; комковатая почва обладает меньшей капиллярностью, чем почва сложенная из отдельных зерен. Камни и гравий в почве также уменьшают ее волосность. [2]

На основании различного состава почвы, можно установить следующие ее виды: каменистая, песчанистая, известковая, солончаковая, глинистая, гумусовая почвы. Виды эти связываются друг с другом постепенными переходами и бесчисленными промежуточными членами так, что, существует бесчисленное множество видов почв, обладающих самыми разнообразными свойствами.

1) Каменистая почва. Решающее значение того, какие растения будут расти на такой почве, имеет природа горной породы. Главное значение имеют тут отличия в твердости, пористости, теплоемкости и теплопроводности. Главные горные породы: гранить, гнейс, известняк, доломить, песчаник, глинистый сланец, базальт и пр.

2) Песчаная почва. Песок состоит из различных минералов, преимущественно кварца, а также роговой обманки, полевого шпата, слюды, иногда извести. Песчаная почва принадлежит к рыхлым почвам, т. к. слагающие ее зерна обладают малой связностью, тем меньшей, чем больше песчинки.

3) Известковая почва. Известковый песок из зерен углекислой извести содержит больше питательных веществ, чем кварцевый песок. Он обладает несколько большей водоемкостью и менее легко высыхает, но и принадлежит еще к сухим и теплым почвам. Мергель это весьма тесное соединение углекислой извести (около 8-45%, в известковом мергеле около 75%) с глиной (около 8-60%) и кварцевым песком. Свойства его находятся в зависимости от количественных отношений его составных частей и занимают среднее место между свойствами песка и глины.

4)Солончаковая почва - почва, характеризующаяся наличием в верхних горизонтах легкорастворимых солей в количествах, препятствующих развитию большинства растений, за исключением галофитов, которые также не образуют сомкнутого растительного покрова. Формируются в аридных или полуаридных условиях при выпотном водном режиме, характерны для почвенного покрова степей, полупустынь и пустынь.

Профиль солончаков обычно слабодифференцированный. С поверхности залегает солончаковый (солевой) горизонт, содержащий от 1 до 15% легкорастворимых солей (по данным водной вытяжки). При высыхании на поверхности почвы появляются солевые выцветы и корки. Вторичные солончаки, образующиеся при подъёме минерализованных грунтовых вод в результате искусственного изменения водного режима (чаще всего из-за неправильного орошения), могут иметь любой профиль, на который накладывается солончаковый горизонт.

5) Глинистая почва составляет почти противоположность песку. Глинистая почва отличается большой поглотительной способностью и гигроскопичностью (может поглощать из воздуха 5-6% водяных паров). Это плотная и тяжелая почва, т. к. частицы обладают большой связностью. Она трудно проветривается; обстоятельство это неблагоприятно для растений и ведет к образованию кислот и заболачиванию почвы. Глинистая почва холодна и влажна, так как она отличается большой водоемкостью (до 90%) и капиллярностью; она всасывает из подпочвы много воды и почти водонепроницаема. В случае пересыщения водой она взбухает, отдельные, слагающие ее частицы раздвигаются, причем получается кашеобразная масса. Богатая водой глинистая почва пластична. Под влиянием продолжительной засухи она делается твердой как камень, сжимается и трескается, что оказывает влияние на растительность. Неблагоприятные свойства глинистых почв можно устранить, примешивая к ним вещества, обладающие противоположными свойствами, например песок или известь.[5]

почва углерод химический органический

2. Особенности почвы как объекта химического исследования и показатели химического состояния почв

Почву можно рассматривать как сложную химическую систему, изучение свойств которой проводят на разных уровнях. Почву изучают как природное образование, состоящее из атомов различных химических элементов, и в процессе исследования определяют их содержание. Это атомный или элементный уровень изучения состава почв. В то же время почвоведы ставят перед собой более сложные задачи и изучают состав почв на более высоких уровнях (молекулярном, ионном и др.).

Почва - сложный объект исследования. Сложность исследования химического состояния почв обусловлена особенностями их химических свойств и связана, с необходимостью получения информации, адекватно отражающей свойства нативных почв и обеспечивающей наиболее рациональное решение, как теоретических вопросов почвоведения, так и вопросов практического использования почв. Для количественного описания химического состояния почв используют широкий набор показателей. В него входят показатели, определяемые при анализе практически любых объектов и разработанные специально для исследования почв. Показателями химического состояния почв являются, например, массовая доля гумуса в почве, рН водной или солевой почвенных суспензий, массовая доля подвижных соединений химических элементов в почве и многие другие.

Набор и соподчиненность показателей химического состояния почв обусловлены особенностями почвы как химической системы и как объекта практического использования. Особенностями почвы как химической системы является гетерогенность, полихимизм, дисперсность, неоднородность, изменение и динамика свойств, буферность и др.

Полихимизм почв. В почвах один и тот же химический элемент может входить в состав разнообразных соединений: легкорастворимых солей, сложных алюмосиликатов, органоминеральных веществ. Эти компоненты обладают разными свойствами, от которых, в частности, зависит способность химического элемента переходить из твердых фаз почвы в жидкую, мигрировать в профиле почвы и в ландшафте, потребляться растениями и т.п. Поэтому в химическом анализе почв определяют не только общее содержание химических элементов, но и показатели, характеризующие состав и содержание индивидуальных химических соединений или групп соединений, обладающих близкими свойствами. Эти показатели позволяют диагностировать почвенные процессы, исследовать трансформацию химического элемента в процессе почвообразования, при внесении удобрений и техногенном загрязнении, оценивать плодородие и мелиоративные особенности почв.

Гетерогенность почв. В составе почвы выделяют твердую, жидкую, газовую фазы. К.К. Гедройц еще в 1906 г. писал, что для определения состояния почвенной системы необходимо изучать ее твердые фазы и приступить к систематическому изучению жидкой фазы в зависимости, в частности, от парциального давления СО₂ в почвенном воздухе. В настоящее время при исследовании химического состояния почвы и отдельных ее компонентов определяют показатели, характеризующие не только почву в целом, но и ее отдельные фазы. Более того, разработаны математические модели, позволяющие, например, оценить взаимосвязь уровней парциального давления диоксида углерода в почвенном воздухе, рН, карбонатной щелочности и концентрации кальция в почвенном растворе.

Полидисперсность почв. Твердые фазы почвы состоят из частиц разного размера от крупинок песка до коллоидных частиц диаметром в несколько микрометров. Они неодинаковы по составу и обладают разными свойствами. При специальных исследованиях генезиса почв определяют показатели химического состава и других свойств отдельных гранулометрических фракций. С дисперсностью почв в какой-то мере связана их способность к ионному обмену, которая в свою очередь характеризуется специфическим набором показателей -- емкостью катионного и анионного обмена, составом обменных катионов и пр. От уровней этих показателей зависят многие химические и физические свойства почв.

Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства почв. В состав почв входят компоненты, проявляющие свойства кислот и оснований, окислителей и восстановителей. При решении разнообразных теоретических и прикладных проблем почвоведения, агрохимии, мелиорации определяют показатели, характеризующие кислотность и щелочность почв, их окислительно-восстановительное состояние.

Неоднородность, вариабельность, динамика, буферность химических свойств почв. Свойства почв неодинаковы даже в пределах одного и того же генетического горизонта. При исследовании процессов формирования почвенного профиля оценивают химические свойства отдельных элементов организации почвенной массы.

Свойства почв варьируют в пространстве, изменяются во времени и в то же время почвы обладают способностью противостоять изменению своих свойств, т. е. проявляют буферность. Разработаны показатели и способы характеристики вариабельности, динамики, буферности свойств почв.

Изменение свойств почв. В почвах непрерывно протекают разнообразные процессы, которые приводят к изменению химических свойств почв. Практическое применение находят показатели, характеризующие направление, степень выраженности, скорости протекающих в почвах процессов; исследуются динамика изменения свойств почв и их режимы. Могут изменяться химические свойства даже изолированных почвенных проб при их высушивании, растирании, просто при хранении.

Разнокачественностъ состава почв. Разные типы и даже виды и разновидности почв могут иметь столь разные свойства, что для их химической характеристики используют не только разные аналитические приемы, но и разные наборы показателей. Например, в подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных почвах, как правило, определяют рН водных и солевых суспензий, обменную и гидролитическую кислотность, обменные основания вытесняют из почв водными растворами солей. В то же время при анализе засоленных почв определяют рН только водных суспензий, а вместо показателей кислотности -- общую, карбонатную и другие виды щелочности. Обменные основания в засоленных почвах невозможно определить простым вытеснением их из почвы водными растворами солей без использования специальных аналитических приемов.

Перечисленные особенности почв во многом обусловливают принципиальные основы методов исследования химического состояния почв, номенклатуру и классификацию показателей химических свойств почв и химических почвенных процессов. [1]

3. Химические и инструментальные методы анализа почв

В химическом анализе почв может быть использован практически любой из методов, которыми располагают аналитики. При этом измеряется либо непосредственно искомая величина показателя, либо величина, функционально с ней связанная. Например, концентрация солей в жидких фазах насыщенных водой почвенных паст и степень засоления почв могут быть оценены по величине удельной электрической проводимости фильтратов из паст. Этот прием используют потому, что легче определить удельную электрическую проводимость раствора, чем концентрацию в молях.

В лабораторной практике анализа почв используют классические химические и инструментальные методы. С помощью классических химических методов можно получить наиболее точные результаты. Относительная погрешность определения составляет 0,1--0,2%. Погрешность большинства инструментальных методов значительно выше -- 2-5%. При анализе почв погрешности могут быть выше указанных. Классические химические методы в настоящее время за редким исключением применяют главным образом для оценки правильности результатов определений, получаемых инструментальными методами.

Среди инструментальных методов в анализе почв наиболее широко используются электрохимические и спектроскопические. Среди электрохимических методов находят применение потенциометрические, кондуктометрические, кулонометрические и вольтамперометрические, включающие все современные разновидности полярографии.

Среди спектроскопических методов по характеру взаимодействия излучения с веществом выделяют спектроскопию испускания (эмиссионную), поглощения (абсорбционную), рассеяния и отражения. Кроме того, спектроскопию подразделяют на атомную и молекулярную. В анализе почв используют как методы атомной, так и молекулярной спектроскопии.

При выборе метода измерения учитываются особенности химических свойств анализируемой почвы, природа показателя, необходимая точность определения его уровня, возможности методов измерения и выполнимость требуемых измерений в условиях проведения эксперимента. В свою очередь, точность измерений обусловливается целью исследования и природной вариабельностью изучаемого свойства. Точность - собирательная характеристика метода, оценивающая правильность и воспроизводимость получаемых результатов анализа. Необходимо учитывать, что более точные методы, как правило, и более трудоемки. Несмотря на то, что классические химические методы во многих случаях уступают место более производительным инструментальным, необходимо иметь в виду, что эти методы, особенно гравиметрические, являются наиболее точными. Поэтому, несмотря на свою трудоемкость, они безусловно будут использоваться в качестве стандартных арбитражных методов при разработке новых (в том числе инструментальных) методов анализов почв и создании стандартных с известным (заданным) содержанием химических элементов образцов почвенных масс. Стандартные образцы почвенных масс используют как при контроле правильности получаемых результатов анализа, так и для калибровки приборов. [4]

4. Углерод в почвах и методы определения углерода органических соединений

Углерод в почвах входит в состав как органических, так и неорганических соединений. Углерод, входящий в состав органического вещества, находится в специфических, свойственных только почвам, соединениях -- гуминовых кислотах, фульвокислотах, гиматомелановых кислотах, гумине -- и в неспецифических соединениях -- лигнине, аминокислотах, углеводах, жирных кислотах, спиртах, альдегидах, смолах, восках и пр. Минеральные соединения углерода представлены карбонатами, основная часть которых приходится на относительно труднорастворимые карбонаты кальция и магния. Незначительное количество углерода находится в форме легкорастворимых карбонатов и гидрокарбонатов щелочей. В газовых фазах почв углерод представлен СО₂, СН₄ и др.

Трудности проведения анализа почв на содержание в них углерода при прочих равных условиях связаны с необходимостью раздельного определения углерода органических и минеральных соединений.

Все методы определения углерода органических соединений основаны на его окислении до диоксида углерода. Предложены как прямые, так и косвенные методы анализа. Прямые методы основаны на определении количества СО₂, образующегося при окислении углерода органических соединений; косвенные методы -- на определении количества окислителя, пошедшего на перевод углерода органических соединений в СО₂, или на определении количества восстановленной формы используемого окислителя, образовавшейся в процессе анализа. [6]

4.1 Методы, основанные на отгонке диоксида углерода

С помощью этих методов содержание углерода находят по количеству СО₂, выделившегося при разложении органического вещества почв. В процессе анализа количество диоксида углерода определяют разнообразными прямыми или косвенными методами. Для этой цели используют гравиметрические, титриметрические, газоволюмометрические, кулонометрические и другие методы количественного анализа.

Разложение органического вещества до Н₂О и СО₂ может быть проведено двумя способами: методом сухого озоления при нагревании почв и методом мокрого озоления растворами сильных окислителей.

Гравиметрические методы. При определении углерода органических соединений гравиметрическим методом применяют как сухое, так и мокрое озоление гумуса.

Почвоведы исследовали процессы, происходящие при нагревании гуминовых кислот. Было установлено, что вначале происходит разрушение алифатической части молекулы гуминовой кислоты, т.е. ее периферических или боковых цепей. Затем, при более высоких температурах, начинается разрушение ароматического ядра, дегидрирование и, наконец, выделение углерода в виде СО₂. На стадии, предшествующей выделению СО₂, остаток гуминовой кислоты на 80--90% состоит из углерода. Температура, при которой происходят те или иные процессы, варьирует в зависимости от условий эксперимента -- скорости нагревания, окислительных условий, возможности удаления продуктов распада и т.п.

На сухом озолении органического вещества почв при температуре 650--750° основан метод Густавсона. При нагревании почвы органические вещества разлагаются, а входящие в их состав углерод и водород превращаются в диоксид углерода и воду. Озоление почв проводят в тугоплавкой трубке, через которую непрерывно пропускают кислород или воздух, лишенный СО₂. Для более полного разложения гумуса озоление проводят в присутствии оксида меди. Оксид меди отдает кислород и, превращаясь сначала в Сu₂О, а затем в металлическую медь, способствует более полному окислению компонентов органического вещества почв.

Летучие компоненты почв и продукты окисления гумуса улавливают специальными поглотителями. Для поглощения воды, образующейся при окислении водорода, используют хлорид кальция или концентрированную серную кислоту, для поглощения диоксида серы -- хромат свинца. Медную спираль применяют для восстановления азота оксидов до свободного азота, галогены поглощают с помощью серебряной спирали. Наконец, для поглощения СО₂ используют аскарит (асбест, пропитанный NaOH). Аскарит помещают в U-образные поглотительные трубки. Реакция протекает согласно уравнению:

СО₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + Н₂О

В связи с тем, что одним из продуктов реакции является Н₂О, в поглотительную трубку помещают не только аскарит, но и хлорид кальция, который количественно поглощает воду:

СаС1₂ + nН₂О = СаС1₂ nН₂О

Поглотительные трубки взвешивают до и после озоления органического вещества и по увеличению массы, обусловленному поглощением СО₂, находят содержание углерода в почве.

Методы, основанные на сухом озолении и гравиметрическом определении диоксида углерода, -- наиболее точные из методов определения углерода органических соединении. При сухом озолении происходит полное окисление углерода независимо от типа органических соединений, а гравиметрический метод -- наиболее точный из методов измерения массы СО₂. Однако эти методы трудоемки и, кроме того, не могут быть использованы при анализе карбонатных почв без специальных приемов. При нагревании почв, содержащих карбонаты, возможно разложение последних, поэтому при анализе карбонатных почв масса поглотительных трубок может увеличиться не только в результате поглощения диоксида углерода, образующегося при разложении органического вещества, но и от СО₂, образующегося в результате разложения карбонатов.

Газоволюмометрические методы основаны на измерении объема диоксида углерода, выделившегося при озолении гумуса, и вычислении количества углерода по объему СО₂. Вычисления проводят с учетом температуры и давления, при которых проводился анализ. Газоволюмометрическое определение углерода в почвах может быть проведено с помощью газоанализаторов, в том числе предназначенных для определения углерода в чугуне и стали. Озоление анализируемого вещества проводят в термостойкой трубке в муфельной печи в токе кислорода. В процессе ана¬лиза измеряют объем смеси СО₂ и кислорода. Затем смесь газов пропускают через раствор с поглотителем диоксида углерода (СО₂ + 2КОН = К₂СО₃ + Н₂О) и измеряют объем кислорода. Объем диоксида углерода, образовавшегося в результате озоления органического вещества, вычисляют по разности.

Титриметрические методы также используются для определения диоксида углерода, выделяющегося при озолении гумуса. В этом случае диоксид углерода поглощают раствором КОН. В щелочной среде диоксид углерода трансформируется в COf"". Ион СО осаждают хлоридом бария в виде ВаСО3. Осадок карбоната бария отфильтровывают, промывают водой и растворяют в титрованном растворе НС1, избыток которой определяют титрованием щелочью. По количеству НС1, пошедшему на растворение карбоната бария, судят о количестве диоксида углерода, образовавшегося при озолении гумуса.

Экспресс-методы. В последние десятилетия для определения углерода органических соединений используют анализаторы, позволяющие получить результат в течение нескольких минут.

Один из методов основан на оценке скорости выделения СО₂. Метод разработан специально для анализа почв и позволяет раздельно оценивать диоксид углерода, выделившийся при разложении органических соединений и при разложении карбонатов.

По мере нагревания навески почвы в токе кислорода до 700° растет скорость выделения СО₂ вследствие окисления углерода. органических соединений, достигает максимума и затем уменьшается. Скорость разложения карбонатов начинает увеличиваться при более высокой температуре. Анализатор автоматически регистрирует кривую скорости выделения диоксида углерода по мере нагревания почвы и позволяет раздельно определять диоксид углерода, образующийся в результате разложения гумуса и карбонатов. [1]

4.2 Характеристика фотометрического метода анализа

Фотометрический метод анализа - совокупность методов молекулярно-абсорбционного спектрального анализа, основанных на избирательном поглощении электромагнитного излучения в видимой, ИК и УФ областях молекулами определяемого компонента или его соединения с подходящим реагентом. Концентрацию определяемого компонента устанавливают по закону Бугера -Ламберта - Бера. Фотометрический метод включает визуальную фотометрию, спектрофотометрию и фотоколориметрию. Последняя отличается от спектрофотометрии тем, что поглощение света измеряют главным образом в видимой области спектра, реже - в ближних УФ и ИК областях (т. е. в интервале длин волн от ~ 315 до ~ 980 нм), а также тем, что для выделения нужного участка спектра (шириной 10-100 нм) используют не монохроматоры, а узкополосные светофильтры.

Приборами для фотоколориметрии служат фотоэлектроколориметры (ФЭК), характеризующиеся простотой оптической и электрической схем. Большинство фотометров имеет набор из 10-15 светофильтров и представляет собой двухлучевые приборы, в которых пучок света от источника излучения (лампа накаливания, редко ртутная лампа) проходит через светофильтр и делитель светового потока (обычно призму), который делит пучок на два, направляемые через кюветы с исследуемым раствором и с раствором сравнения. После кювет параллельные световые пучки проходят через калиброванные ослабители (диафрагмы), предназначенные для уравнивания интенсивностей световых потоков, и попадают на два приемника излучения (фотоэлементы), подключенные по дифференциальной схеме к нуль-индикатору (гальванометр, индикаторная лампа). Недостаток приборов - отсутствие монохроматора, что приводит к потере селективности измерений; достоинства фотометров - простота конструкции и высокая чувствительность благодаря большой светосиле. Измеряемый диапазон оптической плотности составляет приблизительно 0,05-3,0, что позволяет определять многие элементы и их соединения в широком интервале содержаний - от ~ 10-6 до 50% по массе. Для дополнительного повышения чувствительности и селективности определений существенное значение имеют подбор реагентов, образующих интенсивно окрашенные комплексные соединения с определяемыми веществами, выбор состава растворов и условий измерений. Погрешности определения составляют около 5%.

При так называемом дифференциальном фотометрическом анализе оптическую плотность анализируемого раствора измеряют относительно оптической плотности (которая не должна быть меньше 0,43) раствора сравнения. Последний содержит определяемый компонент в концентрации, близкой к концентрации этого компонента в анализируемом растворе. Это позволяет определять сравнительно большие концентрации веществ с погрешностью 0,2-1% (в случае спектрофотометрии). При фотометрическом титровании получают зависимость оптической плотности титруемого раствора от объема прибавляемого титранта (кривую титрования). По излому на этой кривой определяют конечную точку титрования и, следовательно, концентрацию исследуемого компонента в растворе.[4]

4.3 Фотометрический метод определения углерода органических соединений

Фотометрический метод определения углерода органических соединений является косвенным методом. При использовании этого метода о содержании гумуса судят по количеству Cr³⁺, образовавшемуся в процессе окисления углерода. Вариант фотометрического метода, применяемый в России и странах бывшего СССР, был предложен Тюриным.

При окислении гумуса раствором дихромата калия углерод органических соединений превращается в СО₂, a Cr(VI) восстанавливается до Сг(Ш). Количество образовавшегося в процессе реакции Сг³⁺ эквивалентно содержанию углерода органических соединений (и других восстановителей) в навеске почвы. Поэтому углерод органических соединений можно определять по количеству образовавшегося в процессе анализа Сг³⁺. Для этой цели используют фотометрический метод.

Хром относится к группе переходных элементов, 3d-opбиталь которых не полностью заполнена электронами. Ионы Сг₂О₇^2- и Сг³⁺ обладают собственной окраской.

Окраска чистого раствора КгСг₂О₇ в зависимости от концентрации меняется от желтой до красновато-оранжевой, окраска растворов Cr₂(SO₄)₃ -- зеленая. Спектры поглощения растворов, так же как и окраска растворов, различны.

В пределах видимой области спектра (400--800 нм) на кривой светопоглощения раствора дихромата калия наблюдается один четко выраженный максимум при длине волны 447 нм. По мере увеличения длин волн оптическая плотность падает и достигает практически нулевого значения в области длин волн 570--580 нм. Максимум на кривой светопоглощения раствора Сг³⁺ приходится на область длин волн 584--594 нм, т.е. на тот участок спектра поглощения К₂Сг₂0₇, где оптическая плотность раствора практически равна нулю. Разница в расположении максимумов на кривых светопоглощения растворов Сг₂О₇^2- и Сг³⁺ позволяет фотометрическим методом определить концентрацию разных валентных форм хрома при совместном присутствии в растворе.

Концентрацию Сг³⁺ удобно определять в области длин волн 584 - 594 нм, так как в ней светопоглощение растворов Сг³⁺ максимально, а оптическая плотность растворов К₂Сг₂0₇ практически равна нулю и К₂Сг₂0₇ не оказывает влияния на результаты определения Сг³⁺. Возможность селективного измерения оптической плотности Сг³⁺ лежит в основе фотометрического метода определения углерода органических соединений.

После взаимодействия дихромата калия с почвой измеряют оптическую плотность раствора в области длин волн, соответствующей максимуму поглощения излучения Сг³⁺ (590 нм), определяют количество Сг³⁺ и рассчитывают эквивалентное ему количество углерода органических соединений.

Применение фотометрического метода для определения органического углерода по количеству образовавшегося Сг³⁺ позволяет не устанавливать точные концентрацию и объем, взятого для анализа навески почвы раствора дихромата калия. Объем добавляемого раствора можно измерять с помощью мерного цилиндра.[1]

5. Практическая часть

В экспериментальной части определение органического вещества в почвах проводили по методу Тюрина в модификации Цинао.

Метод основан на окислении органического вещества раствором двухромовокислого калия в серной кислоте и последующее определении трехвалентного хрома, эквивалентного содержанию органического вещества, на фотоэлектроколориметре.

Метод не пригоден для проб с массовой долей хлорида более 0,6% и проб с массовой долей органического вещества более 15%

Предельные значения относительной погрешности результатов анализа для двусторонней доверительной вероятности Р=0,95 составляют в процентах:

20 - при массовой доле органического вещества до 3%

15 - свыше 3 до 5%

10 - свыше 5 до 15%.

Аппаратура и реактивы

Фотоэлектрокалориметр КФК 3-01

Водяная баня

Весы торзионные или другие с погрешностью не более 1мг.

Пробирки стеклянные термостойкие вместимостью 50мл. по ГОСТ 23932

Штатив для пробирок

Бюретка или дозатор для отмеривания 10 мл. хромовой смеси

Палочки стеклянные длиной 30 см.

Цилиндр для отмеривания 40 мл. воды

Груши резиновая со стеклянной трубкой или устройство для барбатации

Бюретка вместимостью 50 мл.

Колбы мерные вместимостью 1л.

Кружка фарфоровая вместимостью 2 л.

Колба коническая вместимостью 1л.

Колбы конические или технологические емкости вместимостью не менее 100 мл.

Аммоний-железо (II) сернокислый (соль Мора) по ГОСТ 4208

Калий двухромовокислый по ГОСТ 4220

Калий марганцовокислый, стандарттитр для приготовления раствора концентрации (1/5КMnO₄)=0,1 моль/л.

Кислота сернокислая по ГОСТ 4204 концентрированная и раствор концентрации (1/2 H₂SO₄)=1моль/л.

Методика определения

Массу пробы почвы или породы для анализа определяют, исходя из предполагаемого содержания органического вещества по, по таблице 1.

Пробы почвы или породы взвешивают с погрешностью не более 1 мг и помещают в пробирки, установленные в штативы. К пробиркам приливают по 10 мл. хромовой смеси. В каждую пробирку помещают стеклянную палочку и тщательно перемешивают пробу с хромовой смесью. Затем штативы с пробирками опускают в кипящую водную баню.

Таблица 1 - Зависимость массы пробы для анализа то массовой доли органического вещества

Массовая доля органического вещества, %	Масса пробы для анализа, мг
до 2	500 - 700
2 - 4	250 - 350
4 - 7	100 - 200
свыше 7	50 -100

Уровень воды в бане должен быть на 2-3см выше уровня хромовой смеси в пробирках. Продолжительность нагревания суспензии - 1ч с момента закипания воды в бане после погружения в нее пробирок. Содержимое перемешивают стеклянными палочками через каждые 20 мин. По истечении штативы с пробирками перемещают в водяную баню с холодной водой. После охлаждения в пробирки приливают по 40 мл воды. Затем из пробирок вынимают палочки, тщательно перемешивают суспензии барбатацией воздуха и оставляют до оседания твердых частиц и полного осветления надосадочной части раствора.

Затем приготавливают растворы сравнения. В 9 пробирок наливают по 10 мл хромовой смеси и нагревают их в течение 1 ч в пробирки приливают указанные в таблице 2 объемы дистиллированной воды и раствора восстановителя. Растворы тщательно перемешивают барбатацией воздуха.

Таблица 2 - Приготовление растворов сравнения

Характеристика раствора	номер раствора сравнения
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Объем воды, мл	40	38	36	32	30	25	20	15	10
Объем раствора восстановителя, мл	0	2	4	8	10	15	20	25	30
Масса органического вещества, эквивалентная объему восстановителя в растворе сравнения, мг	0	1,03	2,07	4,14	5,17	7,76	10,3	12,9	15,5

Фотометрирование растворов проводят в кювете с толщиной просвечиваемого слоя 1 - 2 см относительно первого раствора сравнения при длине волны 590 нм или используя оранжево-красный светофильтр с максимумом пропускания в области 560 - 600 нм. Растворы в кювету фотоэлектрокалориметра переносят осторожно, не взмучивая осадка.

В данной работе мы использовали хромовую смесь, которую готовили из дихромата калия K₂Cr₂O₇ квалификации «Ч».

Приготовление хромовой смеси

Для приготовления 500 мл хромовой смеси, 10,0243мг тонкоизмельченного дихромата калия поместили в мерную колбу 250 мл, растворили в воде доведя объем до метки, и перелили в фарфоровую кружку. К приготовленному раствору приливали порциями по 25 мл с интервалом в 10 - 15 мин 250 мл концентрированной серной кислоты. Кружку с раствором оставили до полного осаждения. Затем раствор перелили в склянку из темного стекла.

Приготовление раствора соли Мора концентрации 0,1 моль/л

Раствор восстановителя - раствор соли Мора концентрации 0,1 моль/л и объемом 200 мл готовили из навески соли Мора. Навеску массой 8,0153мг растворили 140 мл серной кислоты концентрации С(1/2H₂SO₄)=1 моль/л, отфильтровали через двойной складчатый фильтр в мерную колбу и долили 60 мл воды.

Концентрацию раствора проверяли титрованием по рабочему раствору перманганата калия с точной концентрацией С(1/5КMnO₄)=0,0957 моль/л. Для титрования в три конические колбы отмерили с помощью буретки по 10 мл приготовленного раствора восстановителя, прилили по 1 мл концентрированной серной кислоты, 50 мл воды и титровал раствором перманганата калия до появления слабо-розовой окраски, не исчезающей в течение 1 мин. Затем для вычисления коэффициента поправки использовали среднее арифметическое значение результатов трех титрований.

V1(КMnO₄)=11,5 мл

V2(КMnO₄)=11,7 млV_ср(КMnO₄)=11,6 мл

V3(КMnO₄)=11,6 мл

,

где V_ср- объем раствора перманганата калия, израсходованный на титрование, мл;

V - Объем раствора-восстановителя, отобранный для титрования, мл.

Объектом анализа служила почва целинных земель г.Бузулука. Отбор проб проводили на глубине 0-10, 10-20, и 20-30 см. В образцах почвенных горизонтов определяли процентное содержание органического вещества, при этом для каждой пробы проводили три параллельных определения для получения наибольшей точности результатов анализа.

Массу пробы для анализа (100мг) определили исходя из предполагаемого содержания органического вещества (4-7%). Пробы почвы взвешивали с погрешностью не более 1мг. Результаты взвешиваний представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Масса пробы для анализа.

образец	номер взвешивания	масса навески, г
0-10 см	1	0,1006
	2	0,1001
	3	0,1997
10-20 см	1	0,0998
	2	0,1002
	3	0,0996
20-30 см	1	0,1002
	2	0,1003
	3	0,0996

Проведение анализа

Анализ проводили в соответствии с методикой. Каждую из навесок помещали в коническую колбу объемом 250 мл, в каждую из колб прилили по 10 мл хромовой смеси, затем образовавшуюся смесь тщательно перемешали стеклянной палочкой и поставили вместо водяной бани в сушильный шкаф на 20 мин при температуре 120⁰С.

Ровно через 20 мин от момента достижения необходимой температуры, вынули колбы с суспензией, перемешали содержимое и остудили. Затем дополнительно перемешали суспензию барбатацией воздуха и оставили для оседания твердых частиц.

Затем приготовили растворы сравнения. В девять конических колб прилили по 10 мл хромовой смеси и нагрели в течение 20 мин в сушильном шкафу, аналогично исследуемым пробам. После охлаждения в колбы прилили объемы дистиллированной воды и раствора восстановителя указанные в таблице 2.

Фотометрирование анализируемых растворов и растворов сравнения проводили на фотоэлектрокалориметре КФК 3-01 в кювете с толщиной просвечиваемого слоя 1 см относительно раствора сравнения №1 при длине волны 590 нм.

Массу органического вещества в анализируемой пробе определили по градуировочному графику. При построении градуировочного графика по оси абсцисс откладывали массу органического вещества в миллиграммах, соответствующую объему восстановителя в растворе сравнения, а по оси ординат - соответствующее показание прибора.

Построение градуировочного графика

А	m	m2	m*A	А теор.
0,002	0	0	0	0
0,026	1,03	1,061	0,027	0,03
0,058	2,07	4,285	0,12	0,06
0,122	4,14	17,14	0,505	0,12
0,147	5,17	26,73	0,76	0,15
0,218	7,76	60,218	1,69	0,225
0,307	10,3	106,09	3,16	0,30
0,371	12,9	166,41	4,79	0,374
0,439	15,5	240,25	6,80	0,449

y= a + bx



y =0,03x + 1,4·10^-4

Массовую долю органического вещества (X) в процентах вычисляли по формуле

,

где m - масса органического вещества в анализируемой пробе, найденная по графику, мг;

К - коэффициент поправки концентрации восстановителя;

m₁ - масса пробы, мг;

100 - коэффициент пересчета в проценты.

Результаты измерения оптической плотности, расчета массовой доли органического вещества в образцах, а также ошибка определения представлены в сводной таблице № 4

Таблица 4 - Результаты анализа

образец	№колбы	А-оптическая плотность	A- средняя	m орг. в-ва по графику, мг	m огр. в-ва фактическая, мг	w орг. в-ва в пробе,%	ошибка определения, %
0-10	1	0,141	0,140	5, 1	5,6	5,9	8,9
	2	0,133
	3	0,145
10-20	1	0,111	0,111	4,1	4,3	4,75	4,6
	2	0,109
	3	0,112
20-30	1	0,093	0,092	3,5	3,7	4,06	5,4
	2	0,087
	3	0,092

Заключение

В результате проделанной нами работы были проанализированы на содержание органического вещества три образца почв целинных земель отобранных близ г. Бузулука на глубине 0-10, 10-20, 20-30 см. При этом массовая доля гумуса, рассчитанная исходя из результатов анализа составила 5,9; 4,75; 4,06 процента соответственно, ошибка определения 8,9; 4,6; 5,4 соответственно для трех образцов почв. Рассчитанная массовая доля подтверждает предположение, высказанное нами ранее о том, что массовая доля гумуса в исследуемых нами образцах варьируется в интервале от 4 до 7 процентов. На основе полученных данных можно сделать вывод, что данная почва является среднегумусовой. Такое содержание гумуса является оптимальным для почв данного региона. При меньшем содержании гумуса урожаи сельскохозяйственных культур падают, но повышение его содержания до более высокого уровня не приводит к заметному росту урожайности при используемых системах земледелия.

Список использованных источников

1. Воробьева А.А., Химический анализ почв: учебник.- М.: Изд-во МГУ, 1998 - 270с.

2. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М., Биология почв: Учебник - 3-е изд. испр. и доп - М: Изд-во МГУ, 2005-445с.

3. Иванов Д.Н. Спектральный анализ почв: Москва «Колос», 1974-270с.

4. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Книга третья. Изд. 2-е, перераб. М., «Химия», 1977-488с.

5. Орлов Д.С. Химия почв: Учебник/Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, Н.И. Суханова. - М.: Высш.шк., 2005.-558с.: ил.

6. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование. - Л: Наука, 1980 -438с.

Размещено на Allbest.ru