Кондуктометрическое определение содержания водорастворимых солей в почве

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ФГБОУ ВО «ЮГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт нефти и газа

Курсовая работа

Тема: Кондуктометрическое определение содержания водорастворимых солей в почве

Глазкова Валерия Евгеньевна

Ханты-Мансийск - 2020

Введение

Почва, содержащая в своём составе водорастворимые соли, называется засоленной.

Соли в почве распределяются не равномерно и могут накапливаться в больших концентрациях, так же они могут находиться на разной глубине в почве.

В засоленных почвах, даже если засоление не большой концентрации, растения в разной степени подвергаются гибели. Засоленность почв делится на несколько видов, в зависимости от состава солей: хлоридное, сульфатно-хлоридное, содово-хлоридное, содово-сульфатное засоления почв.

Также она делится на степени засоления: незасоленные, слабозасоленные, среднезасоленные, сильнозасоленные и очень сильнозасоленные (солончаки).

Определение наличия содержания водорастворимых солей в почве и их точный химический состав (химическая формула) помогут выяснить пригодность почвы для сельского хозяйства, оценить потерю урожая.

Определение при помощи кондуктометрии является наиболее старым и простым.

Целями этой ознакомительной практики является изучить метод кондуктометрии и его применение для установления содержания водорастворимых солей в почве.

Для достижения поставленных целей необходимо поставить перед собой и решить несколько задач:

· изучить научную литературу по кондуктометрическому методу (дать определение понятиям кондуктометрия и кондуктометрический метод анализа);

· изучить технику безопасности при проведении анализа данным методом;

· описать алгоритм работы при работе;

· оценить погрешность метода, его достоинства и недостатки.

1. Кондуктометрический анализ

1.1 Основные понятия в кондуктометрии

Кондуктометрия - совокупность электрохимических методов анализа, основанных на измерении электропроводности в жидких электролитах, которая пропорциональна их концентрации [1].

Аналитическим сигналом в кондуктометрическом анализе служит электрическая проводимость растворов электролитов.

Электропроводность - величина, обратная электрическому сопротивлению R. Существуют три различные электропроводности: удельная, эквивалентная и молярная.

Удельная электропроводность (ч) - это электропроводность слоя раствора длиной 1 см, заключенного между электродами площадью 1 см2 .

ч = 1/с, (1)

где ч - удельная электропроводность, См/см,

с - удельное сопротивление, Ом*см.

УЭП (удельная электрическая проводимость) зависит от природы электролита и растворителя, от концентрации раствора, от температуры.

Эквивалентная электропроводность (л) - это проводимость раствора, содержащего 1 моль вещества эквивалента и находящегося между двумя параллельными электродами, расстояние между которыми 1 см.

л = 1000ч/С((1/z)*X), (2)

где л - эквивалентная электропроводность, См*см2/ моль,

ч - удельная электропроводность раствора электролита, См/см,

С((1/z)*X) - молярная концентрация эквивалента вещества Х, моль-экв/л,

z - число эквивалентности.

Максимальное значение эквивалентной электропроводности достигается при бесконечном разбавлении раствора. Тогда электропроводность становится равна сумме подвижностей положительно и отрицательно заряженных ионов:

л0 = л0++л0-. (3)

Молярная электропроводность (µ) - определяется аналогично эквивалентной электропроводности его раствора электролита.

µ = 100ч/С, (4)

где µ - молярная электропроводность, См*см2/ моль,

С - молярная концентрация электролита в растворе, моль/л.

1.2 Виды кондуктометрического метода анализа

Суть кондуктометрического анализа: испытуемый раствор электролита находится в электрохимической ячейке, которая является стеклянным сосудом с двумя впаянными в него электродами, через ячейку пропускают электрический ток, измеряют электрическое сопротивление раствора, делают вывод об электропроводности этого раствора. Для более точного получения данных анализа необходимо термостатировать кондуктометрическую ячейку.

Существуют различные методы кондуктометрии. По типу напряжения, питающего измерительную цепь, различают кондуктометрию на постоянном и переменном токе. В свою очередь, кондуктометрию на переменном токе разделяют на низко- и высокочастотную, условная граница между которыми лежит приблизительно в пределах 50-100 кГц.

По роду контакта исследуемого ионного проводника в кондуктометрической ячейке методы делятся на две группы: контактные и неконтактные (или бесконтактные) методы. Контактные методы характеризуются тем, что в процессе измерения исследуемый электролит находится в прямом гальваническом контакте с электродами кондуктометрической ячейки. Группа контактных аналоговых методов по характеру напряжения, применяемого для измерения, делится на две группы:

1. Методы переменного тока низкой частоты. В эту группу входят наиболее детально разработанные «мостовые» и компенсационные методы. Достоинство этих методов-- высокая точность измерений и возможность получать непосредственный отсчет измеряемой величины. Особенно это относится к мостовым методам измерения, которые благодаря этому получили самое широкое распространение в кондуктометрии.

Недостатки методов этой группы: наличие поляризационных явлений, которые особенно проявляются при измерении концентрированных растворов н приводят к погрешности в измерениях; сложное устройство и регулировка, особенно когда требуется достижение высокой точности.

2. Методы постоянного тока, которые также делятся на мостовые и компенсационные.

Преимущество методов этой группы -- простота приборов и способов измерения по сравнению с первой группой.

К недостаткам относятся невозможность точного измерения электропроводности концентрированных растворов вследствие появления значительных поляризационных эффектов и необходимость иметь для точных измерений электропроводности разведенных растворов ячейку сложной конструкции.

Группа контактных методов в связи с особенностью измерительных схем позволяет использовать одни и те же приборы для измерений с переменным током низкой (звуковой) частоты и высокой частоты. В настоящее время для этой цели почти исключительно применяются различные типы RC- и RL-генераторов. Активные сопротивления в колебательной цепи таких генераторов замещаются на сопротивления исследуемого электролита, т. е. контактной кондуктометрической ячейкой, а величина сопротивления определяет частоту на выходе генератора. Малая величина тока, протекающая через колебательную цепь при сравнительно высоких частотах, создает незначительные поляризационные явления на электродах ячейки и позволяет применять как большие, так и миниатюрные электроды и ячейки. Последние очень удобны для физико-химических и аналитических исследований, особенно с ограниченным объемом электролита.

Недостаток методов -- отсутствие строго линейной зависимости между изменениями величины сопротивления исследуемого электролита и частотой на выходе измерительного устройства.

Неконтактные методы отличаются от контактных тем, что в процессе измерения исследуемый электролит не имеет прямого контакта с электродами кондуктометрической ячейки и связан с измерительной цепью индуктивно или через емкость.

Неконтактные методы разработаны с целью устранения поляризационных явлений па электроде, появляющихся вследствие протекания электрического тока через поверхность раздела электрод-- раствор, для измерения электропроводности концентрированных растворов и для измерений в агрессивных и летучих средах.

К достоинствам неконтактных методов относятся отсутствие взаимодействия между исследуемой системой н материалом электрода и невозможность механического загрязнения электродов; кроме того, они позволяют исследовать процессы, происходящие в системе, находящейся в запаянной ампуле при высокой или низкой температуре, исследование фазовых переходов н т. п. Большим преимуществом неконтактных методов является устранение из кондуктометрической ячейки драгоценных металлов (платины), так как при отсутствии прямого контакта исследуемой системы с электродами последние можно изготовлять из любого металла.

Недостаток неконтактных методов заключается в том, что они не позволяют производить непосредственный отсчет величины электропроводности. Поэтому их часто применяют только для определения относительных изменений величины электропроводности, например для высокочастотного титрования.

Неконтактные методы по роду рабочего тока разделяются на две группы: методы переменного тока низкой частоты и высокой частоты.

В кондуктометрическом анализе используются прямая кондуктометрия и кондуктометрическое титрование. Прямая кондуктометрия базируется на результатах измерений удельной электропроводности исследуемого раствора. Обрабатывая данные измерений анализа, применяют расчетный метод и метод градуировочного графика. Расчетный способ заключается в подстановке данных измерений в формулы (2), (3). Метод градуировочного графика состоит из построения графика, откладывая по оси абсцисс концентрацию эталонного раствора, а по оси ординат - значения УЭП. Эталонный раствор предварительно готовят в различных концентрациях.

На рисунке 1. представлена кондуктометрическая ячейка [9].

Рисунок 1. Кондуктометрические ячейки и их эквивалентные электрические схемы: a-контактная ячейка; б-емкостная ячейка; в-индуктивная ячейка; R-сопротивление электролита; С1-емкость двойного электрического слоя на межфазной границе электрод - электролит; С2-емкость раствора; С3-емкость конденсатора, образованного раствором, стенкой ячейки и внешним электродом; Zф-фарадеевский импеданс, связанный с протекающей на границе электрод-электролит электрохимической реакцией; L1 и L2-индуктивности соотв. электролита и катушки

Ниже приведен пример калибровочного графика прямой кондуктометрии [10].

Рисунок 2. Градуировочный график прямой кондуктометрии.

Прямая кондуктометрия применяется для таких анализов как: определение растворимости малорастворимых электролитов, контроль качества дистиллированной воды, контроль качества жидких пищевых продуктов, определение общего содержания солей в минеральных водах.

Кондуктометрическое титрование основывается на кислотно-основных реакциях или реакциях осаждения, сопровождающихся значимым изменением электропроводности в результате образования малорастворимых соединений. На рисунке 3 [2] - представлены примеры кривых кондуктометрического титрования в зависимости от свойств титрата и титруемого вещества.

Рисунок 3. Схематическое изображение некоторых типов кривых кондуктометрического титрования ( k - УЭП, V(T) - объем прибавленного титранта): а - титрование раствора сильной кислоты раствором щелочи; б - титруемое вещество и титрант имеют электроны с низкой электрической подвижностью; в - титрование сильной кислоты раствором гидрокарбоната натрия; г - титруемое вещество имеет ионы с малой электрической подвижностью, титрант - с более высокой

Кондуктометрическое титрование является более точным, чем прямое, его погрешность, при соблюдении методических указаний, составляет 0,1-2%. Чувствительность метода до ? 10-4 моль/л. Анализ возможно автоматизировать. Титрование можно проводить в мутных, окрашенных, непрозрачных средах.

1.3 Техника безопасности при применении метода

В кондуктометрическом анализе используется прибор - кондуктометр, который определяет удельную электропроводность раствора. Перед началом работы с прибором необходимо изучить инструкцию по правилам использования данного прибора. Также надо проверить его исправность и откалибровать. После использования измерительный электрод кондуктометра следует промыть водой. Не допускается применение прибора при параметрах питающего напряжения, выходящих за допустимый диапазон.

Рассмотреть подробнее как устроен кондуктометр и правила работы с ним можно на примере кондуктометра переменного тока АНИОН 4120 (0,001…100 мСм/см, стационарный) [5]. При измерениях используется переменный ток частотой от 1-10 кгц.

Рисунок 4. Внешний вид кондуктометра АНИОН-4120. Прибор состоит из основного блока с жидкокристаллическим дисплеем и выносного датчика, который опускают в исследуемый раствор

Перед началом применения прибора необходимо удостовериться в том, что условия, в которых будут происходить измерения, соответствуют требованиям данного кондуктометра. Раствор не должен вредить электродам и корпусу датчика проводимости. Оберегать прибор от ударов. Запрещено разбирать датчики проводимости.

Для проверки кондуктометра можно измерить УЭП стандартных растворов КСl (0.1N и 0.01N) при 25?, сравнить показания прибора со справочными данными при необходимости ввести поправочный коэффициент.

К работе с кондуктометром допускается персонал, изучивший настоящее руководство и правила работы с химическими растворами [11].

Порядок работы с кондуктометром МАРК-603:

1. После пребывания кондуктометра на холодном воздухе необходимо выдержать его при комнатной температуре не менее 1 ч.

2. При подключении кондуктометра к питанию строго соблюдать полярность ( при несоблюдении этого правила кондуктометр может выйти из строя).

3. Подключить прибор к компьютеру.

4. Перед проведением измерений датчик проводимости, хранившийся в сухом виде, следует выдержать в течение 0,5-1 ч в дистиллированной воде.

5. Подключить датчик проводимости к БП.

6. Включить кондуктометр.

7. Погрузить датчик в исследуемый раствор ( внутренняя полость датчика, где закреплены электроды, должна быть полностью заполнена раствором и свободна от пузырей).

8. Дождаться стабилизации температуры и установления показаний.

9. Прочесть показания, или записать в «блокнот».

10. После завершения измерений следует: выключить кондуктометр; промыть датчик проводимости путем многократного погружения в дистиллированную воду.

Принцип работы кондуктометра АНИОН-4120: при работе прибора измеряется ток, протекающий между электродами 1 и 2, к которым приложено переменное напряжение, и разность потенциалов между «измерительными» электродами 3 и 4 (рисунок 5 [5]).

Рисунок 5. Схема четурехэлектродной ячейки Кольрауша. Ток, текущий между электродами 1 и 2, распространяется по всему объему полости датчика и создает разность потенциалов между электродами 3 и 4

Преимущество четырехэлектродной ячейки по сравнению с двухэлектродной состоит в том, что легко избежать поляризации измерительных электродов, используя вольтметр с большим входным сопротивлением или компенсационную схему.

2. Кондуктометрическое определение содержания водорастворимых солей в почве

Суть работы: в почве содержатся различные соли минеральных и органических кислот. В воде эти соли диссоциируют на ионы, которые находятся в беспорядочном движении. Когда в растворе создается электрическое поле, ионы начинают двигаться в определенном направлении, перенося электрические заряды. Чем больше ионов участвует в переносе зарядов, тем больше электролитическая проводимость раствора (до определенной концентрации солей в растворе). Прямым кондуктометрическим измерением определяется суммарное содержание ионов в водной вытяжке из почвы.

2.1 Алгоритм действий при определении содержания водорастворимых солей в почве

Ознакомится с устройством и правилами работы на кондуктометре. Подготовить кондуктометр к измерениям согласно инструкции к прибору.

Для построения градуировочного графика в мерных колбах вместимостью 50 мл методом разбавления 0,1 н. стандартного раствора КСl приготовить пять растворов КСl с концентрациями: 0,01; 0,005; 0,001; 0,0005; 0,0001 н. Затем измерить сопротивление каждого раствора, начиная с самого разбавленного.

Для определения константы электролитической ячейки (К) измерить сопротивление 0,1 н. раствора КСl. По уравнению:

К=l/S,

где К - константа кондуктометрической ячейки, см-1, S - площадь электродов, см2, l - расстояние между электродами, см. рассчитать константу электролитической ячейки, выбирая в зависимости от температуры значение удельной электрической проводимости 0,1 н. раствора КСl. По результатам измерений построить градуировочный график, откладывая на оси абсцисс концентрацию растворов КСl, а по оси ординат -- электрическую проводимость этих растворов.

Приготовить водную вытяжку из почвы: 2 - 3 г почвы поместить в стакан, прилить 40 мл дистиллированной воды и перемешивать в течение 10 - 15 мин. Отделить твердую фазу фильтрованием; фильтрат поместить в мерную колбу вместимостью 50 мл и довести дистиллированной водой до метки. Измерить сопротивление анализируемого раствора, рассчитать его электрическую проводимость и по калибровочной кривой найти концентрацию растворимых солей в водной вытяжке из почвы.

2.2 Оценка погрешности метода, его достоинства и недостатки

Метод прямой кондуктометрии имеет достаточно маленькую погрешность ±2% (обусловлена инструментальной погрешностью, поляризационными явлениями на электродах).

Метод прямого кондуктометрического анализа является простым, высокочувствительным (до 10-4 моль/л), сравнительно мала погрешность измерений.

Из недостатков метода: ограниченно применяется в анализе; электропроводность - величина аддитивная и дает информацию об общей концентрации ионов в растворе; малая селективность метода.

Выводы

водорастворимый кондуктометрия электрохимический соль

1. изучен и охарактеризован кондуктометрический анализ, выяснено, что кондуктометрия является простым, надежным и дешевым электрохимическим методом измерения с малым энергопотреблением, что позволяет широко использовать ее в современной промышленности и науке для контроля состава и свойств жидких сред;

2. рассмотрена техника безопасности при проведении анализа при помощи метода прямой кондуктометрии;

3. описан алгоритм проведения кондуктометрического определения содержания водорастворимых солей в почве;

4. рассмотрены достоинства и недостатки метода прямой кондуктометрии и его погрешность.

Библиографический список

1. Кондуктометрия и высокочастотное титрование: учебно-методическое пособие / Комиссаренков А.А., Пругло Г.Ф.; ГОУ ВПО СПбГТУРП. СПб., 2009. - 42 с.

2. Харитонов, Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика). В 2 кн. Кн. 2. Количественный анализ. Физико-химические ( инструментальные) методы анализа: Учеб. Для вузов. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. Шк., 2003. - 559 с.: ил.

3. Кондуктометрия. Кондуктометрическое и высокочастотное титрование: Метод. указ. к лаб. работам / Сост. Б. М. Стифатов, Ю. В. Рублинецкая. - Самара; Самар. гос. техн. ун-т, 2017. - 12 с.:ил.

4. Основы аналитической химии. В 2 т. Т. 2: учеб. Для студ. учреждений высш. Проф. Образования / [Н.В. Алов и др.]; под ред. Ю.А. Золотова. - 5-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 416 с.

5. Практикум по физической химии НГУ. Химическая термодинамика и кинетика: Учебно- методическое пособие / В.А. Рогов, Е.С. Рудаков, С.С. Арзуманов и др.; Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2013. Ч. 1. Химическая термодинамика. 237 с.

6. Кропачева Т.Н. Электрохимические методы анализа: учеб.-метод. пособие. - Ижевск: Издательский центр «Удмуртский университет», 2016. -41 с.

7. Аналитическая химия и физико-химические анализа. Практическое руководство: учебно-методическое пособие /В.Ф. Торосян - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - 195 с. [Электронный ресурс] - 2010 г. - Режим доступа: http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/818/76818/57989?p_page=19.

8. Электрохимические методы анализа: методические указания / Ж. П. Анисимова, Л. М. Рагузина, Е.В. Сальникова. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2009. - 38 с.

9. Библиофонд. Электронная библиотека студента, [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=660800#text.

10. КиберПедия, [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://cyberpedia.su/14xf073.html.

11. Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. ГОСТ 12.1.007-76. Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 10 марта 1976 г. № 579. - 5 с.

12. Система стандартов безопасности труда. Системы вентиляционные. Общие требования. ГОСТ 12.4.021-75. Введен в действие постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров от 13 ноября 1975 г. N 2849. Издание (август 2001 г.) с Изменением N 1, утвержденным в декабре 1987 г. (ИУС 4-88) - 5 с.

Размещено на Allbest.ru