Актуальная активная и потенциальная кислотность почв. Изменение почвенной реакции. Известкование кислых почв
Различают актуальную (активную) и потенциальную кислотность почв в зависимости от того, при каком взаимодействии она проявляется и измеряется.
Актуальная кислотность почвы обусловлена наличием водородных ионов (протонов) в почвенном растворе, активность которых зависит от свойств (ионной силы) раствора, влияющих на коэффициент активности иона. Актуальная кислотность почвы измеряется при взаимодействии почвы с дистиллированной водой [водный рН, рНн2о, рН (Н20)] при разбавлении 1:2,5 либо в пасте. Иногда рН почвы измеряют непосредственно в почве при естественной влажности, но для этого она должна быть достаточно увлажненной и гомогенной для обеспечения надежного контакта с измерительным электродом. Можно актуальную кислотность почвы измерять и колориметрически или путем титрования.
Потенциальная кислотность — способность почвы при взаимодействии с растворами солей проявлять себя как слабая кислота. Потенциальная кислотность определяется свойствами твердой фазы почвы, обусловливающей появление дополнительного количества протонов в растворе при взаимодействиях с удобрениями или химикатами.
Кислая реакция солевых вытяжек из почв объясняется появлением в растворе ионов водорода (гидроксония Н30 + ) в результате вытеснения из почвенного поглощающего комплекса, а также взаимодействия с водой молекулярных кислот и гидратиро- ванных катионов. Гидратированные катионы при этом можно рассматривать как кислоты (Бренстед — Лоури). Наиболее сильные кислотные свойства в воде проявляют двух- и особенно трехзарядные катионы металлов
В зависимости от характера взаимодействующего с почвой раствора различают две формы потенциальной кислотности почв — обменную и гидролитическую, характеризующиеся как последовательные этапы выделения в раствор дополнительных количеств протонов из твердой фазы.
Обменная кислотность обнаруживается при взаимодействии с почвой растворов нейтральных солей. При этом происходит эквивалентный обмен катиона нейтральной соли на ионы водорода, алюминия и другие, находящиеся в поглощающем комплексе. Обычно для определения обменной кислотности почв используют 1 н. раствор КС1 (рН около 6,0).
Природа обменной кислотности зависит от состава и свойств почвенных коллоидов. Кислотность органических почвенных коллоидов (гумусовые кислоты) обусловлена главным образом обменным водородом, причем непосредственным источником обменного водорода служат органические кислоты, включая гумусовые, и угольная кислота. При взаимодействии с коллоидами водород этих кислот внедряется в их диффузный слой, занимая место оснований, которые выщелачиваются или выпадают в осадок
Кислотность минеральных коллоидов связана с наличием в почвенном поглощающем комплексе обменных ионов водорода, алюминия или железа. Источником обменных алюминия и железа служат ионы кристаллической решетки глинистых минералов и гидроксидов, мобилизуемые органическими кислотами или присутствующие в почвенном растворе и также внедряющиеся в диффузный слой почвенных коллоидов.
При взаимодействии кислой почвы с раствором хлорида калия в результате обмена калия на водород в растворе появляется соляная кислота, а при обмене на алюминий — хлорид алюминия (III)
Образующаяся в растворе кислота оттитровывается щелочью (кислотность выражается в мг-экв/100 г) или определяется по рН раствора, который в данном случае характеризуется как солевой рН,рНКС1, рН(КС1) По значениям рН можно ориентировочно определить роль различных ионов в образовании кислотности При рН меньше 4,0 кислотность обусловлена главным образом обменным водородом, при рН от 4,0 до 5,5 — обменным алюминием
В кислых почвах (подзолистые, серые лесные, красноземы) солевой рН всегда меньше, чем водный рН, поскольку в этих почвах имеется обменный водород и (или) алюминий Для насыщенных основаниями почв солевой рН не определяется
Гидролитическая кислотность обнаруживается при воздействии на почву раствора гидролитически щелочной соли сильного основания и слабой кислоты, при котором происходит более полное вытеснение поглощенных водорода и других кислотных ионов Для определения гидролитической кислотности обычно используют 1 и раствор CH3COONa с рН 8,2 При взаимодействии уксуснокислого натрия с почвой могут происходить реакции в зависимости от содержания в ней алюминия или водорода, аналогичные приведенным выше
Количество образующейся уксусной кислоты, определяемое титрованием, характеризует гидролитическую кислотность почвы
При наличии в почве обменного алюминия образующийся в результате обменной реакции уксуснокислый алюминий распадается на гидроксид алюминия и уксусную кислоту
Так как нейтральная соль вытесняет лишь часть поглощенного водорода, а гидролитически щелочная соль — почти весь, то гидролитическая кислотность обычно больше обменной Иногда гидролитическая кислотность оказывается меньше обменной за счет поглощения почвой анионов уксусной кислоты и вытеснения ионов ОН , в результате чего уменьшается кислотность вытяжек.
Наличие потенциальной кислотности характерно для почв, обедненных основаниями (Са2+, Mg2+ и др.). Чем больше почва обеднена основаниями, тем резче проявляет она кислотные свойства.
В природе распространение кислых почв связано с определенными условиями почвообразования (подзолистые, бурые лесные, красноземы, желтоземы). Большое значение в образовании почв с той или иной реакцией имеет характер почвообразуюгцей породы. Подзолистые почвы, бедные основаниями, в основном приурочены к выщелоченным, бескарбонатным породам. Характер почвообразовательного процесса откладывает существенный отпечаток на формирование реакции почв. В одних случаях этот процесс приводит к потере оснований и подкислению (подзолистый процесс), в других — наблюдается постепенное обогащение почвы основаниями (дерновый процесс). Большое значение в формировании кислых почв имеют кл и магические условия. Промывной характер водного режима приводит к выносу солей из почвы, способствует выходу в раствор поглощенных С а2 , Mg2+ в обмен на водородные ионы и их последующему выщелачиванию. Растительность также оказывает влияние на характер почвенной реакции. Хвойные леса и сфагнум способствуют усилению кислотности благодаря кислым свойствам их органических остатков; лиственные леса и травянистая растительность благоприятствуют накоплению оснований.
Сельскохозяйственная деятельность человека вызывает изменение почвенной реакции. Само отчуждение урожаев с полей приводит к постепенному обеднению почв элементами, входящими в состав растений, в том числе и основаниями. Длительная обработка почвы в условиях зоны подзолистых почв способствует обеднению ее Са2+ и Mg2+. Снизить рН почвы может и внесение физиологически кислых минеральных удобрений.
Кислая реакция почв неблагоприятна для большинства культурных растений и полезных микроорганизмов. Кислые почвы обладают плохими физическими свойствами. Из-за недостатка оснований органическое вещество в этих почвах не закрепляется, почвы обеднены питательными веществами. Степень отрицательного влияния кислой реакции почв на растения зависит от того, какой элемент является причиной почвенной кислотности — водород или алюминий. Алюминий оказывает на растения более сильное токсическое действие, чем водород. Так, при повышении содержания обменного алюминия до 10—12 мг/100 г наблюдается выпадение клевера в посевах. Опытами Н. С. Авдонина показано, что наличие в кислых почвах обменного алюминия служит причиной гибели посевов озимых зерновых культур при перезимовке.
Доля участия в почвенном поглощающем комплексе обменных катионов водорода и алюминия, определяемых как обменная или гидролитическая кислотность, характеризует ненасыщенность почв основаниями
Степень насыщенности почв основаниями — это количество обменных оснований (обычно Ca2 + + Mg2 + ), выраженные в процентах от емкости поглощения
K=S/Е- 100=S/(S+#> • 100, (40)
где V — степень насыщенности основаниями, %, S — сумма обменных оснований, мг-экв/100 г, Е — емкость поглощения, мг- экв/100 г, Н— гидролитическая кислотность, мг-экв/100 г
Таким образом, ненасыщенность почв основаниями характеризуется разностью между емкостью поглощения при избранном значении рН и содержанием в почве обменных оснований
Основным методом повышения продуктивности кислых почв, снижения их кислотности служит известкование
При внесении извести СаС03 при наличии избытка углекислоты переходит в растворимый Са(НС03)2, который взаимодействует с почвой по следующей схеме
]2Н + + Са(НС03)2 —> [ППК2 ] Са2++ 2Н20 + 2С02
Почвы с высокой степенью насыщенности не нуждаются в известковании Путем сопоставления степени насыщенности почв с отзывчивостью на известкование в полевых опытах установлена следующая примерная шкала
Обычно доза извести рассчитывается по гидролитической кислотности пахотного слоя почвы
При плотности почвы 1,3 г/см3 ее масса в 20-сантиметровом пахотном слое на 1 га составляет 2600 т При этом каждый 1 мг-экв гидролитической кислотности на 100 г почвы требует для нейтрализации 1,3 т СаС03 на 1 га Однако обычно используется не полная доза извести, рассчитанная по гидролитической кислотности, а лишь какая-то часть ее, определяемая в соответствии со свойствами выращиваемых культур
Дозу СаС03 для известкования кислых почв определяют и по обменной кислотности, показателем которой служит солевой рН, в соответствии со следующими критериями, приведенными в табл 37
Таблица 37. Дозы извести в зависимости от рН солевой суспензии и гранулометрического состава почвы (в т/га)
Гранулометрический рН солевой суспензии
4,5 и ниже 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4-5,5
Супеси и легкие суглинки 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 2,0
Средние и тяжелые суглинки 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5
Источник
Определение потенциальной кислотности почв
Цель работы:определение количественного содержания подвижных ионов водорода в почве.
Теоретическая часть
Одной из важнейших химических реакций, происходящих в почвах является катионный обмен, происходящий между твердыми фазами почвы и почвенным раствором. Обменные катионы участвуют также и в формировании потенциальной кислотности почв. Отличие состоит в том, что кислотность почв обусловлена двумя ионами — водорода и алюминия.
Кислотность почв проявляется при воздействии на почву нейтральной соли, как правило, хлорида калия, отсюда ее название — потенциальная кислотность. Между поглощающим почвенным комплексом и почвенным раствором происходит обмен катионами, который выражается следующими формулами:
, 
, НС1
Под влиянием почвенной влаги протекает гидролиз соли:
В обоих случаях в почвенном растворе появляются ионы водорода (Н + ), создающие кислую реакцию почвы.
Природная кислотность почв вызывается гуминовыми кислотами и карбоновой кислотой, образующейся в результате взаимодействия содержащегося в почве углекислого газа СO2 с почвенной влагой. Основная антропогенная причина повышения кислотности почв — это кислотные дожди.
Экспериментальная часть
Оборудование: весы технические; сито с отверстиями Ø 1 мм; колбы конические емкостью 250 см 3 ; ротатор; бумага фильтровальная; бюретка калиброванная емкостью 100 см 3 ; штатив; стакан химический.
Реактивы: почва исследуемая; раствор КСl (1 H); фенолфталеин; раствор NaOH (0,lH).
Ход работы
Исследуемую почву просеять через сито. Отвесить 60 г просеянной почвы, поместить в колбу. К навеске почвы прилить 150 см 3 1Н раствора хлорида калия. Закрыть колбу пробкой, взбалтывать 20 минут на ротаторе. Затем раствор отфильтровать через бумажный фильтр в чистую колбу.
Налить по 50 см 3 полученного фильтрата в две колбы, прилить 2-3 капли фенолфталеина. Бюретку заполнять до нулевой отметки 0,1H раствором гидроксида натрия. Произвести титрование фильтрата, находящегося в одной колбе, раствором гидроксида натрия. Титрование продолжать до появления розовой окраски, не исчезающей в течение 1 минуты. Записать объем раствора NaOH, пошедшего на титрование.
Заполнить бюретку раствором гидроксида натрия до нулевой отметки и произвести титрование фильтрата во второй колбе. Записать объем раствора гидроксида натрия, пошедшего на титрование. Обратить внимание на то, что расхождение между двумя объемами NaOH, пошедшими на титрование, не должно превышать 0,1 см 3 . Если разница между двумя объемами раствора NaOH превышает указанную величину, произвести еще одно титрование.
По двум результатам титрования, наиболее близким друг к другу, рассчитать среднее значение объема NaOH, пошедшего на титрование, и по этому значению вычислить величину потенциальной кислотности в исследуемой почве.
Пример вычисления
На титрование 50 см 3 почвенной вытяжки затрачено 1,2 см 3 0,1Н раствора NaOH. Поскольку 50 см 3 вытяжки соответствуют 20 г почвы, то для пересчета на 100 г почвы указанное количество раствора NaOH умножается на 5. Следовательно, указанная обменная кислотность в моль•экв Н + на 100 г почвы в данном случае равна:
0,1 • 1,2 • 5 = 0,6 моль • экв Н + .
Так как при однократной обработке почвы раствором соли извлекается не весь обменный водород, а только часть, вводится коэффициент 1,75, на который умножают полученную величину обменной кислотности, чтобы получить представление о полной обменной кислотности, т. е.:
0,6 • 1,75 = 10,50 моль • экв Н +
1. Что такое обменная (потенциальная) кислотность почв?
2. Какими ионами обусловлена потенциальная кислотность?
3. Под влиянием чего проявляется потенциальная кислотность?
Произвести расчет обменной кислотности образца почвы, если на титрование 50 г почвы пошло 2,5 см З 0,1Н раствора гидроксида натрия
Форма отчета:Каждый студент выполняет задание и презентует полученный результат.
Учебная и специальная литература:
1. Трифонов К. И., Девисилов В. А.Физико-химические процессы в техносфере: Учебник. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2012. — 240 с.: ил. — (Высшее образование).
2. Алексеенко, В. А., Алексеенко, Л. П. Геохимические барьеры: Учеб.пособие / В. А. Алексеенко, Л. П. Алексеенко.– М.: Логос, – 2003.- 144с.
3. Добровольский, В.В. Геохимическое землеведение: учеб пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «география» / В. В. Добровольский. – М.: Гуманитарн. изд. центр ВЛАДОС, – 2008. – 207с.
4. Еськов, К. Ю. История Земле и жизни на ней (учебное пособие для старших классов)/ К. Ю. Еськов. — М.: МИРОС — МАИК Наука/Интерпериодика, – 2000. – 352 с.
5. Заварзин, Г. А. Лекции по природоведческой микробиологии / Г. А. Заварзин. – М.: Наука, – 2003, – 348с.
6. Исидоров, В.А. Введение в экотоксикологию /В.А. Исидоров СПб.: Химиздат, – 1999. – 143с.
7. Исидоров, В.А. Экологическая химия / В.А. Исидоров – СПб, Химиздат, – 2001, – 304с.
8. Линник, П. Н. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах / П. Н. Линник, Б.И. Набиванец. – Л.: Гидрометеоиздат, – 1986, – 270с.
9. Майстренко, В.Н. Эколого-аналитический мониторинг стойких органических загрязнителей/ В. Н. Майстренко, Н. А. Клюев. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, – 2009. – 323с.
10. МГЭИК, 2007, «Изменение климата, 2007 г.: физическая научная основа. Материал Рабочей группы I к Четвертому докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата об оценках» [Соломон, С., Д. Чин, М. Мэннинг, ЧенЖенлинь, М. Маркис, К.Б. Аверит, М. Тигнор и Х.Л. Миллер (ред.)])
11. Михайлов, В.Н. Гидрология: учебник для вузов / В. Н Михайлов, А. Д. Добровольский, С. А. Добролюбов. – М.: Высшая школа, – 2005. – 463с.
12. Орлов, Д. С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учеб. Пособие для хим., хим.-технол. и биол. спец. вузов / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская. – М.: Высш. шк., – 2002. – 334 с.
13. Скальный, А. В. Химические элементы в физиологии и экологии человека/ А. В. Скальный. – М.: Издательский дом «Оникс 21 век»: Мир, – – 2004. – 216 с.
14. Сорохтин, О. Г. , Ушаков, С. А.. Развитие Земли/ О. Г. Сорохтин, С. А Ушаков.– М.: Изд-во МГУ, – 2002, – 506с.
15. Астафьева Л. С. Экологическая химия : учебник / Л. С. Астафьева. — М., 2006. – 222 с. : ил., табл. — Рекомендовано МО.
Источник