4. Лабораторна робота.

ВИЗНАЧЕННЯ РН ҐРУНТОВИХ ВИТЯЖОК МЕТОДОМ

ПОТЕНЦІОМЕТРІЇ

Мета роботи. Засвоїти потенціометричний метод визначен­ня рН на йономірі 9В-74.

Теоретична частина

Кислотність ґрунтів має велике значення для розвитку і росту рослинної біомаси, впливає на доступність засвоєння поживних речовин рослинами. Відносно фізико-хімічної міграції елементів і, особливо, важких металів, кислотність сприяє асиміляції ґрунтовим обмінним комплексом цих катіонів. Встановлені оптимальні величини рН ґрунтів для обробки сільськогосподарсь­ких культур.

Для екологів важливо знати, що кислотні дощі не тільки впливають на рослинний покрив іззовні, алі і створюють несприят­ливі умови для зростання усередині ґрунту, оскільки численні рослини не можуть рости при стресових змінах середовища. Крім того, вони знижують рН ґрунтів і ґрунтових вод, що прискорює міграцію йонів металів за рахунок посилення їх рухливості і, як наслідок, стає можливим отруєння тварин і людини важкими металами в ланцюгах споживання.

Визначення рН є особливо важливим для біогеохімії при дослідженні зон, де кисле середовище змінюється на лужне, слаболужне — на різколужне, сильнокисле — на слабокисле, тобто природних умов, сприятливих для формування лужних бар’єрів. Іншими словами, виникнення бар’єру такого роду базується на стрибкоподібному зростанні рН. Однак, формування природних кислих ґрунтових розчинів, яке пов’язане з процесами окиснення, напр., сульфідних руд, також відбивається на величині рН. Кислі води сульфідних поліметалевих родовищ збагачені на Си, Ге,

РЬ.

У сучасній літературі є багато цікавих відомостей щодо зміни геохімічних умов під впливом сукупних факторів — природних і техногенних. Наприклад, кислі глеєві води в лужній обстановці, акумулюючи важкі елементи під впливом бактерій на межі вода - нафта, утворюють органічні кислоти, причому в такій кількості, що збагачуючись ними, води розчиняють карбонати. В умовах триваючої міграції значення рН підвищуються настільки, що це супроводжується виникненням лужного бар’єру, вторинної карбонатизації і утворення каолінових глин.

У цьому аспекті для біогеохімічних досліджень вивчення інших видів бар’єрів - кислих, випарних, біогеохімічних і навіть, як не дивно, соціальних бар’єрів з характерними рН — це глобальні задачі. На прикладі ґрунтового профілю колочних солодій (тип ґрунтів помірного поясу) у Казахстані можна спостерігати беспрецендентну зміну рН на вкрай короткій відстані: від 5 - 6 на поверхні і до глибини ЗО — 40 см і підвищення до 8 - 9 (!) - на глибині більш 40 см. Аніоногенні хімічні елементи Єі, Не, Мо, У, Єє, 7,т концентруються на кислих бар’єрах.

Зміни ґрунту, які пов’язані з випарними бар’єрами й утворюванням содових концентратів із pH =11 (!), оцінюються як планетарне лихо. Вивчення змін pH ґрунту пояснює численні несприятливі екологічні ситуації, сільскогосподарські проблеми, що виникли, і біогеохімічні аномалії.

У водних витяжках ґрунту можна визначити pH най- простійшим методом за допомогою універсального індикаторного паперу.

Однак точне значення pH можна встановити потенціо- метрічним методом, який грунтується на вимірюванні напруги, перетворенні її в постійний струм і потім у показання pH середо­вища.

Розрізняють 2 типи окисно-відновних систем. Якщо в системі здійснюється перенос тільки електронів, то така система відносить­ся до системи І типу. В основі визначення окисно-відновного потенціалу (ОВП, або Eh див. 3.1.3) методом потенціометрії лежить вимір окисно-відновного потенціалу, який виникає на межі розділу фаз при передачі електронів, тобто це система І типу:

[Fe(CN)₆]³ + е -» [Fe(CN)₆]⁴‘

У системах II типу, крім переносу електронів, відбувається і перенос протонів: S + 2Н~ + 2е —> H₂S

Ox Red

Потенціал редокс-електроду, вміщеного в систему II типу, буде визначатися не тільки співвідношенням концентрацій окисненої і відновної форм, але і pH середовища:

і, рр , а(Ох)а^т(Н⁺)

(р г = 9,- —/»— ' , (3.6)

„Р a(Rea)

Якщо межею розділу фаз служить мембрана, здатна вибір­ково обмінювати йони, що входять до її складу, з електролітом, то потенціал, який виникає, називають мембранним. Мембранні електроди здатні давати’потенціали, що залежать від активності обмеженого числа йонів, навіть тільки одного типу йонів, називаються йоноселективними. Прикладом такого електрода є скляний електрод, потенціал якого залежить від активності йонів гідроксонію Н₃СУ.

Визначення pH за допомогою скляного електроду вимагає підготовки йономіра до роботи.

Попередньо необхідно лаштувати прилад за різницею рХ буферних розчинів (електродна система: скляний електрод, сріблохлоридний, термокомпенсатор): 9,18 - 1,68 = 7,5. Для цього треба виконати наступні дії:

1. Перемикачі приладу встановити в положення «1» і «-1-19», вімкнути прилад у мережу і прогріти ЗО хв.

2. Промити електроди дистильованою водою з промивної склянки, залишки води видалити фільтрувальним папером.

3. Налити аналізований буферний розчин №1 у склянку, приблизно до половини, занурити в нього електроди - срібло­хлоридний і скляний. Натиснути кнопки «рХ», «Аніони/катіони» і «-1-4». Ручкою «Калібрування» встановити стрілку приладу на «О» за верхнею шкалою «0-5».

4. Електроди промити і занурити в буферний розчин №2, натиснути кнопку діапазону «4-9». Ручкою «Крутизна» встановити стрілку на значенні 3,5 (тобто значенні pH = 7,5, що дорівнює різниці pH буферних розчинів.) Якщо pH не встановлюється, то використовують ручку «Температура розчину».

5. Натиснути кнопку діапазону «9-14» і ручкою «Калібруван­ня» встановити значення pH = 9,18.

Експериментальна частина

Устаткування і реактиви: йономір ЭВ-74; хлоросрібний і скляний електроди; технохімічні терези; склянка для вимірів місткістю 50 мл; склянка місткістю 100 мл і конічна колба місткістю 100 мл з притертою пробкою для готування ґрунтового розчину; скляні палички; хімічна лійка; буферні суміші pH =1,68 і pH = 9,18 для настроювання йономіра; розчин КС1, С = 1 моль/л; універсальний індикатор; зразок того ж самого ґрунту, який використовували в досліді лабораторної роботи 3.1.3.

Хід аналізу

1. Підготовчий етап. Розпочати роботу слід з настроювання йономіра за різницею відомих pH буферних розчинів, як рекомендо­вано в теоретичній частині даної роботи.

2. Приготування Грунтової витяжки. Для приготування ґрунтового розчину в конічну колбу місткістю 100 мл вносять 10 г ґрунту і заливають 50 мл дистильованої води і (класична пропорція приготування ґрунтових витяжок: 1:5, тобто наважка ґрунту і п’ятикратна кількість дистильованої води). Вода не повинна містити карбонатну кислоту або карбон діоксид, оскільки за їх наявності розчиняються кальцій і магній карбонати з утворенням розчинних гідрокарбонатів, які збільшують загальну лужність водної витяжки (чому?), спотворюючи результати вимірювань. Перемішують скляною паличкою, закривають колбу пробкою і струшують 10 хв. Потім витяжку фільтрують крізь сухий склад­частий фільтр. Фільтр вміщують у лійку діаметром 15 - 20 см так, щоб його край був нижчим за край лійки на 0,5 - 1 см. У противному випадку по ободку фільтра утвориться забарвлена облямівка солей ґрунту. Солі, що залишилися на фільтрі, змінюють результат визначення рН, оскільки їх концентрація у фільтраті знижується.

Перед зливанням витяжки на фільтр струсніть колбу для змучування вмісту і, по можливості, кількісно перенесіть ґрунт на фільтр. Потрапляючи на фільтр, важкі часточки ґрунту забивають пори фільтра, створюючи подвійний фільтрувальний шар і сприяють якісній фільтрації з високою прозорістю фільтрату. Виливаючи суспензію ґрунту на фільтр, намагайтеся направити потік на стінку фільтра, аби не прорвати папір.

Водні ґрунтові витяжки аналізують відразу після їхнього одержання, тому що під впливом мікрофлори змінюються їх характеристики (лужність, окиснюваність) і склад.

Правильно приготовлена витяжка повинна бути прозорою, перебувати в колбі з закритою пробкою, її об’єм повинен бути визначеним.

3. Вимір рН ґрунтового розчину. У склянку місткістю 50 мл відлийте з колби ЗО - 40 мл фільтрату й занурте в нього електроди. Спочатку вимірюють наближене значення рН, натиснувши клавіші «рХ», «-1-19», рис. 3.2. Значення рН визначають за шкалою «-1-19», (шкала №4), визначають потрібний діапазон і вимірюють точне значення рН, знімаючи показання за шкалою №2 або №3. Наприклад, якщо показання за шкалою «-1-19» виявилися між 8 — 9, то натиснути кнопку «4-9».

Необхідно врахувати, що для діапазону «-1-4» (шкала №2) показання стрілки уже відповідає значенню рН. Шкала №3 використовується для двох інших вузьких діапазонів «4-9» і «9-14».

Для відліку рН за цією шкалою до початкового значення діапазону додайте показання стрілки.

4. Закінчення експерименту. Закінчивши вимірювання, вимкніть прилад, електроди занурте в склянку з дистильованою водою.

5. Визначення рН індикаторним методом, а) Паралельно вимірюванню на йономірі проведіть визначення рН індикаторним методом. Для цього ~1 мл фільтрату ґрунтової витяжки відливають у пробірку, занурюють смужку універсального індикаторного папірця в розчин, установлюють рН, порівнюючи колір забарвле­ного паперового індикатора зі шкалою на футлярі індикаторного паперу.

б) Зважують 20 г ґрунту, (підготовленого до аналізу за методикою 1.2.2), переносять до конічної колби, доливають 50 мл розчину КС1, С = 1 моль/л, перемішують, закривають пробкою і залишають на добу. Визначають рН індикаторним методом за допомогою універсального паперового індикатора, за шкалою встановлюють рН.

6. Порівняння результатів визначення рН. У таблицю результатів експерименту занесіть шифр виданого зразка ґрунту і дані визначень рН трьох дослідів. Порівняйте результати, знайдіть відхилення експериментальних значень від істинного, даного викладачем, поясніть ймовірні причини похибок, обчисліть довірчий інтервал результату середнього визначення і зробіть висновок про метод аналізу і досягнення мети роботи.

Шифр проби ґрунту	Показання pH за шка­лою №4	Діапа­ зон вимі­ рювань	Показання за шкалою вибраного діапазону	Точне зна­ чення рн	Індикаторний метод
					pH водної ґрунтової витяжки	pH вод­ної ви­тяжки з КС1

7. Визначення поживних властивостей досліджуваного ґрунту роблять користуючись графіком Сердобольского (рис. 3.3). Визначення умов харчування рослин на даному ґрунті базується на величинах ОВП і pH, які отримали за результатами робіт 3.1.3 та 3.1.4.

7оо.

6W

500

Ш

Рис. 3.3. Граничні умови нормального живлення рослин (за Сердобольським): косе штрихування - область нормального постачання Fe і Мп; подвійне штрихування - область нормального постачання Fe, Мп і нітратами.

зоо

ісю

Запитання до захисту лабораторної роботи

1. Який і чому індикаторний електрод застосовують при визначенні pH?

2. Як впливає pH на ріст рослин?

3. Яке значення має рН-метрія для біогеохімічних досліджень?

4. Який вплив на усі види речовин біосфери спричиняють кислі дощі?

5. Які типи окисно-відновних систем вам відомі?

6. Який вид набуває рівняння Петерса при врахуванні співвідношення Ох і Red форм і pH середовища?

7. Визначити концентрацію Н~ при pH = 8,7.

8. Встановити pH ґрунтового розчину, якщо [ОН ] = 7,7-Ю'⁹.