0. Определение рН в почве (лабораторная работа)

Материалы и оборудование: весы технические; колбы на 100 мл; дистиллированная вода; 1 н раствор KCl; стаканчики на 50 мл; стандартные буферные растворы с рН от 1,68 до 9,22; иономер; вспомогательный хлорсеребряный электрод; стеклянный электрод, предварительно выдержанный в 0,1 н растворе НСl.

Содержание работы: определение реакции почв относится к числу наиболее распространенных анализов, как при теоретических, так и при прикладных исследованиях почв. Реакция почвенного раствора имеет большое значение для произрастания растений и жизнедеятельности микроорганизмов, может определять развитие и направление химических и биохимических процессов, то есть влиять на трансформацию минеральной и органической части почвы, растворение, миграцию соединений и т.д.

Реакция почвенного раствора определяется концентрацией водородных ионов, но эта концентрация часто бывает очень малой, поэтому для удобства, в практических целях используется обратный десятичный логарифм активности этих ионов (ан⁺), который условно обозначается символом рН.

рН = -lg ан⁺

Таким образом, рН - это обратный десятичный логарифм активности или концентрации ионов водорода в растворе.

Символ рН позволяет выразить активность водородных ионов (ан⁺) в кислой и в щелочной среде, то есть представить ан⁺ в пределах 10⁰ – 10^-14. С увеличением концентрации водородных ионов (подкисление раствора) активность ионов водорода так же повышается, значение рН понижается; при подщелачивании раствора происходит обратное.

Например, при активности ан⁺ равной 10^-3, отрицательный логарифм 10^-3=3 и рН=3; если ан⁺=10^-9, то –lg 10^-9=9 и рН=9. В зависимости от величины рН реакция почв может изменяться от сильнокислой до сильнощелочной (табл. 30).

Таблица 30.

Уровни кислотности и щелочности почв

РН н2о	Название реакции среды	рНКСl
<5,0	Очень сильнокислая	<4,0
5,1-5,5	Сильнокислая	4,1-4,5
5,6-6,0	Среднекислая	4,6-5,0
6,1-6,5	Слабокислая	5,1-5,5
6,6-7,3	Нейтральная	5,6-6,0
7,4-7,9	Слабощелочная	>6,0
8,0-8,5	Среднещелочная
8,6-9,0	Сильнощелочная
>9,0	Очень сильнощелочная

Кислая реакция характерна для подзолистых и дерново-подзолистых почв. Серые лесные почвы имеют слабокислую реакцию. Повышение кислотности пахотных горизонтов почв, может выражаться морфологически, когда появляется белесоватая окраска, отсутствует вскипание от соляной кислоты. Кроме этого, в растительном покрове появляются такие сорняки как щавель, щучка, фиалка трехцветная и др.

Реакция черноземов близка к нейтральной, в карбонатных горизонтах и карбонатных черноземах переходит в слабощелочную. Каштановые почвы характеризуются большей частью слабощелочной реакцией. Наиболее благоприятной для роста и развития растений является слабокислая, нейтральная или слабощелочная реакция среды.

В ходе лабораторной работы определяется актуальная (рН_Н2О) и потенциальная обменная (рН_KCl) кислотность.

Ход определения:

В две колбы на 100 мл отвешивается на технических весах по 10 г воздушно-сухой почвы, пропущенной через сито с отверстиями диаметром в 1 мм. В одну колбу приливается 25 мл свежей дистиллированной воды, во вторую - 25 мл 1н раствора KCl (колбы подписать).

Дистиллированная вода должна иметь нейтральную рН, а KCl около 5,6.

Содержимое колб тщательно перемешивают и встряхивают на ротаторе в течение 5 мин., далее приступают к измерению величины рН водной и солевой суспензии потенциометрическим методом.

Потенциометрическое определение рН состоит в измерении электродвижущей силы (э.д.с.) гальванического элемента, состоящего из вспомогательного электрода с известным потенциалом и индикаторного электрода, потенциал которого зависит от концентрации активных ионов водорода в испытуемом растворе. Индикаторный электрод работает обратимо по отношению к иону, концентрация которого определяется.

Когда оба электрода погружаются в раствор, между ними возникает э.д.с., величина которой зависит от концентрации ионов водорода в испытуемом растворе.

В качестве вспомогательного электрода обычно применяют насыщенный хлорсеребряный электрод. В качестве индикаторного электрода при измерении рН лучше использовать стеклянный, т.к. он применим в широком диапазоне рН растворов, прост в обращении и удобен в работе.

Перед работой иономер проверяют по одному из стандартных буферных растворов с известной рН. Если ошибка измерения величины рН по буферному раствору не превышает ±0,05рН, то можно сразу приступать к анализу испытуемых растворов. Если ошибка больше, то производят проверку и калибровку прибора по двум стандартным буферным растворам, например с рН 1,68 и 9,22. После калибровки иономера и успокоения стрелки прибора приступают к измерению рН испытуемых растворов.

Электроды погружаются в стаканчик с испытуемым раствором, ожидается успокоение стрелки прибора и производится отсчет по верхней шкале прибора. При этом сопоставляются показания на верхней шкале и положение переключателя «пределы измерения».

Измеряемая величина рН будет равна: начальное значение рН для данного диапазона измерений (берется нижний предел измерений) + показание верхней шкалы прибора.

Пример вычислений: если переключатель диапазона установлен на положении «2-5» и стрелка прибора на верхней шкале остановилась на значении 3,01, то измеряемая величина рН будет равна 2+3,01= 5,01. Теперь оценим полученный результат с помощью таблицы 30. Реакция среды – кислая.

Обсуждение результатов

Полученные данные по определению рН вносятся в сводную таблицу химического анализа почвы (табл. 22). Для более полной оценки вероятного отрицательного действия кислотности почв важно установить не только разные ее формы, но и соотношение между суммой обменных оснований S (см. п. 4.3) и всем количеством ионов водорода (и алюминия) в почвенном поглощающем комплексе (эта величина соответствует гидролитической кислотности – Н_г). Эти показатели определяют расчетным путем.

Сумма S+Н_r определяет величину обменной способности почвы, то есть это все обменные катионы, включая водород и алюминий. Эту величину обычно называют емкостью поглощения или емкостью катионного обмена почвы (ЕКО), которая выражается в мг-экв на 100 г почвы. Таким образом:

ЕКО = S+H_г

Отношение суммы обменных оснований к емкости катионного обмена, выраженное в процентах, называется степенью насыщенности почв основаниями (V, %):

V = [S:(S+H_г)]·100% = S:ЕКО ·100%

Пример вычисления. Предположим, что сумма обменных оснований, определенная по Каппену – Гильковицу, равна 3,8 мг-экв/100 г почвы, а величина гидролитической кислотности – 4,4 мг-экв/100 г почвы. Степень насыщенности почв основаниями будет равна:

V = [3,8:(3,8+4,4)]·100% = 3,8:8,2 ·100% = 46%

Степень насыщенности почв основаниями показывает, какую часть всей емкости поглощения занимают обменные основания. В почвах, не содержащих поглощенного водорода (каштановые, бурые, карбонатные черноземы, сероземы и др.), она равна 100%. В почве с гидролитической кислотностью степень насыщенности меньше 100%. Чем больше в почве поглощенного водорода, тем меньше насыщенность основаниями.

Степень насыщенности основаниями и рН – весьма важные характеристики почвы. Этими величинами пользуются при решении многих практических вопросов. Особенно большое значение придают им при обосновании таких мероприятий, как известкование и фосфоритование кислых почв. Например, по нуждаемости в извести в зависимости от степени насыщенности основаниями и рН кислые почвы делят на четыре группы (табл. 31):

Таблица 31.