Показатели и способы оценки катионообменных свойств почв

Соотношение рН и общей щелочности почв.

В перечень показателей, уровни которых позволяют получить представление о природе щелочности почв, введено соотношение общей щелочности и суммы ммоль-экв кальция и магния, извлекаемых из почвы методом водной вытяжки. Принято считать, что их разность показывает содержание карбонатных ионов, присутствующих в почвах в виде легкорастворимых солей – карбонатов и гидрокарбонатов натрия и калия.

Если сумма кальция и магния равна или выше общей щелочности, то считают, что она связана с карбонатами щелочно-земельных металлов.

Контрольные вопросы.

1.Показатели и способы оценки актуальной кислотности и актуальной щелочности.

2. Актуальная кислотность. Химические соединения, наличием которых она определяется. Способы ее оценки в водных и солевых вытяжках (особенности измерения и расчета, связь с известковым потенциалом).

3. Потенциальная кислотность – обменная и гидролитическая. Химические соединения, наличием которых определяется каждая из них. Способы их оценки.

4. Общая щелочность. Химические соединения, наличием которых она определяется. Способы ее количественной оценки.

Лекция 14

Катионообменные свойства почв связаны с наличием отрицательных зарядов на поверхности минеральных и органических компонентов почвенно-поглощающего комплекса. Отрицательные заряды ППК компенсируются положительно заряженными противоионами – обменными катионами.

Среди зарядов ППК выделяют постоянные, или перманентные, и переменные. Постоянные заряды связаны с изоморфными замещениями в кристаллических решетках глинистых минералов. Их количество обусловлено структурными особенностями минералов и не зависит от рН и других внешних факторов. Переменные заряды часто называют рН-зависимыми. Их количество связано с ионизацией функциональных групп органических компонентов почв и поверхностных ОН^- -групп оксидов и гидроксидов. Оно увеличивается с ростом рН, зависит от валентности противоионов, концентрации электролита и др.

Основные понятия, термины, показатели.

Наиболее общим показателем катионообменных свойств почвы является емкость катионного обмена (ЕКО). По существу его величина отражает количество отрицательных зарядов ППК или количество положительных зарядов обменных катионов, компенсирующих эти заряды. Часто под ЕКО понимают общее количество катионов одного рода, которое почва может удержать в способном к обмену состоянии в заданных условиях. Основной показатель – количество вещества положительных зарядов обменных катионов, компенсирующих отрицательные заряды ППК или количество вещества эквивалентов обменных катионов (ммоль-экв/кг, ммоль-экв/100г почвы). Т.к. ЕКО зависит от рН, определяют реальную, или эффективную ЕКО(ЕКО_эфф), и стандартную (ЕКО_ст). ЕКО_эфф характеризует емкость катионного обмена в кислотно-основных условиях, близких к реальным.

ЕКО_ст характеризует свойства почвы при заданном значении РН и позволяет сравнивать ЕКО почв с различными кислотно-основными свойствами.

Понятия, близкие по своему содержанию к ЕКО – сумма обменных катионов и сумма обменных оснований. Обменными катионами считают все катионы, которые находятся в ППК в состоянии, способном к обмену. Это могут быть катионы Н⁺, Al³⁺, Ca²⁺, Na⁺ и др. К обменными основаниям относят катионы, которые не способны проявлять кислотные свойства (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺), но могут вытеснять из ППК ионы, такими свойствами обладающие (Н⁺, Al³⁺).

Почвы, которые в составе обменных не содержат катионов с выраженными кислотными свойствами (Н⁺, Al³⁺), называют почвами, насыщенными основаниями. Почвы, содержащие в ППК такие ионы, называют почвами, не насыщенными основаниями.

При оценке катионообменных свойств, кроме ЕКО, суммы обменных катионов и суммы обменных оснований, определяют состав и содержание каждого из обменных катионов (ммоль-экв/100г почвы).

Эти показатели используют при характеристике степени выраженности некоторых почвенных процессов, например, степень солонцеватости почв оценивают по доле (%) обменного натрия от ЕКО, степень насыщенности почвы основаниями – по доле (%) обменных оснований от ЕКО.

Приемы оценки катионообменных свойств.

Для определения величины показателей этих свойств, навеску почвы обрабатывают растворами солей. В результате обменные катионы вытесняются из ППК, а их место занимает катион соли.

В истории учения о сорбционных процессах огромное практическое значение имеют работы выдающегося почвоведа К-К-Гедройца. Именно на почвах – природных ионообменниках устанавливались основные закономерности ионного обмена.

П-Na⁺ + NH₄⁺ ↔ П- NH₄⁺ + Na⁺

Константа равновесия этой реакции равна:

, где - количество ионов, адсорбированных почвой;

-концентрация ионов в жидкой фазе.

Отсюда следует:

, т.е. при обмене равновалентных катионов отношение

адсорбированных почвой ионов пропорционально отношению этих ионов в растворе независимо от концентрации. Это значит, что однократной обработкой навески почвы раствором катиона-вытеснителя невозможно удалить из ППК все обменные катионы. Часть их останется в соответствии с соотношением катионов, которое установится в жидкой фазе суспензии. С каждой последующей обработкой концентрация вытесняемых катионов в жидкой фазе суспензии будет уменьшаться, что приведет в конечном итоге к их полному вытеснению из ППК.

Количество вытесняемых катионов несколько возрастает с увеличением концентрации катиона-вытеснителя и объемом раствора, но это увеличение ограничено.

Методы оценки ЕКО.

1). Оценка ЕКО_эфф.

Оценку эффективной (реальной) ЕКО проводят, обрабатывая навеску почвы небуферным раствором нейтральной соли. При этом допускают, что РН почвенной суспензии, получаемой в процессе анализа, обусловлено свойствами почвы и результаты определения ЕКО отражают реальную катионообменную способность почвы. Однако необходимо учитывать, что при обработке почвы раствором соли из ППК вытесняются катионы, проявляющие кислотные свойства и рН увеличивается. Поэтому определяемое значение ЕКО_эфф отличается от ЕКО почвы в реальных условиях. Обычно ЕКО_эфф находят расчетным путем, суммируя результаты определения вытесненных из ППК обменных катионов или результаты определения обменных оснований и обменной кислотности.

Определение ЕКО проводят в два этапа. На первом насыщают ППК катионом - вытеснителем, многократно обрабатывая навеску почвы раствором соли, вытесняя обменные катионы в раствор. На втором этапе определяют количество поглощенного почвой катиона – вытеснителя, по которому получают представление о величине ЕКО. В качестве катионов – вытеснителей используют Концентрация катиона – вытеснителя варьируется от 0,01 до1 моль-экв/л. В России оценку ЕКО проводят при рН=6,5 растворами хлорида бария, в иностранных методиках чаще всего растворами ацетата аммония при рН=7.

Определение количества сорбированного катиона- вытеснителя осуществляют двумя методами: 1) определяют его содержание в растворе до и после при каждой обработке навески, затем суммируют израсходованное количество; 2) после полного насыщения катион-вытеснитель полностью вымывают из ППК, используя его способности к образованию малодиссоциированных соединений. Катион – вытеснитель из ППК переводят в осадок или комплекс и определяют его содержание любым подходящим методом.

Очень интересны методы, основанные на использовании органических красителей катионного типа - метиленового синего или метиленового фиолетового При проведении анализа навеску почвы многократно обрабатывают раствором красителя заданной концентрации и по ее уменьшению в результате ионообменного поглощения находят ЕКО.

Концентрацию красителя находят фотометрически. Метод прост, производителен и пригоден для почв любого состава.(Попробовать!)

2.Определение суммы обменных оснований.

Для быстрой оценки суммы обменных оснований обычно используют метод Каппен-Гильковича. Навеску почвы взбалтывют с точно отмерянным объемом титрованного раствора 0,1н HCl, сусупензию фильтруют, аликвоту фильтрата титруют 0,1н раствором NaOH. Сумму обменных оснований находят по разности между количеством Н⁺ в исходном растворе кислоты и количеством Н⁺, оставшемся в растворе после взаимодействия с почвой.

Применение метода основано на допущении, что при однократной обработке почвы раствором кислоты ионы Н⁺ вытесняют все обменные основания и не разрушают ППК. Метод не используют, когда нужна точная оценка суммы обменных оснований.

Легкорастворимые соли, гипс карбонаты мешают определению обменных оснований. Поэтому для определения ЕКО и суммы обменных оснований в почвах различного типа разработаны различные варианты.

При анализе некарбонатных незасоленных почв обменные основания вытесняют из ППК растворами солей. Для вытеснения обменных оснований из почв, насыщенных основаниями рекомендуется использовать раствор хлорида аммония, для анализа почв, не содержащих легкорастворимых солей, карбонатов и гипса – раствор ацетата аммония. Это связано с тем, что одним из продуктов взаимодействия не насыщенных основаниями почв с хлоридом аммония является соляная кислота, которая способствует растворению почвенных компонентов и тем самым приводит к завышению результатов определения обменных оснований:

+

При вытеснении обменных оснований из не насыщенных основаниями почв раствором ацетата аммония ион водорода связывается в слабую уксусную кислоту, которая не мешает определению:

При определении обменных оснований в карбонатных почвах необходимо учесть влияние карбонатов кальция на результаты анализа. Например, в методе Тюрина обменные основания вытесняют 1М раствором хлорида натрия. В фильтрате определяют общее количество кальция, магний, вытесненный из ППК и общую щелочность. Содержание обменного кальция находят по разности между общим количеством эквивалентов кальция (ммоль) и общей щелочностью фильтрата.

При оценке свойств степных почв часто определяют содержание обменного натрия. Оно служит оценкой солонцеватости почв и позволяет рассчитать дозы мелиорантов при мелиорации. Один из методов (метод Гедройца) основан на вытеснении обменного натрия ионом Са²⁺. К навеске почвы добавляют СаСО₃, дистиллированную воду и суспензию активно перемешивают потоком СО₂.