Экология

Реактивы и оборудование: раствор индикатора фенолфталеина; раствор индикатора метилового оранжевого; 0,1 н. раствор соляный кислоты.

Пипетка-капельница полимерная; пипетка градуированная на 2 мл или на 5 мл для титрования с соединительной трубкой и шприцем-дозатором или титровальная установка; конические колбы на 100 и 250 мл; склянка с меткой

«10 мл».

Ход определения

1) свободной щелочности (карбонат-иона).

В коническую колбу на 100 мл или мерную склянку отобрать пробу анализируемой воды объемом 10 мл, добавить в колбу пипеткой-капельницей 3–4 капли индикатора фенолфталеина. Содержимое колбы перемешать.

Провести титрование пробы с помощью титровальной установки либо градуированной пипеткой со шприцем-дозатором раствором соляной кислоты до обесцвечивания и определить объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование по фенолфталеину VК (мл).

Раствор после титрования карбонат-иона оставить для дальнейшего определения в нем массовой концентрации гидрокарбонат-иона.

Рассчитать содержание карбонат-иона (свободную щелочность – ЩСВ) по формуле

ЩСВ =

К ∙С ∙п

, ммоль/л

где VК – объем раствора соляной кислоты, израсходованного на титрование, мл; C – концентрация раствора соляной кислоты, моль/л-экв;

Vп – объем пробы воды, взятой для анализа, мл; 1000 – коэффициент пересчета из молей в миллимоли.

2) общей щелочности (гидрокарбонат-иона).

В ту же колбу, где проводили определение свободной щелочности, прибавить 2–3 капли индикатора метилового оранжевого и титровать раствором соляной кислоты до перехода от желтоватой до слабо-розовой окраски. Определить объем соляной кислоты, израсходованной на титрование общей щелочности VО.

Рассчитать содержание гидрокарбонат-иона (общую щелочность – ЩО) по формуле

ЩО = ( К О)∙ С ∙ , ммоль/л

п

где VК и VО – объем раствора соляной кислоты, израсходованного на титрование по фенолфталеину и метиловому оранжевому, мл;

C – концентрация раствора соляной кислоты, моль/л-экв;

31

Vп – объем пробы воды, взятой для анализа, мл; 1000 – коэффициент пересчета из молей в миллимоли.

Для определения массовой концентрации карбонат- и гидрокарбонат-ионов использовать значения свободной (ЩСВ) и общей (ЩО) щелочности (табл. 4).

Таблица 4

Соотношение между щелочностью и молярной концентрацией карбонатов и гидрокарбонатов

	Соотношение между	Молярная концентрация, ммоль/л
	свободной и общей
		гидрокарбонатов СГК	карбонатов СК
	щелочностью
	ЩСВ = 0	ЩО	0
	2 ЩСВ < ЩО	ЩО – 2 ЩСВ	ЩСВ
	2 ЩСВ = ЩО	0	ЩСВ
	2 ЩСВ > ЩО	0	ЩО – ЩСВ
	ЩСВ = ЩО	0	0

Массовую концентрацию гидрокарбонатов СГК масс (мг/л) и карбонатов СК масс (мг/л) в анализируемой пробе воды рассчитывать по формулам:

СГК масс = СГК · 61, СК масс = СК · 60,

где СГК и СК – молярная концентрация гидрокарбонатов и карбонатов соответственно, определенная по табл. 4 , ммоль/л;

61 и 60 – молярная концентрация эквивалента гидрокарбонат- и карбо- нат-иона соответственно в реакциях титрования, г/моль.

Контрольные вопросы

1.Что понимают под щелочностью воды?

2.Какие вещества обусловливают щелочность воды?

3.Что понимают под свободной щелочностью воды?

4.Что понимают под общей щелочностью воды?

5.Каким методом определяют щелочность воды?

32

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА

Показатель, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ по количеству израсходованного на окисление химически связанного кислорода, называется окисляемостью, или химическим потреблением кислорода (ХПК). Являясь интегральным (суммарным) показателем, ХПК в настоящее время считается одним из наиболее информативных показателей антропогенного загрязнения вод. Этот показатель используется повсеместно при анализе питьевой, природной и сточной вод.

Окисляемость, или ХПК, характеризует общее количество содержащихся в воде восстановителей (органических и неорганических), реагирующих с сильными окислителями.

Нормативы на ХПК для перманганатной окисляемости: для питьевой воды – 5 мг/л, для водоемов хозяйственно-бытового назначения – 15 мг/л.

Метод определения

Метод определения ХПК в виде перманганатной окисляемости по Кубелю (метод Кубеля) основан на окислении присутствующих в пробе органических веществ известным количеством раствора перманганата калия с концентрацией 0,01 моль/л эквивалента при кипячении в сернокислой среде в течение 10 мин. Не вступивший в реакцию перманганат калия восстанавливают щавелевой кислотой. Избыток щавелевой кислоты оттитровывают раствором перманганата калия.

Реактивы и оборудование: раствор серной кислоты (1:3); кислота щавелевая (0,01 моль/л); перманганат калия (0,01 моль/л).

Колба коническая плоскодонная со шлифом на 100 мл (2 шт.); кипелка капиллярная; пипетка-капельница полимерная (4 шт.); пипетка градуированная на 5 и 10 мл (2 шт.) со шприцем-дозатором и соединительной трубкой, холодильник обратный воздушный на шлифе (2 шт.), цилиндр мерный на 50 мл, стойка-штатив съемный.

Ход определения

Поместить в коническую колбу несколько кипелок, добавить цилиндром 50 мл анализируемой пробы воды и градуированной пипеткой – раствор серной кислоты (1:3) в количестве 2,5 мл. Туда же другой градуированной пипеткой добавить 5 раствора перманганата калия (0,01 н.). Содержимое колбы перемешать. Колбу поместить на электроплитку на 10 мин (отсчет времени начинать после закипания пробы).

33

Далее к горячему раствору градуированной пипеткой при перемешивании добавить 5 мл раствора щавелевой кислоты (0,01 н.) и дождаться обесцвечивания раствора.

Горячий обесцвеченный раствор титровать на белом фоне рабочим раствором перманганата калия до бледно-розового оттенка. Определить объем перманганата калия, израсходованный на титрование (V1).

Выполнить холостой опыт, произведя все необходимые операции, используя в качестве пробы 50 мл дистиллированный воды. Определить объем перманганата калия, израсходованный на титрование (VХ).

Рассчитать значения перманганатной окисляемости по Кубелю IMn по формуле

= ( )∙ С ∙ ∙ ∙ , мг/л

П

где V1 и VХ – количество рабочего раствора перманганата калия, израсходованного на титрование пробы и в холостом опыте соответственно;

8 – молярная концентрация эквивалента кислорода, г/моль;

С– концентрация рабочего раствора перманганата калия, моль/л;

К– поправочный коэффициент для концентрации рабочего раствора перманганата калия (принимается равным 1);

1000 – коэффициент пересчета из граммов в миллиграммы; VП – объем пробы, взятой для анализа, мл.

Контрольные вопросы

1.Что понимают под окисляемостью воды?

2.Какие вещества обусловливают окисляемость воды?

3.Что характеризует показатель ХПК?

4.Нормативы ХПК в питьевой воде.

5.Каким методом определяют окисляемость воды?

34

ТЕМА 3. ЛИТОСФЕРА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЧВЫ

Почва – поверхностный слой литосферы Земли, обладающий плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную открытую четырёхфазную (твёрдая, жидкая, газообразная фазы и живые организмы) структурную систему, образовавшуюся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности организмов.

Ее рассматривают как особую природную мембрану (биогеомембрану), регулирующую взаимодействие между биосферой, гидросферой и атмосферой Земли.

Почва (определение по ГОСТ 27593–88) – самостоятельное естественноисторическое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфо- логические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия.

Впочвах могут находиться частицы диаметром как менее 0,001 мм, так

иболее нескольких сантиметров.

Меньший диаметр частиц означает большую удельную поверхность, а это в свою очередь – большие величины ёмкости катионного обмена, водоудерживающей способности, а также лучшую агрегированность, но меньшую порозность. Тяжёлые (глинистые) почвы могут иметь проблемы с воздухосодержанием, лёгкие (песчаные) – с водным режимом.

Для подробного анализа весь возможный диапазон размеров делят на участки, называемые фракциями. Единой классификации частиц не существует.

Вроссийском почвоведении принята шкала Н. А. Качинского. Характеристика гранулометрического (механического) состава почвы даётся на основании содержания фракции физической глины (частиц менее 0,01 мм) и физического песка (более 0,01 мм) с учётом типа почвообразования.

Вмире также широко применяется определение механического состава почвы по треугольнику Ферре: по одной стороне откладывается доля пылева-

тых (silt, 0,002–0,05 мм) частиц, по второй – глинистых (clay, < 0,002 мм), по третьей – песчаных (sand, 0,05–2 мм) – и находится место пересечения отрезков. Внутри треугольник разбит на участки, каждый из которых соответствует тому или иному гранулометрическому составу почвы. Тип почвообразования при этом не учитывается.

35

Методы определения: метод втирания сырой почвы в ладонь и метод «шнура».

Ход определения

Метод втирания сырой почвы в ладонь

Взять немного почвы (0,5–1 г), слегка увлажнить ее водой и хорошо растереть безымянным пальцем другой руки. По степени загрязнения ладони частицами почвы и в зависимости от «ощущений» определить механический состав почвы, пользуясь предлагаемой таблицей (табл. 5).

Таблица 5

Определение гранулометрического состава экспресс-методами

	Название почвы
	или породы	Метод втирания сырой	Метод «шнура»
	по гранулометриче-	почвы в ладонь
	скому составу
	Песок	Песка много,	Шнур не образуется
		ладонь не загрязняется
	Супесь	<<	Получаются только
			зачатки шнура
	Суглинок	Ощущение мыла	Шнур непрочен,
		с большим количеством	распадается при
	легкий
		песка	раскатывании
			Шнур сплошной,
	средний	Ощущение мыла	сворачивается в кольцо,
		с песком	кольцо с разломами
			и трещинами
		Ощущение мыла	Легко раскатывается
	тяжелый		в шнур-кольцо с трещи-
		с едиными песчинками
			нами по периферии
			Образуется тонкий
	Глина	Ощущение мыла	длинный шнур, кольцо
			без трещин

Метод «шнура»

Измельчить почву или растереть ее в ступке. Взять немного подготовленной почвы, смочить водой и скатать ее в ладонях в шнур толщиной примерно 3 мм и длиной примерно 3 см. Свернуть шнур в кольцо.

Согласно данным табл. 5 сделать вывод о гранулометрическом составе почвы.

Исходя из типа почвы по механическому составу можно определить, что в ней преобладает: кремнезем или глинозем.

36

Контрольные вопросы

1.Дайте определение почвы.

2.Охарактеризуйте гранулометрический состав почвы.

3.Дайте определение почвы по ГОСТу.

4.Методы определения гранулометрического состава почвы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЧВЫ

Структура почвы – физическое строение твёрдой части и порового пространства почвы, обусловленное размером, формой, количественным соотношением, характером взаимосвязи и расположением как механических элементов, так и состоящих из них агрегатов.

Твёрдая часть почвы – совокупность всех видов частиц, находящихся в почве в твёрдом состоянии при естественном уровне влажности.

Поровое пространство в почве – разнообразные по размерам и форме промежутки между механическими элементами и агрегатами почвы, занятые воздухом или водой.

Минеральные частицы почвы всегда объединяются в агрегаты различной прочности, размеров и формы. Вся совокупность агрегатов, характерных для почвы, называется её структурой. Факторами образования агрегатов являются: набухание; сжатие и растрескивание почвы в ходе циклов увлажненияиссушения и замерзания-оттаивания; коагуляция почвенных коллоидов (наиболее важна в этом роль органических коллоидов); цементация частиц малорастворимыми соединениями; образование водородных связей, связей между нескомпенсированными зарядами кристаллической решётки минералов; адсорбция; механическое сцепление частиц гифами грибов, актиномицетов и корнями растений; агрегация частиц при прохождении через кишечник почвенных животных.

Структура почвы оказывает влияние на проникновение воздуха к корням растений, удержание влаги, развитие микробного сообщества. В зависимости от размера агрегатов урожай может меняться на порядок. Оптимальна для развития растений структура, в которой преобладают агрегаты размером от 0,25 до 7–10 мм (агрономически ценная структура). Важным свойством структуры является её прочность, особенно водоустойчивость.

Преобладающая форма агрегатов является важным диагностическим признаком почвы. Выделяют округло-кубовидную (зернистую, комковатую, глыбистую, пылеватую), призмовидную (столбовидную, призмовидную, призматическую) и плитовидную (плитчатую, чешуйчатую) структуру, а также ряд переходных форм и градаций по размеру. Первый тип характерен для верхних гумусовых горизонтов и обусловливает большую порозность, второй– для иллювиальных, метаморфических горизонтов, третий – для элювиальных.

37

Метод определения

Структуру почвы во многом определяет ее механический состав. Если почва состоит из комочков до 10 мм в диаметре, то она комковатая или зернистая. Эти комочки включают минеральные частицы, склеенные гумусом. В этих типах почв много воды и воздуха.

Бесструктурные почвы состоят из очень мелких частиц до 0,001 мм в диаметре. При поглощении воды такие почвы образуют сплошную липкую массу.

Ход определения

Взять немного почвы (0,5–1 г) и разложить в чашку Петри. Рассмотреть почву и отметить в ней наличие или отсутствие структуры, затем добавить немного воды и перемешать почву. Какая масса образовалась? Сплошная вязкая или нет? Сделать вывод о структуре почвы (тонкая или грубая) и проделать аналогичные опыты с другими образцами почв.

Контрольные вопросы

1.Охарактеризуйте структуру почвы.

2.Что такое твердая часть почвы и поровое пространство.

3.Роль структуры почвы.

4.Факторы агрегатообразования.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №13. ОБНАРУЖЕНИЕ КАРБОНАТОВ В ПОЧВЕ

Карбонаты в почвах присутствуют как в рассеянных формах, так и в виде различных скоплений (прожилки, журавчики и др.). В твердой фазе почвы чаще всего встречаются карбонаты магния и кальция, которые представлены кальцитом и аргонитом CaCO3, магнезитом MgCO3. В целом они благоприятно влияют на свойства почвы. Но для некоторых загрязняющих веществ служат эффективным сорбентом. На их поверхности сорбируются арсенат-и фосфат-ионы, фтор. Карбонаты натрия обусловливают щелочную реакцию среды, что приводит к ухудшению развития большинства культурных растений.

С карбонатами связано повышение щелочности почв при орошении.

Реактивы и оборудование: раствор соляной кислоты (10%-й); фарфоровая чашка.

38

Ход определения

Взять небольшое количество почвы (1 г) и поместить в фарфоровую чашку. Из пипетки на образец почвы добавить 5 капель 10%-го раствора соляной кислоты.

Если почва содержит карбонат-ион, то под действием кислоты начнется выделение углекислого газа.

Выделяющийся углекислый газ приводит к «окислению» почвы. Почвы, вскипающие от 10%-го раствора соляной кислоты, являются карбонатными. Кислоту добавлять до прекращения выделения пузырьков СО2. Интенсивность выделения углекислого газа (бурное, среднее, слабое) и количество израсходованного раствора HCl дают предварительную оценку содержания карбонат-ионов в почве.

Контрольные вопросы

1.В каком виде карбонаты находятся в почве?

2.Назовите карбонаты, которые находятся в почве.

3.Какими свойствами обладают карбонаты по отношению к почве?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХЛОРИД-ИОНОВ В ПОЧВЕ

Легкорастворимые почвенные соли имеют важное значение, так как по их содержанию в верхней части почвенного профиля (>0,2 %) можно судить о засолении почвы. Легкорастворимые формы химических элементов – хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, хлориды кальция и магния, нитраты и другие. Эти соединения легко растворяются в дистиллированной воде. Избыток растворенных в почве солей снижает ее плодородие. Наиболее вредными для растений солями являются сода, сульфат натрия, хлориды натрия, магния и кальция – токсические легкорастворимые соединения.

Метод определения водной почвенной вытяжки

В стакан на 200 мл поместить 20–50 г высушенной почвы. Взвесить стакан с почвой и без нее, определив массу почвы (m, г). Добавить к почве дистиллированную воду в количестве 5*m мл (5 мл на 1 г почвы).

Перемешивать содержимое стакана в течение 20–30 мин с помощью лопатки. Отфильтровать содержимое стакана через бумажный фильтр, собирая готовую вытяжку в стакане. Вытяжка должна быть однородной и не содержать частиц почвы. Первые несколько миллилитров фильтрата необходимо отбросить, так как в нем собраны загрязнения с фильтра.

Реактивы и оборудование: раствор азотной кислоты (10%-й); раствор нитрата серебра (0,1 н.); пипетка полимерная; пробирка.

39

Ход определения

1. Качественное определение хлорид-ионов в почве Мерной пипеткой взять в пробирку 5 мл почвенной вытяжки, добавить

1–2 капли 10%-го раствора азотной кислоты и по каплям приливать 0,1 н. раствора нитрата серебра.

По образующемуся хлопьевидному белому осадку сделать вывод о присутствии в образце хлорид-ионов (табл. 6).

Таблица 6

Определение содержания хлорид-иона по характеристике осадка AgCl

	Осадок	Содержание Cl–
		мг/100 мл вытяжки	г/100 г почвы, %
	Опаленсценция	0,1–1	Тысячные доли
	Сильная муть	5–10	Сотые доли
	Большой хлопьевидный	>10	Десятые доли

2. Количественное определение хлорид-ионов в почве Количественное определение хлорид-иона проводить после качественно-

го его обнаружения. Определение вести по методу Мора (методика приведена в теме «Гидросфера», лабораторная работа № 2).

Контрольные вопросы

1.Какие формы химических элементов в почве относят к легкорастворимым?

2.К чему приводит избыток растворенных в почве солей?

3.Как приготовить почвенную вытяжку?

40