Ćw. 03. pH

Ćwiczenie 3. Oznaczanie odczynu gleby.
3.1. Wprowadzenie.
Według Okręgowych Stacji Chemiczno-Rolniczych 84,8 % gleb uŜytków rolnych w Polsce
charakteryzuje się kwaśnym odczynem poziomu akumulacyjnego. Literatura wymienia
kilkadziesiąt procesów, powodujących dopływ jonów wodorowych do gleby. Procesy te
zachodzą w atmosferze, w roztworze glebowym, w fazie stałej gleby oraz na granicy tych faz.
NajwaŜniejsze z nich zostały przedstawione poniŜej:
Kwasotwórcze składniki atmosfery - SO2, NOx:
SO2 + H2O → H2SO3 → H+ + SO3SO2
H 2
O → H SO → 2H+ + SO 2O
2+światlo
  → SO3 
2
4
4
H 2
O → HNO + HNO
N2O + O → 2NO +
O2 → 2NO2 
3
2
HNO3 → H+ + NO3Mineralizacja glebowej materii organicznej:
C → CO2 + H2O → H+ + HCO3- → H+ + CO32N → NH3 + 2O2 → H+ + NO3- + H2O
S → H2S + 2O2 → 2H+ + SO42Nitryfikacja związków amonowych:
NH4+ + 2O2 → 2H+ + NO3- + H2O
Hydroliza monomerycznego [Al(H2O)6] 3+:
[Al(H2O)6]3+ + H2O → [Al(OH)(H2O)5]2+ + H+
[Al(OH)(H2O)5]2+ + H2O → [Al(OH)2(H2O)4]+ + H+
[Al(OH)2(H2O)4]+ + H2O → Al(OH)3(H2O)3 + H+
Gromadzące się w glebie jony wodorowe mogą występować w formie zdysocjowanej w
roztworze glebowym lub być adsorbowane z róŜną siłą na cząsteczkach fazy stałej. W
pierwszym przypadku stanowią one kwasowość czynną (aktualną), zwaną równieŜ odczynem
gleby, w drugim - kwasowość potencjalną (zob. ćwiczenie 6).
Odczyn gleby wynika ze stęŜenia (aktywności) jonów wodorowych i wodorotlenowych w
roztworze glebowym.
Dla chemicznie czystej wody, dysocjującej zgodnie z równaniem:
Józef Wójcik. Oznaczanie odczynu gleby.
H2O → H+ + OHstosunek między cząsteczkami zdysocjowanymi i niezdysocjowanymi moŜna wyrazić
wzorem:
[ H + ][OH − ]
=K
H 2O
(1)
gdzie: [H+] - stęŜenie (aktywność) jonów wodorowych w mol.dm-3,
[OH-] - stęŜenie (aktywność) jonów wodorotlenowych w mol.dm-3,
K - wielkość stała.
Równanie (1) moŜna zapisać jako:
[H+] . [OH-] = K . [H2O] = KH2O
gdzie: KH2O - stała dysocjacji wody.
W temperaturze 25 oC, (KH2O) czyli iloczyn stęŜenia jonów [H+] i [OH-] wynosi 10-14.
W chemicznie czystej wodzie:
[H+] = [OH-] = 10-7 moldm-3 = 0,0000001 moldm-3
Zapis powyŜszy jest niewygodny w uŜyciu. Dlatego teŜ stęŜenie jonów wodorowych
podawane jest najczęściej jako pH. Jest to ujemny logarytm dziesiętny ze stęŜenia jonów
wodorowych, wyraŜonego w molach na dm3.
Wodne roztwory, których pH jest równe 7,0 nazywają się roztworami obojętnymi. Z
roztworem kwaśnym mamy do czynienia, jeŜeli jego pH jest mniejsze od 7,0 - z zasadowym
zaś gdy pH jest większe od 7,0. W przypadku gleb rozgraniczenie odczynu nie jest tak ścisłe.
Zgodnie z Polską Normą wyróŜnia się pięć przedziałów odczynu gleby:
odczyn gleby
bardzo kwaśny
kwaśny
lekko kwaśny
obojętny
zasadowy
pHKCl
poniŜej 4,5
4,6 - 5,5
5,6 - 6,5
6,6 - 7,2
powyŜej 7,2
Odczyn mierzy się w wodnej zawiesinie gleby lub w roztworze soli obojętnej o niewielkim
stęŜeniu. Najczęściej uŜywa się roztworu KCl o stęŜeniu 0,1 - 1,0 mol.dm-3 lub CaCl2 o
stęŜeniu 0,01 - 0,1 mol.dm-3. W Polsce dla celów praktyki rolniczej pH określa się w
roztworze KCl o stęŜeniu 1,0 mol.dm-3.
3.2. Zasada metody.
Potencjometryczne oznaczanie odczynu gleby.
Odczyn gleby zarówno w zawiesinie wodnej jak i w roztworze KCl o stęŜeniu 1,0 mol.dm-3
moŜna mierzyć za pomocą potencjometrii. Pomiar pH w zawiesinie wodnej pozwala na
określenie "czystej" kwasowości czynnej (aktualnej) gleby. Tak oznaczone stęŜenie jonów
wodorowych w glebie waha się jednak dość znacznie w trakcie okresu wegetacji. Dzieje się
2
Józef Wójcik. Oznaczanie odczynu gleby.
tak głównie na skutek zmian temperatury i wilgotności gleby. Bardziej stałe wyniki uzyskuje
się oznaczając pH w zawiesinie gleby z roztworem KCl o stęŜeniu 1 mol.dm-3.
Ca
Kompleks
sorpcyjny
H+
H
Na
H+
Ca + nKCl →
K
H
H+
Mg
H+
H
Mg
H H Ca H H
faza stała
roztwór
Ca
Kompleks
sorpcyjny
H K Ca K H
faza stała
H
Na
Ca +
K
H
Mg
H
Mg
4H+
2H+
(n-2)KCl
2 Cl-
roztwór
+
Część jonów K z dodanego do gleby KCl wchodzi w reakcję wymiany z najsłabiej
związanymi jonami H+, które przechodzą do roztworu. Tak więc pH gleby mierzone w KCl
jest niŜsze od oznaczonego w H2O (kwasowość jest większa). RóŜnica ta powiększa się w
miarę wzrostu kwasowości gleby.
Kolorymetryczne oznaczanie odczynu za pomocą kwasomierza Helliga.
Metoda ta, podobnie jak inne metody kolorymetryczne, oparta jest na zjawisku zmiany
zabarwienia wskaźnika, w zaleŜności od stęŜenia jonów wodorowych w badanym roztworze.
Wsaźnikami są związki organiczne charakteryzujące się tym, Ŝe cząsteczka niezdysocjowana
ma inne zabarwienie niŜ anion:
HA ↔ H+ + AWzrostowi stęŜenia jonów H+ w roztworze towarzyszy przesunięcie się równowagi reakcji w
lewo, co powoduje pojawienie się barwy niezdysocjowanych cząsteczek HA. W miarę spadku
stęŜenia jonów wodorowych równowaga reakcji przesuwa się w prawo, powodując
pojawienie się zabarwienia charakterystycznego dla anionu A-.
Metodą kolorymetryczną oznaczania odczynu gleby posłuŜymy się podczas opisu profilu
glebowego (zob. ćwiczenie 15). W tym celu w większe zagłębienie kwasomierza Helliga
naleŜy wsypać szczyptę gleby, lekko ugnieść i dodać kroplami tyle wskaźnika, aby całkowicie
przykrywał glebę. Po około 3 minutach przechylić lekko kwasomierz, aby wprowadzić
wskaźnik do rowka i porównać jego zabarwienie z barwą skali.
Metoda ta jest prosta i szybka, ale moŜna nią oznaczać odczyn gleb z dokładnością nie
większą niŜ 0,3 jednostki pH. Poza tym nie nadaje się ona do oznaczania odczynu gleb
dających barwne wyciągi, np. gleb torfowych. Obecnie do polowych oznaczeń odczynu gleby
uŜywa się coraz częściej metody potencjometrycznej, z wykorzystaniem specjalnie w tym celu
skonstruo-wanych pehametrów polowych.
3.3. Wykonanie oznaczenia.
Do dwóch zlewek o pojemności 50 cm3 odwaŜyć po 10 g powietrznie suchej gleby przesianej
przez sito o średnicy oczek 1 mm. Do zlewki pierwszej dodać 25 cm3 wody destylowanej, do
drugiej - 25 cm3 roztworu KCl o stęŜeniu 1 mol.dm3. Zawartość zlewek mieszać co 15 minut.
Po upływie co najmniej 30 minut moŜna mierzyć pH w zawiesinie wodnej (pHH2O). Pomiaru
pH w roztworze KCl (pHKCl) dokonuje się po upływie co najmniej 2 godzin, a w przypadku
gleb o duŜej zawartości materii organicznej po upływie 6 - 8 godzin.
3
Józef Wójcik. Oznaczanie odczynu gleby.
3.4. Odczynniki
1. Roztwór chlorku potasowego o stęŜeniu 1 mol.dm3.
2. Roztwory buforowe o pH 4,0; 7,0 i 9,0.
3. Mieszanina wskaźników do kwasomierza Helliga:
a. 0,02 % roztwór czerwieni metylowej: 0,1 g czerwieni metylowej wsk. rozetrzeć w
moździerzu z niewielką ilością 96 % alkoholu etylowego odlanego ze 100 cm3, a
następnie przenieść roztwór do kolby miarowej o pojemności 500 cm3, uŜywając do
tego celu reszty alkoholu etylowego. Dodać 3,7 cm3 roztworu NaOH o stęŜeniu 0,1
mol.dm3 i uzupełnić zawartość kolby wodą destylowaną.
b. 0,04 % roztwór błękitu bromotymolowego: 0,2 g błękitu bromotymolowego wsk.
rozpuścić w 104 cm3 96 % alkoholu etylowego, w kolbie o pojemności 500 cm3.
Dodać 3,2 cm3 roztworu NaOH o stęŜeniu 0,1 mol.dm3 i uzupełnić zawartość kolby
wodą destylowaną.
c. roztwór do uŜytku: zmieszać objętościowo 1 część 0,02 % roztworu czerwieni
metylowej (a) z dwiema częściami 0,04 % roztworu błękitu bromotymolowego (b).
Zabarwienie roztworu powinno być zgniłozielone. JeŜeli roztwór ma barwę Ŝółtawą
dodać kroplami roztworu NaOH o stęŜeniu 0,1 mol.dm3, jeŜeli zabarwienie roztworu
do uŜytku jest zielone dodawać kroplami HCl o stęŜeniu 0,1 mol.dm3. Roztwór
przechowywać w szczelnie zamkniętej butelce z ciemnego szkła.
3.5. Pytania kontrolne
1.
2.
3.
4.
Co to jest pH ?
Podaj podział gleb ze względu na ich odczyn.
Podaj najwaŜniejsze źródła jonów wodorowych w glebie.
Oblicz pH roztworu zawierającego w 1 dm3 0,000004 g NaOH, jeŜeli współczynnik
dysocjacji α = 1.
4