Ćw. 02. OM

Ćwiczenie 2. Oznaczanie zawartości materii organicznej w glebie metodą Tiurina.
2.1. Wprowadzenie.
Materia organiczna gleby składa się z obumarłych szczątków roślinnych i zwierzęcych, oraz
organicznych produktów ich rozkładu, nagromadzonych w róŜnej postaci, zarówno w glebie,
jak i na jej powierzchni. Materia organiczna gleby, będąc układem dynamicznym, podlega
ciągłym zmianom, prowadzącym do całkowitego jej rozkładu (mineralizacja), bądź do
częściowego rozkładu a następnie wtórnej syntezy produktów prostszych (humifikacja).
Materia organiczna występująca w glebie nie jest więc jednorodna pod względem chemicznym. Jest to mieszanina wielu bardziej lub mniej złoŜonych substancji, których rozdzielenie
jest praktycznie niemoŜliwe. Dlatego teŜ przyjmuje się, Ŝe podana wyŜej definicja materii
organicznej gleb jest, w szerokim i ogólnym znaczeniu, synonimem próchnicy (humusu).
NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe właściwymi związkami próchnicznymi są tylko te substancje
organiczne, które pod wpływem procesu humifikacji utraciły całkowicie strukturę tkanek
organizmów, z których powstały.
Materia organiczna stanowi jeden z podstawowych czynników decydujących o Ŝyzności
gleby. Spełnia ona róŜnorodne pośrednie i bezpośrednie funkcje w kształtowaniu się
fizycznych, fizykochemicznych oraz biochemicznych właściwości gleb.
Próchnica działając jako lepiszcze strukturotwórcze zwiększa zwięzłość gleb piaszczystych.
Produkty jej przemian sklejają elementarne cząstki masy glebowej w agregaty, poprawiając
tym samym właściwości fizyczne gleb lekkich. Pod wpływem próchnicy ulega zmniejszeniu
przemieszczanie się cząstek najdrobniejszych w głąb profilu glebowego.
Materia organiczna powoduje zmniejszenie zwięzłości gleb o duŜej zawartości części
spławialnych poprzez tworzenie bardziej stabilnych agregatów.
Próchnica ma duŜą pojemność wodną sięgającą 300 - 500 %. Ma to ogromne znaczenie
zwłaszcza w przypadku gleb piaszczystych, gdzie pojemność wodna zaleŜy przede wszystkim
od zawartości materii organicznej.
Ciemne zabarwienie poziomu akumulacyjnego gleb zasobnych w substancje próchnicowe
przyspiesza nagrzewanie się tych gleb wiosną, przedłuŜając okres wegetacji.
W trakcie procesów mineralizacji materia organiczna staje się źródłem wielu składników
pokarmowych, niezbędnych dla wzrostu i rozwoju roślin.
Próchnica charakteryzuje się bardzo duŜą pojemnością sorpcyjną, wahającą się od 200 do 500
cmolc.kg-1. W glebach piaszczystych, zawierających znikome ilości iłu koloidalnego jedynie
materia organiczna ma zdolność wymiennego adsorbowania kationów.
Związki próchnicowe zwiększają zdolności buforowe gleb, regulują odczyn roztworu
glebowego oraz stęŜenie składników pokarmowych.
Gleby uprawne zasobne w substancje humusowe odznaczają się wyŜszą aktywnością
biologiczną. Populacje mikroorganizmów, czerpiąc z materii organicznej niezbędną dla ich
Ŝycia energię i mineralne składniki pokarmowe, stają się liczniejsze, bardziej czynne i
ustabilizowane w swoim składzie gatunkowym.
Materia organiczna odgrywa takŜe bardzo powaŜną rolę w ochronie środowiska glebowego.
Ogranicza ona występowanie chorób niektórych roślin uprawnych na skutek sprzyjających
warunków dla rozwoju organizmów saprofitycznych, będących antagonistami patogenów. W
ostatnich latach zwraca się szczególną uwagę na zdolność materii organicznej do ochrony
środowiska glebowego przed skaŜeniem odpadami przemysłowymi oraz przed ujemnymi
skutkami nieracjonalnej chemizacji. Gleby zasobniejsze w próchnicę są odporniejsze na
Józef Wójcik. Oznaczanie zawartości materii organicznej w glebie metodą Tiurina.
ujemny wpływ zanieczyszczeń niŜ gleby słabo próchniczne. Jest to związane ze zdolnościami
sorpcyjnymi związków próchnicznych oraz ze zwieszaniem się tempa rozkładu zanieczyszczeń organicznych w warunkach wysokiej aktywności biologicznej tych gleb.
Zawartość próchnicy w poziomie akumulacyjnym gleb Polski waha się w granicach od 0,6 do
6,0%. Najmniej materii organicznej zawierają piaszczyste gleby bielicowe, najwięcej mady,
czarne ziemie czarnoziemy i rędziny. W większości gleb ornych zawartość próchnicy wynosi od
1 do 3%.
Istnieje wiele metod oznaczania zawartości materii organicznej w glebie. MoŜna je podzielić na
trzy grupy:
1. metody polegające na oznaczaniu zawartości węgla ogólnego oraz węgla nieorganicznego; z róŜnicy otrzymuje się ilość węgla organicznego,
2. metody polegające na oznaczaniu zawarto ci węgla ogólnego w próbce, z której pozbyto się węgla nieorganicznego,
3. metody, w których węgiel organiczny jest utleniany w środowisku kwaśnym takimi
związkami jak KMnO4 czy K2Cr2O7, a jego zawartość oznaczana jest z ilości nie zredukowanego utleniacza uŜytego w nadmiarze.
Obliczenie zawartości materii organicznej we wszystkich grupach metod opiera się na
załoŜeniu, Ŝe udział w niej węgla jest stały i najczęściej przyjmuje się, Ŝe wynosi on 58%.
Stąd procentową zawartość materii organicznej gleby wylicza się mnoŜąc procentową
zawartość węgla przez tzw. współczynnik Van Bemmelena, wynoszący 1,724. PoniewaŜ
jednak udział węgla w róŜnych substancjach organicznych gleby moŜe wahać się w dość
znacznych granicach (48 - 58%), zawartość materii organicznej wyraŜa się najczęściej w
procentowej zawartości C.
Ze względu na duŜą prostotę i łatwość wykonania bez konieczności utycia kosztownych
instrumentów, w masowych oznaczeniach najpowszechniej stosuje się metody z ostatniej
grupy. Na ćwiczeniach poznamy metodę Tiurina.
2.2. Zasada metody
Węgiel organiczny gleby jest utleniany w środowisku kwaśnym za pomocą znanej ilości
dwuchromianu potasowego dodanego w nadmiarze:
2K2Cr2O7 + 8H2SO4 + 3C → 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 3CO2 + 8H2O
(1)
Reakcja (1) jest katalizowana przez HgSO4.
Nadmiar K2Cr2O7, który nie został zredukowany przez materię organiczną, jest oznaczany
poprzez miareczkowanie solą Mohra [Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O] w obecności kwasu Nfenyloantranilowego jako wskaźnika:
K2Cr2O7 + 6Fe(NH4)2(SO4)2 + 7H2SO4 → Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 6(NH4)2SO4 + 3Fe2(SO4)3
+ 7H2O
(2)
Z róŜnicy między ilością soli Mohra zuŜytej na zmiareczkowanie K2Cr2O7 w próbie ślepej
(bez gleby) a ilością soli Mohra jaka weszła w reakcję z nadmiarem K2Cr2O7 w badanej
próbce oblicza się ilość dwuchromianu potasowego zredukowanego przez węgiel organiczny
gleby.
2.3. Wykonanie ćwiczenia.
Do kolby stoŜkowej o pojemności 125 cm3 odwaŜyć 0,1 - 1,0 g gleby przesianej przez sito o
średnicy oczek 0,25 mm (masa próbki zaleŜy od przewidywanej ilości węgla). Następnie
2
Józef Wójcik. Oznaczanie zawartości materii organicznej w glebie metodą Tiurina.
dodać około 0,2g HgSO4 oraz 10 cm3 roztworu K2Cr2O7 o stęŜeniu 0,07 mol na dm3 z
kwasem siarkowym. Roztwór K2Cr2O7 dodawać za pomocą biurety automatycznej. Kolbę
przykryć chłodnicą zwrotną i gotować powoli przez 5 minut. Nie dopuścić do miejscowego
przegrzania kolby, powodującego termiczny rozkład dwuchromianu i w rezultacie zawyŜenie
wyników analizy. Do kaŜdych 5 próbek gleby dołączyć ślepą próbę zawierającą około 0,2 g
HgSO4 oraz 10 cm3 roztworu K2Cr2O7 o stęŜeniu 0,07 mol na dm3 z H2SO4. Drugą identycznie sporządzoną ślepą próbę przeznaczyć na ustalenie miana soli Mohra. Próby tej nie
gotować. Po zakończeniu gotowania odstawić kolbki na 15 minut, po czym spłukać chodnice
zwrotne wodą redestylowaną rozcieńczając zawartość kolbek do około 50 cm3. Do kolbek
dodać po 0,2 cm3 roztworu wskaźnika a następnie miareczkować ich zawartość solą Mohra do
momentu zmiany zabarwienia z fioletowego poprzez szare na jasnozielone. Ustalić miano soli
Mohra poprzez miareczkowanie nie gotowanej próby ślepej.
2.4. Obliczenia.
1. Aby uniknąć błędu spowodowanego termicznym rozkładem części K2Cr2O7, w obliczeniach
uwzględnia się wyniki miareczkowania ślepych prób (gotowanej i nie gotowanej). Objętość soli
Mohra odpowiadającą ilości K2Cr2O7, jaka została zredukowana przez węgiel organiczny gleby
oblicza się bezpośrednio z wzoru:
A = (Vb-Vs)
Vu − Vb
+ (Vb − Vs ) [cm3],
Vu
gdzie: Vu - objętość soli Mohra zuŜyta na zmiareczkowanie nie gotowanej próby ślepej
[cm3],
Vb - objętość soli Mohra zuŜyta na zmiareczkowanie gotowanej próby ślepej [cm3],
Vs - objętość soli Mohra zuŜyta na zmiareczkowanie próbki gleby [cm3].
2. JeŜeli stęŜenie Fe(NH4)2(SO4)2 (obliczone na podstawie miareczkowania nie gotowanej próby
ślepej) wynosiło B moli na dm3, to na zmiareczkowanie ilości K2Cr2O7 jaka weszła w reakcję z
węglem organicznym gleby zuŜyto:
1000 cm3 roztworu zawiera
A cm3
C =
B mol soli Mohra
X mol soli Mohra
AB
[mol Fe(NH4)2(SO4)2].
1000
3. Z reakcji (2) moŜemy wobec tego obliczyć ilość K2Cr2O7 jaka została zredukowana przez
węgiel organiczny gleby:
1 mol K2Cr2O7 reaguje z
D
D =
C
6
6 mol Fe(NH4)2(SO4)2
C mol Fe(NH4)2(SO4)2
[mol K2Cr2O7].
4. Teraz z reakcji (1) obliczamy ilość węgla organicznego w próbce:
2 mole K2Cr2O7 reagują z
3 mol Corg
D
X
────────────────────────────────────
3D
[mol Corg].
X =
2
3
Józef Wójcik. Oznaczanie zawartości materii organicznej w glebie metodą Tiurina.
5. PoniewaŜ masa molowa węgla wynosi 12,011 g, więc w próbce znajdowało się 12,011X g
Corg. Zatem procentowa zawartość węgla organicznego w glebie wynosi:
Corg =
1201,1X
n
[%],
gdzie: n - masa nawaŜki w g.
Wyniki oznaczenia przedstawić w tabeli 1.
Tabela 2.1
Zestawienie wyników.
Zawartość węgla [%]
Gleba
Zawartość materii organicznej [%]
2.5. Odczynniki
1. Roztwór dwuchromianu potasowego o stęŜeniu 0,07 moldm-3 z kwasem siarkowym:
20,5947 g wysuszonego K2Cr2O7 cz.d.a. rozpuścić w około 300 cm3 wody
redestylowanej, dodać ostroŜnie 500 cm3 stęŜonego H2SO4, ostudzić i uzupełnić wodą
redestylowaną do 1 dm3. Roztwór K2Cr2O7 będzie roztworem podstawowym do
określenia miana soli Mohra, dlatego musi być sporządzony bardzo dokładnie.
2. Roztwór soli Mohra o stęŜeniu 0,2 moldm-3: rozpuścić 78,427 g Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O
cz.d.a. w 50 cm3 stęŜonego H2SO4 i rozcieńczyć do 1 dm3 wodą redestylowaną. Z
powodu powolnego utleniania, miano soli naleŜy ustalać kaŜdorazowo bezpośrednio
przed analizą.
3. Kwas siarkowy stęŜony (d = 1,84 g.cm-3.
4. Roztwór wskaźnika: rozpuścić 0,100 g kwasu N-fenyloantranilowego wsk. oraz 0,107 g
Na2CO3 cz.d.a. w 100 cm3 wody redestylowanej.
5. Siarczan rtęciowy HgSO4 cz.d.a.
2.6. Pytania kontrolne
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Co to jest materia organiczna gleby ?
Jaka jest róŜnica między próchnicą właściwą a materią organiczną ?
Scharakteryzuj właściwości fizyczne i chemiczne próchnicy.
Jaką rolę spełnia materia organiczna w glebie ?
Jaka jest zawartość próchnicy w glebach Polski ?
Oblicz procentową zawartość węgla w glebie jeŜeli do 0,5 g gleby dodano 10 cm3
K2Cr2O7 o stęŜeniu 0,07 mol.dm-3, a podczas miareczkowania zuŜyto następujące
objętości soli Mohra: próbka – 6 cm3, ślepa próba gotowana – 16 cm3, ślepa próba nie
gotowana – 20 cm3 (odp. 1,512 % C).
4