Кислотно-основная буферность почв

Все почвы обладают способностью поддерживать на более или менее постоянном уровне различные химические свойства или сопротивляться изменениям под воздействием химических реагентов в природной или лабораторной обстановке. Это общее свойство химической буферности почв, а кислотно-основная буферность - ее частный случай.

Кислотно-основной буферностью почвы называют способность жидкой и твердых фаз почвы противостоять изменению реакции среды (рН) при взаимодействии почвы с кислотой или щелочью или при разбавлении почвенной суспензии.

Кривая буферности графически выражает изменение рН почвенной суспензии при добавлении к почве кислоты или щелочи.

Строится она в координатах «рН — количество добавленной кислоты (щелочи)».

Свойства буферных систем, содержащих слабую кислоту (основание) и ее соль, количественно могут быть выражены уравнением

Гендерсона — Хассельбаха:

где Сα — концентрация (активность) слабой кислоты в буферном растворе; Кα — константа ее диссоциации; Сs — концентрация (активность) соли этой кислоты в том же буферном растворе.

Если буферная система представлена слабым основанием и его солью, то величина рОН = - lgα ОН вычисляется по аналогичному уравнению, но вместо Сα подставляем Сƅ — концентрацию (активность) основания и константу его диссоциации Кƅ.

Конкретным примером могут служить система:

СНзСООН - Н₂0 - CH₃COONa

для которой

В общей форме это уравнение можно записать так:

Буферные системы, как известно, обладают способностью поддерживать рН на относительно постоянном уровне; добавление к ним в известных пределах кислоты или щелочи также мало изменяет рН. Это объясняется тем, что при добавлении сильной кислоты, например, к ацетатной буферной смеси протоны связываются в молекулу уксусной кислоты:

CH3COONa + HC1 -> СН3СООН + NaCl и активность ионов водорода меняется сравнительно мало.

Высокая буферность проявляется в тех случаях, когда концентрации компонентов буферного раствора значительно превосходят вводимые в раствор количества сильных кислот или щелочей. Кроме того, важно, чтобы рН буферного раствора был близок к рКα. Иными словами, согласно уравнению Гендерсона — Хассельбаха максимальная буферность проявляется при отношении:  тогда

 

Буферной емкостью называют количество сильной кислоты (щелочи), которое надо прибавить к буферной системе, чтобы изменить рН на единицу. Величину буферной емкости выражают в грамм-эквивалентах.

Уравнение Гендерсона — Хассельбаха часто используют для определения констант диссоциации слабых кислот. Было оно применено и для нахождения Кα гуминовых кислот и фульвокислот. Как следует из изложенного, при титровании определенного количества гумусовых кислот величина рН в точке полунейтрализации (при [ГКСООН] = [HCCOONa]) совпадает с величиной отрицательного логарифма константы диссоциации титруемой кислоты.

В кислых почвах слабые кислоты находятся и в почвенном растворе (слабые органические кислоты, Н₂СО₃), и в твердых фазах. В твердых фазах - это кислотные группы, такие, как карбоксилы гуминовых веществ - СООН, а также водород минеральных компонентов ППК. Формально в присутствии воды протекает реакция:

Добавление к такой системе оснований сопровождается реакцией нейтрализации:

Количество образующейся условной «соли» ПNa⁺, выраженное в долях единицы, или степень нейтрализации почвенной кислотности, можно обозначить символом α; эту величину называют также степенью насыщения. Тогда уравнение Гендерсона — Хассельбаха для почвы можно записать в виде:

В этом уравнении рК1/2 соответствует величине рН почвы, насыщенной основаниями на 50 %; рК1/2 можно также определить как рН полунейтрализации почвы. Если степень нейтрализации почвенной кислотности равна 0, 5 (или 50 %), тогда

По уравнению Гендерсона — Хассельбаха можно рассчитать необходимую степень нейтрализации почвенной кислотности, чтобы получить заданное значение рН почвенного раствора. Однако практическое использование этого уравнения связано со значительными трудностями; приходится эмпирически находить величину рК1/2, причем эта величина не является константой, поскольку почва — это поликомпонентная система и в разных интервалах рН в реакцию нейтрализации вступают различные по силе кислотные группы.

Практически задачу определения требуемой дозы СаСОз для известкования кислых почв по кривым буферности решают следующим способом. В несколько колб помещают равные навески почвы, добавляют к ним равные объемы 1, 0 н. раствора СаС1₂, затем приливают к полученным суспензиям возрастающие количества 0, 04 н. раствора Са(ОН)₂. После взбалтывания и настаивания в течение 24 часов измеряют рН полученной суспензии (или надосадочной жидкости). По результатам измерений строят график, откладывая по оси ординат рН, а по оси абсцисс — количества добавленного раствора Са(ОН)₂. Аналогично получают ветвь кривой буферности в кислой среде, добавляя к суспензии почвы не Са(ОН> 2 (или NaOH), a HC1 (рис. 22).

 

По кривой буферности находят количество основания, требуемое для доведения рН почвы до любого заданного значения. Затем пересчитывают найденное количество на дозу СаСОз, выраженную в центнерах на гектар.

Использование кривых буферности позволяет точнее найти требуемую дозу извести, но для хозяйственных целей такая точность часто не имеет существенного значения. Это обусловлено различными условиями протекания реакции. Определение дозы извести в лаборатории проводится в условиях, благоприятных для количественного протекания реакции: присутствует избыток жидкой фазы, основание вводится в виде раствора, суспензия перемешивается. В хозяйствах известь вносят на поля в сухом виде с разной тонкостью помола, иногда более 1 мм. Это обстоятельство и недостаточно совершенная техника внесения удобрений приводят к значительной неоднородности распределения известковых материалов по полю. С другой стороны, и сама почва известкуемого поля характеризуется пространственной неоднородностью кислотности. В результате после известкования на поле встречаются участки, как с пониженной, так и с повышенной кислотностью, по сравнению с заданной величиной рН. Используемые для известкования материалы не на 100 % состоят из СаСОз, что также заставляет вносить поправки в расчеты.

Буферность природных почв в их естественном залегании отличается от буферности отдельных проб почвы, которую находят в лабораторных условиях. В лаборатории определяют лишь некоторую статическую характеристику почвенной пробы, изъятой из почвенного тела, в котором непрерывно протекают различные процессы, т. е. почва динамична, а проба почвы мертва, статична. В природных условиях буферность зависит не только от твердых фаз почвы, но и от населяющих почву организмов, от интенсивности нисходящих или восходящих потоков влаги, постоянно нарушающих складывающееся почвенно-химическое равновесие. 

Буферность в таких условиях приобретает черты динамического показателя и характеризует способность почв не только противостоять изменению рН при добавлении кислоты или основания, но и со временем восстанавливать прежнее значение рН.

 

Тема2. Почвенные растворы (3часа).

Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы в природных условиях. Существует понятие почвенная вытяжка – это водные, кислотные, солевые вытяжки, приготовленные в лабораторных условиях. Очень часто эти 2 понятия объединяют. Происходит это потому, что до настоящего времени нет современных методов выделения почвенных растворов для их узучения, поэтому, изучаются, как правило, почвенные вытяжки. Существуют, правда, методы изучения состава почвенных растворов в живой почве in situ с помощью ион селективных электродов, но эти методы тоже не совсем точны.

Состав почвенных растворов меняется в очень широких пределах. В незасоленных почвах концентрация почвенного раствора находится в пределах от десятых долей до нескольких граммов в литре или примерно 5-7 до 100-150 мг-экв /л катионов и анионов. Обычные катионы в почвенном растворе: Ca⁺², Mg⁺², K⁺, NH₄⁺, Na⁺. Анионы: HCO₃^-, SO₄^-2, NO₃^-, Cl^-. При изменении влажности почв концентрация отдельных ионов изменяется, например при уменьшении влажности почв, увеличивается концентрация ионов Na⁺, Cl^-, NO₃^-. Концентрация фосфат иона независима от влажности почв, т.е. она более стабильна.

Для изучения почвенных растворов необходимо знать не только их состав, но и формы нахождения различных веществ в нем. В состав почвенных растворов входят незаряженные (нейтральные) молекулы, ионы и ионные пары, тройники и другие группы ионов. Например ионные пары возникают за счет электростатического взаимодействия заряженных ионов и сольватации. Образование ионных пар характеризует неполную диссоциацию сильного электролита:

Са⁺² + СО₃^-2 ↔ СаСО₃⁰ или Na⁺ + SO₄^-2 ↔ NaSO₄^-

Константа диссоциации ионной пары равна

   [Na⁺] · [SO₄^-2]

K = --------------------- = - lg K = 1, 10

      [NaSO₄^-]

 

Следовательно, исследование почвенных растворов основано на изучении активности ионов и солей, находящихся в растворе.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: