Потенциометрическое титрование – основной метод изучения и количественной оценки кислотно-основной буферности почв

При изучении и количественной оценке буферности почв к кис-лотам и основаниям наиболее распространенным методом является потенциометрическое титрование кислотой и основанием водных почвенных суспензий и водных вытяжек из почв.

Суть метода потенциометрического титрования заключается в том, что к известному объему вытяжки или суспензии с заданным разбавлением добавляют определенное количество титранта – кислоты или основания, после чего регистрируют изменение в системе рН. По результатам титрования строят кривые титрования в координатах: величина рН – количество добавленного титранта, а также рассчитывают общую буферность и получают зависимости интенсивности буферности от рН.

Диапазон значений рН почвенных образцов, в котором проводят титрование, зависит, прежде всего, от целей исследования, но в большинстве случаев нецелесообразно осуществлять титрование за пределами значений рН < 3 и > 10. За этими пределами большое влияние на результаты титрования почвенных суспензий и вытяжек оказывают буферные свойства воды; кроме того, в самой почве при рН < 3 и > 10 начинается интенсивное растворение ряда компонентов, и происходят другие существенные изменения, в результате которых формируется система, весьма далекая от нативного состояния.

Потенциометрическое титрование почвенных образцов проводят двумя способами, которые условно называются непрерывным и равновесным потенциометрическим титрованием (соответственно НПТ и РПТ ).

Унифицированных методик определения кислотно-основной буферности почв методом потенциометрического титрования не существует, но при НПТ изменение рН оценивают через несколько минут после добавления титранта, а при РПТ – через более длительный промежуток времени, измеряемый часами или сутками. Соответственно НПТ позволяет регистрировать только быстро протекающие буферные реакции: большую часть гомогенных реакций в растворе, частично – реакции катионного обмена, протонирования-депротонирования зависимых от рН обменных позиций и диссоциации органо-минеральных соединений в твердой фазе. По многим буферным системам, присутствующим в почве, равновесие в системе почва-раствор в процессе НПТ не успевает установиться. Вместе с тем, преимуществом метода НПТ является возможность добавлять титрант небольшими порциями и, соответственно изучать протекающие буферные реакции достаточно детально.

При РПТ дополнительно регистрируются более полно реакции катионного обмена и медленно протекающие реакции растворения некоторых труднорастворимых компонентов. Ограничения метода заключаются в невозможности получать буферные реакции с такой степенью детальности, как при НПТ, поскольку титрант приходится добавлять значительно бó льшими порциями. Кроме того, при более длительном взаимодействии с титрантом в системе почва-раствор могут протекать вторичные реакции затрудняющие интерпретацию результатов титрования. В отношении некоторых, наиболее труднорастворимых компонентов (например, силикатов), равновесие не успевает установиться и при проведении РПТ. Основная проблема, возникающая при интерпретации результатов НПТ и РПТ, заключается в том, что почва – система полидисперсная, поликомпонентная и полифункциональная, состоящая из большого числа буферных компонентов, часто имеющих близкие константы диссоциации. Поэтому кривая титрования почвенных образцов часто представлят собой пологую линию без заметных точек перегиба и платообразных частков, которые можно было бы отнести за счет определенных буферных компонентов. Достоверная идентификация буферных реакций, проходящих в процессе НПТ и РПТ, требует проведения специальных экспериментов, в которых в процессе титрования ведутся наблюдения за изменением различных почвенно-химических характеристик.

Способы представления результатов непрерывного потенциометрического титрования.

По результатам титрования водной суспензии почвы или вытяжки из почвы можно построить кривую НПТ, пример которой дан на рис. 7. Из рисунка хорошо видно что, почвенный образец обладает кислотно-основной буферностью – он требует добавления значительно бó льших количеств кислоты или основания для достижения определенных значений рН по сравнению с системой, практически лишенной буферности (суспензия отмытого кварцевого песка в дистиллированной воде).

 

и водной суспензии почвенного образца

 

Традиционно в качестве общего интегрального показателя кислотно-основной буферности было принято использовать площадь фигуры, заключенной между кривыми потенциометрического титрования водной суспензии почвенного образца и водной суспензии отмытого кварцевого песка. Вместе с тем, по данным титрования можно получить и более детальную информацию о кислотно-основной буферности почвы.

По результатам титрования строят график зависимости интенсивности буферности от рН. Для этого кривую титрования разбивают на участки, соответствующие определенным равным интервалам значений рН. Интервалы рН подбирают таким образом, чтобы изменение рН на каждом участке было минимальным, но при этом неизмеримо больше ошибки работы электрода. Реально этому требованию удовлетворяют интервалы рН не менее 0, 25 единиц рН. На графиках зависимости интенсивности буферности от рН во многих случаях можно выявить области рН с максимальными значениями β и по ним диагностировать присутствие буферных компонентов с определенными значениями констант диссоциации.

 

 

 

На рисунке представлен график зависимости интенсивности буферности от рН, построенный по кривой НПТ водной суспензии почвенного образца из горизонта А подзолистой почвы; интервал значений рН был выбран равным 0, 5 единицы. Из графика видно, что интенсивность буферности по интервалам рН существенно меняется, и что максимальные значения этой величины наблюдаются в области самых высоких и самых низких значений рН. Это вполне объяснимо в условиях наиболее кислой и наиболее щелочной реакции интенсифицируются процессы растворения многих почвенных компонентов, которые осуществляются с поглощением соответственно протонов и гидроксильных групп. Кроме того, поскольку в процессе титрования равновесие по многим буферным компонентам не успевает установиться, буферные реакции смещаются в области более низких и более высоких значений рН при титровании кислотой и основанием соответственно.

Из графика также видны максимумы интенсивности буферности в области значений рН 5–4, 5, 6, 5–7 и 8–8, 5 при титровании основанием, что дает возможность предполагать наличие в образце трех буферных компонентов с соответствующими значениями констант диссоциации.

Учитывая, что объектом исследования был органогенный горизонт, и, используя имеющиеся сведения о константах диссоциации функциональных групп специфических органических кислот (Орлов, 1990), первые два максимума можно отнести за счет реакции депротонирования двух типов карбоксильных групп, а максимум в области 8–8, 5 – за счет реакции депротонирования аминогрупп. Максимум в области значений рН 9–10, помимо общего увеличения буферности с повышением рН, можно объяснить также участием в буферных реакциях фенольных гидроксилов.

Результаты НПТ и РПТ можно представлять и в табличной форме. В таблицу помещают значения рН начальной точки титрования (рН НТТ), буферность по выбранным интервалам значений рН и общую буферность в выбранном диапазоне значений рН. При необходимости можно дополнить таблицу сведениями о запасах буферных компонентов в призме почвы определенного поперечного сечения и определенной мощности. Такое представление материала дает возможность сопоставлять запасы буферных компонентов в отдельных горизонтах, а при их суммировании – получать сведения о количестве буферных компонентов в профиле в целом.

В таблице 5 в качестве примера приведены данные С.Е.Ивановой

(1998) по кислотно-основной буферности водной суспензии горизонтов Н и АЕ подзолистой почвы, рассчитанные на основании кривых НПТ. В данном случае, поскольку интервал значений рН был выбран равным одной единице рН, помещенные в таблицу величины условно соответствуют интенсивности буферности. Условность связана с тем, что в строгом смысле слова интенсивность буферности – величина дифференциальная.

 

В таблицу внесены также проценты буферности в каждом интер-

вале значений рН от общей буферности при титровании кислотой от рН НТТ до 3 и от рН НТТ до 10 при титровании основанием. Такие расчеты дают представление о структуре буферности – т.е. о ее распределении по интервалам значений рН.

Из таблицы видно, что в горизонтах Н и АЕ при больших различиях в абсолютных величинах буферности к основанию ее структура (распределение по интервалам значений рН) почти одинакова. Это значит, что оба горизонта характеризуются близким соотношением кислотных компонентов разной силы.

Буферность к кислоте имеет в горизонтах Н и АЕ разную структуру – в горизонте АЕ содержится относительно больше (35%) компонентов с большей оснó вной силой, которые титруются в интервале значений рН 5-4, чем в горизонте Н (9%).

 

Методы определения буферности почв

 

Существует несколько методов определения буферности (Антипов-Каратаев, Фирсова 1942; Ремезов 1957) в основе которых лежит метод поэтапной обработки почвы дробными титрованными дозами кислоты или щелочи с измерением рН после установления равновесия. Определение выполняется следующим образом. В ряд колбочек берут навески по 10 г. приливают возрастающее количество щелочи (кислоты) и убывающее количество дистиллированной воды без СО2. Взбалтывают, отстаивают и измеряют через несколько минут НПТ и через сутки РПТ. По полученным данным строят кривые титрования, рассчитывают интенсивность буферности (буферную емкость) по значеиям НПТ и строят график. По значениям НПТ заполняют таблицу для полной характеристики кислотно-основной буферности.

 

 

ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: