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 różnej 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 chemicz-nym. Jest to mieszanina wielu bardziej lub mniej złożonych substancji, których rozdzielenie jest praktycznie niemożliwe. Dlatego też przyjmuje się, że podana wyżej definicja materii organicznej gleb jest, w szerokim i ogólnym znaczeniu, synonimem próchnicy (humusu).

Należy jednak pamiętać, że 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 żyzności gleby. Spełnia ona różnorodne 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 dużej zawartości części spławialnych poprzez tworzenie bardziej stabilnych agregatów.

Próchnica ma dużą pojemność wodną sięgającą 300 - 500 %. Ma to ogromne znaczenie zwłaszcza w przypadku gleb piaszczystych, gdzie pojemność wodna zależy przede wszystkim

od zawartości materii organicznej.

Ciemne zabarwienie poziomu akumulacyjnego gleb zasobnych w substancje próchnicowe przyspiesza nagrzewanie się tych gleb wiosną, przedłużając okres wegetacji.

W trakcie procesów mineralizacji materia organiczna staje się źródłem wielu składników pokarmowych, niezbędnych dla wzrostu i rozwoju roślin.

Próchnica charakteryzuje się bardzo dużą pojemnością sorpcyjną, wahającą się od 200 do 500

cmol .

c 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 stężenie składników pokarmowych.

Gleby uprawne zasobne w substancje humusowe odznaczają się wyższą aktywnością

biologiczną. Populacje mikroorganizmów, czerpiąc z materii organicznej niezbędną dla ich

życia energię i mineralne składniki pokarmowe, stają się liczniejsze, bardziej czynne i

ustabilizowane w swoim składzie gatunkowym.

Materia organiczna odgrywa także bardzo poważną 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 skażeniem 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 niż 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. Można je podzielić na trzy grupy:

1. metody polegające na oznaczaniu zawartości węgla ogólnego oraz węgla nieorganicz-

nego; z różnicy otrzymuje się ilość węgla organicznego,

2. metody polegające na oznaczaniu zawarto ci węgla ogólnego w próbce, z której po-

zbyto 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 zre-

dukowanego utleniacza użytego w nadmiarze.

Obliczenie zawartości materii organicznej we wszystkich grupach metod opiera się na

założeniu, że udział w niej węgla jest stały i najczęściej przyjmuje się, że wynosi on 58%.

Stąd procentową zawartość materii organicznej gleby wylicza się mnożąc procentową

zawartość węgla przez tzw. współczynnik Van Bemmelena, wynoszący 1,724. Ponieważ

jednak udział węgla w różnych substancjach organicznych gleby może wahać się w dość

znacznych granicach (48 - 58%), zawartość materii organicznej wyraża się najczęściej w

procentowej zawartości C.

Ze względu na dużą 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(NH

.

4)2(SO4)2 6H2O] w obecności kwasu N-

fenyloantranilowego jako wskaźnika:

K2Cr2O7 + 6Fe(NH4)2(SO4)2 + 7H2SO4 → Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 6(NH4)2SO4 + 3Fe2(SO4)3

+ 7H2O

(2)

Z różnicy między ilością soli Mohra zużytej 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 stożkowej o pojemności 125 cm3 odważyć 0,1 - 1,0 g gleby przesianej przez sito o średnicy oczek 0,25 mm (masa próbki zależy 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 stężeniu 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 zawyżenie

wyników analizy. Do każdych 5 próbek gleby dołączyć ślepą próbę zawierającą około 0,2 g

HgSO4 oraz 10 cm3 roztworu K2Cr2O7 o stężeniu 0,07 mol na dm3 z H2SO4. Drugą identycz-

nie 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:

Vu − Vb

A = (Vb-Vs)

+ ( Vb − Vs) [cm3],

Vu

gdzie: Vu - objętość soli Mohra zużyta na zmiareczkowanie nie gotowanej próby ślepej

[cm3],

Vb - objętość soli Mohra zużyta na zmiareczkowanie gotowanej próby ślepej [cm3],

Vs - objętość soli Mohra zużyta na zmiareczkowanie próbki gleby [cm3].

2. Jeżeli stężenie 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 zużyto:

1000 cm3 roztworu zawiera

B mol soli Mohra

A cm3

X mol soli Mohra

AB

C =

[mol Fe(NH4)2(SO4)2].

1000

3. Z reakcji (2) możemy wobec tego obliczyć ilość K2Cr2O7 jaka została zredukowana przez węgiel organiczny gleby:

1 mol K2Cr2O7 reaguje z

6 mol Fe(NH4)2(SO4)2

D

C mol Fe(NH4)2(SO4)2

C

D =

[mol K2Cr2O7].

6

4. Teraz z reakcji (1) obliczamy ilość węgla organicznego w próbce:

2 mole K2Cr2O7 reagują z

3 mol Corg

D

X

────────────────────────────────────

3 D

X =

[mol Corg].

2

3

Józef Wójcik. Oznaczanie zawartości materii organicznej w glebie metodą Tiurina.

5. Ponieważ masa molowa węgla wynosi 12,011 g, więc w próbce znajdowało się 12,011X g Corg. Zatem procentowa zawartość węgla organicznego w glebie wynosi:

12011

, X

Corg =

[%],

n

gdzie: n - masa naważki w g.

Wyniki oznaczenia przedstawić w tabeli 1.

Tabela 2.1

Zestawienie wyników.

Gleba

Zawartość węgla [%]

Zawartość materii organicznej [%]

2.5. Odczynniki

1. Roztwór dwuchromianu potasowego o stężeniu 0,07 moldm-3 z kwasem siarkowym:

20,5947 g wysuszonego K2Cr2O7 cz.d.a. rozpuścić w około 300 cm3 wody

redestylowanej, dodać ostrożnie 500 cm3 stężonego 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 stężeniu 0,2 moldm-3: rozpuścić 78,427 g Fe(NH

.

4)2(SO4)2 6H2O

cz.d.a. w 50 cm3 stężonego H2SO4 i rozcieńczyć do 1 dm3 wodą redestylowaną. Z

powodu powolnego utleniania, miano soli należy ustalać każdorazowo bezpośrednio

przed analizą.

3. Kwas siarkowy stężony (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. Co to jest materia organiczna gleby ?

2. Jaka jest różnica między próchnicą właściwą a materią organiczną ?

3. Scharakteryzuj właściwości fizyczne i chemiczne próchnicy.

4. Jaką rolę spełnia materia organiczna w glebie ?

5. Jaka jest zawartość próchnicy w glebach Polski ?

6. Oblicz procentową zawartość węgla w glebie jeżeli do 0,5 g gleby dodano 10 cm3

K2Cr2O7 o stężeniu 0,07 mol.dm-3, a podczas miareczkowania zużyto następujące

objętości soli Mohra: próbka – 6 cm3, ślepa próba gotowana – 16 cm3, ślepa próba nie

gotowana – 20 cm3 (odp. 1,512 % C).

4