Лабораторная работа «Методика определения нитрат-ионов в почве»

Цель работы:ознакомиться с методикой определения нитрат-ионов в почвеи овладеть практическими навыками работы на иономере И-160МИ.

Реактивы и оборудование:иономер; ионоселективный нитратный электрод; электрод сравнения (хлорсеребряный, насыщенный раствором хлорида калия); колбы мерные на 100 мл; пипетки мерные; стаканы химические объемом 50 мл; алюмокалиевые квасцы – 1 % раствор; исходный стандартный раствор нитрата калия – 0,1 моль/л; вода дистиллированная.

Общие положения.По опубликованным данным, в России почти 90 % пахотных земель испытывают дифицит в минеральных азотных удобрениях. Однако неумеренное их использование может привести к ряду негативных последствий, обусловленных большой подвижностью соединений азота.

Соединения нитратов, вымываясь из почвы,легко мигрируют в поверхностные и грунтовые воды, загрязняя их. Данный процесс приводит к эвтрофикации воды поверхностных водоемов, приводящей к усиленному росту водорослей. Это в результате способствует нарушению кислородного режима водоемов и приводит к гибели гидробионтов.

Нитраты способны аккумулироваться как впродовольственныхтак и в кормовых растениях, а затем по пищевой цепи поступать в организм человека. Под воздействием бактерий кишечника нитраты переходят в нитириты, которые обладают наибольшей токсичностью. Нитриты, соединяясь с гемоглобиномпереводят его в метгемоглобин, который не способен переносить кислород крови. Это заболевание называется метгемоглобанемией. Из нитратов могут образовываться нитрозамины, обладающие канцерогенными свойствами.

Необходимо учитывать, что попадание нитратов в организм человека обусловлено не только применением селитры в качестве азотного удобрения. Это возможно в результате применения любых (практически всех) азотсодержащих веществ для обработки почвы, будь то удобрение, пестициды либо гербициды. Так, например, мочевина и ее производные достаточно широко используются в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения и химических средств защиты растений. Сама мочевина малотоксичная и не накапливается в организме, однако способна влиять на качественные показатели воды, попадая из почвы в водоемы. В условиях природных водоемов под действием фермента уреазы протекает гидролиз мочевины. Продуктом гидролиза является аммиак, способный окисляться до нитратов и нитритов. Далее процессы в водоеме развиваются по описанной выше схеме.

В связи с широким применением азотсодержащих веществ в сельском хозяйстве возникла проблема контроля содержания нитратов в почве и в растительной продукции. Полученные данные необходимы для составления рекомендаций и нормативов по применению удобрений и для осущствления мер по охране окружающей среды.

Существует несколько методов количественного опреления нитратов в почве. Все они основаны на предварительном извлечении их в раствор с последующим определением. Наибольшее распространение получили метод фотометрического определения с салицилатом натрия и полярографический, реже – методы с восстановлением нитратов до аммиака и нитритов. С появлением ионоселективных электродов широкое применение получил ионометрический метод.

Ионометрический метод определения нитратов в почве основан на извлечении нитратов из почвы 1 %-ным раствором алюмокалиевых квасцов и измерении активности нитрат-иона с помощью ионоселективного электрода. Ионоселективные электроды – это электрохимические полуэлементы, в которых разность потенциалов на границе раздела фаз «электродный материал» – «электролит» зависит от концентрации (точнее активности) определяемого иона в растворе.

Ход работы.

Подготовка электродов к работе. Новый ионоселективный электрод промывают дистиллированной водой и ополаскивают приэлектродным раствором. Затем электрод заполняют приэлектродным раствором и выдерживают в течение 24 часов в растворе с концентрацией – 0,1 моль/л. После этого электрод помещают на 10 минут в дистиллированную воду, промокают фильтровальной бумагой и проверяют его работу, используя растворы сравнения. В перерыве между работой электрод хранят в растворе с концентрацией нитрат-ионов 0,1 моль/л.

Построение калибровочного графика. Для построения калибровочного графика, методом последовательного разбавления, в мерных колбах на 100 мл готовят калибровочные растворы нитрата калия следующих концентраций: 0,01; 0,001; 0,0001 моль/л.

Приготовление калибровочного раствора нитрата калия 0,01 моль/л:

1. С помощью пипетки внести 10 мл раствора нитрата калия концентрацией 0,1 моль/л в мерную колбу на 100 мл.

2. Долить в мерную колбу дистилированной воды до метки (риски на горле коблы).

3. Раствор в мерной колбе перемешать.

Приготовленный раствор нитрата калия имеет концентрацию 0,01 моль/л.

Из раствора нитрата калия 0,01 моль/л, описанным выше способом, готовят раствор нитрата калия 0,001 моль/л и т. д. Подобный способ приготовления называют «последовательное разведение».

В приготовленных растворах проводят измерение активности нитрат-иона с помощью электродной пары. Измерение активности начинают с раствора с меньшей концентрацией. Электроды перед погружением в калибровочные растворы промывают дистиллированной водой и подсушивают фильтровальной бумагой. Показания прибора считывают после прекращения заметного дрейфа показаний прибора.

По измеренным значениям строят калибровочный график в координатах Активность, mVот , представляющий собой прямую (примечание: ).

Анализ пробы почвы. Пробы почвы анализируют в воздушно-сухом состоянии. Для этого образцы почвы высушивают до постоянной массы при температуре 40 ⁰С и пропускают через сито с отвертиями диаметром 1 – 2 мм.

20 г почвы взвешивают на технических весах с точностью до 0,1 г и переносят в стеклянный стакан. К пробе приливают 50 мл 1 %-ного раствора алюмокалиевых квасцов, и перемешивают содержимое в течение 3 минут. Затем полученнуюсуспензию профильтровывают и в фильтрате с помощью электродной пары измеряют активность нитрат-иона. Измерения проводят в нескольких параллелях и берут среднее значение. Содержание нитрат-ионов находят по калибровочному графику в единицах . Затем по этой величине с помощью таблицы 5.2 или формуле 5.3 определяют массовую долю азота нитратов в почве (Х, мг/кг):

                                                (5.3)

где М – молярная масса , г/моль;

V – объем экстрагирующего раствора, мл;

m_н– масса навески почвы, взятой для анализа, г.

Полученные результаты сравнивают с предельно-допустимой концентрацией (ПДК нитратов в почве = 130 мг/кг) и делают вывод о пригодности исследуемой пробы почвы к использованию.

При анализе проб в состоянии естественной влажности, полученный результат (Х) пересчитывают на сухую почву, умножая его на коэффициент К₁ и К₂, которые учитывают долю влаги в почве и увеличение объема экстрагирующего раствора, взаимодействующего с анализируемой пробой, за счет содержащейся в почве влаги, которые вычисляют по формулам 5.4 и 5.5:

Таблица 5.2 – Пересчет  в массовую долю азота нитратов в почве (Х), мг/кг

                                                           (5.4)

                                                    (5.5)

где W – массовая доля влаги в анализируемой почве, %;

2,5 – соотношение массы пробы почвы и объемаэкстрагирующей жидкости.

Для определения массовой доли влаги в почве (W, %) навеску почвы помещают в фарфоровые стаканчики. Для глинистых, высокогумусных почв с высокой влажностью навеска составляет 15 – 20 г, для легких почв с невысокой влажностью – 40 – 50 г. Стаканчик с пробой вместе с крышкой помещают в сушильный шкаф. Нагревают при (105±2) ⁰С. Песчаные почвы высушивают в течение 3 часов, остальные – в течение 5 часов. Последующие высушивания проводят в течение 1 часа для песчаных почв и 2 часа – для остальных почв.

После каждого высушивания стаканчики с почвой закрывают крышкой, охлаждают в эксикаторе и взвешивают с погрешностью не более 0,01 г. Высушивание проводят до постоянной массы, расчет массовой доли влаги в почве (W, %) выполняют по формуле 5.6:

(5.6)

где m– масса пробы с бюксом до высушивания, г;

m₁– масса пробы с бюксом после высушивания, г;

m₂– масса пустого бюкса, г.

Массовую долю азота нитратов в пересчете на сухую почву (Х₁, мг/кг) определяют по формуле 5.7:

                                                                 (5.7)

где Х₁– массовая доля азота нитратов в пересчете на сухую почву, мг/кг;

Х – массовая доля азота нитратов во влажной почве, мг/кг.

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте, к каким негативным последствиям приводит внесение в почву минеральных удобрений.

2. Назовите методы определения содержания нитратов в почве получившие наибольшее распространение.

3. На чем основан ионометрический метод определения нитратов в почве?

4. В каких коотрдинатах строят калибровочный график в лабораторной работе?

5. Какой показатель нормирует содержание загрязняющих веществ в почве?