Адсорбция меди в почве

 

1. Теоретическая часть

Почва – связующее звено между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. Она играет важную роль в процессах обмена веществами и энергией между компонентами биосферы. Почва – среда обитания и необходимый элемент существования значительной части флоры и фауны планеты. Тем большую тревогу вызывает постоянно возрастающие масштабы антропогенного загрязнения почвы.

К одним из наиболее опасных химических веществ, загрязняющих почву, относятся тяжёлые металлы: медь, свинец, марганец, никель, кадмий, ртуть и др. Они попадают на почвенный покров главным образом аэротехногенным путём с газовыми выбросами различных предприятий.

Тяжёлые металлы (с мольной массой более 40) входят в группу консервативных веществ, которые не разлагаются в природных условиях или разлагаются очень медленно. Следствием этого является накопление тяжёлых металлов в почве и в растениях. По мере продвижения по пищевой цепи концентрация тяжёлых металлов возрастает на несколько порядков. Поэтому необходимо изучение процессов аккумуляции и миграции тяжёлых металлов в почвенном покрове.

Медь – один из важнейших микроэлементов, физическая активность меди связана главным образом с включением её в состав активных центров окислительно-восстановительных ферментов. В растениях медь участвует в синтезе белков, жиров и витаминов. Однако при повышенном содержании медь оказывает токсическое воздействие как на растения, так и на все последующие компоненты пищевой цепи, включая человека, и может быть причиной различных хронических заболеваний. ПДК меди в почве 100 мг/кг.

Основные источники поступления соединений меди в почву – газовые выбросы тепловых электростанций, металлургических и машиностроительных предприятий. Кроме того, в сельском хозяйстве используют содержащие медь микроудобрения и пестициды.

Трансформация соединений тяжёлых металлов в почвенном слое включает в себя следующие процессы: растворение, адсорбция катионов металлов, окислительно-восстановительные реакции, взаимодействие с биотой почвы, аккумуляция в растениях. Основным процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжёлых металлов в почвах, подверженных техногенному загрязнению, является адсорбционно-десорбционное равновесие.

На скорость процесса адсорбции, ёмкость поглощения и эффективность удерживания в почве влияют различные факторы: заряд и радиус катиона металла, его способность к комплексообразованию, строение и пористость сорбента – почвы. Глинистые составляющие почвы представлены главным образом минералами группы монтмориллионита. Это слоистые водные алюмосиликаты, обладающие сильной способностью к набуханию. Характеризуются большими колебаниями состава, включая различное содержание катионов Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺ и Fe³⁺. Считается, что адсорбция тяжёлых металлов почвенными минералами сопровождается или связана с гидролизом металл-катионов:

М²⁺ + Н₂О D МОН⁺ + Н⁺

Величина рК этого процесса характеризует адсорбционное поведение металла: с уменьшением значения рК адсорбционная способность металла по отношению к минералу увеличивается. При равных величинах рК тот же эффект наблюдается при увеличении радиуса иона:

элемент	Cd <	Ni <	Co <	Zn <<	Cu <	Pb <	Hg
рК	10,1	9,9	9,7	9,7	7,7	7,7	3,4

Приведённый ряд позволяет ожидать достаточно высокой адсорбционной ёмкости глинистых минералов по отношению к катиону меди.

Органическая компонента почвы представлена гумусовыми веществами. Это сложная смесь большого числа полифункциональных органических соединений, которые последовательной экстракцией водным раствором щёлочи и подкислением разделяют на более узкие фракции: нерастворимые гумины, гуминовые кислоты, фульвокислоты. Химические вещества этих фракций различаются главным образом по молекулярной массе. Все фракции содержат углерод, водород, кислород, а также 2 – 5% азота и около 1% серы.

Средняя молекулярная масса фульвокислот изменяется от 300 до 3000, а у гуминовых кислот молекулярная масса может превышать 100000.

В гумусовых веществах присутствует как алифатический, так и ароматический углерод.

Кислород в составе гумусовых веществ входит в различные функциональные группы: -ОН (спиртовой и фенольный), –СООН, -С=О, -ОСН₃, -СООR. Общее содержание кислорода изменяется от 45% в фульвокислотах до 33% в гуминовых кислотах. Азот входит в состав аминогрупп и гетероциклов.

Как известно, медь обладает высокой комплексообразующей способностью по отношению к кислород-, азот- и серусодержащим органическим лигандам. Адсорбция металлов в почве противодействует их миграции вглубь по вертикали, но способствует возникновению локальных высоких концентраций с последующим поглощением растениями.

2. Экспериментальная часть

Оборудование и реактивы:

1. Раствор CuSO₄ 0,1н. В мерной колбе ёмкостью 1л. растворяют в воде 12,48 г CuSO₄×5Н₂О и доводят объём раствора до метки.

2. 0,05н. раствор трилона Б.

3. Ацетатный буфер.

4. Индикатор ПАН, 0,1% спиртовой раствор.

Ход работы:

1. В три конические колбы на 25 мл помещают 20 г воздушно-сухой почвы: песчаной (колба №1), глинистой (колба №2) и торфа (колба №3). В каждую колбу наливают по 50 мл раствора CuSO₄, перемешивают 1 – 3мин. и оставляют на 30 мин.

2. Пока устанавливается адсорбционное равновесие между почвой и раствором определяют расход раствора трилона Б на титрование исходного раствора CuSO₄ – V₀, мл. С этой целью в коническую колбу вносят 5 мл исходного раствора CuSO₄, добавляют 2-3 капли индикатора ПАН и титруют 0,05 н. раствором трилона Б до перехода сиренево-розовой окраски в зелёную. Определение повторяют дважды и V₀ находят как среднее значение двух титрований:

, мл.

3. Готовят три сухие конические колбы. В каждую помещают воронку со складчатым фильтром и отфильтровывают образцы почвы.

4. В коническую колбу отбирают пипеткой 5 мл фильтрата, добавляют 3 – 4 капли ацетатного буфера и 2-3 капли раствора индикатора ПАН. Титруют раствором трилона Б до перехода сиренево-розовой окраски в зелёную. При этом определяют объём трилона Б, затраченный на титрование фильтрата после адсорбции V₁. Такое титрование производят для каждого из трёх фильтратов. Результаты титрований заносят в табл.:

Таблица

Результаты измерений

Вид почвы	Масса почвы а, г.	Объём пробы Vпр, мл.	Расход трилона Б, мл	Адсорбция меди G, мг/г.
V0, мл.	V1, мл.
Песок
Глина
Торф

Примечание: V_пр – объём пробы, взятой для титрования;

V₀ – используют среднее значение двух титрований.

5. Последовательность расчёта количества адсорбированной меди.

Расчёт основан на законе эквивалентности, т.е. при титровании в точке эквивалентности количество прореагировавших моль-эквивалентов меди и трилона Б равны.

Находят количество моль-эквивалентов меди в 5 мл исходного раствора n_Cu:

где N_тр – нормальность раствора трилона Б, моль-экв/л. Эквивалент меди равен г.

Первоначальное содержание меди во всём растворе, добавленном к почве, m₁, мг определяют из соотношения:

мг Cu

где V_р-ра – объём раствора CuSO₄, добавленный к почве, мл

соответственно, количество эквивалентов меди в пробе фильтрата после адсорбции составляет:

Содержание меди во всём растворе после установления адсорбционного равновесия m₂, мг находят аналогично:

 

мг. Cu

Количество адсорбированной меди G в мг на 1 г почвы рассчитывают по формуле:

Полученные значения G для разных видов почвы заносят в таблицу и делают вывод о влиянии характера почвенного слоя на его способность удерживать и накапливать катион Сu²⁺.

(Практикум, 1987)

Контрольные вопросы:

1. Какова положительная и отрицательная роль меди в растениях?

2. Какие вам известны источники поступления меди в почву?

3. Что является основным процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжёлых металлов в почвах?

 

Приложение 2.