土壤中 CaCO3的测定
本章要点:
1、了解土壤 CaCO3测定的各种方法。
2、掌握气量法测定土壤 CaCO3的方法原理
及测定条件。
3、掌握快速(中和)滴定法测定土壤 CaCO3
的方法原理及测定条件。
土壤中 CaCO3的测定
测定方法评述
测定 CaCO3利用的基本化学反应是:
CaCO3 + 2 HCl = CaCl2 + H2O + CO2?
即,土壤中的 CaCO3与非氧化性酸反应,产生一
定量的 CO2,然后用不同的方法测定的 CO2量。
用非氧化性酸的 目的 是防止土壤中的有机质被氧化
产生 CO2,所以一般用 HCl,有时加少量 FeCl2或
SnCl2。
测定 CaCO3的方法很多,有重量法、快速(中和)
滴定法及气量法。
目前使用较多的是气量法( GB方法),如约测则
用快速滴定法。
上述方法中直接的重量法结果较准确,但操作和
仪器装置较繁琐;气量法简便、快速,同时有一
定的准确度。快速滴定法最为简捷,但准确度不
够高,适用于精度要求不高的大批样品的测定。
气量法
1、原理,土壤样品与 HCl反应产生 CO2,由其体积
换算成 CaCO3的质量。
2、测定方法:
( 1) 比重法:
反应时产生的 CO2气体在一定的温度和压力下(需
大气压计)具有一定的比重,从 CO2比重表中查出
每毫升 CO2的重量( ?g/ml或 mg/ml),然后换算成
CaCO3含量。
( 2)标准曲线法:
用不同重量的标准 CaCO3系列,加酸后所产生的 CO2
体积绘制工作曲线,同时测定土样中产生 CO2体积,
在工作曲线上直接查出 CaCO3含量即可。
要求测定土样与工作曲线的条件完全一致,如温度、
压力。
本法不需要气压计及 CO2比重表,但操作繁琐、费时。
美国:
产生 CO2体积
与压力增加数
成直线关系
( 3)国家标准法:
原理同上,只需测一个标样。
土样与标准物( CaCO3)在相同的测定条件下,分
别测定土样与标准物中的 CO2体积,直接用公式计
算土样中的 CaCO3含量。
CaCO3 % = mr ? Vs ? 100 /( Vr ? ms)
mr -- 称取 CaCO3标准物的质量,g;
ms -- 称取土样的质量,g;
Vr -- CaCO3标准物产生的气体体积读数,ml;
Vs -- 土样产生的气体体积读数,ml。
此法简单、快速,比标准曲线法省时。
3、测定条件:
( 1) 控制样品的称样量,以便使产生的 CO2体积在
量气管的适当范围内(要保证能够读数)。为此应
先预测,用 10%HCl( 3 mol/L) 2-3滴加到土样中,
按泡沫反应的激烈程度决定称样量的多少。
( 2) 测定前一定要检查仪器是否密闭不漏气。
( 3) 防止量气管及反应瓶受外界温度变化的影响,
主要是 人体温度 的影响,如手拿反应瓶或量气管。
此实验中,为使反应均匀而用磁力搅拌器,这样温
度会有所上升,反应后需等温度降至起始温度时再
读数( CO2体积)。
快速(中和)滴定法
1、原理,土样中的 CaCO3与过量的标准酸( HCl)
作用后,剩余的酸用标准碱回滴,(以酚酞为指示
剂),无色 ?粉红色,由净消耗的酸量计算土壤中
CaCO3的含量。
此法只能得到近似值。因为 HCl不仅 CaCO3反应,
而且还有其它副反应,如交换性盐基被 H+交换、某
些碱土金属的硅酸盐被分解等,使得 HCl消耗量增
加,结果偏高。
至于土壤中 Fe,Al等氧化物溶解时所消耗的酸,不
会产生误差,因为最后的终点是用碱滴定至 pH 8左
右,Fe,Al又消耗了等量的碱而沉淀出来。
2、测定条件:
( 1) 先预测,以确定样品的称样量。
( 2) 加入的标准酸必须过量,一般以过量 30-50%
为宜,以保证反应完全和 NaOH消耗的一定量
(体积)。
本法虽为近似值,但作为一般性的了解土壤中 CaCO3
的含量时仍可采用。
土壤有机质的测定
本章要点:
1、了解土壤有机质的概念、含量范围及测定
意义。
2、熟悉土壤有机质测定的各种方法的优缺点。
3、掌握铬酸氧还滴定法测定土壤有机质的原
理。
4、掌握外热源法和稀释热法测定土壤有机质
的反应条件及注意事项。
5、熟悉外热源法和稀释热法的优缺点。
6、了解土壤活性有机碳的概念及测定意义。
土壤有机质的测定
有机质含量通常被作为评价土壤肥力水平高低的重
要指标之一。
土壤有机质 是土壤中各种形态有机化合物的总称,
它包括土壤中各种动植物残体、微生物及其分解与
合成的各种有机形态。
有机质含量在不同土壤中差异很大,泥炭土,20%,
某些砂土,0.5%。
含量一般是荒地 ?耕地、水田 ?旱田、土壤表层 ?下层。
注意,不一定含量越高就越好,关键看有机质能否被
有效利用。
我国土壤耕层的有机质含量一般在 5%以下,其中
东北较高,南方水田次之,华北、西北含量较低。
东北黑土 4.0 – 5.0%
西北 0.6 – 2.0%
南方红、黄壤 2 – 3 %
华北 0.5 – 1.5%
华北地区不同肥力等级的土壤有机质含量约为:
高肥力地 ? 2%
上等肥力地 1.5-2.0%
中等肥力地 1.0-1.5%
低等肥力地 0.5-1.0%
薄砂地 ? 0.5%
土壤有机质一般处于分解与积累的平衡中,因此相
对来说是比较稳定的,不必年年测定。
土壤有机质与土壤全氮含量之间有较高的相关性,
一般土壤有机质含全 N约 5-6%,所以可以从有机质
含量估算全 N含量。
土壤全 N % = 土壤 OM % ?( 0.05 - 0.06)
土壤 OM % = 土壤全 N % ? 17
长期以来,在土壤分析中一直采用通过测定有机 C
的方法来换算土壤 OM含量。 为什么?
一般认为 OM含有机 C量为 58%。
土壤 OM % = 土壤有机 C % ? 1.724
测定方法评述
一、干烧法:
在高温下将有机 C加热分解,使其变成 CO2后,用
碱石灰( CaO+NaOH)吸收生成的 CO2,由 CaCO3
重量换算成 OM含量。
二、湿烧法:
土壤 + K2Cr2O7-H2SO4 ? CO2 ? BaCO3?
K2Cr2O7在 H2SO4存在下,土壤有机 C氧化成 CO2,
释放出的 CO2可以按照上述干烧法测定; 也可把
CO2导入过量 Ba(OH)2溶液中使成 BaCO3?,然后
用已知的标准酸( HCl)滴定剩余的 Ba(OH)2,由
净消耗的酸量求 OM含量。
干烧法与湿烧法
优点:
( 1) 均为经典方法,具有较高精密度,可作为标
准方法;
( 2) 使有机 C分解完全;
( 3) 不受还原物质的影响。
缺点:
( 1)干烧法需要特殊的仪器设备和较高的操作技术;
( 2)操作费时,碳酸盐有干扰。
根据干烧法原理制造的 C自动分析仪(高温电炉 +气谱)
样品含 C,10mg/kg – 99%均可测定
过程:
加速剂 ( Fe,Sn) 转化器 气相色谱
样品 CO CO2 测定
通入纯 O2 MnO2+CuO
每个样品只需 4 min,效率高。
三、铬酸氧还滴定法:
用一定浓度的 K2Cr2O7-H2SO4溶液,氧化土壤中的
有机 C,以邻菲罗啉为指示剂,用标准 FeSO4滴定
剩余的 K2Cr2O7,由净消耗的 K2Cr2O7量来计算所
氧化的有机 C量。
2Cr2O72-(过量) + 3C + 16H+ =
3Cr3+ + 3CO2?+ 8H2O + K2Cr2O7(余)
Cr2O72-(余) + Fe2+ ? Cr3+ + 3Fe3+
根据加热方式不同,又分为 外热源法 和 稀释热法 。
铬酸氧还滴定法:
优点,操作简便、快速,不要求特殊仪器及很熟练
的操作技术,土壤中碳酸盐无干扰,适于大批量
样品的分析。
缺点:
( 1)对样品 OM含量有一定要求,超过 15%不易得
到准确结果(可用稀释热法补救);
( 2) Fe2+,Cl-,MnO2等均对氧还反应有干扰;
( 3)与干烧法相比,反应不够彻底,氧化不完全,
准确度差些。
四、比色法:
根据 K2Cr2O7滴定法原理,K2Cr2O7中 Cr6+为橙色,
还原态 Cr3+为绿色,利用过量的 K2Cr2O7被还原后
产生的绿色 Cr3+或剩余的 K2Cr2O7 橙色的变化情况
来计算有机 C的含量。
铬酸氧还滴定法
基本原理:
2Cr2O72-(过量) + 3C + 16H+ =
3Cr3+ + 3CO2?+ 8H2O + Cr2O72-(余)
Cr2O72-(余) + 6Fe2+ + 14H+ =
2Cr3+ + 6Fe3+ + 7H2O
邻菲罗啉指示剂变血红色,根据 Cr2O72-净消耗量
计算土壤有机 C含量,再换算成 OM%。
一、外热源法:
1、原理,同上,土样 +K2Cr2O7-H2SO4溶液混合后,
需要加热一定时间,所以叫外热源法。
该法氧化程度(氧化有机 C)是干烧法的 90-95%,
所以测定结果应乘以氧化校正系数 1.1。
2、反应条件:
( 1) 试剂浓度:
主要指氧化剂浓度,要求 氧化剂过量 25%以上,以
便使反应完全。
实验中,回滴 K2Cr2O7时所用 FeSO4溶液的体积不能
少于 5ml(或少于空白用量的 1/3)。若少,则应重
做或减少称样量。
用眼睛观察,在消煮过程中,试管内溶液由桔红色
渐变成 棕褐色 或 墨绿色 是正常的(说明氧化完全),
如呈 草绿色,则表示 K2Cr2O7中的大部分 Cr6+已被
有机质还原成 Cr3+(即氧化不完全),此时应减少
称样量,弃去重做。
( 2)加热温度及加热时间:
应严格按照要求操作,加热到 170-180?C时,放入
装土样的试管,开始冒大气泡时算沸腾,保持沸腾
5min,(放入后降温至 165?C)。
注意掌握温度的原则,以沸腾为准。
加热时应尽量减少水分的蒸发,以免因失水过多使
K2Cr2O7溶液酸度升高,沸点上升,而使铬酸部分
分解,影响测定结果的准确性。 防止办法:在硬质
试管上加小漏斗。
加热方式:油浴、石蜡浴,H3PO4浴、电热板、远
红外消煮炉。
( 3) 干扰及其消除:
A,Fe2+,Cl-,为还原性物质,使结果成正误差。
消除,新采来的土样凉干、压碎、平摊成薄层,让
其在空气中充分暴露,待充分氧化后( Fe2+?Fe3+),
再进行有机质的测定。
Cl-:在高温时与 Cr2O72-反应,产生正误差。
Cr2O72- + 6Cl- +14H+ = 2Cr3+ + 3Cl2 + 7H2O
消除方法,视 Cl-含量的多少有不同处理方法。
I,如 Cl-? 1%时,可以用水洗去,此法操作麻烦,
且容易把易溶性有机质组分洗出,所以水洗后应
说明测值不包括水溶性有机质。
II,如 Cl- ? 1%时,加适量 Ag2SO4,使 Cl-?AgCl?,
Ag2SO4在除 Cl-的同时,还有催化作用,能够促
进有机 C分解,使反应的完全程度达到干烧法的
96-97%,所以计算 OM含量时,氧化校正系数由
1.1?1.04。
此法对 Cl-含量高时效果不好,因为 Ag2SO4用量不
能太多,否则会生成 Ag2Cr2O7?而影响测定结果。
III,Cl-含量多的盐土( Cl / C ? 5,原子比),可
用校正方法消除。 即,先测 Cl-含量,在计算 OM
含量时减去 Cl-的影响,以进行校正。
土壤 OM% = 实测 OM% ? 1/7土壤 Cl-%
(已校正) (未校正)
B,MnO2的影响,有氧化作用
2MnO2 + C + 4H+ = CO2 + 2Mn2+ + 2H2O
可见,MnO2的存在会对有机 C结果产生负误差,但
实际上几乎无影响,因为只有新沉淀的 MnO2才有氧
化能力,一般土壤中很少有活性 Mn存在,所以大多
数土壤无此干扰。
C,有机质组成不同的影响:
有机质的主要组成是 C,H,O….,( N,S) …,一
般组成中 H与 O是 2:1,此时对测定结果无影响。当
不符合这个比例关系时,有机 H多时,消耗 Cr2O72-
多,反之,有机 O多时,消耗 Cr2O72-少,从而使测
值产生正或负误差。
4、测定结果计算:
土壤有机 C% = ? 100
土壤 OM%= 土壤有机 C% ? 1.724
*注意:
FeSO4易被空气氧化而改变浓度,用时需当天标定。
(a-b) ?cFe ? 0.003 ? f
m
5、空白实验:
加 SiO2目的:防止溶液暴沸及溅失。
6、介绍国家标准方法:
电砂浴,
150 ml三角瓶(上加
简易空气冷凝管),
200-230?C。
*注意:
结果计算时无氧化
校正系数 1.1。
外热源法的优点:
氧化有机 C比较完全(是干烧法的 90%以上);
各土壤间的变异较小;
测定结果精密度较好。
缺点:
加热温度高,不易控制恒温,所以易产生误差。
二、稀释热法:
原理同上,只是利用浓 H2SO4的稀释热(可达
120?C)来加热氧化有机 C,而不用加热设备
来加热。
此法对有机 C的氧化程度较低,仅为干烧法的
71%,所以测定结果应乘以氧化校正系数 1.4,
北京郊区为 1.48,华北、西北为 1.46。
优点在于测定结果精密度较高,操作简便,省去了
加热设备。但由于靠稀释热加热,温度低,氧化不
完全,各土壤间氧化程度的变异较大,且易受不同
季节气候等因素的影响,一般在 室温 20?C时较好,
若温度较低,应采取保温措施。
活性有机碳 是指易氧化的有机 C,而稀释热法氧
化力低,这也是它最大的优点。因为最易被氧化的
有机质,也是最易被微生物分解和被植物吸收的,
且其含量高低大体上可代表土壤含 N的情况,所以
稀释热法测得的有机质更能代表易被微生物分解的
有机质,是活性高的,对植物更有效的。
将易被微生物分解的及易氧化的有机质称为“活性
有机质”或“有效有机质”,因而使稀释热法更具实
际意义。