Пример решения типовых задач

Пример 1. Из образца влажной почвы массой 50 г были экстрагированы нитраты 200мл 2 М раствором КСl. Концентрация ионов NO₃^- составила 6 мг/л. Содержание воды во влажной почве – 26 г/100 г абс. сухой почвы. Рассчитайте количество ионов NO₃^- в почве в миллиграммах на килограмм абс. Сухой почвы (мг/кг). Какова концентрация нитрата в почвенном растворе? Рассчитайте количество ионов NO₃^- в верхнем слое почвы (2500 т/га) в килограммах на гектар (кг/га).

Решение. Определим количетво нитратов, которое было экстрагировано:

m (NO₃^-) = V_э ∙ С(NO₃^-),

где V_э – объём экстрагента, л; С(NO₃^-) – измеренная концентрация нитратов, г/л;m (NO₃^-) = 200 ∙10 ^-3 ∙ 6∙ 10 ^-3 = 1,2 ∙ 10 ^{– 3}(г).

Пересчитаем образец влажной почвы на абсолютно сухую почву:

126 г влажной почвы содержит 100 г абс. сухой почвы, а

50 г влажной почвы содержит Х г абс. сухой почвы.

Количество абсолютно сухой почвы в 50 г влажной почвы составит:

X = 50∙100 / 126 = 39,7 (г).

В 1 кг абсолютно сухой почвы содержание ионов NO₃^-:

M (NO₃^-) = m(NO₃^-) ∙10³ / X = 1,2 ∙ 10 ^{– 3}∙10³ / 39,7 = 0,03 (г NO₃^- / кг абсолютно сухой почвы) = 30 (мг г NO₃^- / кг абсолютно сухой почвы).

Примем, что объём почвенного раствора равен объёму воды, присутствующему во влажной почве. Тогда концентрация нитратов в почвенном растворе С (NO₃^-)_р-р составит:

С (NO₃^-)_р-р=(m(NO₃^-) / m (H₂O)_почвы) ∙10³ ∙ ρ,

где ρ – плотность почвенного раствора (для упрощения решения примем её равной 1 кг/л;

С (NO₃^-)_р-р = 1,2 ∙ 10 ^{– 3}∙10³ / (50 – 39,7) = 0,12 (г NO₃^- / л)

Общее количество нитратов {m (NO₃^-)_общ.} на площади 1 га:

m (NO₃^-)_общ. = {m(NO₃^-) / m _{образца}} ∙ m_{почвы 1 га},

где m_{почвы 1 га}, - масса почвы на площади 1 га; m _{образца} – масса образца, взятого на анализ; m(NO₃^- - содержание нитратов в почве.

m (NO₃^-)_общ. = (1,2 ∙ 10 ^{– 3}/ 50) ∙ 2500 ∙10³ = 60 (кг/га).

Ответ: в одном килограмме абсолютно сухой почвы содержится 30 мг NO₃^-;

В одном литре почвенного раствора - 0,12 г NO₃^-; в верхнем слое почвы 1 га содержится 60 кг NO₃^-.

Пример 2. 4 мл раствора фосфата с концентрацией 0,4 г/л смешели с 40 г почвы и выдержали её во влажном состоянии в течение одной недели. Затем 5 г такой почвы обработали 50 мл 0,001 моль/л раствора КСl. Образовавшуюся суспензию отфильтровали и определили, что концентрация фосфатов в фильтрате составила 1,1 мкг РО₄^3-/мл. Сколько внесенного фосфата адсорбировалось на почве?

Решение. Общее количество фосфата (m_ф), взятого для эксперимента:

m_ф = C_ф ∙V_ф = 0,4 ∙ 4 ∙ 10^-3 = 1,6 ∙ 10 ^-3 (г),

где С_ф иV_ф - концентрация и объём раствора фосфата, взятого на анализ.

После адсорбции фосфата на почве его содержание в фильтрате (m_ф¹):

m_ф¹ = C_ф¹ ∙V_ф¹ = 1,1 ∙ 10^-6 ∙50 = 5,5 ∙ 10 ^-5 (г),

где С_ф¹ иV_ф¹ - концентрация и объём раствора фосфата после экстракции.

Для всей обработанной почвы будет выполняться соотношение:

m_ф¹¹ = m_ф¹∙m_обр./ m_{н, ==} 5,5∙ 10^-3 ∙40/5 == 4,4 ∙10^-4 (г).

где m¹¹¹ – масса фосфата, способного экстрагироваться солевой вытяжкой

из всего образца почвы; m_обр. – масса образца почвы, взятого на обработку; m_н – масса навески (5 г), взятой для экстракции.

Разность между общим количеством фосфата (m_ф) и количеством фосфата, способного к вымыванию (m¹¹_ф), представляет собой количество фосфата, адсорбированного на почве:

m _ф - m _ф¹¹ = 1,6∙10^-3 – 0,44∙10^-3 = 1,2∙10^-3 (г).

Ответ: на почве адсорбировалось 1,2∙10^-3 (г) фосфата.

Индивидуальное задание N 1

Задание 1. Первой стадией денитрификации является восстановление нитратов до нитритов. Нитриты характеризуются малым временем жизни, восстанавливаясь далее до N₂ и N₂O. Уравнения этой первой стадии таковы:

NO₃^- + 2Н⁺ + 2е^- → NO₂^- + H₂O,

E _h = 0,83 - 0,031 lg([NO₂^-]/[ NO₃^-]) - 0,059 рH.

Рассчитайте соотношение между Е _h и рН = а для случая, когда n % NO₃^- будет восстановлена.

2. Рассчитайте потери Р, S и N на 1 га в 250 мм дренажной воды, если концентрации этих элементов составляли соответственно 0,02; 2,5 и 12 мг/л.

Задание 3. Рассчитайте поступление серы в кг S/(га-год), если годовое количество осадков составляет h мм, общая концентрация в них S равна

a мг/л. При условии, что поступление диоксида серы в виде сухих выпадений и осадков составляет m кг S/(га • год) и его окисление в почве происходит по уравнению:

2SO₂ + О₂ + 2Н₂О = 2Н₂SО₄,

рассчитайте поступление Н⁺, связанное с SO₂, в кг Н⁺/(га • год).

Индивидуальное задание N 2.

Задание 1. При определении в почве подвижного калия были использованы следующие данные: масса навески воздушно-сухой почвы - 10 г, объем водной вытяжки - 50 мл, концентрация ионов К⁺ в вытяжке - 14,3 мкг К⁺/мл. Определите содержание подвижного калия в 1 кг почвы.

Задание 2. Рассчитайте количество К₂SO₅, которое необходимо внести в почву, чтобы обеспечить в ней содержание экстрагируемого К⁺, равное 36 кг/га.

Задание 3. Для понижения кислотности почву подвергают известкованию. В результате известкования почвы в ней протекают химические реакции. Приняв, что ионы водорода вступают в реакцию с СаСО₃ только в стехиометрическом соотношении 2:1, рассчитайте объем газа (при нормальных условиях), который выделяется при обработке 250 л воды с рН 3,3 избытком СаСО₃.

Контрольные задачи.

1. Первой стадией денитрификации является восстановление нитратов до нитритов. Нитриты характеризуются малым временем жизни, восстанавливаясь далее до N₂ и N₂O. Уравнения этой первой стадии таковы:

NO₃^- + 2Н⁺ + 2е^- → NO₂^- + H₂O,

E _h = 0,83 - 0,031 lg([NO₂^-]/[ NO₃^-]) - 0,059 рH.

Рассчитайте соотношение между Е _h и рН для случая, когда половина NO₃^- будет восстановлена и [NO₃^-] = [NO₂^-].

2. Рассчитайте потери Р, S и N на 1 га в 250 мм дренажной воды, если концентрации этих элементов составляли соответственно 0,02; 2,5 и 12 мг/л.

3. Рассчитайте поступление серы в кг S/(га-год), если годовое количество осадков составляет 980 мм, общая концентрация в них S равна 1,5 мг/л. При условии, что поступление диоксида серы в виде сухих выпадений и осадков составляет 12 кг S/(га • год) и его окисление в почве происходит по уравнению:

2SO₂ + О₂ + 2Н₂О → 2Н₂SО₄,

рассчитайте поступление Н⁺, 'связанное с SO₂, в кг Н⁺/(га • год).

4. В почву были внесены азотные удобрения (NH₄NO₃) в количестве 110 кг N/га. Какова масса использованного удобрения, если оно содержит 96% действующего вещества?

При условии, что весь NH₄ нитрифицируется, вычислите увеличение концентрации нитратного азота в почвенном растворе, если удобрение равномерно смешивается с 2600 т почвы при содержании в ней воды 20 г H₂O/100 г сухой почвы. При условии, что в процессе нитрификации выделяется 2 моль Н⁺ на каждый моль минерализованного NH₄⁺, рассчитайте изменение рН почвы. Ее буферная емкость равна 60 ммоль Н⁺/(кг • рН).

5. Урожай сельскохозяйственной культуры равен 12 т сухого вещества на 1 га. Культура содержит 16 г К/кг сухого вещества. Какую массу азотного удобрения необходимо внести на гектар, чтобы компенсировать вынос N с урожаем?

6. Рассчитайте массу каждого из следующих веществ, которая могла бы обеспечить поступление 40 мг N/кг сухой почвы: NH₄NO₃КЩГГОз; (NH₄)₂SO₄; мочевина; сухой навоз, содержащий 1,6% N.

7. Для выращивания сельскохозяйственных культур постоянное пастбище распахали и использовали в течение 30 лет, За этот период содержание органического С уменьшилось с 3,0 до 2,1%. Если соотношение С:N остается равным 10:1, найдите, сколько минерального N выделялось в среднем за год. Примите, что масса почвы равна 2600 т/га.

На другом поле посеяли траву и не распахивали его в течение 30 лет. За этот период содержание С, в почве увеличилось с 1,6 до 2,3%. Предполагая соотношение С:N равным 10:1, рассчитайте, сколько N должно было в среднем поступать ежегодно в почву, чтобы обеспечить его накопление?

8. При выжигании некоторого участка леса образовалось 18 т золы/га. Она содержала: 7,9% Са²⁺; 1,6% Мg²⁺ и 2,6 К⁺. Рассчитайте поступление этих трех питательных веществ в кг/га. Золу заделывают в слой почвы 0 - 15 см, масса которого 2000 т/га. Если питательные вещества растворились и стали обменными, рассчитайте их поступление в смоль (р⁺)/кг. Приняв, что буферная емкость почвы составляла 6 смоль ОН^- /(кг ∙ рН), рассчитайте изменение рН в этом слое, обусловленное внесением золы. Предположите, что катионы в золе находятся в форме оксидов, гидроксидов и карбонатов и что их известковый эффект (смоль ОН~) равен их количеству, выраженному в сантимолях заряда катионов.

9. При определении в почве подвижного калия были использованы следующие данные: масса навески воздушно-сухой почвы - 10 г, объем водной вытяжки - 50 мл, концентрация ионов К⁺ в вытяжке - 14,3 мкг К⁺/мл. Определите содержание подвижного калия в 1 кг почвы.

10. Рассчитайте количество К₂SO₅, которое необходимо внести в почву, чтобы обеспечить в ней содержание экстрагируемого К⁺, равное 36 кг/га.

11. Радиус зоны истощения запасов фосфата вокруг корня растения увеличивается примерно пропорционально корню квадратному из времени: r = 0,32t^1/2, где t - время, сутки. Исходя из этого уравнения, рассчитайте время, необходимое для развития зоны истощения радиусом 5 мм.

12. Для понижения кислотности почву подвергают известкованию. В результате известкования почвы в ней протекают химические реакции. Приняв, что ионы водорода вступают в реакцию с СаСО₃ только в стехиометрическом соотношении 2:1, рассчитайте объем газа (при нормальных условиях), который выделяется при обработке 250 л воды с рН 3,3 избытком СаСО₃.

13. При недостатке азота в почве листва яблонь становится.бледно-зеленой, рано желтеет и опадает, рост веток замедляется. Какой объем 2%-го раствора нитрата аммония (плотность раствора 1006 г/л) следует использовать для подкормки яблоневого сада площадью 200 м² при норме внесения этого удобрения на суглинистых почвах, равной 50 г/м²?

14. Если в почве не хватает фосфора, то листья яблони становятся мелкими, темно-зелеными с голубым, а иногда с бронзовым или пурпурным оттенком. Засыхающие листья - очень темные. Цветение яблонь, голодающих без фосфора, задерживается, а плоды получаются кислыми. Норма внесения в почву двойного суперфосфата Са(Н₂РО₄)₂ составляет 32 г/м², а площадь фруктового сада - 700 м². Какой объем воды потребуется для приготовления 4%-го раствора всего Са(Н₂РО₄)₂, вносимого в почву по этой норме?

15. Если в почве имеется избыток азотных удобрений, то в плодах, ягодах и корнеплодах могут накопиться вредные для здоровья соли - нитраты. Среди овощей больше всего способны накапливать нитраты укроп, салат и петрушка, в меньшей степени - свекла, капуста и морковь. Картофель, помидоры и яблоки почти не накапливают нитратов: их содержание в этих продуктах редко превышает 100 мг/кг (в расчете на КNО₃) при допустимой норме 200 мг/кг. Можно ли употреблять в пищу капусту, содержащую 2,2 ∙ 10^-3 моль КNО₃/кг.

Список литературы.

Учебники и учебные пособия

1. Исидоров В.А. Экологическая химия. СПб.: Химия 2001. 287 c.

2. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд – во МГУ, 1992.400 с.

3. Бримблкумб П. Состав и химия атмосферы: Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

351 с.

4. Богатырева Н.А., Лесненко Е. И. Химия Земли и экология. М.: Изд – во МГУ, 1997. 204 с.

5. Скурлатов Ю.И., Дука Г.Г., Мизити А. Введение в экологическую химию. М.: Высшая школа, 1994. 400 с.

Справочные издания

1. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. – М.: Химия, 1980.

2. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды. Справочные материалы / Под ред. Т.В. Гусевой. М.: Социально – экологический союз, 2000. 148 с.

Приложение

Таблица 1.

Важнейшие физические константы

Энергия диссоциации двухатомных молекул Э₂ → 2Э

Таблица 2

Таблица 2.

Равновесные парциальные давления паров воды в воздухе при различных температурах

Таблица 3.

Константы Генри (Кг) для некоторых газов при температуре 298 К

Таблица 4.

Константы Генри (Кг)

для кислорода при различных

температурах

Таблица 5.

Изменение стандартной энергии Гиббса (∆G⁰) при образовании некото­-
рых веществ и ионов в водном растворе при давлении 101,3 кПа и тем­-
пературе 298 К

Таблица 6.

Изменение стандартной энтальпии (∆H⁰) при образовании некоторых ве­ществ и ионов в водном растворе при давлении 101,3 кПа и температуре 298 К

Таблица 7.

Константы диссоциации угольной и сернистой кислот по

первой (К₁ ] и второй (К₂) ступеням диссоциации

при различных температурах

Таблица 8.

Константа а, характеризующая радиус гидратированного иона в модифи­цированном уравнении Дебая—Хюккеля при давлении 101,3 кПа и тем­пературе 298 К (А=0,5058; В=0,3281 • 10⁸)

Таблица 9.

Концентрация растворенного кислорода [О₃] в воде, равновесной

с возду­хом, при общем давлении 10^-5 Па