Задание №7 Физико-химические процессы в почве (стр. 3 )

Мнефелина − молярная масса нефелина, г/моль.

Значение молярной массы соединения определяется суммированием молярных масс составляющих его элементов с учетом их количеств в соединении:

Мнефелина = M(K)∙1 + M(Al)∙1 + M(Si)∙1 + M(O)∙4 = 39 + 27+ 28 + 64 = 158 г/моль.

Тогда содержание кислорода и кремния в % (масс.) будет равно:

(О) = (m(O) / Мнефелина)∙ 100% = (16∙4/158) ∙100% = 40%;

(Si) = (m(Si) / Мнефелина)∙ 100% = (28∙1/158) ∙100% = 18%.

Полученные значения 40 и 18% отличаются от массовых кларков кислорода и кремния соответственно, поскольку по определению кларк − среднее содержание элемента в земной коре, а в задаче определено содержание элементов в конкретном минерале.

Ответ: содержание кислорода и кремния в нефелине составляет 40 и 18% (мас.) соответственно.

Пример 2. Глинистые и песчаные почвы имеют удельную поверхность 70 и 7 м2/г абс. сухой почвы соответственно. При условии, что воздушно-сухая почва адсорбирует воду только поверхностью однородного слоя толщиной 1 нм, вычислите содержание воды в каждой почве.

Решение:

Рассмотрим почву с удельной поверхностью Sуд = 70 м2/г. Согласно условию задачи вода в 1г почвы равномерно адсорбирована на поверхности 70м2 с толщиной слоя h = 1нм = 10 м-9 м. Определим объем, который занимает вода в 1г почвы этого образца:

V = Sуд h;

V = 70∙1∙10-9 = 7 ∙10-8 м2/г.

Масса воды m в 1г образца определяется следующей формулой:

m = V,

где − плотность воды.

Табличное значение плотности воды при стандартных условиях составляет 103 кг/м3 = 106 г/м3. Таким образом, масса воды в 1г воздушно-сухой почвы составит:

m = 106 ∙7∙10-8 = 7 ∙10-2г H2O/г почвы.

Процентное содержание воды в почве есть отношение массы воды в почве m к массе навески mн (mн = 1г):

(H2O) = (m/mн)∙ 100% = (7∙10-2 /1)100% = 7%.

Таким образом, масса и процентное содержание воды в образце почвы с удельной поверхностью 70 м2/г составляет соответственно 7 ∙10-2 г H2O/г почвы и 7%.

Аналогичным образом рассчитываются масса и процентное содержание воды в почве с удельной поверхностью 7м2/г. В результате соответствующих вычислений получим: 7∙10-3г и 0,7% соответственно.

Ответ: масса воды равна 70 и 7 мг/г абс. сухой почвы (глинистой и песчаной соответственно), или 7 и 0,7%.

Пример 3. Карбонатная почва имеет следующий гранулометрический состав: 24% песка и 28% пыли и 20% глины. Содержание CaCO3 в почве составляет: 5% в песке, 10% в пыли и 20% в глине. Рассчитайте гранулометрический состав почвы (%): а) в ее начальном состоянии; б) после удаления карбоната кальция с кислотой.

Решение:

Определим массу карбоната кальция в каждой гранулометрической части почвы. Согласно условию задачи в 100г почвы содержится 42г песка, 38г пыли и 20г глины. Соответственно карбоната кальция содержится:

в песке 42∙0,05 = 2,1г,

в пыли 38∙0,10 = 3,8г,

в глине 20∙0,2 = 4,0г.

Таким образом масса чистых компонентов после обработки кислотой (mi) составит:

42 – 2,1 = 39,9г песка,

38 – 3,8 = 34,2г пыли;

20 – 4,0 = 16,0г глины.

Процентное содержание компонентов в исходной почве (i) определяется соотношением:

i = (mi/100)∙ 100%.

Отсюда процентное содержание компонентов в исходной почве после округления составит:

песка = 40%; пыли = 34%; глины = 16%.

Процентное содержание компонентов в почве после удаления из нее карбонатов (*i) определяем с учетом изменения массы навески почвы:

m = i = 2,1 + 3,8 + 4,0 + 9,9г.

*i = [mi/(100 − m)]∙100% = [mi/(100 − 9,9)]∙ 100% = (mi/90,1)∙ 100% ;

* песка = 44%; *пыли = 38%; *глины = 18%.

Ответ: а) 40%. 34% и 16%; б) 44%. 38% и 18%.

Пример 4. Из пробы почвы взята навеска массой 10г и обработана 25 мл 2М раствора HCl. По завершении реакции избыток кислоты оттитрован стандартным раствором NaOH. Расчеты показывают, что на реакцию с почвой расходуется 22,5 мл кислоты. При условии, что кислота реагирует только с CaCO3, вычислите процентное содержание этого вещества (по массе) в почве. Если кислота реагирует с доломитом CaMg(CO3)2, найдите процентное содержание этого вещества в почве.

Решение:

Соляная кислота взаимодействует с карбонатом кальция по уравнению:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O.

Определим количество кислоты, которое провзаимодействовало с CaCO3:

ν (HCl) = C(HCl) ∙ V(HCl),

где C(HCl) − концентрация соляной кислоты; V(HCl) − объем раствора кислоты, который пошел на взаимодействие с почвой (V = 22,5 мл = 22,5 ∙10-3л).

Количество карбоната кальция, вступившего в реакцию:

ν(CaCO3) = 1/2ν(HCl) = 1/2 ∙ 2 ∙ 22,5 ∙10-3 = 2,25 ∙ 10-2 моль.

Масса карбоната кальция в образце почвы составит:

m (CaCO3) = M(CaCO3)∙ν(CaCO3) = 100∙2,25∙10-2 = 2,25 г.

Процентное содержание CaCO3 в навеске почвы массой 10г составит:

(CaCO3) = (2,25/10)∙100% = 22,5%.

Аналогично определяется содержание доломита, при этом примем, что соляная кислота взаимодействует как с карбонатом кальция, так и с карбонатом магния по следующим химическим уравнениям:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O;

MgCO3 + 2HCl → MgCl2 + CO2 + H2O.

Учитывая, что в доломите карбонаты кальция и магния находятся в эквимолярном соотношении, т. е. ν(CaCO3) = ν(MgCO3), получим, что количества CaCO3 и MgCO3 равны и составляют 1,12 ∙10-2 молей.

Пересчитаем моли в граммы, используя ранее приведенное выражение:

m (CaCO3) = 100 ∙ 1,12 ∙10-2 = 1,12г;

m (MgCO3) = 84 ∙ 1,12 ∙ 10-2 = 0,94г

(здесь 84 г/моль − молярная масса карбоната магния).

Масса доломита будет определяться суммой масс его составляющих − карбонатов кальция и магния, и процентное содержание доломита в этом случае составит:

[CaMg(CO3)2] =[(1,12 + 0,94)/10]100% = 21%

Ответ: содержание в почве CaCO3 − 22,5%; CaMg(CO3)2 − 21%.

Пример 5. Почва содержит 3,15 органического вещества. Вычислите процентное содержание углерода и азота в почве, если органическое вещество содержит 60% углерода и массовое отношение C:N равно 10:1.

Решение:

В соответствии с условием задачи в 100г почвы содержится 3,1г органического вещества. Содержание углерода:

m(C) = (3,1/100) 60 = 1,86г.

По условию задачи содержание азота в почве составляет одну десятую от содержания углерода. т. е. m(N) = 0,186г.

Процентное содержание элементов равно:

(C) = [m(C)/100]100% = 1,9%;

(N) = [m(N)/100]100% = 0,19%.

Ответ: процентное содержание углерода и азота в почве равно 1,9% и 0,19% соответственно.

Пример 6. 1 м2 пахотного слоя почвы содержится 6,5 кг органического углерода, а интенсивность дыхания почвы составляет 9г CO2/(м2∙сут). Какая часть органического углерода теряется в сутки на дыхание? Средняя скорость выделения CO2 в течение года − 2,5 г CO2/(м2∙сут), а содержание органического углерода поддерживается за счет поступления растительных остатков. Рассчитайте время оборота для углерода.

Решение:

В первую очередь определим массу углерода (mС), выделяющегося в виде CO2 при дыхании почвы. При этом необходимо учесть массу углерода, которая содержится водной молекуле диоксида углерода, Составим пропорцию:

в 44г CO2 содержится 12г углерода

в 9г CO2/(м2 ∙ сут) содержится mС углерода/(м2 ∙ сут).

Отсюда mС = 9 M(C)/ М(CO2) = 9 ∙12/ 44 = 2,45 г углерода/(м2 ∙сут),

где M(C) и M(CO2) − молярные массы углерода и диоксида углерода.

Определим часть углерода (PC, %), которая теряется в сутки с дыханием, при этом содержание органического углерода в почве (Сорг) необходимо перевести в граммы:

PC = (mС/ Сорг) 100% = [2,45/(6,5∙103)] ∙100% = 0,038%.

ля ответа на второй вопрос определим отношение общего содержания углерода в почве к средней массе, выделяющейся при дыхании в течение года (365 дней): оборота = 6500/(2,5 365) = 26 лет.