Практикум по химии почв

УДК 542
ББК 40.3

М22

Рецензенты:

Г.Ф. Копосов — доктор биологических наук,
профессор Казанского (Приволжского) федерального университета;
П.М. Сапожников — доктор сельскохозяйственных наук,
профессор Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Мамонтов В.Г.

М22
Практикум по химии почв : учебное пособие / В.Г. Мамонтов,

А.А. Гладков. — М. : ФОРУМ : ИНФРАМ, 2019. — 272 с. — (Высшее
образование: Бакалавриат).

ISBN 9785911349547 (ФОРУМ)
ISBN 9785160101989 (ИНФРАМ)

В учебном пособии изложены методы анализа элементного состава минеральной части почв, способы выражения результатов валового анализа и
пересчета аналитических данных. Приведены методы изучения ионносолевого комплекса почв и доступных форм элементов питания растений, а
также методы, используемые для определения общего гумуса и азота, группового и фракционного состава гумуса, и методы изучения некоторых
свойств гумусовых кислот. Рассмотрено использование данных валового
анализа, результатов изучения ионносолевого комплекса и органического
вещества почв в практических целях.

Пособие предназначено студентам и бакалаврам высших учебных заведений, обучающимся на факультетах почвоведения, агрохимии и экологии
по направлению 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение», а также магистрам, аспирантам и научным работникам, специализирующимся в области
почвоведения, агрохимии, экологии и агрономии.

УДК 542
ББК 40.3

ISBN 9785911349547 (ФОРУМ)
ISBN 9785160101989 (ИНФРАМ)

© Мамонтов В.Г., Гладков А.А., 2014
© Издательство «ФОРУМ», 2014

Введение

Одной из важнейших характеристик почвы является ее химический состав, включающий большой набор химических элементов и их
соединений. По химическому составу почва отчетливо выделяется
среди других природных тел. Формируясь при непосредственном
взаимодействии атмосферы, гидросферы, литосферы и живых организмов, почва в той или иной степени наследует их химический состав, приобретая вместе с тем и свои индивидуальные особенности,
что является следствием определенной совокупности элементарных
почвенных процессов, протекающих в специфических условиях биогеохимического круговорота веществ.
Твердая фаза почвы состоит из минеральных и органических соединений. Органическая часть почвы представлена органическими
остатками животного и растительного происхождения, гумусовыми
веществами и их органоминеральными производными. Минеральную часть почвы формируют различные по химическому составу и
свойствам компоненты — силикаты, алюмои феррисиликаты, оксиды и гидроксиды, легкои труднорастворимые соли. В связи с этим
для твердой фазы почвы характерно большое разнообразие химических элементов, содержание которых варьирует в широком диапазоне
(табл. 1.1).
По абсолютному содержанию все химические элементы почвы
могут быть разделены на несколько групп. Первая группа включает
элементы, содержание которых варьирует от десятых долей процента
до десятков процентов. В нее входят: кремний, кислород, алюминий,
железо, углерод, кальций, магний, натрий, калий. Это типичные макроэлементы. В следующую группу входят: титан, водород, азот, фосфор, сера. Их количество колеблется от десятых до сотых долей процента. Эта группа считается переходной от макрок микроэлементам.
Микрои ультрамикроэлементы содержатся в почве в количествах
n ⋅ 10−3—n ⋅ 10−10 %. К ним относятся марганец, кобальт, медь, цинк,
никель, молибден и другие элементы.

Введение

Таблица 1.1. Средний элементный состав метрового слоя некоторых почв, % на абсолютно сухую навеску
(Д.С. Орлов и др., 2005)

Почвы
O
H
C гумуса
N
P
S
Si
Al
Fe
Ti
Mn
Ca
Mg
K
Na

Торфяные
36,86
5,33
53,33
1,9
0,2
0,24
1,0
0,12
0,5
—
0,05
1,2
0,13
0,3
0,07

Подзолистые
суглинистые
49,6
0,06
0,66
0,08
0,054
0,031
34,86
6,33
3,02
0,28
0,2
0,78
0,72
2,04
1,28

Подзолистые
песчаные
52,2
0,04
0,64
0,06
0,022
0,026
43,77
1,72
0,55
—
0,06
0,28
0,09
0,33
0,16

Бурые лесные
47,93
0,11
1,59
0,15
0,062
0,15
28,89
8,23
5,77
0,38
0,17
1,98
1,08
1,41
1,09

Серые лесные
49,27
0,09
1,25
0,115
0,044
0,076
33,45
6,67
3,8
0,45
0,06
1,24
1,02
1,6
0,76

Черноземы
48,74
0,16
2,2
0,2
0,071
0,156
31,71
6,86
3,59
0,46
0,08
2,36
0,95
1,36
0,65

Каштановые
48,85
0,08
1,15
0,115
0,067
0,194
29,9
6,53
3,64
0,51
0,18
3,7
1,09
1,58
1,06

Красноземы
48,37
0,13
1,81
0,11
0,079
—
21,5
14,15
11,5
—
0,18
0,34
0,93
0,23
0,08

Таким образом, почва представляет собой сложную полихимическую систему, в которой содержание отдельных химических элементов может различаться в тысячи и более раз, а сами элементы могут
находиться в составе различных по природе и растворимости соединений, как перешедших в почву из почвообразующей породы, так и
являющихся продуктами почвообразования.

Введение
5

Раздел I
ВАЛОВОЙ АНАЛИЗ

Наиболее полное представление о химическом составе почвы
дает валовой анализ.
Валовой анализ — комплекс определений, позволяющий установить элементный состав почвы, т. е. получить представление об общем или валовом содержании в почве химических элементов независимо от того, в виде каких соединений они присутствуют в почвах.
Валовой анализ включает определение содержания гигроскопической воды, потери при прокаливании, содержания органического
углерода и азота, а также элементов, входящих в состав минеральной
части почвы: Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, P, S, Ti, Mn. Сумма оксидов
этих элементов обычно составляет более 99 % минеральной части
почв. В карбонатных и содержащих гипс почвах, кроме того, определяют содержание гипса и СО2 карбонатов.
В зависимости от целей и задач исследования валовой анализ может быть полным, т. е. состоять из определения всех указанных выше
элементов, или сокращенным, когда определяются только те элементы, которые в процессе почвообразования в наибольшей степени выносятся или накапливаются в почвенном профиле. В ряде случаев ограничиваются определением валового содержания Si, Al, Fe, Ca, Mg.
При оценке техногенного загрязнения почв набор определяемых элементов иной и зависит от состава загрязняющих веществ.
Принципиально возможен валовой анализ почвы в твердом состоянии с помощью эмиссионного спектрального, рентгенфлуоресцентного и др. методов анализа. Однако в лабораториях не всегда
имеется соответствующая аппаратура и не всегда удовлетворяет точность получаемых результатов. Значительно чаще при валовом анализе используют методы, позволяющие анализировать растворы. К ним
относятся классические химические, атомноабсорбционный, спектрофотометрический и другие методы.

Поскольку минеральная часть твердой фазы почвы преимущественно состоит из компонентов нерастворимых ни в кислотах, ни в
щелочах, то первым этапом валового анализа является разложение
почвы.

1.1. Способы разложения почв

Под разложением почв понимают процесс, в результате которого
минералы, входящие в состав почвы, переходят в форму соединений,
способных растворяться в воде или кислотах.
Способность минералов к разложению определяется их составом
и, кроме того, зависит от свойств металлов, входящих в их кристаллические решетки. Минерал разлагается тем легче, чем меньше доля в
его составе приходится на SiO2 или чем меньше отношение SiO2 к
сумме оксидов металлов и чем более основной характер имеют входящие в его состав металлы. Например, силикат натрия растворяется в
воде, силикат кальция легко разлагается кислотами, а на силикат
алюминия (Al2SiO5) кислоты почти не действуют.
В валовом анализе почв используют методы кислотного разложения, сплавление и спекание.

1.1.1. Разложение почв кислотами

Для разложения почв используют различные минеральные кислоты — HCl, HNO3, H2SO4, HClO4, HF. Кислоты в зависимости от их
природы и концентрации могут проявлять окислительные свойства.
Это характерно для концентрированной серной и азотной кислоты,
горячей концентрированной хлорной кислоты.
Хорошим растворителем является горячая концентрированная
хлорная кислота, но в присутствии органических веществ окислительный процесс может происходить с взрывом.
При определении элементного состава почв, в частности микроэлементов, применяют разложение почв смесью кислот HCl, HNO3 и
H2SO4. Для более полного и быстрого разложения почвы применяют
автоклавы. Однако эти приемы не позволяют добиться полного разложения почвы.
В тех случаях, когда необходимо нацело разложить почву и не
нужно определять кремний, разложение почвы проводят смесью фтористоводородной (плавиковой) кислоты с серной или азотной кисло1.1. Способы разложения почв
7

тами. Разложение силикатов плавиковой кислотой происходит следующим образом:

K2Al2SiO6 + 32HF = 6SiF4↑ + 2KF + 2AlF3 + 16H2O.

Образующийся в процессе реакции летучий четырехфтористый
кремний (SiF4) при выпаривании выделятся из раствора в газообразном виде. В присутствии серной кислоты образующиеся фториды металлов разлагаются и переходят в сульфаты:

2KF + H2SO4 = K2SO4 + 2HF;

2AlF3 + 2H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6HF.

Однако некоторые силикаты — топаз, андалузит, силлиманит и
разновидности турмалина не полностью разлагаются плавиковой кислотой. Кроме того, при разложении почвы плавиковой кислотой органическое вещество не окисляется и в последующем мешает количественному определению элементов. Поэтому при использовании для
разложения почв хлорной или плавиковой кислот почву обычно
предварительно прокаливают.

1.1.2. Разложение почв сплавлением

При сплавлении происходит взаимодействие почвы с введенными
в нее плавнями (специальными добавками) при высокой температуре в
расплавленном состоянии. При сплавлении почвы одновременно
протекают окислительновосстановительные и кислотноосновные
реакции, происходит обогащение почвы щелочными металлами. Все
эти процессы приводят к глубоким изменениям в структуре минералов. В результате сплавления вместо природных оксидов, силикатов и
алюмосиликатов образуется смесь более простых соединений, состоящая из силикатов щелочных металлов, карбонатов, алюминатов и
манганатов, растворимых в воде и кислотах. Продукт сплавления называется плавом.
Для сплавления могут быть использованы щелочные, кислотные,
окислительные и восстановительные плавни. Выбор плавня зависит
от состава почвы, набора определяемых элементов и используемых
методов анализа. Щелочные плавни (Na2CO3, K2CO3, NaOH, бораты
щелочных металлов и их смеси) применяют при анализе почв, обогащенных кислотными или амфотерными оксидами (SiO2, Al2O3).

8
Раздел I. Валовой анализ

Кислотные плавни используют для разложения почв, в составе
которых преобладают основные или амфотерные оксиды — оксиды
Al, Fe, Ti, Cr, а также для разложения некоторых трудносплавляемых
минералов (титаниты, циркон). Кислотными плавнями служат гидросульфат или пиросульфат калия и оксид бора (В2О3). Их разлагающее
действие обусловлено тем, что при высокой температуре плавень разлагается с выделением триоксида серы, который реагирует с оксидами металлов и переводит их в сульфаты:

K2S2O7 → K2SO4 + SO3,;

3SO3 + Fe2O3 → Fe2(SO4)3.

В качестве окислительных плавней могут быть использованы пероксид натрия (Na2O2) или смесь пероксида натрия со щелочными
плавнями.
В большинстве почв преобладают кислотные оксиды, поэтому
при валовом анализе обычно используют щелочные плавни — смесь
безводных карбонатов натрия и калия в соотношении 1:1. Na2CO3
плавится при температуре около 850 °C, К2СО3 — около 900 °C,
а смесь карбонатов натрия и калия плавится при температуре 712 °C,
т. е. при более низкой температуре, чем каждый из компонентов в отдельности. Сплавление чаще всего ведут в платиновых тиглях. Платина плавится при очень высокой температуре (1773 °C) и инертна по
отношению к большинству химических реактивов.
Отдельные минералы, входящие в состав твердой фазы почвы,
также плавятся при очень высокой температуре: кварц — 1700 °C,
мусковит — 1280 °C, ортоклаз — 1215 °C. Однако смесь минералов, из
которой состоит твердая фаза почвы, плавится при более низкой температуре по сравнению с индивидуальными минералами, а температура плавления смеси почвы и плавня еще ниже и составляет около
1000 °C. Способность плавня снижать температуру плавления силикатов используют для разложения почвы.
Разложение алюмосиликатов на примере минерала ортоклаза и
соды в качестве плавня выглядит следующим образом:

KAlSi3O8 + 3Na2CO3 = KAlO2 + 3Na2SiO3 + 3CO2.

Полученный сплав разлагают последовательной обработкой водой и кислотой:

2KAlO2 + 6Na2SiO3 + 20HCl =

= 2AlCl3 + 2KCl + 6H2SiO3 + 12NaCl + 4H2O.

1.1.2. Разложение почв сплавлением
9

1.1.3. Разложение почвы спеканием

Спекание позволяет проводить разложение почвы при температуре ниже точки плавления. Процессы, происходящие при спекании,
относятся к твердофазным процессам, т. е. к таким, в которых как
исходные, так и конечные продукты твердые. Эти процессы в большинстве случаев очень сложные и до конца не достаточно изучены.
В процессе спекания происходит разрыхление кристаллической решетки минералов и диффузия щелочных металлов вглубь решетки
кристалла. При этом диффузия ионов натрия идет быстрее, чем ионов калия, в результате чего образуются растворимые в воде и кислотах продукты.
При спекании особое внимание обращают на тщательное растирание почвенного образца и равномерное перемешивание его с плавнем, чтобы обеспечить их тесный контакт.
При разложении почвы спеканием в качестве плавня используют
карбонат натрия (Na2CO3). Спекание проводят при температуре 850—
900 °C в фарфоровых тиглях в присутствии нитрата калия, служащего
окислителем.
Для определения валового содержания натрия и калия проводят
спекание почвы с плавнем, состоящим из карбоната кальция и хлорида аммония, при температуре 750—800 °C. В этом случае для калинатриевого полевого шпата имеет место следующая реакция:

2KNaAlSi3O8 + 6CaCO3 + 2NH4Cl =

= 6CaSiO3 + Al2O3 + 6CO2↑ + 2NH3↑ + H2O + KCl + NaCl.

При выщелачивании спека водой в раствор переходят хлориды
щелочных металлов, большое количество хлорида кальция и гидроксида кальция. Остальные компоненты спека в воде не растворяются.
Кальций осаждают в виде оксалата или карбоната кальция, а натрий и
калий остаются в растворе.
Для проведения валового анализа берут три навески почвы. Одна
навеска служит для определения содержания гигроскопической влаги, вторая навеска — для определения потери при прокаливании, третью навеску используют для спекания почвы. Ниже приводится сокращенный экспрессметод валового анализа по Ю.И. Добрицкой
(1973) с дополнениями по Е.В. Аринушкиной (1970) и Л.А. Воробьевой (2006).

10
Раздел I. Валовой анализ