Читать онлайн Химия почв бесплатно

Как самостоятельное научное направление химия почв окончательно сформировалась лишь к концу 20 века, основы же ее были заложены в далеком прошлом. Первичные знания о химических свойствах почв связаны с успешным опреснением соленой морской воды в Древнем Египте, мелиорацией засоленных почв в Ассирии, Вавилоне и Шумере, с развитием земледелия в Древней Греции и Древнем Риме. Но настоящий прорыв в становлении химии почв произошел во времена Возрождения, т.е. становления химии как фундаментальной научной дисциплины. Великий шведский химик Й.Я. Берцелиус в своем «Учебнике химии» (1839) отводит большой раздел изучению химии гумусовых веществ. Помимо этого изучением компонентов почвенного тела связано с именами таких ученых как Ф. Ахард, И. Валериус, Дж. Т. Уэй, Я. – М. Бомеллен, Ю. Либих. Среди отечественных ученых необходимо отметить вклад М.И. Афонина, В.В.Докучаева, Д.И. Менделеева, В.А. Чернова, К.К Гедройца, А.Н. Сабанина, Е.Н. Гапона, И.Н. АнтиповКаратаева, Н.П. Ремезова, Е.И. Аринушкиной, С.В. Зонна, И.В. Тюрина, М.М. Кононовой, В.В. Пономаревой, Л.Н. Александровой и многих других. В настоящее время химия почв представляет собой самостоятельную научную дисциплину, включающую в себя следующие разделы: химия почвенных процессов, химия почвенной массы, аналитическая химия почв и химические основы почвенного плодородия.

1.1 Вопросы для самоконтроля «Введение. Краткая история развития химии почв»

1. Химия почв, объект и предмет науки, важнейшие направления современной науки: химия почвенной массы, химия почвенных процессов, химические основы почвенного плодородия, аналитическая химия почв.

2. Каково прикладное значение химии почв?

3. История развития науки в древности и средневековье (работы Ф. Ахарда, И. Валериуса, Й.Я. Берцелиуса, Дж.Т. Уэя, Я. – М. Бомеллена, Ю. Либиха и др.).

4. Работы по химии почв в России в 18-19 вв (М.В. Ломоносов, М.И. Афонин, Р.Герман, В.В.Докучаев, Д.И. Менделеев).

5. Экспериментальные исследования в 20 вв ( В.А. Чернов, К.К Гедройц, А.Н. Сабанин, Е.Н. Гапон, И.Н. Антипов-Каратаев, Н.П. Ремезов, Е.И. Аринушкина, С.В. Зонн, И.В. Тюрин, М.М. Кононова, В.В. Пономарева, Л.Н. Александрова, Я.В. Пайве).

6. Опишите историю развития взглядов на химию органического вещества почв.

1.2 Общие сведения о работе в лаборатории химического анализа

В химических лабораториях проводятся работы с веществами, многие из которых оказывают вредное действие на организм человека. Всем лицам, работающим в химических лабораториях, необходимо постоянно уделять серьезное внимание правилам безопасности труда.

Все реактивы по своему назначению делятся на две основные группы – общеупотребительные и специальные. К общеупотребительным относятся кислоты, щелочи, ряд солей, некоторые органические растворители.

Прежде чем работать с данным реактивом, необходимо ознакомиться с его химическими свойствами, обратить особое внимание на его огнеопасность, ядовитость и возможность образования взрывчатых смесей с другими веществами. Пользоваться реактивом можно лишь в том случае, если на упаковке имеется четкая надпись названия и характеристика вещества.

Все опыты с ядовитыми и неприятно пахнущими веществами необходимо производить в вытяжном шкафу. Не следует вдыхать пахучие вещества, в том числе выделяющиеся газы, близко наклоняться к емкости с этими веществами. Нюхать вещества нужно, направляя к себе пары и газы движением руки.

Категорически запрещается пробовать на вкус любые химические вещества в лаборатории. Нельзя набирать в рот при помощи пипетки или трубки ядовитые и едкие жидкости.

Необходимо оберегать реактивы от загрязнения. Рассыпанный реактив не следует высыпать обратно в общую емкость, а нужно собрать в отдельную склянку и применять только для неответственных работ. Нельзя хранить вместе реактивы, способные взаимодействовать между собой. Особую опасность представляет совместное хранение азотной, хлорной, серной кислот с органическими веществами. Реактивы, изменяющиеся под действием света, следует хранить в посуде из темного стекла.

Остатки опасных веществ, а также соединений редких и ценных металлов нельзя выбрасывать в канализацию или мусорные ящики, а нужно сливать в особые банки или сдавать лаборанту.

1.3 Основные правила безопасной работы

Щелочи

При работе с твердыми щелочами необходимо пользоваться резиновыми перчатками, защитными очками или маской, так как щелочи вызывают ожоги тканей кожи и глаз. При приготовлении растворов щелочей необходимо небольшие кусочки щелочи медленно прибавлять к воде, непрерывно перемешивая раствор, щелочи брать только щипцами. Большие куски щелочей следует раскалывать на мелкие кусочки только в специально отведенном месте, предварительно накрыв их плотной тканью. При растворении в воде едких щелочей происходит сильное разогревание, поэтому растворять щелочи в стеклянной посуде, особенно толстостенной, не рекомендуется. Растворение следует проводить в фарфоровой или стеклянной термостойкой посуде. Хранить твердые щелочи и их растворы нужно в хорошо укупоренной посуде. Склянки с растворами щелочей нельзя закрывать стеклянными притертыми пробками.

Переливать концентрированные растворы аммиака (25 %) следует под тягой или рядом с вытяжным шкафом при открытых шторах с применением респиратора (полотенце, смоченное 5 % раствором уксусной кислоты), поскольку выделяющийся газообразный аммиак вызывает раздражение верхних дыхательных путей, глаз, может привести к образованию ожоговых пузырей на коже.

Кислоты

Концентрированные растворы кислот для постоянного пользования нужно держать в склянках емкостью не более 1 – 2 л.

При переливании дымящих кислот (азотной, соляной) нужно надевать противогаз или респиратор, либо обвязывать рот и нос полотенцем, смоченным 2 – 3 % раствором карбоната натрия. Выполнение работ с концентрированными кислотами без предохранительных очков и перчаток запрещается.

Для приготовления растворов серной или азотной кислот нужно добавлять кислоту в воду тонкой струёй при перемешивании, а не наоборот. Вследствие сильного разогревания разбавление нельзя проводить в толстостенной стеклянной посуде, следует применять посуду из фарфора или термостойкого стекла.

Производить химические реакции с применением концентрированной азотной кислоты необходимо в вытяжном шкафу, так как при этом выделяются ядовитые оксиды азота.

Работать с концентрированной соляной кислотой следует также в вытяжном шкафу, так как пары ее при высоких концентрациях вызывают раздражение слизистых оболочек, кашель, насморк. С соблюдением особой осторожности необходимо выполнять работы с применением фтористоводородной кислоты, так как и растворы, и пары ее очень токсичны.

Соли тяжелых металлов

В лабораторной практике возможно соприкосновение с ядовитыми солями тяжелых металлов, к которым относятся соли бария, свинца, меди, ртути и др. При работе с ядовитыми соединениями тяжелых металлов, особенно растворимыми в воде, необходимо следить за чистотой рук и тщательно мыть их всякий раз, когда на них попадает соль. Категорически запрещается брать руками соли тяжелых металлов, так как может произойти отравление при попадании их под ногти, а затем в пищу. Растирать и пересыпать соединения тяжелых металлов следует осторожно, чтобы не образовалась пыль. Токсичность солей тяжелых металлов тем выше, чем выше их растворимость в воде.

Металлическая ртуть

Недопустимо хранить ртуть открытой. Небольшие количества ртути необходимо хранить в толстостенной стеклянной или железной посуде с герметически закрывающимися пробками. Случайно пролитая ртуть должна быть немедленно собрана при помощи стеклянной ловушки с резиновой грушей. Использование для собирания ртути амальгамирующихся металлов не рекомендуется. Кроме механической очистки поверхности от ртути, применяют демеркуризацию химическими способами. Для этого рекомендуется 3 % раствор перманганата калия, подкисленный соляной кислотой или 20 % водный раствор хлорного железа.

Калия перманганат

Пересыпать и растирать кристаллы перманганата калия следует в вытяжном шкафу, так как образующаяся при этом пыль сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Категорически запрещается приливать из склянки концентрированную серную кислоту к кристаллам перманганата калия, так как при этом может произойти взрыв. Реакцию перманганата калия с соляной кислотой надо проводить в вытяжном шкафу, так как при этом образуется хлор.

Щелочные металлы

Работа со щелочными металлами должна проводиться обязательно на противнях в вытяжном шкафу при соблюдении особой осторожности. Нельзя допускать соприкосновения их с водой, хлорсодержащими органическими соединениями, сухим льдом.

Металлический натрий или калий следует хранить под слоем обезвоженного трансформаторного масла или керосина в толстостенной банке с плотно укупоренной пробкой, при этом притертых пробок следует избегать. Банки необходимо помещать в металлический сосуд с песком. Кусочки металлического натрия и калия категорически запрещается брать руками. Резать эти металлы необходимо на фильтровальной бумаге острым сухим ножом, первичную резку калия необходимо производить под слоем масла с целью снятия верхнего перекисного слоя во избежание контакта перекисных соединений с чистым калием на воздухе, что может привести к взрыву.

Отходы металлических калия и натрия необходимо собирать в специальные банки с керосином для последующего уничтожения в течение суток. Накапливать обрезки, а также выбрасывать их в раковину, корзину для мусора категорически запрещается. Уничтожение этих отходов в количестве до 2 г производится путем полного растворения их в этиловом спирте. Растворение следует вести небольшими порциями, полученный раствор сливается в канализацию или специально отведенное место.

В случае возгорания, тушить металлический натрий и калий следует сухим песком, сухой магнезией или сухим хлоридом кальция. Категорически запрещается применять для тушения воду, пенный огнетушитель, четыреххлористый углерод или диоксид углерода, так как это приведет к взрыву.

Галогены

Жидкий бром следует хранить в небьющейся таре и изолированно от других реактивов. Переливать жидкий бром необходимо в вытяжном шкафу, применяя защитные очки и резиновые перчатки. При попадании жидкого брома на кожу образуются долго не заживающие ожоги; вдыхание даже небольших количеств брома вызывает кашель, носовые кровотечения, головокружения.

Пары иода вызывают кашель, насморк, головные боли, слезотечение, поэтому процессы, сопровождающиеся выделением паров иода, необходимо проводить в вытяжном шкафу.

Фосфор

Красный фосфор следует нагревать, соблюдая меры предосторожности, так как при температуре 240 °C он воспламеняется, а при 429 °C – возгоняется с образованием паров белого фосфора, который очень токсичен и горюч. Горящий фосфор вызывает термические и химические ожоги. Тушить горящий фосфор следует песком, карбонатом натрия. Стеклянные приборы, содержащие остатки белого и красного фосфора, перед мытьем необходимо опускать в ванны, наполненные раствором сульфата меди.

Взрывоопасные реактивы

Чистый хлорат калия (бертолетова соль) опасно сушить и растирать в ступке, так как он взрывоопасен. После работы с ним следует тщательно собрать просыпанные кристаллы и вымыть руки, поскольку хлорат калия является ядом крови. Смеси хлората калия с легко окисляющимися веществами (сера, фосфор, сахар, порошок алюминия) взрываются от удара, а в смеси с оксидами марганца (IV), хрома (III), меди (II) хлорат калия разлагается при 200 °C, так как эти оксиды ускоряют его разложение. Чистый нитрат аммония нечувствителен к ударам, но взрывается от детонатора и при каталитическом влиянии накапливающихся при хранении в закрытом сосуде продуктов распада. Особо опасны смеси нитрата аммония с горючими веществами и порошкообразными металлами.

Тонкие порошки металлов (железа, магния, алюминия и др.) способны к самовоспламенению, поэтому не следует рассыпать их вблизи нагревательных приборов. Особенно огнеопасны смеси порошков металлов с некоторыми окислителями.

Перекисные соединения являются взрыво- и огнеопасными веществами. Они чувствительны к удару, толчку, сотрясениям, свету и температуре. Хранить перекиси нужно с учетом температуры их разложения в емкостях из темного стекла или полиэтилена. Даже следы тяжелых металлов являются катализаторами разложения перекисей. Закрывать посуду с перекисями твердыми пробками запрещается.

Загоревшиеся перекиси тушат преимущественно песком и с помощью углекислотных огнетушителей. Пролитую жидкую перекись поглощают немедленно песком, при этом не следует применять тряпки и подобные материалы.

Огнеопасные вещества

Хранить в лаборатории огнеопасные вещества (бензин, ацетон, диэтиловый эфир, жидкие углеводороды, бензол и др.) можно только в небольшом количестве, так как они испаряются и легко воспламеняются. Кроме того, их пары с воздухом могут образовывать взрывоопасные смеси. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости должны храниться в толстостенных склянках с притертыми пробками; склянки помещают в специальный металлический ящик с крышкой, дно которого должно быть выложено асбестом. Ящик должен устанавливаться на значительном расстоянии от выхода и проходов, с удобным подходом к нему. Общее количество хранящихся в лаборатории огнеопасных жидкостей не должно превышать 5 л.

Все работы с легковоспламеняющимися жидкостями должны проводиться в вытяжном шкафу при работающей вентиляции и в отсутствии открытого огня.

Нагревание и перегонка легковоспламеняющихся жидкостей производится в круглодонных колбах на водяной или масляной бане с использованием электроплиток с закрытыми нагревателями и регулятором температуры. Запрещается перегонять простые эфиры, диоксан и им подобные вещества, не убедившись предварительно в отсутствии в них перекисей. При наличии перекисей необходимо перед работой очистить вещества от них. Сосуды, в которых производились работы с горючими жидкостями, после окончания опыта необходимо немедленно промыть. Запрещается выливать в раковину горючие жидкости, они должны собираться в специальную, герметично закрывающуюся тару, которую в конце рабочего дня удаляют из лаборатории для регенерации или уничтожения в специально отведенном месте. При загорании нерастворимых в воде веществ нельзя применять для тушения воду, потому что пожар не только не будет ликвидирован, но может даже усилиться. Многие огнеопасные органические вещества легче воды и при соприкосновении с ней образуют горящую пленку. Чем больше воды, тем опаснее пожар. Не растворимые в воде органические вещества, а также многие неорганические вещества, реагирующие с водой, следует тушить песком или накрыванием асбестом. Если горящее вещество растворимо в воде, его можно тушить водой.

1.4 Первая помощь при ожогах и отравлениях

При действии открытого пламени на поверхность кожи, если на нее не попало никаких химических реагентов, т.е. в случае термических ожогов, необходимо:

а) при ожоге 1-й степени (покраснение) – наложить вату, смоченную этиловым спиртом, смачивание повторять;

б) при ожоге 2-й степени (появление пузырей) – наложить повязку, смоченную этиловым спиртом, смачивание повторять. Аналогично можно обрабатывать 3 – 5 % раствором перманганата калия или 5 % раствором танина;

в) при ожоге 3-й степени (разрушение тканей) – покрыть рану стерильной повязкой и вызвать врача.

В случае химических ожогов первая помощь зависит от реактива, вызвавшего ожог.

Кислоты

Промыть ожог большим количеством воды и затем обработать нейтрализующими веществами, например, 2 – 5 % раствором бикарбоната натрия или карбоната аммония.

Щелочи

Промыть обильно водой в течение 10 мин, сделать примочку из 5 % раствора уксусной, соляной или лимонной кислот. При попадании в глаза – немедленное тщательное промывание водой в течение 10 – 30 мин, затем закапать 2 % раствор новокаина.

Бром

Быстро смыть с поверхности этиловым спиртом или быстро обмыть водой и далее смазать мазью с бикарбонатом натрия или карбонатом аммония.

Фенол

Промыть поверхность ожога спиртом.

Итогом почвообразовательного процесса является формирование почвенного тела. По элементарному составу почв можно судить о ведущей роли того или иного фактора почвообразования. Считается, что неорганические вещества почвы наследуют от почвообразующих пород, а органические являются результатом «работы» живых организмов. В действительности же, при детальном рассмотрении некоторых ЭПП (осолонцевание, оподзоливание и др.) состав и соотношение в почве химических элементов и их соединений не всегда однозначно зависит от проявления биологического или геологического факторов. Элементарный состав оказывается результатом совместного влияния всех факторов почвообразования на формирующееся почвенное тело. Так растения, например, особенно это относится к ксерофитам, являются не только поставщиками органического вещества в почвы (черноземы, каштановые почвы и др.), но и, накапливая минеральные соли в надземных органах, способствуют развитию процессов засоления. Сложный механизм взаимодействия факторов почвообразования отметил еще В.В. Докучаев, назвав почвы «зеркалом ландшафта», т.е. результатом воздействия на них конкретных ландшафтных условий.

Определение элементарного состава почв является следующим после морфологического описания этапом любого почвенного исследования, т.к. используется для уточнения классификационной принадлежности почв, дает представление о потенциальном плодородии почв, является основой для определения комплекса мероприятий по повышению и воспроизводству почвенного плодородия.

2.1 Вопросы для самоконтроля «Элементарный и фазовый состав почвы»

1. Особенности почв как природного тела. Элементарный состав почв, сущность понятия, основные направления.

2. Особенности элементарного состава почв: биофильные элементы, макроэлементы, переходная группа и микро – и ультрамикроэлементы (их биологическая роль), геохимическая классификация элементов В.М. Гольдшмидта (литофильные, халькофильные, сидерофильые и атмофильные элементы).