Конспект урока: Окислительно-восстановительные свойства почв

Окислительно-восстановительные свойства почв

Вы будете изучать

· Окислительно-восстановительный потенциал почвы, его измерение.

· Факторы, влияющие на величину окислительно-восстановительного потенциала почвы.

· Типы окислительно-восстановительных режимов.

· Способы регулирования окислительно-восстановительного состояния почв.

Цели модуля

· Дать представление об окислительно-восстановительных системах почв.

· Раскрыть понятие окислительно-восстановительного потенциала как характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы.

· Рассмотреть окислительно-восстановительное состояние различных типов почв.

· Показать роль окислительно-восстановительных процессов в почвообразовании и плодородии почв.

После изучения модуля вы сможете

· Проводить экспериментальное измерение окислительно-восстановительных потенциалов почв.

· Знать приемы регулирования окислительно-восстановительных процессов в почве.

Литература

1. Мамонтов В.Г., Панов Н.П., Кауричев И.С., Игнатьев Н.Н. Общее почвоведение. М.: КолосС, 2006. 456 с.

2. Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв. М.: Высшая школа, 2005. 558 с.

3. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвоведение: Учебник для вузов. М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2004. 496 с.

4. Возбуцкая А.Е. Химия почв. М.: Высшая школа, 1968. 427 с.

5. Ганжара Н.Ф., Борисов Б.А., Байбеков Р.Ф. Практикум по почвоведению. М.: Агроконсалт, 2002. 280 с.

6. Жукова Н.Н., Суслова Т.А. Физико-химические процессы в почвах: Учебное пособие. Сарат. гос. агр. ун-т им.Вавилова, Саратов, 2003. 54 с.

7. Муха Д.В. Агропочвоведение. М.: Колос, 1994. 528 с.

8. Почва и почвообразование / под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. 1-2 часть. М.: Высшая школа, 1989. 400 с.

9. Почвоведение / под ред. Кауричева И.С. М.: Агропромиздат, 1989. 719 с.

10. Савич В.И., Амергужин Х.А., Карманов И.И., Булгаков Д.С., Федорин Ю.В., Карманова Л.А. Оценка почв. Астана, 2003. 544 с.

11. Синицына Н.Е., Пронько В.В., Медведев И.Ф., Палагина Т.Я., Павлова Т.И. Физико-химические свойства почв: Метод. указания к лабораторным занятиям. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов, 2006. 54 с.

Введение

? Какие процессы называются окислительно-восстановительными?

Как известно, окислительно-восстановительными называются реакции, сопровождающиеся переходом электронов от одних атомов, молекул или ионов к другим. Процесс отдачи электронов называется окислением (при этом сами вещества, отдающие электроны называются восстановителями). Процесс присоединения электронов - восстановление, а вещества - окислители.

Окислительно-восстановительную реакцию в общем виде можно представить следующим образом:

Ox + ne - Red,

где Ox - окислитель, Red - восстановитель, n - число электронов, участвующих в реакции.

? Какие окислительно-восстановительные процессы происходят в почвах?

Почва - сложная окислительно-восстановительная система. Окислительно-восстановительные реакции в почвах протекают с участием как органических, так и неорганических веществ. К реакциям окисления относятся процессы гумификации растительных остатков. Окислительно-восстановительные превращения претерпевают макро- и микроэлементы: азот, сера, железо, марганец и другие. Основным окислителем является кислород почвенного воздуха и растворенный в почвенном растворе. При этом образуются окислительно-восстановительные пары, в которых элементы находятся в разных степенях окисления: O₂ - 2O^2-, NO₂^- - NO₃^-, SO₄^2- - S^2-, Fe³⁺ - Fe²⁺, MnO₂ - Mn²⁺.

Наряду с химическими процессами окисления и восстановления в почвах широко распространены биохимические процессы, протекающие с участием микроорганизмов.

Эти процессы могут иметь как обратимый характер (например, окислительно-восстановительные превращения соединений железа), так и необратимый (окисление органических веществ).

Окислительно-восстановительный потенциал почвы

? Что называют окислительно-восстановительным потенциалом почвы?

Для количественной характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы служит величина окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), который определяется уравнением Нернста:

Eh = E⁰ + ln,

где Е⁰- стандартный окислительно-восстановительный потенциал; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура; F - постоянная Фарадея; n - число электронов, участвующих в окислительно-восстановительной реакции; а_ох и а_red - активности окисленной и восстановленной форм соединений.

При подстановке числовых значений R, F и T = 298К и замене натурального логарифма на десятичный уравнение приобретает вид:

Eh = E⁰ + lg.

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал E⁰ в уравнении Нернста равен Eh при =1. Значения E⁰ для различных окислительно-восстановительных систем приводится в справочниках.

Таблица

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы Е⁰ (Лурье Ю.Ю.)

! В реальной почве содержится не одна, а несколько окислительно-восстановительных систем. Поэтому значение ОВП зависит от концентрации многих окисленных и восстановленных форм соединений. Окислительно-восстановительный потенциал почвы отражает суммарное действие различных окислительно-восстановительных систем почвы в данный момент времени. Его значение по величине ближе к Eh той системы, окисленные и восстановленные формы которой преобладают в почве. Такая система носит название потенциалопределяющей.

? Как по величине ОВП характеризуются окислительно-восстановительные процессы?

Значения окислительно-восстановительных потенциалов почв находятся в интервале от - 200 мВ до + 700 мВ. Для выращивания сельскохозяйственных культур наиболее благоприятным является интервал значений окислительно-восстановительных потенциалов от + 400 мВ до + 650 мВ.

Для характеристики направленности окислительно-восстановительный процессов в почве в зависимости от ОВП предложено несколько классификаций, но общепринятой не выработано. Например, Н.К.Хтрян для почв Армении предложил использовать следующую шкалу (табл.:

Таблица

Зависимость характера окислительно-восстановительных процессов от величины ОВП (Н.К. Хтрян)

Достижение значения ОВП 350-450 мВ говорит о смене окислительных условий на восстановительные (или наоборот).

? Как экспериментально определяют окислительно-восстановительный потенциал почвы?

Измерение окислительно-восстановительного потенциала проводится потенциометрическим методом с использование платинового электрода в качестве индикаторного и хлорсеребряного в качестве электрода сравнения. Потенциал платинового электрода равен окислительно-восстановительному потенциалу E_h; потенциал электрода сравнения является постоянным. Электроды непосредственно помещаются в почву и измеряется ЭДС цепи, которая представляет собой разность потенциалов двух электродов: ЭДС = E_h - E_ср. Тогда величина ОВП вычисляется по формуле: E_h = ЭДС + E_ср.

Определение ОВП можно проводить как в полевых условиях, так и в лаборатории. Более правильные представления о ОВП получают в результате измерений, выполненных непосредственно в природной обстановке. Только в таких условиях не нарушается сложившееся окислительно-восстановительное состояние почвы. В лабораторных условиях ОВП измеряют в свежеотобранных образцах с ненарушенной структурой. В основном лабораторные исследования служат для изучения изменения окислительно-восстановительного потенциала в модельных опытах.

Зависимость ОВП почвы от ее состояния

? Какие факторы влияют на величину ОВП почв?

Проявление окислительно-восстановительных процессов в почве зависит от ее генетических свойств, водного, воздушного, температурного и биохимического режимов. Окислительно-восстановительный потенциал почвы - чрезвычайно динамичная величина. ОВП зависит не от некоторых факторов (аэрация, влажность, температура, интенсивность микробиологической деятельности), а от совокупности их действия.

Аэрация, которая определяется структурой, плотностью, гранулометрическим составом, тесно связана с режимами увлажнения и высушивания почвы. Действие этих факторов определяет содержание в почвенном воздухе и почвенном растворе кислорода - основного окислителя. Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы, ее уплотнения, образования корки ведет к снижению ОВП. При пористости аэрации 18-20% создается благоприятный воздухообмен, что обеспечивает протекание окислительных процессов. При пористости аэрации менее 6% интенсивно развиваются восстановительные процессы.

Значительное снижение ОВП наблюдается при высокой влажности, близкой к полной влагоемкости (более 90% ПВ), когда сильно нарушается нормальный газообмен почвенного воздуха с атмосферным. При 10-90% ПВ снижение ОВП в большинстве почв происходит медленно. Связь изменения ОВП почвы с ее влагонасышенностью не всегда действует однозначно. Если атмосферные осадки обогащены растворенным кислородом, то существенного изменения ОВП не наблюдается или даже приводит к его повышению. Содержание влаги в почве оказывает влияние на микробиологическую деятельность, определяющую потребление кислорода, на растворение минеральных и органических веществ почвы, что также сказывается на ее окислительно-восстановительном состоянии.

Интенсивность жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и, как следствие, расход кислорода, а также скорость химических окислительно-восстановительных реакций тесно связаны с температурой. При избыточном увлажнении и при температуре более 10⁰ происходит быстрое возникновение восстановительных процессов и ухудшение условий роста растений. Переувлажнение в течение 5-7 дней при температуре 1-5⁰ не вызывает резкого изменения окислительно-восстановительного состояния почвы.

Содержания органического вещества - фактор, действующий неоднозначно. Свежее органическое вещество, богатое белками и углеводами, являясь благоприятным материалом для жизнедеятельности микроорганизмов, способствует интенсивному расходу кислорода и развитию восстановительных процессов (в увлажненной почве). Сухость вызывает окислительные процессы.

Таким образом, в целом увлажнение почвы, ухудшение аэрации, внесение свежего органического вещества приводят к снижению ОВП и наоборот, высушивание, улучшение аэрации повышают его.

окислительный восстановительный потенциал почва

Типы окислительно-восстановительных режимов