Laborator 2 ICM

1

L.2 Determinarea experimental a proprietilor chimice i electrice ale solului (pH, conductivitate)

Scopul lucrrii

n prezent n rile dezvoltate ale lumii se practic o agricultur de precizie care implic folosirea datelor despre caracteristicile solului (proprietile mecanice ale solului - textura i structura solului corelate cu proprietile fizice i chimice ale acestuia ca densitatea i porozitatea, umiditatea, capacitatea de schimb cationic, salinitatea, temperatura, compoziia chimic a soluiei solului, coloizii i pH-ul solului) pentru alegerea tipurilor de culturi ce se preteaz n zona respectiv, ct i a tratamentelor ce vor fi aplicate ulterior solului.

n cadrul lucrrii vor fi determinate, n cazul mai multor tipuri de soluri, unele din proprietile chimice i electrice: pH-ul i conductivitatea electric. Msurtorile ce se vor efectua vor pune n eviden influena coninutului de ap, texturii solului, materiei organice a solului, capacitatea de schimb de cationi, salinitii, calciului i magneziului asupra acestor proprieti.

Consideraii teoretice

I. Conductometrie. Conducia curentului prin soluii

Metoda se bazeaz pe fenomenul de conducie a curentului electric manifestat de electrolii (care sunt conductori de ordinul doi) i pe faptul c fiecare ion contribuie n mod independent la conducia total (analog cu dou rezistene n paralel). Ca i n cazul metalelor, conducia respect ntru totul legea lui Ohm conform creia intensitatea curentului, I, este proporional cu potenialul U (respectiv cu fora electromotoare, notat de regul cu E) i invers proporional cu rezistena, R. Analitic legea se scrie:

U = IR (1)

Rezistena unui conductor de seciune uniform variaz direct proporional cu lungimea sa, L i invers proporional cu seciunea sa, S aa nct:

R = L/S (2)

unde este o constant numit rezistivitate (sau rezisten specific). Inversul rezistenei se numete conductan, 1/R iar inversul rezistivitii se numete conductivitate i se noteaz cu simbolul (lambda grecesc). Ecuaia precedent se poate scrie:

R=1/ L/S (3)

de unde:

=1/RL/S (4)

Dac R se exprim n , L n m i S n m2, unitatea pentru conductivitate devine -1m-1 sau (pentru c -1 = S, de la Siemens) unitatea de conductivitate este Sm-1 (siemens per metru). Se mai folosesc adesea i uniti derivate din aceasta ca Scm-1 sau dSm-1. Kohlrausch (1876) a gsit potrivit pentru exprimarea calitii de a conduce curentul electric n soluii mrimea "conductivitate echivalent", simbolizat (lambda mare - n l. greac veche). Astfel, conform definiiei:

= 1000 /Cn (5)

unde cu Cn s-a notat concentraia normal a soluiei. S-a constatat c aceast mrime depinde de natura, dar i de concentraia soluiei, crescnd cu diluia. S-a adoptat de aceea

Laborator 2 ICM

2

conductivitatea echivalent la diluie infinit, simbolizat , care nu mai depinde de concentraie i permite evaluarea sau compararea contribuiei independente, la conducia total, a fiecrui ion.

Msurarea conductivitii. Msurarea rezistenei (i implicit a conductivitii) se face prin msurtori electrice. Iniial s-a lucrat cu curent continuu, dar tot Kohlrausch (1876) a propus utilizarea n acest scop a curentului alternativ, pentru c cel continuu ducea la o abatere mai mare a rezultatelor (fcnd metoda inexact) din cauza fenomenelor de la electrozi ce modificau curentul (fenomene denumite polarizri).

Primele msurtori s-au realizat cu montaje n punte Wheatstone, unde cu s-a notat celula a crei conductan (sau rezisten) urmeaz a se determina, iar R este o rezisten variabil ntr-un circuit de curent alternativ. Azi se lucreaz cu surse la care frecvena inversrii sensului curentului este mare (de circa 1000 - 2000 de ori pe secund) astfel nct polarizarea practic dispare, iar msurarea rezistenei se face tot prin metoda compensaiei.

Celulele utilizate sunt de forme diferite depinznd de concentraii. Electrozii sunt confecionai din platin acoperit cu negru de platin, depus electrolitic, dar pot fi i din argint sau oel inoxidabil pentru cazuri mai puin pretenioase. Se folosete, pentru diluie, ap pur, numit ap de conductibilitate, realizat prin redistilarea apei n aparate de sticl termorezistent sau, mai bine, din cuar. La 25oC, conductivitile apei sunt urmtoarele: pentru ap absolut pur 5.810-8 Scm-1; pentru ap de conductibilitate 1... 1010-7 Scm-1; pentru ap distilat 1... 1010-6 Scm-1.

Conductivitatea electric a solului. Conductivitatea electric a solului este una din determinrile cele mai simple i mai puin costisitoare pentru agricultura de precizie, care pot fi efectuate astzi. Electro-conductivitatea (EC) solului este o msurare care integreaz multe proprieti ale solului ce afecteaz productivitatea culturilor agricole. Acestea includ coninutul de ap, textura solului, materia organic a solului, adncimea pn la stratul de argil, capacitatea de schimb de cationi, salinitatea, calciu, magneziu.

Conductivitatea electric (EC) este abilitatea unui material de a transmite (conduce) un curent electric i se exprim de obicei n miliSiemens/metru (mS/m). Msurrile de electro-conductivitate (EC) a solului, de asemenea, pot fi raportate in deciSiemens pe metru (dS/m),

care egal cu citirea n mS/m mprit la 100. Avantajul unei unitii de msur standard este aceea c transform datele absolute in unele cantitative. Nisipurile au o conductivitate sczut, aluviunile au o conductivitate medie, iar argilele au o conductivitate mare (figura 1). Prin urmare, conductivitatea electric este puternic corelat cu dimensiunea particulelor i textura solului.

Figura 1. Conductivitatea solului n funcie de textura solului

Laborator 2 ICM

3

Influena proprietilor solului asupra conductivitii (EC). Conductibilitatea electric n sol se produce n stratul de ap care umple spaiul dintre particulele de sol. Conductibilitatea electric este influenat de urmtoarele proprieti dominate ale solului i anume:

I. Proprietile mecanice ale solului: - textura;

- structura;

- caracterizarea i clasificarea fraciunilor granulometrice; - consistena i plasticitatea; - compresibilitatea.

II. Proprietile fizice ale solului: - densitatea i porozitatea; - gradul de tasare;

- umiditatea;

- temperatura solului.

III. Proprietile chimice ale solului: - compoziia chimic a soluiei solului; - coloizii solului;

- capacitatea de adsorbie (capacitatea de schimb cationic); - reacia (pH-ul) solului: aciditatea actual i potenial; - capacitatea de tamponare a solului.

Pentru msurarea salinitii solului i implicit a electro-conductiviti solului menionate anterior, msurarea conductivitii solului prin msurarea rezistivitii electrice i a comportrii electromagnetice este privit ca cea mai potrivit cale de stabilire a distribuiei spaiale a salinitii la nivelul suprafeei terenului sau mai profund. Msurarea conductivitii aparente a solului (ECa) prezint interes maxim pentru agricultura de precizie, deoarece este o metod sigur i precis, care permite obinerea relativ simpl a unui volum mare de date msurate.

Conductana electric aparent a solului se realizeaz, n primul rnd, prin srurile coninute n apa prezent n porii mai largi; n consecin, msurarea conductivitii electrice n masa solului este strns legat de salinitatea acestuia. De asemenea, exist i o contribuie a fazei solide din solurile umede la conductivitatea electric aparent, pe calea schimbului de cationi asociai mineralelor din argil. O a treia cale de conductivitate este constituit din particulele solului aflate n contact permanent una cu alta. Aceste trei ci de strbatere a curentului contribuie la conductivitatea electric aparent a solului, dup cum se poate observa din figura 2.

Figura 2. Traseul conductivitii n sol

Un alt factor care influeneaz conductivitatea electric este temperatura. Conductivitatea electrolitic crete cu o rat de aproximativ 1.9% cu fiecare grad Celsius de cretere a temperaturii. n mod obinuit, conductivitatea electric este indicat la o temperatur de referin de 25C, pentru a permite comparaii.

Laborator 2 ICM

4

Tabelul 1. Date de electro-conductivitate obinute n cadrul locaiei USAMV TIMIOARA

Starea solului Interval de EC preponderent

1. Sol Prelucrat-cultur orz

ECAdncime 25-30 mS/m

ECSuprafat 6-7 mS/m

Raport ECAdncime / ECSuprafat 2-5 mS/m

2. Sol Prelucrat-cultur lucern

ECAdncime 22-28 mS/m

ECSuprafat 5-6.5 mS/m

Raport ECAdncime / ECSuprafat 2-4.5 mS/m

Conductivitatea solurilor saturate. Valoarea conductivitii solurilor saturate poate fi folosit pentru a clasifica nivelul salinitii solului i ofer, de asemenea, indicaii despre nivelul productivitii solului, n funcie de plantele cultivate. Rspunsul culturilor depinde, de asemenea, de diferitele valori ale conductivitii. O clasificare schematic a rspunsului culturilor, realizat de ctre U.S. Salinity Lab., este prezentat n cele ce urmeaz:

EC = 0 mS/cm : Efectul salinitii este neglijabil. EC = 2 mS/cm : Recolta culturilor mai sensibile poate fi redus. EC = 4 mS/cm : Recolta multor culturi este redus. EC = 8 mS/cm : Doar plantele tolerante produc o recolt satisfctoare. EC = 16 mS/cm : Doar cteva plante foarte tolerante produc o recolt satisfctoare.

II. Aciditatea solului

PH-ul solului este o msur a aciditii sau alcalinitii unui sol, care afecteaz disponibilitatea substanelor nutritive, activitatea microorganismelor i solubilitatea mineralelor din sol. Principalii factori care afecteaz pH-ul solului sunt temperatura i precipitaiile, care controleaz intensitatea de leiere i mineralele din sol. Aciditatea este n general asociat cu soluri levigat, iar alcalinitatea, n general, apare n regiunile secetoase. Cu toate acestea, n practicile agricole, prin adugarea de var sau ngrminte de amoniu, se poate modifica pH-ul solului. Msurarea pH-ului este de fapt msurarea activitii ionilor de hidrogen [H

+] n soluia solului.

Solurile pot fi acide, neutre sau alcaline, n funcie de cantitatea de calciu din sol. Aciditatea msurat din sol poart numele de pH (acronimul de la potential of the hydrogen ion potentialul ionului de hidrogen). Acest pH variaz ntre 1.0 i 14.0, cel cuprins ntre 1.0 7.0 este acid, iar cel ntre 7.0 i 14.0 este alcalin.

Fiecare dintre aceste valori reprezint o cretere sau o descretere a vecinilor si de zece ori, ceea ce nseamn c un pH de 6 este de 10 ori mai acid dect un pH de 7.

n general, valorile pH-ului ntre 6 i 7.5 sunt optime pentru creterea general a culturilor. Interpretrile privind calitatea solului sunt specifice locului i depind de utilizarea specific a terenurilor i tolerana culturilor. O clasificare a solurilor dup valoarea pH-ului i condiiile asociate acestora, este prezentat n figura 3 .

Laborator 2 ICM

5

Figura 3. PH-ul solului, clase ale pH-ului i condiiile asociate solului

Modul de lucru

Probele de sol pentru analiza conductivitii electrice (EC) i pH-ului pot fi colectate de pe cmp de la o adncime de 0 - 76.2 mm. Conductivitatea electric i pH-ul solului sunt msurate din aceleai eantioane de sol. Materialele necesare pentru msurarea conductivitii electrice (EC) sunt:

lingur de colectare (30 ml); recipiente din plastic de 120 ml, cu capac; aparat portabil pentru determinarea conductivitii (Portable EC Meter); hartie indicator pH 1-14 (pH box - Merck); ageni de reacie; soluie de calibrare (0.01 M KCl); ap distilat.

1) Extragerea eantioanelor Mostra de sol colectat din cmp trebuie s fie bine amestecat nainte de a se obine

un eantion. Se mparte masa probei de sol din lingura de colectare n eantioane de sol care se pun n recipientele de plastic. Se cntresc eantionele de sol. Se introduce masa eantionului n tabelul centralizator de date.

2) Se adaug ap peste eantion i se amestec Se adaug 30 ml de ap distilat n recipientul cu eantionul de sol. Rezult o soluie

de sol/ap. Se calculeaz concentraia soluiei. Se pune capacul pe recipient i se agit energic de aproximativ 25 de ori.

Laborator 2 ICM

6

3) Msurare i nregistrare EC Se deschide recipientul i se introduce senzorul aparatului portabil (EC) n amestecul

de sol-ap. Se citesc valorile n timp ce particulele de sol sunt nc n suspensie n soluie. Pentru a menine particulele de sol n suspensie, se amestec uor cu senzorul aparatului portabil. Citirea valorii pe ecranul aparatului se face dupa aceasta s-a

stabilizat (rmne aceeai pentru aproximativ 10 secunde, figura 4).

Figura 4. Aparat portabil conductivitate electric

Se introduc valorile citite pentru EC n tabelul centralizator de date n microSiemens pe centimetru (S/cm).

Se pstreaz soluia de amestec sol-ap pentru msurarea pH-ului. 4) Se oprete aparatul portabil. Se cltete bine senzorul cu ap distilat i se pune capacul.

5) Msurare i nregistrare pH Se folosete hrtia indicatoare de pH (figura 5), care se mbib n soluia sol-ap, se

ateapt 30 - 60 secunde i se compar culoarea rezultat cu mostra de culoare de pe capac. Se introduc valorile citite pentru pH n tabelul centralizator de date.

Figura 5. Hrtie indicatoare pH - Merck

Concluzii

Cu valorile obinute din msurtori pentru conductivitatea electrica i pH-ul solului se traseaz graficele de variaie ale acestora n funcie de concentraia soluiei.

Tabel centralizator - Conductivitate electric i pH sol

Nr.crt. Loc

prelevare

Masa

solului

m [g]

Concentratia

solutiei

cm [g/ml]

Date pentru amestecul sol-ap

Conductivitate

EC [S/cm] pH

1

2

3

4

5

6