Svar och lösningar till tentamen i markkemi/jordmånslära, MV0188

Transkript

1 Svar och lösningar till tentamen i markkemi/jordmånslära, MV februari 2012 Totala antalet poäng: 30. För godkänt krävs 15 poäng; för betyg på kursen vägs tentamensresultaten samman enligt betygskriterierna. Fråga 1. Firma S.L. Arvén Jord Analyzing AB hade mätt utbytbara katjoner (analys 1) och titrerbar aciditet (analys 2) på ett par jordar (A och B); se mätdata i tabellen nedan. Den ena var en måttligt mullhaltig svagt lerig grovmo, den andra en mullrik mellanlera. Vilken jord som var vilken hade de emellertid glömt bort. De hade också slarvat bort analysresultaten på de flesta katjonerna. Det man hade kvar var nedanstående data samt följande vetskap: Jordvikt och extraktvolym var lika för jord A som för jord B i analys 1, och samma massa TS hade använts av jord A och B i analys 2. Variabel Enhet Jord A B Analys 1) Ca 2+ i katjonbytesextrakt (0,1 M BaCl 2 ) mg/l 60,1 8,0 Analys 2) Volym 0,02 M Ca(OH) 2 till ph 7,0 ml 2,0 1,0 a) Vilken av jordarna A och B är grovmojorden och vilken är mellanleran? Motivera och redogör för förenklingar och antaganden! (Det går att lösa det här utan att göra precisa beräkningar. Alternativt kan du använda följande: 2 g jord TS extraherades med 100 ml BaCl 2 i analys 1; 4 g jord TS användes i analys 2.) (2 p) Utan beräkningar: Mellanleran måste vara jorden med högst CEC ph7 Eftersom samma förshållande jord/vätska använts för båda jordarna inom varje analys, kan man jämföra A och B med varandra utan att räkna ut cmol c kg 1 av variablerna. Vi får anta att Ca 2+ (som vanligen är dominerande baskatjon) och volym Ca(OH) 2 tillsammans blir ett mått på CEC ph7 (en underskattning av CEC ph7, men det bästa vi har data för). A har då högst CEC ph7. Med beräkningar: Man får följande värden om man räknar numeriskt: Variabel Enhet Jord A B Analys 1) Utbytbart Ca 2+ cmol c kg

2 Analys 2) Titrerbar aciditet cmol c kg Ungefärlig CEC cmol c kg Ungefärlig basmättnad % b) Vilken av jordarna bör ha högst ph? Motivera! (1 p) Utan beräkningar: A bör ha högst ph. ph stiger med ökande basmättnadsgrad. Förhållandet mellan den enda baskatjonen Ca 2+ vi har data Ca 2+ för och summan av denna och Ca(OH) 2-åtgång blir ett mått på basmättnadsgraden. Detta basmättnadsmått blir högst för A. Med beräkningar: Den (under)skattade basmättnadsgraden blir som synes högst för jord A, som alltså bör ha högst ph (tabellen till (a)). c) Till vilken av jordarna A och B ginge det åt mest kalk, om man skulle vilja höja ph till 7,0? Motivera! (1 p) Till jord A, ty den har mest titrerbar aciditet som måste neutraliseras för att man ska uppnå detta ph. Utan beräkningar: Man ser det direkt på åtgången volym Ca(OH) 2, eftersom samma vikt jord använts av de båda jordarna. Med beräkningar: Se uträknad titrerbar aciditet i tabellen till (a). Exemplet är medvetet konstruerat så att jorden med högst ph (p.g.a. högst basmättnad) har störst kalkbehov (p.g.a. störst titrerbar aciditet). Det är viktigt att skilja mellan det relativa måttet basmättnad (som styr ph) och den absoluta mängden titrerbar aciditet (som bestämmer hur mycket kalk som går åt för att uppnå ett visst ph). Jordmåns- och vittringsfråga Fråga 2. Välj två jordmånsordningar i Soil Taxonomy som skiljer sig åt i några viktiga avseenden (se jordmånslistan nedan). a) Rita principskisser med de horisonter som utmärker dem (någon eller några av O, A, E, B, C). (2 p) Svarets lydelse beror på val av jordmåner. För full poäng ska följande framgå: Kunskap om jordmånernas horisontföljd Vad horisonterna är för någonting (material de innehåller eller hur de bildas) Rätt horisontsymboler Beträffande sista punkten får man hög (men inte maximal) poäng om man visat att man vet vad som finns i profilens horisonter, även om symbolerna blivit fel. b) Redogör i stora drag för hur jordmånerna skiljer sig åt med avseende på förmågan att leverera baskatjoner genom kemisk vittring. Motivera utifrån jordmånernas principiella egenskaper beträffande textur och mineralogi samt klimatologiska eller andra relevanta aspekter! (2 p) Svarets lydelse beror på val av jordmåner. För full poäng ska det framgå att man förstår begrepp såsom ovittrad mineralogi med mycket återstående vittringsbara mineral, redan slutvittrad mineralogi, organogen jord i stor utsträckning saknande mineral som skulle kunna vittra, vittring gynnad av fin textur, utebliven vittring p.g.a. kyla eller torka. 2

3 c) Pb 2+ Redogör även för skillnader och likheter i deras förmåga att binda till sig bly (Pb 2+ ) respektive arsenat (H 2 AsO 4 ). Motivera utifrån förväntade typer av laddade partiklar i respektive jordmån! (2 p) Svarets lydelse beror på val av jordmåner. För full poäng gäller det att känna till att Pb 2+ komplexbinds av organiskt material, att en anjon som H 2AsO 4 bildar ytkomplex på seskvioxider i vilka jordmåner (och horisonter inom profilerna) man finner dessa adsorbenter (adsorberande material). entisol alfisol spodosol inceptisol mollisol histosol vertisol ultisol andisol aridisol oxisol gelisol 3) Surt regn är fortfarande ett problem i Sverige, även om deposition av svavelsyra har minskat kraftigt sedan början på 1990-talet. Istället är det depositionen av kväve som på sikt är det stora problemet. Vi har under kursen tagit upp begreppet protonbelastning (notera dock att du inte behöver kunna formeln som vi gick igenom på lektionen för att lösa uppgifterna nedan, de kan också lösas genom logiskt tänk kring protonkonsumerande och protongenererande processer). I de områden i Sverige som idag har högst belastning av kväve (sydvästra Sv.) ligger depositionen på ca. 0,1 mmol N /m 2 /år, varav ungefär hälften är NH 4 + och hälften NO 3 -. a) Om vi antar att allt kväve tas upp av vegetationen, vad blir den totala protonbelastningen på marken (räknat som mol H + /m 2 /år)? (2 p) Svar: En mol H + frigörs vid upptag av en mol NH 4 +, samt en mol OH - frigörs vid upptag av en mol NO 3 -. Detta leder till en nettoförsurning på 0. Kan också räknas ut med formeln: TPL = (NH 4 + in - NH 4 + ut) - (NO 3 - in NO 3 - ut), vilket ger: TPL = (0,05-0) (0,05-0) = 0 mmol H + /m 2 /år b) Om vi antar att inget kväve tas upp av vegetationen, och att allt kväve lakas ut som NO 3 -, vad blir då den totala protonbelastningen på marken (räknat som mol H + /m 2 /år)? (2 p) Svar: I detta fall nitrifieras allt inkommande NH 4 + till NO 3 -. I den processen frigörs två mol H + per oxiderad NH 4 +. Inkommande NO 3 - går bara rakt igenom systemet. TPL = (NH 4 + in - NH 4 + ut) - (NO 3 - in NO 3 - ut), vilket ger: TPL = (0,05-0) (0,05-0,1) = 0,1 mmol H + /m 2 /år c) Nämn minst två viktigare buffringsområden buffringsmekanismer i jordar och ungefär i vilka phområden de buffrar. (2 p) 3

4 Svar: Närmast till hands ligger (kalcium)karbonatbuffring (ph 8,3 7), samt aluminiumbuffring (ph 5-4). Notera att ph-intervallen är ungefärliga. Inom ett intervall mellan dessa båda buffringsmekanismer gäller katjonbyte med baskatjoner, d v s H + binds in i det diffusa dubbelskiktet och byter ut en ekvivalent baskatjon. 4) NO - 3 och NH + 4 är två former av oorganiskt kväve som kan förekomma i naturen. a) Skriv balanserade reaktionsformler för följande halvcellsreaktioner: Reduktion av NO - 3 (aq) till NH + 4 (aq) log K = 14,9 Reduktion av O 2 (g) till H 2 O log K = 20,8 Jämviktskonstanterna är beräknade per 1 mol e -. (3 p) Svar: Rätt balanserade halcellsreaktioner är 1/8 NO /8 H + + e - 1/8 NH /8 H 2O log K = 14,9 1/4 O 2(g) + e - + H + 1/2 H 2O log K = 20,8 b) Vilken kväveform är egentligen mest termodynamiskt stabil i kontakt med luft (partialtryck av O 2 =0,2 atm)? Du kan anta ett ph på 6. (2 p) Svar: Om man adderar halvcellsreaktionerna erhålls en komplett redox-reaktion: 1/8 NH /4 O 2(g) 1/8 NO /4 H + + 1/8 H 2O log K = 5,9 vilket ger; {NO 3 -}/{ NH 4 +} = (10 5,9 x PO 2 1/4 / {H + } 1/4 ) 8 om vi sätter in PO 2 =0,2 atm och {H + } = 10-6 så får vi {NO 3 -}/{ NH 4 +} = d v s NO 3 - är den stabila formen i närvaro av syre (oxidation av NH 4 + till NO 3 - kallas nitrifikation och är i naturen en process som utförs av mikroorganismer, vilka utnyttjar energin som frigörs!) 5) Du jobbar som miljökonsult och gör en riskbedömning av en gammal industritomt där det tidigare var ett gjuteri. Marken är bl a starkt förorenad av Cu. En underkonsult har utfört laktester som du är ombedd att tolka. På laklösning från tre av de mest förorenade proverna bestämdes ph och Cu 2+ aktiviteten med jonselektiva elektroder. Resultaten redovisas i tabellen nedan. Prov nr. ph {Cu 2+ } 1 7,2 1, ,5 4, ,7 1,

5 Tenorit (CuO) och malakit (Cu 2 (OH) 2 CO 3 ) är två tänkbara mineralfaser som kan reglera lösligheten av Cu. Deras upplösningsreaktioner och löslighetsprodukter är: CuO(s) + 2H + Cu 2+ + H 2 O log K so = 7,66 Cu 2 (OH) 2 CO 3 (s) + 4H + 2Cu 2+ + CO 2 (g) + 3H 2 O log K so = 12,99 a) Utvärdera lösligheten av Cu i de tre proverna genom att konstruera ett stabilitetsdiagram med de två mineralen och mätdata. Plotta pcu som en funktion av ph. Antag att partialtrycket av CO 2 i jämviktsluften är 3, atm. (4 p) Svar: Löslighetslinjen för CuO: {Cu 2+ }/{H + } 2 = 10 7,66 {Cu 2+ } = 10 7,66 {H + } 2 log{cu 2+ } = 7, log{h + } pcu = -7, ph Löslighetslinjen för Cu 2(OH) 2CO 3: {Cu 2+ } 2 {CO 2}/{H + } 4 = 10 12,99 {Cu 2+ } = 10 12,99/2 {H + } 2 /{CO 2} 1/2 log{cu 2+ } = 12,99/2 + 2 log{h + } 1/2 log{co 2} Sätt in {CO 2}= 3, log{cu 2+ } = 8, log{h + } pcu = -8,21 +2 ph Vi får följande stabilitetsdiagram: pcu ph Tenorit Malakit Mätdata 5

6 b) Hur tolkar du resultatet? Är det något av de två mineralen som reglerar lösligheten av Cu i de tre jordproverna? Eller någon annan mekanism? (1 p) Svar: Tenorit tycks reglera lösligheten i samtliga prov, d v s lösningarna är i jämvikt, eller mycket nära jämvikt, med avseende på detta mineral. c) Hur påverkas tolkningen om man ökar partialtrycket av CO 2? (1 p) Svar: Om partialtrycket av CO 2 ökar kommer lösligheten av malakit att minska, d v s stabilitetslinjen kommer att förskjutas uppåt i diagrammet, och därmed närma sig tenoritlinjen. De båda linjerna överlappar då partialtrycket av CO 2 är ca 10 ggr atmosfärstrycket. 6) En av de allvarligaste effekterna av en långt gående försurning är att Al 3+ frigörs från skogsmark och transporteras vidare till närliggande vattendrag och sjöar. Al 3+ faller sedan ut som Al(OH) 3 på fiskarnas gälar och dödar dem. Under förutsättning att gibbsit (Al(OH) 3 ) reglerar Al-lösligheten (=Al 3+ är i jämvikt med Al(OH) 3 ) i skogsmark, lös uppgifterna nedan: Vad är koncentrationen av Al 3+ då ph är 5,5? (3 p) I beräkningarna kan du anta att aktivitetskoefficienten för trevärda joner är 0,64. Använd följande reaktion och löslighetsprodukt: Al(OH) 3 (s)+ 3H + Al H 2 O log K so = 9,12 Svar: {Al 3+ }/{H + } 3 = 10 9,12 {Al 3+ } = {H + } ,12 [Al 3+ ] = ({H + } ,12 ) / 0.64 = ({10-5,5 } ,12 ) / 0,64 = 6, M Svar: [Al 3+ ] = 6, M 6