Tentamen i markkemi och jordmånslära, MV0192

Transkript

1 20 feb 2015 Svar och kommentarer i blå text Tentamen i markkemi och jordmånslära, MV0192 Ansvariga utgivare: Dan Berggren Kleja & Magnus Simonsson, Inst f mark och miljö, SLU Tillåtet hjälpmedel: Räknedosa. Totala antalet poäng: 31. För godkänt krävs 15,5 poäng. För betyg på hela kursen vägs tentamensresultaten samman enligt betygskriterierna. Ange din personliga tentamenskod på alla papper som lämnas in! Svaren på frågorna 1 3 skrivs direkt i frågeformuläret, som lämnas in men återfås när tentan är rättad. Uträkningar och svaren till frågorna 4 9 skrivs på lösblad. 1) De vanligaste beståndsdelarna i markens mineral är O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, K och Na. När mineralen vittrat är det vissa ämnen som är lättlösliga och andra som är svårlösliga och gärna bildar nya, sekundära mineral. a) Klassificera följande ämnen med avseende på löslighet: (1 p) Lättlöslig Svårlöslig 1 p (full poäng) för allting rätt. 0,5 p vid Al enstaka fel, om de inte vänder på huvuddragen: att de sura katjonerna Al 3+ och Fe Fe 3+ (som är det vanligaste oxidationstillståndet Mg efter vittring) är svårlösliga och baskatjonerna lättlösliga. Ca K Na b) Vilka egenskaper gör att en katjon hamnar i kategorin svårlöslig? (1 p) Svarsbetyg enligt sid. 4. De ska ha hög laddning (d.v.s 3+) och liten radie, för att ge ett starkt elektriskt fält som leder till reaktionen i c uppgiften. Lägre poäng om man bara säger att laddning och/eller radie spelar roll, utan att säga hur de ska vara beskaffade för att gynna utfällning. Vanliga förväxlingar i svaren: För utbytbara baskatjoner inom en laddningsgrupp (1+ resp. 2+) gäller (kanske oväntat) det omvända: att stor radie (liten hydratationsradie, d.v.s. svag hydratation) leder till bättre bindning som utbytbar katjon. Det är då den svaga hydratationen, som gör att jonen kan tänka sig att uppehålla sig i den något vattenfattiga miljön mellan 2:1 lagren i lermineral (bara 2 4 lager vattenmolekyler där) istället för att bada i ytterlösningen. c) Redogör med ett par meningar för den process som leder till att en svårlöslig katjon bildar sekundärt mineral! (2 p) Tvetydig fråga som fått konsekvent halvtjurig/halvtolerant rättning. Svarsbetyg enligt sid. 4. Det koncisa svaret redogör för själva utfällningen, d.v.s. deprotonering av hydratationsvatten och utfällning av den hydroxid som uppstår. Ett mera allmänt resonemang om vittringsprocessen i stort har i allmänhet gett godkänd poäng (50% av maxpoängen och uppåt), men inte maxpoäng. Vanliga förväxlingar i svaren: Resonemang om adsorption (i a eller b) är inte helt fel, eftersom det påverkar lösligheten, men inte ett exakt svar på frågetexten som gäller utfällning av sekundära mineral. 1

2 2) Se längdsnittet genom ett svenskt landskap nedan! Jordmånerna vid positionerna 1, 2, 3 och 4 är i tur och ordning spodosol entisol, inceptisol och histosol. a) Varje jordmån karakteriseras av att vissa horisonttyper finns, medan andra saknas. Kryssa för vilka horisonter som finns i jordmånerna 1 4 (en eller flera per jordmån)! (2 p) O A E B C 0 p el. 0,5 p per profil. För 0,5 p gäller: 1 ev. Kan ha alla, ska ha O, E, B och C 2 ev. Saknar E och B 3 ABC profil; ingen O, ingen E 4 ev. Ska ha O; C möjlig (tillåten) om man gräver djupt b) Hos var och en av jordmånerna 1, 3 och 4 är en av horisonterna avgörande för klassifikationen. Ange vilken (kryssa för en per jordmån)! Skriv också med några nyckelord under karakteristik vad som är karakteristiskt för horisonten: process och/eller viktig beståndsdel! (1,5 p) O A E B C Karakteristik (ca 0,5 p per helt rätt rad): I första hand: Ackumulation av seskvioxider och utfälld humus i B horisonten (rostjorden). Inte helt fel att istället beskriva E eller O horisonten. I första hand: Förändringar vad gäller färg, struktur eller materialets lagring i B horisonten. Tillåtet att istället påtala inblandad humus (A horisont). O horisont, torv, uppkommen genom syrebrist p.g.a. vattenmättnad. 2

3 Tentamenskod:... 3) Jordproverna A, B och C innehåller olika mängder av elektriskt laddade jordpartiklar. I ett experiment visade det sig att provernas sammanlagda laddning berodde av ph enligt nedanstående diagram (positiva värden innebär positiv laddning hos jorden, negativa värden innebär negativ laddning). Laddning (cmol c /kg) A B C a) Ange vilken jord (A, B eller C) som domineras av vilken typ av laddade jordpartiklar! (0,5 p) Lermineral (illit, vermikulit, smektit): Organiskt material (humus): B C ph Seskvioxider: 0,5 p för BCA, annars 0 p A b) Ange vilka processer som leder till att ytladdningar uppstår i lermineral av typen illit, vermikulit och smektit! Förklara med ett par meningar hur processerna går till! (1 p) Svarsbetyg enligt sid. 4. En fullpoängare tar upp: isomorf substitution och ger exempel på ämnen (vanligen Si och Al) och hur laddningsförhållandena rubbas (exempel på förväxlingar: att tala om jonbyten vid ytan, hävda att isomorf substitution avser jonbyten mellan 2:1 lagren) vittring av kalium Uttryckt förståelse för var och när laddningarna uppstår (när modermineralet bildades eller i marken) och/eller laddningarnas karaktär (permanent, ej ph beroende) bidrar till högt betyg. c) På samma sätt, ange vilka processer som leder till att ytladdningar uppstår i seskvioxider! Förklara med ett par meningar! (1 p) Svarsbetyg enligt sid. 4. En fullpoängare tar upp enkelkoordinerade OH grupper på ytan, som protoneras eller deprotoneras, varvid en lokal positiv eller negativ laddning uppstår; ph beroende laddning. Att bara säga att hydroxider har variabel laddning, utan att förklara protolysen, ger lägre poäng. 3

4 Frågebetygsstege för svaren på fråga 1b, 1c, 3b och 3c Betyg Poäng Anmärkn 0 0% 1 10% 2 30% 3 50% Gräns, betyg 3 enligt krit. 3 60% 4 70% Gräns, betyg 4 enligt krit. 4 80% 5 85% Gräns, betyg 5 enligt krit. 5 90% Full 100% Noll poäng: Blankt eller svar som upprepar, men inte besvarar frågan. Svar som inte behandlar för frågan korrekta begrepp. Ett typisk betyg 2 svar tar upp begrepp som behandlats under kursen, men sätter inte in dem i rätt sammanhang. Alternativt kan det ta upp begrepp som har visst samband med frågan, men kontrasterande fenomen förväxlas som om de vore samma sak. Betyg 3 är korrekt, men går inte in på detaljer eller aspekter som uttrycker djupförståelse; vissa felaktigheter eller sammanblandningar av begrepp kan förekomma. Betyg 4 har spets när det gäller precision, relevanta detaljer eller att sätta saker i rätt sammanhang. Betyg 5 och full poäng: Ännu mera spets och endast obetydliga felaktigheter. 4

5 Dan Berggren Kleja MV0192 Svar till tenta a) Minerallöslighet, ytkomplexreaktioner och jonbyte (elektrostatisk interaktion) Kommentar: De allra flesta hade missat vad jag menade med mekanismer. Jag är lite förvånad eftersom jag vid ett flertal tillfällen lyfte fram de tre mekanismerna minerallöslighet, ytkomplexreaktioner och jonbyte (med start på joner i markvattnet ). Och jag påpekade dessutom vikten av att hålla isär dessa därför att de olika mekanismerna har en egen teori vad gäller att kvantitativt beskriva dem. Föreläsningsstrukturen följer också denna uppdelning. Eftersom frågan har relativt stor vikt (6 p), har jag varit generös vid bedömningen av denna fråga. Finns rätt mekanism eller reaktion med, även nämnd i ett annat sammanhang (t ex buffring av vätejoner), så har jag gett poäng. Det betyder att många fått 3-4 p, utan att egentligen förstått själva frågan. b) Exempel: Minerallöslighet, t ex Al regleras av Al(OH) 3 (s): Al(OH) 3 (s) + 3H + Al H 2 O Ytkomplexreaktioner, t ex Cu binds till organiskt material (monodentat, kan också vara bidentat): Cu 2+ + R-COOH R-COOCu + + H + Jonbyte, t ex Na + byts mot Ca 2+ på en leryta: Ca NaX CaX 2 + 2Na + 5) Utbytbar aciditet = elektrostatiskt adsorberad H + och Al 3+ Titrerbara aciditet = utbytbar aciditet + R-COOH + (R-COO) 2 Al + 6 a) Ingen nettoförsurning. När NH 4 + tas upp av vegetationen utsöndras en H + och när NO 3 - tas upp utsöndras en OH -. b) Nettoförsurning: När NO 3 - tas upp utsöndras en OH -, men när NH 4 + finns i överskott oxideras det till NO 3 - (nitrifikation) och två H + bildas. 7a) Rätt balanserade halcellsreaktioner är 1/8 NO /4 H + + e - 1/8 NH /8 H 2 O log K = 14,9 1/4 O 2 (g) + e - + H + 1/2 H 2 O log K = 20,8

6 b) Om man adderar halvcellsreaktionerna erhålls en komplett redox-reaktion: 1/8 NH /4 O 2 (g) 1/8 NO /4 H + + 1/8 H 2 O 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!) 8) Man måste välja götit, eftersom man skall immobilisera samtliga metaller. Arsenatjonen binds inte till organiskt material. Man måste tänka på att optimera ph då katjonernas sorption ökar med ökat ph, medan det motsatta gäller för arsenat. Optimalt ph ligger kanske runt 7. Kommentar: Till skillnad från fråga 4, har jag här varit sträng i min bedömning av era svar. Man måste svara götit för att få poäng. Och ett kortare resonemang om ph-beroendet för att få full pott. 9 a) Följande reaktioner gäller: AlPO 4 2H 2 O(s) + 2H + Al 3+ + H 2 PO H 2 O log K so = -2.5 Al(OH) 3 (s) + 3H + Al H 2 O log K so = 9.3 Kombinera reaktionerna så här: AlPO 4 2H 2 O(s) + 2H + Al 3+ + H 2 PO H 2 O log K so = -2.5 Al H 2 O Al(OH) 3 (s) + 3H + log K so = AlPO 4 2H 2 O(s) + H 2 O Al(OH) 3 (s) + H 2 PO H + log K so = Motsvarande jämviktsekvation är: { H 2PO 4 { H 2PO 4 } {H } = } = / {H + } [ H 2PO 4 ] = / ({H + } 0.96)

7 [ H 2PO 4 ] = / ( ) = M b) Som framgår av (den summerade) reaktionen (och ekvationen) ovan så minskar fosfatlösligheten vid försurning.