Metoda Scheiblera

Oznaczanie zawartości węglanów metodą Scheiblera – laboratoryjna metoda pomiaru zawartości węglanu wapnia (CaCO₃) w próbce skały, osadu lub gleby. Polega ona na zmierzeniu w aparacie Scheiblera objętości, wydzielonego z rozkładu węglanów, dwutlenku węgla.

Węglany mają wpływ na właściwości gleby lub osadu. Wpływają one na odczyn oraz właściwości buforowe (bufor węglanowy utrzymujący pH w zakresie 6,2–8,2). Wapń i magnez są istotnymi składnikami pokarmowymi dla roślin, a także wpływają na powstanie stabilnej struktury, co ma znaczenie zarówno dla warunków powietrzno-wodnych w glebach^[1], jak i wpływa na inżyniersko-geologiczne właściwości gruntów. Dodatkowo jony te obniżają właściwości hydrofilne gruntu^[2].

Węglan wapnia jest słabo rozpuszczalny w wodzie. W środowisku naturalnym, występujący w powietrzu dwutlenek węgla reaguje z wodą dając słaby kwas węglowy, który reagując z węglanem wapnia tworzy łatwo rozpuszczalny w wodzie dwuwęglan wapnia^[3]:

H₂O + CO₂ = H₂CO₃; CaCO₃ + H₂CO₃ = Ca(HCO₃)₂

Rozmieszczenie węglanu wapnia w profilu mówi o wilgotności klimatu (w klimatach suchych gromadzi się on zwykle na powierzchni, w klimatach wilgotnych jest on wymywany w głąb). Na szybkość ługowania (wymywania) wpływa na uziarnienie osadu lub stopień rozdrobnienia skały macierzystej. W osadach mniej zwartych przepływ wody jest szybszy i zachodzi głębiej niż w osadach bardziej zwartych, co wpływa na łatwość wymywania węglanów^[3]. Rozpuszczony w wodzie węglan wapna może wędrować do mórz i oceanów lub może się wytrącać w postaci wapieni naciekowych i żył kalcytowych albo jako wtórne węglany w nielitych skałach osadowych. Wtórne węglany mogą występować w formie rozproszonej lub w postaci skupień, wytrąceń, kukiełek węglanowych^[2].

Metody określania zawartości węglanów w glebie lub osadzie opierają się na ich rozkładzie przy pomocy silnych kwasów (np. kwasu solnego) i zmierzania ilości wydzielonego dwutlenku węgla:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂CO₃; H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Ilość dwutlenku węgla, w zależności od metody, może być określana wagowo (pomiar wzrostu wagi absorbenta dwutlenku węgla) lub objętościowo, tak jak w metodzie Scheiblera (pomiar objętości wydzielonego dwutlenku węgla). Znając zawartość procentową dwutlenku węgla w badanej próbce należy przemnożyć ją przez 2,2743 aby uzyskać zawartość procentową węglanu wapnia^[3].

Metoda Sheiblera z wykorzystaniem aparatu Scheiblera (z 5% roztworem CuSO₂^[2]) i kwasu solnego jest najpopularniejszą metodą oznaczania węglanu wapnia w polskich laboratoriach gleboznawczych^[1].

Terenowe, orientacyjne oznaczanie ilości węglanów

Osobny artykuł: Określanie zawartości węglanu wapnia w gruntach.

Makroskopowe, orientacyjne określenie ilości węglanu wapnia w glebie lub osadzie określa się na podstawie reakcji z 10% (zgodnie z normą PN-EN ISO 14688-1) lub 20% roztworem kwasu solnego (zgodnie z normą PN-88/B-04481). Jeżeli próbka:

burzy silnie i długo – orientacyjnie zawiera > 5% węglanów,
burzy silnie, lecz krótko – orientacyjnie zawiera 3–5% węglanów,
burzy słabo i krótko – orientacyjnie zawiera 1–3% węglanów,
nie burzy – orientacyjnie zawiera < 1% węglanów lub nie zawiera ich wcale.

Dodatkową wskazówką może być pH. Jeżeli gleba ma odczyn zasadowy lub zbliżony do obojętnego (z rzadka słabo kwaśny) jest możliwe, że zawiera węglany^[4]^[5].

Wykonanie analizy metodą Scheiblera

Wysuszoną w 105 °C próbkę gleby rozcieramy w moździerzu agatowym^[2]. Odważamy 0,5–15 g gleby (1–10 g^[3]), w zależności od orientacyjnej ilości węglanów opartej na sile burzenia, i umieszczamy w przeznaczonym do tego naczyniu (kolbie stożkowej)^[1]. Do zbiorniczka na kwas umieszczonego przy korku wlewamy 10% HCl, tak by jego poziom był kilka mm poniżej otworu. Szczelnie zamykamy korkiem naczynie z glebą, tak że naczynie z kwasem solnym znajduje się w środku, poniżej korka. Należy przy tym bardzo uważać, by kwas nie wylał się na glebę zbyt wcześnie^[1]^[2]^[3].
Otwierając odpowiednie kraniki, regulujące przepływ powietrza i cieczy w eudiometrze – aparacie Scheiblera, co umożliwia swobodny dostęp powietrza atmosferycznego do rurek pomiarowych z roztworem (U-rurki^[1]) oraz podnosząc lub opuszczając pojemnik wyrównawczy z roztworem wyrównujemy poziom roztworu w rurce pomiarowej i pomocniczej (obu ramionach U-rurki) i zapisujemy poziom roztworu w skalibrowanej rurce pomiarowej. Ustawiamy kranik przy naczyniu z glebą tak by wydzielony z rozkładu węglanów CO₂ mógł się dostać tylko do rurki pomiarowej^[1]^[2]^[3].
Ostrożnie wylewamy porcję HCl z naczynia z kwasem na próbkę gleby i mieszamy. Wydzielany CO₂ powinien wypierać ciecz z rurki pomiarowej^[3]. Jeżeli widać burzenie, a poziom roztworu w rurce pomiarowej się nie zmienia oznacza to, że układ jest nieszczelny i analizę należy powtórzyć^[1]. Dolewamy kolejne porcje HCl i mieszamy aż do czasu gdy ustanie wydzielanie CO₂ i przez kilka minut poziom roztworu w rurce pomiarowej nie ulegnie zmianie^[1]^[3].
Poprzez manipulację kranikami wyrównujemy poziom cieczy w obu rurkach i odczytujemy poziom roztworu w rurce pomiarowej, a także odczytujemy ciśnienie atmosferyczne i temperaturę w pomieszczeniu, w którym wykonaliśmy analizę^[2].

Obliczanie wyników

Zawartość węglanu wapna w % w badanej próbce oblicza się według poniższego wzoru^[1]:

 $\mathrm {CaCO} _{3}[\%]={\frac {a\cdot k\cdot 100}{c\cdot 1000}}$

gdzie: $a$ – ilość wydzielonego CO₂ w cm³; $k$ – współczynnik z poniższej tabeli; $c$ – naważka w gramach.

Masa CaCO₃ powodująca wydzielenie się 1 cm³ CO₂ w danym ciśnieniu i temperaturze
Temp. (°C)	Ciśnienie atmosferyczne w mm słupa rtęci
Temp. (°C)	742	749	756	765	771
23	4,111	4,156	4,200	4,248	4,281
20	4,153	4,199	4,243	4,292	4,325
17	4,197	4,242	4,286	4,335	4,368

W przypadku występowania w badanej próbce innych węglanów (np. Na₂CO₃, MgCO₃) uzyskany wynik może być obarczony pewnym błędem, gdyż dana metoda ich nie uwzględnia^[3]. Ich ilość, w stosunku do ilości węglanu wapnia, jest na ogół niewielka, więc błąd ten jest akceptowalny^[1].

Zobacz też

Przypisy

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j Renata Bednarek: Analiza podstawowych właściwości gleb. W: Renata Bednarek, Helena Dziadowiec, Urszula Pokojska, Zbigniew Prusinkiewicz: Badania ekologiczno-gleboznawcze. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004, s. 108–111. ISBN 83-01-14216-2.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Elżbieta Myślińska: Laboratoryjne badania gruntów i gleb. Warszawa: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, 2016, s. 193–198. ISBN 978-83-235-2516-5.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Andrzej Mocek, Stanisław Drzymała: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. V. Poznań: Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, 2010, s. 232–235. ISBN 978-83-7160-586-4.
↑ Elżbieta Myślińska: Laboratoryjne badania gruntów i gleb. Warszawa: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, 2016, s. 43–44. ISBN 978-83-235-2516-5.
↑ Renata Bednarek: Analiza podstawowych właściwości gleb. W: Renata Bednarek, Helena Dziadowiec, Urszula Pokojska, Zbigniew Prusinkiewicz: Badania ekologiczno-gleboznawcze. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004, s. 85. ISBN 83-01-14216-2.

[BEG-1] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j Renata Bednarek: Analiza podstawowych właściwości gleb. W: Renata Bednarek, Helena Dziadowiec, Urszula Pokojska, Zbigniew Prusinkiewicz: Badania ekologiczno-gleboznawcze. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004, s. 108–111. ISBN 83-01-14216-2.

[Mys2-2] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Elżbieta Myślińska: Laboratoryjne badania gruntów i gleb. Warszawa: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, 2016, s. 193–198. ISBN 978-83-235-2516-5.

[MD-3] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Andrzej Mocek, Stanisław Drzymała: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. V. Poznań: Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, 2010, s. 232–235. ISBN 978-83-7160-586-4.

[Mys1-4] Elżbieta Myślińska: Laboratoryjne badania gruntów i gleb. Warszawa: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, 2016, s. 43–44. ISBN 978-83-235-2516-5.

[BEG1-5] Renata Bednarek: Analiza podstawowych właściwości gleb. W: Renata Bednarek, Helena Dziadowiec, Urszula Pokojska, Zbigniew Prusinkiewicz: Badania ekologiczno-gleboznawcze. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004, s. 85. ISBN 83-01-14216-2.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]