"Rozvoj vědy a pokrok poznání se stávají stále obtížnější. Na experimentování již nestačí zápalky a sláma." Richard Philips Feynman
Tato publikace vznikla díky operačnímu programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost v projektu Zavedení inovačních metod do výuky přírodních věd (CZ.1.07/1.1.16/01.0069), který byl realizován v letech 2012 2014 na Gymnáziu a ZUŠ Šlapanice.
OBSAH Úvod 5 Půda-1 Určení druhu půdy a nerostů v půdě 7 Půda-2 Určení množství vápence v půdě 11 Půda-3-Příprava výluhu z půdy 15 Půda-4 Určení ph půdy 17 Půda-5 Určení vybraných iontů (SO 2-4, Cl - ) v půdě 21 Půda-6 Určení některých kationtů v půdě (Fe, Ca) 25
4
Úvod Půda Půda tvoří nejsvrchnější vrstvu zemské kůry, její součástí je také voda, vzduch a organismy. Vzniká v procesu tzv. pedogeneze, kdy na matečnou horninu působí vnější vlivy, a to po dlouhou dobu. Půda je tedy produktem přeměny anorganických a organických látek, poskytuje životní prostředí rostlinám, živočichům a také člověku. Studiem půdy se zabývá pedologie. Fyzikální a chemické vlastnosti půdy Fyzikálními vlastnostmi půdy rozumíme vlastnosti, které vycházejí ze vzájemného působení mezi pevnou, kapalnou (půdní roztok) a plynnou (vzduch v půdě) složkou půdy. Tyto vlastnosti určuje pórovitost, zrnitost, barva půdy a obsah vody a vzduchu v půdě. Chemické vlastnosti půdy určuje její chemické složení a fyzikálně chemické a chemické procesy v půdě. Pokud chceme zjišťovat vlastnosti půdy v dané oblasti, musíme odebrat tzv. průměrný půdní vzorek, který před vlastním rozborem necháváme vysušit (většinou stačí přes noc). 5
Úvod Odběr vzorků půdy K posouzení půdy určité zvolené lokality je důležité odebírat průměrný půdní vzorek. Ten se získává smícháním asi dvaceti jednotlivých vzorků, které jsou odebrány z míst stejnoměrně rozložených na ploše lokality. Velikost lokality by neměla přesáhnout jeden hektar (plocha o rozměrech 100 m x 100 m). Půda by měla být oschlá a nesmí se zamazat. Odběr se provádí do hloubky asi 10 cm. Lopatkou se vyrýpne jamka do příslušné hloubky, pak se kolmo k povrchu odkryje plást půdy o tloušťce asi 5 cm. Odebírá se půda z horní i dolní části horizontu, to znamená z hloubky 5 cm i 10 cm. Odebíráme vždy přibližně stejné množství půdy a ukládáme do označené nádoby. Nakonec v ní vzorky odebrané z dané lokality důkladně promícháme. S tímto průměrným vzorkem provádíme další zkoumání půdy. Jako nádoby na odebrané vzorky jsou vhodné např. umělohmotné láhve od nápojů s uříznutým hrdlem, které se převážou gumičkou a plastovým sáčkem. Jamka pro odběr vzorku Nádoba se vzorkem 6
Ch-Půda-6 Určení druhu půdy a nerostů v půdě Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Půda-1 Určení druhu půdy a nerostů v půdě kvarta, kvinta Úkol: Určení druhu půdy a zjištění nerostů v půdě Pomůcky: Petriho miska, lžička, vzorek půdy, střička, skleněná tyčinka, milimetrový papír, lupa Teorie: Půda je tvořena písčitými, hlinitými a jílovitými částicemi, které označujeme jako zrnitostní frakce. Podle toho, jaké frakce v půdě převažují, rozlišujeme různé půdní druhy. Rozeznáváme tři základní druhy půdy písčité, hlinité a jílovité. Půdní druhy můžeme také rozdělit podle zpracovatelnosti na lehké, střední a těžké. Jaký druh půdy vznikne, závisí na druhu matečné horniny, ze které půda vzniká, a na způsobu zvětrávání. Půdní druh je velice důležitý faktor, který ovlivňuje další vlastnosti půdy, například úrodnost, náchylnost k erozi a ke zhutnění. Různé druhy půd vzbuzují různé hmatové pocity. Vzorky se také liší tvárností a mazlavostí. DRUH PŮDY HMATOVÉ POCITY TVÁRLIVOST UMAZÁNÍ RUKY Písčitá (lehká) drsná a zrnitá suchá a netvárlivá neumaže se Hlinitopísčitá (lehká) drsná a zrnitá poněkud tvárlivá umaže se velmi málo Písčitohlinitá (střední) poněkud zrnitá dobře tvárlivá umaže se málo Hlinitá (střední) poněkud zrnitá dobře tvárlivá umaže se značně Jílovitohlinitá (těžká) mazlavá dobře tvárlivá umaže se velmi značně Jílovitá (těžká) mýdlovitá a mastná velmi dobře tvárlivá umaže se velmi značně 7
Půda-1 Určení druhu půdy a nerostů v půdě Nerosty v půdě lze pozorovat tak, že vzorek rozmícháme ve vodě. Jednotlivé částice původního vzorku se od sebe odloučí a jsou dobře viditelné. Lupou lze rozeznat, kromě rostlinných a živočišných zbytků, i nerostné součásti, jež mají rozličnou velikost, tvar a barvu. Nejdůležitější nerosty můžeme určit podle níže uvedených znaků. živec křemen slída bílá a červenavá zrníčka světle šedé, v procházejícím světle čiré, zaoblené či nepravidelné útvary lesklé lístky (šupinky) břidlice tmavomodré až černé nepravidelné úlomky amfibol tmavé až černé součásti vápenec bílé až šedé ostrohranné nebo zaoblené úlomky Postup: Úkol 1: Určení druhu půdy 1. Odeberte asi lžičku půdy, nasypte do Petriho misky a mírně ji navlhčete. 2. Mírně navlhčenou půdu rozemněte mezi palcem a ukazováčkem. 3. Potom celou rukou zkuste půdu hníst, formovat a všímejte si, zda se ruka ušpiní. 4. Podle výše uvedené tabulky určete rychle a přibližně správně různé druhy půdy. 8
Úkol 2: Určení nerostů v půdě 5. Na milimetrový papír položte Petriho misku a do ní nasypejte lžičku odebrané půdy. 6. Půdu dostatečně zvlhčete vodou ze střičky. 7. Pomocí skleněné tyčinky oddělte jednotlivé kousky nerostů a podle pozorování pod lupou a výše uvedené tabulky se snažte určit druh nerostů. 9
10
Ch-Půda-7 Určení množství vápence v půdě Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Půda-2 Určení množství vápence v půdě kvarta, kvinta Úkol: Určení uhličitanu vápenatého v půdě Pomůcky: Petriho miska, vzorek půdy, lžička, pipeta, 10% roztok kyseliny chlorovodíkové Teorie: Celkový obsah vápníku v půdě se pohybuje mezi 0,15 6 %. Nejméně vápníku obsahují půdy písčité v humidnějších oblastech a nejvíce půdy uhličitanové. Vápník se v půdě vyskytuje v různých formách: 1. nevýměnný součást minerálů a nerozpustných sloučenin (uhličitanů), největší podíl ten budeme dokazovat 2. výměnný poutaný na různé půdní částice 3. vodorozpustný v půdním roztoku Význam vápníku v půdě: 1. vliv na fyzikální a chemické vlastnosti půdy zvýšení ph, omezení uvolňování H +, Al 3+, Mn 2+, omezení rozpustnosti těžkých kovů, lepší rozpustnost živin, lepší struktura půdy, větší objem pórů, zlepšení mineralizace půdy a tvorby humusu, vhodně ovlivňuje příjem a využití živin rostlinami 2. Ca jako živina ovlivňuje růst a elasticitu buněk, stabilizuje buněčné stěny, ovlivňuje kvalitu plodů, působí na tvorbu a růst kořenů Nedostatek Ca se u rostlin projeví menší tvorbou kořenů, deformacemi při růstu, vyšším opadem květů, poruchami při dozrávání plodů (malá pevnost, pukání). Důkaz vápence (důkaz obsahu nevýměnného Ca) v půdě je založen na faktu, že silnější kyselina chlorovodíková vytlačuje slabší kyselinu uhličitou z jejích solí: CaCO 3 + 2 HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O 11
Půda-2 Určení množství vápence v půdě Oxid uhličitý uniká z kyseliny uhličité v plynné podobě a šumí. Podle síly a délky šumění lze zhruba určit množství vápence v půdě. Silné dlouhotrvající šumění ukazuje na velký obsah vápence. Pokud je v půdě vápence málo, je šumění slabé nebo žádné. Takovou půdu je třeba vápnit. Množství vápence ukazuje tabulka: Intenzita šumění Obsah CO 2-3 v půdě v % šumění sotva znatelné, krátké méně než 0,3 % šumění slabé, krátké 0,3 % 1,0 % šumění dosti silné, krátké 1,0 % 3,0 % šumění silné, delší 3,0 % 5,0 % šumění kypící, silné, dlouhé více než 5,0 % Dodatek: Pokud ucítíte po nakapání kyseliny chlorovodíkové na vzorek zápach sulfanu (zápach po shnilých vejcích), jsou v půdě obsaženy sulfidy. Př.: 2HCl + ZnS ZnCl 2 + H 2 S Postup: 1. Odeberte asi lžičku půdy a nasypte ji do Petriho misky. 12
2. Pipetou naberte 2 ml roztoku HCl a nakapejte ho na vzorek půdy. 3. Pozorujte délku a intenzitu šumění. 4. Podle výše uvedené tabulky určete obsah vápence. 5. Zjistěte také, zda není cítit sulfan, který dokazuje přítomnost sulfidů. 13
14
CH-Půda-8-Příprava výluhu z půdy Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Půda-3 Příprava výluhu z půdy kvarta, kvinta Úkol: Příprava výluhu z půdy Pomůcky: Kádinky, nálevka, stojan, filtrační kruh, střička s destilovanou vodou, skleněná tyčinka, vzorek půdy, kuželová baňka, zátka, odměrný válec, filtrační papír, destilovaná voda Teorie: Důkaz různých iontů obsažených v půdě, ph, se provádí ve výluhu z půdy, který se ještě filtruje, aby se snížil zákal tvořený nerozpuštěnými částicemi. Postup: 1. Sestavte filtrační aparaturu. 2. Do kuželové baňky nasypte 3 lžíce vzorku půdy a přilijte 100 ml destilované vody. 3. Kuželovou baňku se směsí důkladně protřepávejte asi 3 minuty. 15
4. Hrubé půdní částečky nechte usadit a suspenzi přefiltrujte. Půda-3 Příprava výluhu z půdy 5. Filtrát použijte pro následující pokusy. 16
CH-Půda-9 Určení ph půdy Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Půda-4 Určení ph půdy kvarta, kvinta Úkol: Určení ph půdy Pomůcky: Datalogger LabQuest, sonda PH-BTA, kádinky, stojan, držák, křížová svorka, střička s destilovanou vodou, indikátorový papírek PHAN Lachema, filtrát výluhu půdy, destilovaná voda LabQuest sonda PH-BTA Teorie: Hodnota ph určuje kyselost nebo zásaditost roztoku, její hodnoty se pohybují od 0 14. Neutrální roztok má ph 7, pokud je hodnota ph nižší, je roztok kyselý, pokud je ph vyšší než 7, je roztok zásaditý. Kyselost půdy závisí především na typu a chemickém složení matečné horniny, ze které se půda vytvářela. Např. na vyvřelinách jako žula se vytváří kyselé půdy, na vápencích půdy zásadité. Podle hodnoty ph rozlišujeme půdu: ph charakteristika půdy ph charakteristika půdy do 4,5 extrémně kyselá 6,6 7,2 neutrální 4,6 5,5 silně kyselá 7,3 7,7 alkalická 5,6 6,5 slabě kyselá nad 7,7 silně alkalická Kyselé půdy jsou méně úrodné a méně osídlené půdními organismy i rostlinami. Většina rostlin nemůže růst v půdách s reakcí ph < 3,5. Okyselení půdy může zvyšovat i člověk svou činností, např. znečišťováním ovzduší. Kyselou reakci půdy lze upravit vápněním. 17
Půda-4 Určení ph půdy Půdní reakci lze odhadnout i dle výskytu plevelů (např. šťovík, přeslička, jitrocel atd.), které rostou na kyselých půdách. Na zásaditých půdách roste třeba komonice. Znalost hodnoty ph půdy můžeme velmi dobře využít při pěstování užitkových i okrasných rostlin. Některým rostlinám se daří lépe v kyselé, jiným v zásadité půdě. Příklady vhodného rozmezí ph Rostlina ph Rostlina ph jahodník 4,5 6,5 salát 6,0 7,5 rajče 5,5 7,0 kedlubny 6,2 7,8 hrách 5,7 7,5 karotka 6,5 7,5 ředkvička 6,0 7,4 žito 4,3 5,7 pšenice 6,0 7,5 cukrová řepa 6,8 7,5 azalky 3,5 4,5 vřes 3,5 5,4 bilbergie 4,5 5,5 begónie královská 5,0 6,5 šáchor 5,5 6,5 fíkus 6,0 7,0 asparágus 6,0 7,5 zelenec 6,0 7,5 1. Přibližné určení ph: Z kádinky s půdním výluhem odlijte část do zkumavky, do vody ponořte indikátorový papírek PHAN Lachema a nechte cca 1 minutu ponořený v roztoku. Srovnáním zbarvení s barevnou stupnicí získejte přibližnou hodnotu ph zkoumaného vzorku. 18
2. Pro přesnější určení kyselosti použijeme čidlo ph: Čidlo kyselosti PH-BTA připojte k LabQuestu, odšroubujte lahvičku s ukládacím roztokem, čidlo opláchněte vodou a otřete. Do kádinky s výluhem půdy ponořte čidlo PH-BTA a po ustálení odečtěte hodnotu ph. Čidlo opláchněte vodou a uložte do lahvičky s ukládacím roztokem. Podle výše uvedené tabulky určete druh půdy. 19
20
Ch-Půda-10 Určení vybraných iontů (SO 4 2-, Cl - ) v půdě Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Půda-5 Určení vybraných iontů (SO 4 2-, Cl - ) v půdě kvarta, kvinta Úkol: Důkaz síranových a chloridových iontů ve výluhu z půdy Pomůcky: Datalogger LabQuest, čidlo chloridových iontů Vernier CL-BTA, stojan, držák, křížová svorka, kádinky, střička s destilovanou vodou, zkumavky, stojan na zkumavky, odměrný válec, lihový fix, papírová utěrka, výluh vzorku půdy, 10% roztok HCl (žíravina!), 10% roztok chloridu barnatého (toxická látka!) Pracujeme v rukavicích! LabQuest Sonda CL-BTA Teorie: V půdě se sírany vytvářejí oxidací sulfidů, popř. vznikají v aerobním prostředí (za přítomnosti kyslíku) ze sulfanu, který vzniká rozkladem živočišných a rostlinných zbytků. Sírany můžeme dokázat v půdním výluhu okyseleném kyselinou chlorovodíkovou roztokem chloridu barnatého. Sírany se vysrážejí jako bílá, jemně krystalická sraženina síranu barnatého BaSO 4. SO 4 2- + Ba 2+ BaSO 4 Podle množství sraženiny můžeme usuzovat na množství síranu v půdě. Obsahuje-li půda mnoho síranů, je třeba ji neutralizovat přidáním vápna. Chloridy se v prostředí vyskytují přirozeně, ale velké množství chloridů se do prostředí dostává lidskou činností. Přirozené zdroje chloridů: vymývání z hornin, vodní aerosol vznikající při hladině moře, vulkanická činnost, lesní požáry. 21
Půda-5 Určení vybraných iontů (SO 2-4, Cl - ) v půdě Lidská činnost: Spalování uhlí, průmyslové výroby (PVC), odpadní produkty skládky, elektrotechnika, potravinářství, solení vozovek v zimním období, změkčovadlo vody v myčkách atd. Chloridy se v půdě málo váží a odplavují se povrchovými a podzemními vodami. Určité množství chloridů je pro organismy nezbytné, ale vysoké koncentrace chloridů způsobují úhyn rostlin i živočichů z důvodu vysoké salinity. Určení množství Cl - ve vzorku vody provedeme pomocí čidla Vernier CL-BTA Postup: Důkaz síranových iontů (SO 2-4 ) Do zkumavky nalijte asi 10 ml výluhu a přidejte 1 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové a 1 ml roztoku chloridu barnatého, pokud nevznikne zákal hned, postavte zkumavku do stojanu a zkontrolujte za chvíli. Důkaz chloridových iontů (Cl - ) 1. Kalibrace: Připojte čidlo k dataloggeru, nastavte dvoubodovou kalibraci. Vysoký kalibrační bod sondu máte namočenou do roztoku vysoké kalibrace alespoň 30 minut, zadejte na dataloggeru hodnotu 1000, po cca 1 minutě, až se hodnota ustálí, potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku a střičkou důkladně opláchněte, pak osušte papírovou utěrkou. Nízký kalibrační bod sondu vložte do standardního roztoku nízké kalibrace, na dataloggeru zadejte hodnotu 10 a po cca 1 minutě potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku, opláchněte destilovanou vodou a pak otřete papírovou utěrkou. 22
2. Měření: Do kádinky (100 ml) nalijte do ¾ výluh, ponořte do něj sondu. Zkontrolujte, zda se sonda nedotýká dna a zda pod ní nezůstala bublinka vzduchu, pokud ano, poklepem na sondu ji odstraňte. Zhruba po 1 minutě na dataloggeru odečtěte naměřenou hodnotu. Sondu vyjměte z roztoku, opláchněte vodou a osušte papírovou utěrkou. 3. Uložení: Na sondu nasuňte lahvičku s houbičkou, která slouží k dlouhodobému skladování. Zašroubujte a uložte do krabice. 23
24
Ch-Půda-11 Určení některých kationů v půdě (Fe, Ca) Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Půda-6 Určení některých kationtů v půdě (Fe, Ca) kvarta, kvinta Úkol: Důkaz kationtů některých kovů v půdním výluhu Pomůcky: Datalogger LabQuest, sonda Ca 2+ Vernier CA-BTA, kádinky, stojan, držák, křížová svorka, střička s destilovanou vodou, vzorek vody, odměrný válec, zkumavky, stojan na zkumavky, 10% roztok HCl, 2% roztok červené krevní soli (K 3 [Fe(CN) 6 ]) LabQuest Sonda CA-BTA Teorie: Vybraným činidlem můžeme v půdním vzorku okyseleném kyselinou chlorovodíkovou dokázat sloučeniny železa Fe 2+, které se vyskytují v půdách těžkých, neprovzdušněných a zavlhčených, které působí škodlivě na růst rostlin a musí být převedeny na ionty Fe 3+, které vývoji rostlin neškodí. Obsah vápníku v půdě se pohybuje mezi 0,15 6 %, střední obsah je odhadován na 2 %. Nejméně vápníku obsahují půdy písčité a nejvíce půdy karbonátové. V půdě se vápník vyskytuje v různých formách. 1. nevýměnný součást minerálů, nerozpustných sloučenin (uhličitanů) největší podíl ten budeme dokazovat 2. výměnný poutaný na různé půdní částice 3. vodorozpustný v půdním roztoku 25
Postup: Půda-6 Určení některých kationů v půdě (Fe, Ca) Důkaz přítomnosti železa v půdním výluhu: Do 1. označené zkumavky nalijte 10 ml výluhu, do 2. označené zkumavky 10 ml destilované vody, do obou přidejte pipetou 1 ml roztoku HCl a 1 ml roztoku červené krevní soli. Pokud jsou v roztoku přítomné ionty železa, vzniká modré zbarvení, na výsledek je třeba čekat i delší dobu. (Zkumavka s destilovanou vodou slouží ke srovnání). Důkaz přítomnosti vápenatých iontů: 1. Kalibrace: Připojte čidlo k dataloggeru, nastavte dvoubodovou kalibraci. Vysoký kalibrační bod sondu máte namočenou do roztoku vysoké kalibrace alespoň 30 minut, zadejte na dataloggeru hodnotu 1000, po cca 1 minutě, až se hodnota ustálí, potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku a střičkou důkladně opláchněte, pak osušte papírovou utěrkou. Nízký kalibrační bod sondu vložte do standardního roztoku nízké kalibrace, na dataloggeru zadejte hodnotu 10 a po cca 1 minutě potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku, opláchněte destilovanou vodou a pak otřete papírovou utěrkou. 26
2. Měření: Do kádinky (100 ml) nalijte do ¾ výluh, ponořte do něj sondu. Zkontrolujte, zda se sonda nedotýká dna a zda pod ní nezůstala bublinka vzduchu, pokud ano, poklepem na sondu ji odstraňte. Zhruba po 1 minutě na dataloggeru odečtěte naměřenou hodnotu. Sondu vyjměte z roztoku, opláchněte vodou a osušte papírovou utěrkou. 3. Uložení: Na sondu nasuňte lahvičku s houbičkou, která slouží k dlouhodobému skladování. Zašroubujte a uložte do krabice. 27
28
Použitá literatura: [1] OPAVA, Zdeněk. Chemie kolem nás. 1. vyd. Praha: Albatros, 1986. [2] ŠKODA, Jiří a Pavel DOULÍK. Chemie 8: pro základní školy a víceletá gymnázia: učebnice. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2006, 136 s. ISBN 80-723-8442-2. [3] BENEŠ, Pavel, Václav PUMPR a Jiří BANÝR. Základy chemie pro 2. stupeň základní školy, nižší ročníky víceletých gymnázií a střední školy. 3. vyd. Praha: Fortuna, 2000, 143 s. ISBN 80-716-8720-0. [4] INGRAM, P, Peter WHITEHEAD a R GALLAGHER. Chemie: doplňující studijní materiál. České vyd. 1. Praha: Svojtka, 1999, 256 s. Přehled učiva. ISBN 80-723-7147-9. [5] Pedologie. Vyd. 1. Olomouc: Vydavatelství Univerzity Palackého, 1996, 235 s. ISBN 80-706-7590-X. [6] ŠKODA, Jiří a Pavel DOULÍK. Chemie 9: pro základní školy a víceletá gymnázia: učebnice. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2007, 128 s. ISBN 80-723-8584-3. [7] HOFMANN, Eduard. Integrované terénní vyučování. 1. vyd. Brno: Paido, 2003, 124 s. ISBN 80-731-5054-9. Zdroje fotografií na obálce: [8] BOCK, Christoph. DNA (CC BY-SA). [fotografie] In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-. Formát: 800 600 (upraveno). Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/methylace_dna#mediaviewer/soubor:dna_methylation.jpg [9] AWESOMOMAN. Fire. [fotografie] In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-. Formát: 1,944 2,896 (upraveno). Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/file:fire.jpg [10] GERALT. Flash. [fotografie]. In: Pixabay.com [online]. Formát: 1046 2584 (upraveno). Dostupné z: http://pixabay.com/en/flash-night-thunderstorm-light-68920/.
Redakce: Mgr. Gabriela Kokešová, Mgr. Radmila Poláčková, Mgr. Miroslav Dvořák, Mgr. Jiří Gončár Jazyková korektura: Mgr. Jaroslav Kotulán Fotografie: autoři úloh Návrh úvodní strany obálky: Pavlína Sikorová Grafická úprava: Mgr. Roman Ondrůšek Tisk: Marais, s.r.o. Vydalo: Gymnázium a ZUŠ Šlapanice, červen 2014 Náklad: 50 ks tiskem Zdarma digitálně na: http://www.prirodnivedymoderne.cz/cz/vyukove-materialy