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
Szablon:Osobny artykuł 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]:
gdzie: – ilość wydzielonego CO2 w cm³; – współczynnik z poniższej tabeli; – naważka w gramach.
| Temp. (°C) | Ciśnienie atmosferyczne w mm słupa rtęci | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 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].