Исследовательская работа " Определение кислотности почвы с помощью природных индикаторов".

Областной конкурс юных исследователей окружающей среды

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Архангельская средняя общеобразовательная школа имени

Героя Советского Союза Краснова Виктора Михайловича

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВЫ С ПОМОЩЬЮ ПРИРОДНЫХ ИНДИКАТОРОВ

                                                                                                  Выполнил:

                                                                                                  Лябашкин Юрий Дмитриевич,

                                                                                                  8 класс

                                                                                                     Руководитель: учитель

                                                                                                     географии, биологии  

                                                                                                     Данилкина Ольга Николаевна.                          

                                           Меленковский район, с. Архангел

2013

Содержание работы

Введение. …………..…………………….………………………………………………  3

1. Актуальность темы………………………………………………………………  4
2. Описание объекта исследования…………………………………………….....  6
3. Влияние кислотности почвы на рост растений……………………………….  7-10
4. История открытия индикаторов………………………………………………..  11

Методика исследования…………………………………………………………………  12-14

1. Практическая часть………………………………………………………………  12-14

Вывод……………………………………………………………………………………..  15

Заключение……………………………………………………………………………….  16

Литература………………………………………………………………………………..  17

Приложение 1……………………………………………..….…………………………... 18

Приложение 2 ……………………………………………………………………………. 19-22

ВВЕДЕНИЕ

           Для меня изучение состава и свойств почвы пришкольного  участка – достаточно важная проблема.  Ведь для того, чтобы иметь ухоженный и экологически правильно организованный участок необходимо знать химический состав почвы, её тип, структуру.

           Меня заинтересовала эта тема, потому, что, по моему мнению, данная исследовательская работа поможет правильно составить план нашего участка и грамотно выстроить его.

           Около нашей школы есть достаточно большая территория земли. Для того чтобы заполнить эту площадь культурными растениями,  нужно знать свойства почвы и её состав, чтобы сопоставить их с требованиями тех растений, которые можно выращивать здесь.

            Но есть и другая причина выбора данной темы исследовательской работы. Это сам процесс ее выполнения. Во-первых, это проверка моих теоретических знаний по биологии, химии, экологии. Во-вторых, сам работа  очень увлекательна и полезна. Ведь в ходе ее я узнал не только о составе и свойствах почвы, но и какие изменения могут произойти под влиянием различных факторов окружающей среды.

            Я хочу научиться определять тип почвы, её состав, выяснить, каких веществ не достаточно для того, чтобы она стала плодородной. Также изучение состава почвы поможет определить достоинства и недостатки различных типов почв, какие удобрения вносить, выращивая определённые культурные растения.

            В наше время важно выяснить, какова степень загрязнённости на данной территории, как она влияет на растения и почвы данной территории. Именно химический анализ позволит выявить признаки, причины загрязнения почвы. Выявление особенностей состава и свойств конкретных почв позволит определить методы ухаживания за ней для того, чтобы процент плодородности сохранялся достаточно высоким.

            Данной исследовательской работой я планирую заниматься несколько лет. Сначала я хочу познакомиться с научно-популярной литературой, изучить энциклопедические данные, методики изучения почв. В первый год я применил их на пришкольном участке и территории вокруг школы. В дальнейшем я планирую несколько раз в год повторять эти исследования. Также я собираюсь изучить и другие территории: свой приусадебный участок, естественные участки лесного массива вблизи федеральной автодороги и пойму реки, другие места в окрестностях села Архангел.

1. Актуальность темы

Жизнь не стоит на месте. В современном мире на нас интенсивно действуют довольно многочисленные неблагоприятные  факторы, ухудшающие здоровье, особенно при низких температурах и резких перепадах давления воздуха. Многочисленные исследования показали, что полноценным питанием, употребляя в пищу достаточное количество плодов и овощей, можно сгладить вредное действие неблагоприятных факторов и даже в какой-то мере их устранить.

        Если раньше человеку приходилось много работать физически, то в современных городах и поселках значительная часть населения не занимается таким трудом. Сегодня, когда на прилавках магазинов появляется много некачественной продукции, возникает проблема: где взять экологически чистые овощи и фрукты, чтобы здоровью они принесли только пользу?

        Чем больше заковывает человек землю в бетон и асфальт, тем чаще тянет его на природу, поближе к земле. К той, которая по весне дышит как живая,  к той, чья зелень успокаивает уставшие глаза и нервы, к той, что по осени одаривает урожаем.

            В последние годы эта тяга заметно усилилась. Люди хотят своими руками выращивать фрукты, овощи и цветы, строить дома, разбивать клумбы и цветники, то есть хотя бы короткий летний сезон побыть поближе к природе. Сельскохозяйственный труд легким никогда не был. И тот, кто решил посвятить себя этому делу, должен помнить о том, что богатый и полновесный урожай можно получить лишь там, где этому отданы немалый труд, умение и старание. Может, сначала не все и получится.            

             Нередко можно услышать такие словосочетания как «кислая почва», «кислотность почвы», «рH почвы» и т.п. от садоводов, грамотно подходящих к выращиванию овощей и фруктов в саду. От этой самой кислотности почвы зависит и ее плодородие, и способность растений противостоять болезням, и количество полученного урожая с этой почвы. Чаще всего многие садоводы-любители понятия не имеют, что такое кислотность почвы и как ее можно изменить и используют все, как есть, а зря…

             И если каждый человек даже на маленьком участке сможет создать благоприятные условия для сохранения и приумножения природных богатств, то мы изменим наш дом и сделаем его безопасным для будущих поколений.

 Цель работы: определить кислотность почвы с помощью природных индикаторов.

Задачи работы: 1. Получить природные индикаторы различными способами.

                             2. Составить шкалу для каждого индикатора.

                             3. Определить кислотность почвы с помощью природного индикатора.

Объекты исследования: природные индикаторы, почва.

Предмет исследования: цвет природных индикаторов в разных средах, кислотность почвы.

Методы исследования: 1. Изучение литературы.

                                           2. Обобщение и систематизация информации.

                                           3. Химический эксперимент.

Время проведения исследования: сентябрь – октябрь 2013 год.

Место проведение исследования: МБОУ «Архангельская СОШ им. Героя Советского Союза Краснова В. М.»

2. Описание объекта исследования

          Объектом исследования являются два участка: пришкольная территория и лесополоса, расположенная в 20 метрах от территории школы.

           Первый участок находится на левом берегу реки Унжа. Участок плоский, солнечный, есть подвод воды. На нем расположен небольшой сад, есть огород и цветочные клумбы.

          Второй участок находится между школой и федеральной автодорогой с растительностью смешанных лесов.

3. Влияние кислотности почвы на рост растений

             Кислотность почвы – это процент содержания ионов водорода в почве.

Водородный показатель почвенного раствора является одним из тех факторов, от которых зависит урожайность данного вида культурного растения на данной почве.

             Так, при культивировании в кислых питательных растворах с водородным показателем 5 - 5,5 проростки ячменя вообще не развиваются, а гибнут, в то время как картофель именно в этом интервале значений дает особенно богатый урожай.

             Отсюда становится понятным установленное практикой правило: «в севообороте известь и картофель надо держать дальше друг от друга».

             Столь ценная луговая культура, как белый клевер, не может произрастать  на кислых почвах, и полное отсутствие  его среди полевых трав свидетельствует о кислотности почвы. Как и произрастание сорной травы - молочая, который, наоборот, произрастает только на кислых - почвах. На кислых же почвах особенно обильно и роскошно произрастает щавель, подмаренник и папоротник. Ботаническими  индикаторами высокой кислотности почвы служат так же едкий лютик, хвощ, мхи и осока.

             Свободно пасущиеся коровы и овцы предпочитают питаться кормовыми травами, произрастающими на почвах с кислотностью 6,5, и не пасутся в местах, где она меньше 5.

             Большое, иногда решающее значение водородный показатель почв имеет для жизнедеятельности почвенной микрофлоры. Если непосредственно под травяным покровом луга вместо твердой почвенной поверхности усматривается слой спутавшихся, полусгнивших травянистых стеблей, это признак того, что почва кислая. На кислых почвах микроорганизмы, разрушающие клетчатку и перерабатывающие ее в темный пористый  перегной, почти прекращают свою полезную жизнедеятельность, и стебли растений долго не сгнивают.

             От величины кислотности почвы зависит усвояемость растениями фосфорных удобрений. Средний фосфат кальция легко усваивается растениями только на кислых почвах.

             Таким образом, определение водородного показателя почв может иметь существенное значение:

1) для выбора культурного растения, от которого ожидается на данной почве особенно богатый урожай; так, на кислых почвах плохо растут пшеница, капуста, свекла, клевер,  в то время как рожь и овес малочувствительны к кислотности почвы;

2) для изменения водородного показателя почвы в сторону, благоприятствующую более высокому урожаю выращиваемой на ней сельскохозяйственной культуры; отсюда становится ясной необходимость составления агрономами карт кислотности почв своего района.

             Водородные ионы содержатся в почве обычно в абсорбированном виде — в почвенных катионитах. Поэтому для выявления кислотности химическим путем, с помощью индикаторов, почва взбалтывается не с чистой водой, а с раствором хлористого калия, катионы которого вытесняют ионы водорода из катионитов.

             Степень кислотности, или щелочности, почв оказывает большое влияние на развитие корней и поступление питательных веществ в растение. Почвы Нечерноземной зоны, как правило, кислые. Под влиянием высокой кислотности в почве появляются вредные для растений вещества, например растворимые алюминий и в избыточном количестве марганец. Они нарушают углеводный и белковый обмен растений, образование у них органов размножения (цветков, соцветий) и этим резко снижают урожай, а иногда вызывают и частичную гибель культур. Особенно чувствительны к алюминию свекла столовая, а также горох, фасоль, репа, к избытку марганца - почти все овощные культуры, особенно столовая свекла.

             Повышенная кислотность почв подавляет деятельность полезных бактерий, которые участвуют в разложении навоза, торфа, компостов и других местных удобрений и высвобождают в доступную растениям форму находящиеся в них питательные вещества. На кислых почвах плохо развиваются клубеньковые бактерии (обитающие на корнях бобовых растений), гибнут в таких почвах и живущие вблизи корней бактерии, усваивающие азот воздуха и накапливающие его в почве.
            Чрезмерный высокий (выше 9) или низкий (ниже 4) рH почвы токсичен для корней растений. В пределах этих значений рH определяет поведение отдельных питательных веществ, осаждение их или превращение в неусваиваемые растениями формы.
            В кислых почвах (рH 4.0 - 5.5) железо, алюминий и марганец находятся в формах доступных растениям, а их концентрация достигает токсического уровня. При этом затруднено поступление в растения фосфора, калия, серы, кальция, магния, молибдена.

             На  кислой почве может наблюдаться  повышенный  выпад  растений  без  внешних причин - вымочка, гибель от мороза, развитие болезней и вредителей.
            Напротив, в щелочных (рH 7.5 - 8.5) железо, марганец, фосфор, медь, цинк, бор и большинства микроэлементов становятся менее доступными растениям.
            Оптимальным считается рH 6.5 - слабокислая реакция почвы. Это не ведет к недостатку фосфора и микроэлементов, большинство основных питательных веществ доступны растениям, т.е. находится в почвенном растворе. Такая почвенная реакция благоприятна для развития полезных почвенных микроорганизмов, обогащающих почву азотом.
            Хотя  отдельные  виды  растений приспособились к существованию  в  кислой  или, наоборот, в щелочной среде, однако большинство растений хорошо развиваются при нейтральной или слабокислой реакции почвы (диапазон рH 6.0 -7.0). Следует учитывать, что многие из овощей - салат, капуста кочанная и цветная, свекла, огурцы, лук, спаржа, а также клевер и люцерна - при рH 6.0 и ниже развиваются хуже, чем при реакции близкой к нейтральной. Такую же кислотность предпочитает большинство цветов.
            Углекислый  газ  выделяется  корнями  живых  растений при дыхании,  а также при распаде органики. Вместе с водой он образует угольную кислоту, которая растворяет соединения  кальция  и  магния,  и  с  дождевыми водами  они  постепенно  вымываются из верхнего слоя почвы в более глубокие слои и почва закисляется.  Некоторые минеральные удобрения тоже могут подкислять почву (физиологическая кислотность).
            Как правило, отклонения кислотности почвы от нейтральной или слабокислой связаны с нарушением (или приводят к нарушению) баланса питальных веществ доступных растению и угнетению полезной почвенной микрофлоры. Поэтому так важно следить за кислотностью почвы.            

             Для выражения степени кислотности почвы пользуются показателем рН, величина которого  колеблется  в  разных  почвах  в  пределах  от  3,5  до  8,0 - 8,5.  Сильнокислые почвы  имеют  величину  рН  3,5 - 4,0; кислые - 4,0 - 5,0; слабокислые - 5,0 - 6,0; нейтраль -    ные - 6,0 -7,0; щелочные - 7,0 - 8,0; сильнощелочные - 8,0 - 8,5.
            Овощные культуры по-разному реагируют на кислотность почвы. Большинство из них лучше растет и развивается на почвах с реакцией, близкой к нейтральной.

             По требованиям к кислотности почвы овощные культуры можно разделить на три группы:

первая — рН от 7 до 7,5 (капуста кочанная и цветная, морковь, свекла, сельдерей, салат, лук репчатый, спаржа, петрушка);

вторая — рН от 6 до 7 (фасоль, баклажаны, чеснок, капуста листовая, брюссельская, редис, кабачки, свекла листовая, репа, томаты, лук-порей, дыня мускатная, цикорий, огурцы, хрен, шпинат, ревень);

третья — рН от 5 до 6 (тыква, картофель, пастернак, щавель).

              В своей практической деятельности работники сельского хозяйства сталкиваются с проблемой - как провести анализ кислотности почвы,  с целью точного определения кислотности земли. Очень часто, анализ кислотности почвы  либо вообще не проводится, либо кислотность  рассчитывается  опытным путем, исходя из состава почвы, которые составляют садовую смесь.  Но вместе с тем,  провести анализ кислотности почвы можно и в домашних условиях, очень просто и с использованием минимального количества химических реактивов.

             Проводить анализ кислотности почвы, с целью определения почвенной кислотности, обычно нужно для того, чтобы мы могли  создать самые  оптимальные условия для роста и жизнедеятельности растений.

             Анализ кислотности почвы, как и подготовка садовых  земель и приусадебных участков, по  результатам анализа кислотности почвы, даст гарантию, что растения, как те, что высаживаются в открытом грунте, так и комнатные, декоративные или  экзотические растения  получат ту почву, которая будет по кислотности наиболее максимально соответствовать тем природным условиям жизнедеятельности растений, к которым оно привыкло.

4. История открытия природных индикаторов

             Впервые вещества, меняющие свой цвет в зависимости от среды, обнаружил в 17 веке английский химик и физик Роберт Бойль. Чтобы понять, как устроен мир, Бойль провел тысячи опытов. Вот один из них. В лаборатории горели свечи, в ретортах что-то кипело, когда некстати зашел садовник. Он принес корзину с фиалками. Бойль очень любил цветы, но предстояло начать опыт. Он взял несколько цветков, понюхал и положил их на стол. Опыт начался, открыли колбу, из нее повалил едкий пар. Когда же опыт кончился, Бойль случайно взглянул на цветы, они дымились. Чтобы спасти цветы, он опустил их в стакан с водой. И – что за чудеса - фиалки, их темно- фиолетовые лепестки, стали красными. Случайный опыт? Случайная находка? Роберт Бойль не был бы настоящим ученым, если бы прошел мимо такого случая. Ученый велел готовить помощнику растворы, которые потом переливали в стаканы и в каждый опустили по цветку. В некоторых стаканах цветы немедленно начали краснеть. Наконец, ученый понял, что цвет фиалок зависит от того, какой раствор находится в стакане, какие вещества содержатся в растворе. Затем Бойль заинтересовался, что покажут не фиалки, а другие растения. Эксперименты следовали один за другим. Лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником. Тогда Бойль опустил в настой лакмусового лишайника обыкновенные бумажные полоски. Дождался, когда они пропитаются настоем, а затем высушил их. Эти хитрые бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора. Индикаторы (от английского indicate-указывать) - это вещества, которые изменяют свой цвет в зависимости от среды раствора. С помощью индикаторов качественно определяют реакцию среды.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Практическая часть

             Для определения среды растворов можно успешно применять самодельные индикаторы из природного сырья.

             Исходным сырьём для получения отваров природных индикаторов могут служить цветки герани, лепестки пиона, ириса, тёмные тюльпаны, анютины глазки, ягоды черноплодной рябины, клюквы, сок вишни, краснокочанная капуста, моркови  и т.д.

             Эти природные материалы содержат окрашенные вещества антоцианы, способные менять свой цвет в ответ на то или иное воздействие. Попадая в кислотную или щелочную среду, они наглядным образом сигнализируют об этом.

             Для создания шкалы индикаторов я приготовил растворы и соки с разным значением рH (приложение 2, фото 1).

Приготовление природных индикаторов

Сырье для получения растворов  индикаторов:

1. свежезамороженные  ягоды:  черника, смородина, клюква;
2. овощи: столовая свекла, морковь.

Оборудование: ступка и пестик, химические стаканы, спиртовка, воронка, фильтровальная бумага, штативы, стеклянные палочки, колбы, водяная баня.

Ход работы:

1. Приготовил  отвар:  к  10 г. ягод, истертых  в  ступке добавил 50 г. воды  и  кипятил 1, 2 минуты.  Полученный  отвар  отфильтровал,  к полученному  раствору  добавил спирт (в отношении 2:1),чтобы лучше сохранить  полученный раствор от закисания образования плесени;
2. Аналогичным образом приготовил отвар  овощей, варил 10 – 25 минут на водяной бане.
3. Отварами полученных индикаторов пропитал фильтровальную бумагу, высушил ее, поместив на стекло в темном месте. Через 2 дня индикаторная бумага готова к использованию.
4. Из свежезамороженных  ягод, овощей  выжал сок, для этого их натер на терке и   измельчил в ступке, после этого «отжал»  через слой марли сок.

Выводы по результатам опыта:

1. Растворы индикаторов, возможно, приготовить в домашних и лабораторных условиях.
2. Растворы получились ярко окрашенными.
3. Индикаторная бумага получилась качественной.

Исследование окраски полученных  растительных индикаторов в кислой и щелочной средах

Оборудование: пробирки, стеклянные палочки, индикаторная бумага.

Реактивы: готовые растворы отваров ягод и овощей,  растворы кислоты и щелочи.

Ход работы:

1. Для проверки индикаторных свойств полученных растворов приготовил 100г. 0,1 % раствора HCI и 100г. 0.1 % раствора КOH.  рН данных растворов  определял по изменению цвета универсального индикатора.
2. При добавлении нескольких капель полученных индикаторов в растворе HCI и КOH происходило изменение цвета индикаторов.
3. Результаты исследования занес  в дневник наблюдений (приложение 1, таблица 1; приложение 2, фото 4).

Выводы по результатам опыта:

1. Природные индикаторы можно использовать для определения среды раствора.
2. Большинство природных индикаторов в кислой среде  изменяют свой цвет на красный или его оттенки, а в щелочной среде приобретают оттенки зеленого и желтого цветов.
3.  Не все  ягоды и растения можно использовать для получения  кислотно-основных индикаторов.
4.  Лучшие индикаторы получились из растворов черники, свеклы, черной смородины.
5. Фотоотчет о результатах опыта (приложение 2,фото 2,3).

Определения кислотности почвы

Ход работы

           Для определения кислотности почвы я взял соки и отвары ягод и овощей: черники, клюквы, черной смородины, моркови, свеклы (приложение 1, таблица 2).            

            Отобрал образцы почвы с пришкольного участка и с лесополосы, которая находится в 20 метрах от территории школы. Почва в лесополосе дерново-подзолистая.

            Приготовил пробы. Для этого я выкопал яму глубиной 30 – 35 см. (именно на такой глубине расположены всасывающие корешки большинства растений), с вертикальной стенки ямы в четырех местах взял почву, тщательно перемешал ее. По 0,3 кг. почвы, высыпал на лист бумаги и пинцетом выбрал корешки. Затем высушил почву. Взвесил 20 г. подготовленной почвы и залил ее 50 мл. 7,5 % раствора хлорида калия. (Водородные ионы содержатся в почвах обычно в абсорбированном виде – в почвенных катионитах. Поэтому для выявления кислотности почвы химическим путем, с помощью индикатора, почва взбалтывается не с чистой водой, а с раствором хлористого калия, катионы которого вытесняют ионы водорода из катионитов.)

            Колбы №1, №2  с почвой взболтал и оставил стоять 5 мин. Затем осторожно, чтобы не замутить смесь, пипеткой отобрал немного верхнего раствора и исследовал его на рН (приложение 2, фото 5).

          Хорошо видно, что почва из лесополосы имеет кислую среду рН = 4-5 (приложение 2, фото 6) , а почва с пришкольного участка нейтральную рН = 6-7, так как природные  индикаторы не изменили свой цвет (приложение 2, фото 7).

Выводы по результатам опыта:

1. В исследуемых образцах почвы было выяснено, что кислотность почвы с пришкольного участка равна 6-7 (рН=6-7), относится к нейтральным почвам. Данный показатель считается хорошим  для произрастающих растений и почвенных организмов.
2. Почва из лесополосы имеет кислую среду. Соответственно кислые почвы имеют специфический, приспособленный состав почвенных организмов.

ВЫВОД

В результате данной работы была изучена литература, которая содержит информацию о почвах.

           Я познакомился с различными методиками исследования состава, свойств, структуры почвы. Некоторые методики были применены мной при исследованиях почв на двух участках, расположенных недалеко от села Архангел, где я обучаюсь в школе.

           Мною были получены отвары и соки природных индикаторов, которые можно использовать на уроках химии при отсутствии других индикаторов, при проведении занимательных опытов и лабораторных работ на начальном этапе изучения.

           Я определил, что отвары и соки всех исследованных растений изменяют цвет в кислой и щелочной среде.

            Была мной определена рН почвы на пришкольном участке и на участке лесополосы.  

           Особенности почвы пришкольного участка позволяют использовать её для выращивания сельскохозяйственных и декоративных растений.

           Также необходимо весной продолжить проводить подобные исследования  и определить другие параметры, методики которые я изучал. Я планирую исследовать свой приусадебный участок, естественные участки лесного массива вблизи федеральной автодороги и пойму реки, другие места в окрестностях села Архангел, чтобы составить мониторинг почв и сравнить данные этого и последующих годов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Народные способы.

            Определить кислотность почвы можно «народным» способом. Положите в стеклянную посуду 3 – 4 листа черной смородины или вишни и залейте их стаканом кипятка. Когда вода остынет, бросьте в нее комочек земли. Если вода покраснеет – почва определенно кислая, посинеет – слабокислая, а если станет зеленой – нейтральная.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ганичкина О. А. Моим огородникам. – М.: славянский дом книги, 2000.
2. Нифантьев Э.Е. Внеклассная работа по химии с использованием хроматографии. –      М.: Просвещение, 1982.
3. Штемплер Г.И. Химия на досуге. – М.: Просвещение, 1996.
4. Ходаков Ю.В. Общая и неорганическая химия. -  М.: Просвещение, 1965. 
5. http://www.planetseed.com/ru

Приложение 1

Таблица 1

ДНЕВНИК НАБЛЮДЕНИЙ

Результаты испытания растворов природных индикаторов

Таблица 2

Окраска растворов индикаторов в зависимости от значения рН