mineralen

Profielmiddag scheikunde: Grondig bekeken.
De bovenste laag van de planeet aarde is de aardkorst. Deze korst bestond vele miljoenen
jaren geleden uit harde rots. Door verwering van dit harde gesteente werd dit veranderd in
kleinere delen. Deze kleinere delen kunnen door wind, water of ijs worden verplaatst.
Hierdoor zijn nu grote delen van de aarde bedekt door los materiaal: grond.
Je kunt zien dat grond uit verschillende bestanddelen bestaat. Je ziet dan uiteraard de vaste
bestanddelen. Tussen de gronddeeltjes zie je ruimtes (“poriën”) . Deze poriën kunnen gevuld
zijn met water of met lucht.
De vaste bestanddelen kunnen afkomstig zijn van het harde gesteente. Ze worden dan
minerale bestanddelen genoemd. Het kunnen ook verteerde resten van planten of dieren zijn,
meestal humus genoemd.
De bovenste laag materiaal is natuurlijk van belang voor de groeiende plant. Hier “zitten” de
stoffen die de plant nodig heeft. Die laag, 1 a 2 meter dik noemen we wel de bodem.
Naast natuurkundige verwering vindt ook scheikundige verwering plaats. Zo gaat
bijvoorbeeld kalksteen (calciumcarbonaat) onder invloed van koolstofdioxidehoudend
regenwater over in een oplossing van calciumwaterstofcarbonaat.
Opdracht 1. Geef de reactievergelijking van deze chemische verwering.
De minerale bestanddelen zijn afkomstig van het harde gesteente. Het zijn verbindingen
waarin vooral de elementen silicium en zuurstof voorkomen, naast aluminium, calcium,
magnesium, kalium en natrium. Niet alleen de samenstelling, maar ook de grootte van deze
deeltjes blijkt een grote invloed te hebben op de eigenschappen van de grond. Bij de indeling
van grondsoorten wordt dan gelet op de grootte van de minerale deeltjes. De namen van de
deeltjes, gerangschikt van groot naar klein, zijn:
Grind > 2 mm > zand > 0,05 mm > silt > 0,002 mm > lutum
Als de grond meer dan 25% van de kleine lutumdeeltjes bevat, wordt hij kleigrond genoemd;
grond met meer dan 62,5% zanddeeltjes ( en minder dan 8% lutum) noemt men zandgrond.
De samenstelling van de grond bepaalt de doorlaatbaarheid voor water.
In humus vinden we de noodzakelijke voedingsstoffen voor de planten, onder meer nitraat,
fosfaat, sulfaat, carbonaat en ammoniumionen.
Daarnaast heeft de grond een zekere zuurgraad afhankelijk van de samenstelling van de
grond, de zuurgraad (pH) wordt bepaald door het aantal H+ ionen per liter water. Omdat ook
een aantal H+ ionen geadsorbeerd zijn aan de grond zal voor de pH verschil uitmaken of je de
grond eerst met een KCl-oplossing schudt of alleen met zuiver water.
Opdracht 2.
Verwacht je een hogere of een lagere pH te meten bij schudden met KCl ten opzicht van de
meting waarbij je schudt met zuiver water? Laat zien waarop je antwoord berust.
Neem voor het grondonderzoek voldoende grond mee, circa 1 kilo, in een plastic zak om
uitdrogen tegen te gaan. Zorg ervoor dat je weet op welke diepte je het monster hebt
genomen. Je kunt ook een mengsel van verschillende monsters maken.
De experimenten worden in groepen van twee uitgevoerd.
Voor de praktische opdracht in mei gaan we de grondmonsters verder onderzoeken, zorg dus
dat je dan hetzelfde monstermateriaal hebt.
In deze praktische opdracht gaan jullie de volgende experimenten uitvoeren aan 3 soorten
grond: een standaardmonster zandgrond, een standaardmonster kleigrond en jullie eigen
grondmonster.
Visuele analyse.
Bestudeer kleur, textuur en vochtigheid van de monsters. Schat hoe groot het organisch
gehalte van de monsters is.
Monsterbereiding voor de experimenten.
Homogeniseer het meegebrachte grondmonster, vorm hier een kegel van en vierendeel deze.
Twee aan elkaar grenzende delen worden verwijderd en van de resterende wordt weer een
kegel gemaakt.
Gebruik dit materiaal voor de volgende experimenten.
Experiment 1.
Bepaal pH van de 3 grondmonsters zowel door schudden met zuiver water als door te
schudden met een KCl-oplossing.
Uitvoering: schud grond en water, resp. KCl, in de verhouding 1:1 tot een slurrie. Meet pH.
Experiment 2.
Bepaal de doorlaatbaarheid van de 3 grondmonsters op de volgende manier:
Leg de grond in een laagje van ongeveer 2 cm op een velletje papier van A4-formaat. Neem
vervolgend een pipetje. Druppel met het pipetje enkele druppels water op de grond. Duurt het
langer dan 5 seconden voordat de druppels in de grond zijn gezakt, dan is de grond in principe
al waterafstotend. Grond die waterafstotend is, is altijd verdroogd. Andersom hoeft dat niet
altijd het geval te zijn, want als er een hoog kalkgehalte in combinatie met een laag gehalte
aan organische stof aanwezig is, zoals bij klei uit Flevoland en de Zeeuwse en Zuid-Hollandse
eilanden, blijken deze gronden nooit waterafstotend te worden.
Beoordeling resultaten van de waterdruppeltest
Tijd van wegzakken
< 5 seconden
5 tot 60 seconden
1 tot 10 minuten
10 minuten tot 1 uur
Meer dan 1 uur
Mate van waterafstotendheid
Niet waterafstotend
Licht waterafstotend
Sterk waterafstotend
In ernstige mate waterafstotend
Extreem waterafstotend
Experiment 3.
We gaan het kalkgehalte in de 3 grondmonsters kwalitatief onderzoeken.
Uitvoering: Breng met een spatel van elke grondsoort circa 5 gram op een horlogeglas.
Druppel enkele milliliters verdund zoutzuur op het grondmonster. Als de vloeistof gaat
bruisen is kalk aanwezig. Je kunt met deze methode een heel grove schatting maken van het
kalkgehalte van een grondmonster.
Kalkgehalte van het grondmonster
Minder dan 1%
geen bruisen
1 tot 2 %
zwak bruisen
2 tot 5 %
sterk bruisen, maar niet lang
meer dan 5 %
sterk, langdurig bruisen
Experiment 4.
Mobiliteit van diverse stoffen in grond.
De neiging van verontreinigingen om aan organische stoffen te adsorberen( lipofiliteit) of
juist mobiel te blijven in de waterige fase (hydrofiliteit) bepaalt de snelheid van verplaatsing
van een stof door de grond. Om dit kwantitatief weer te geven wordt de verdelingscoëfficient
gebruikt. Deze geeft de verhouding aan tussen accumulatie van een stof in 1-octanol (een
lipofiele stof en te vergelijken met vetachtige stoffen in de natuur) vergeleken met de
accumulatie in water. In formule: Kow= [x(oct)] / [x(aq)]
Veel pesticiden en PCB’s hebben erg hoge waarden voor Kow (>105) omdat ze erg goed
oplossen in vetten. Stoffen met Kow>100 verplaatsen zich langzaam door grond en blijven zo
dicht bij de bron. Stoffen met een hoge Kow waarde hebben de neiging om te accumuleren in
het organisch materiaal en te accumuleren in de voedselketen. Stoffen met een lage Kow
(<100) hebben een hoge oplosbaarheid in water en een grote mobiliteit in grond. Voorbeelden
van dit soort stoffen zijn aceton, chloormethaan en MTBE.
Bij het werken met 1-octanol moeten er handschoenen gedragen worden en in de zuurkast
gewerkt worden.
Ongeveer 2 ml demi-water in een reageerbuis doen en ongeveer 2 ml 1-octanol in een andere
reageerbuis doen. Een klein beetje grondmonster wordt aan beide reageerbuizen toegevoegd
en gemengd met een roerstaafje. Na bezinken wordt voorzichtig een beetje van de
bovenstaande vloeistoffen in een derde reageerbuis gedaan( geen vaste stof meenemen) om de
verschillende kleuren in de 2 lagen te kunnen zien. Door de kleuren te vergelijken met enkele
voorbeeldoplossingen moeten jullie schatten of Kow groter of kleiner is dan 1.
Experiment 5.
IJzer(II) en ijzer(III)ionen onderzoek.
Schud 20 gram grondmonster met 50 ml water gedurende ongeveer 1 minuut in een
erlenmeyer.
Door bezinken en/of filtreren moet je 10 ml van een zo helder mogelijke vloeistof krijgen.
Je test op ijzer(II)ionen door aan 5 ml van de oplossing 1 ml zoutzuur toe te voegen en daarna
0,5 ml rood bloedloogzout-oplossing. De mate van blauwkleuring wijst op de maat waarin
ijzer(II)ionen aanwezig zijn.
Je test op ijzer(III)ionen door aan 5 ml van de oplossing 2 ml zoutzuur toe te voegen en
daarna 1 ml kaliumthiocyanaatoplossing, KSCN. De mate van roodkleuring is een maat voor
de concentratie aan ijzer(III)ionen.
Experiment 6.
Onderzoek het zoutgehalte in jouw grondmonster en toon zo mogelijk andere ionen dan de
ijzerionen aan.
Het schoonmaken van al het glaswerk, het opruimen daarvan en het netjes achterlaten
van de tafels wordt op prijs gesteld.
Van dit onderzoek wordt per groepje een verslag gemaakt dat meetelt voor het rapport.