氣量法測定下蜀黃土碳酸鈣含量的改進

任少芳， 鄭祥民， 艾東升， 周立旻， 王曉勇， 沈銘能， 陳詩吉

(1.華東師范大學 a.地理信息科學教育部重點實驗室;b.教務處，上海 200241;2.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇南京 210093)

0 引言

富含碳酸鈣是中國黃土的顯著特征之一。碳酸鈣的存在一方面使黃土具有特殊的結構和物理、化學性質;另一方面其含量變化可以反映黃土在形成過程中古氣候的特征［1］。可以說，黃土中碳酸鈣的形式和演化過程是黃土形成演化的地球化學過程的主要記錄和表現形式。對黃土中碳酸鈣的研究，有助于了解黃土的基本性質和黃土形成時的地球化學環境及過程，同時也為合理地解決黃土的某些生產實踐問題提供基礎資料［2-9］。因此，黃土中的碳酸鈣含量成為黃土物質成分分析中非常重要的測定指標。

黃土中碳酸鈣含量的測定一直沿用土壤中碳酸鈣含量測定的分析方法。土壤中碳酸鈣的測定，有中和滴定法、重量法、容量法、擴散法、差減法、氣量法等等。其中，中和滴定法只能得出近似結果，測得的結果常常偏高;重量法和容量法的結果比較準確，但儀器組裝及化學材料要求較為繁雜;擴散法過于耗時;差減法中要應用全譜直讀電感耦合等離子發射光譜儀(ICP-OES)高精度儀器，其操作工序相對復雜，而且所需儀器較為貴重［10］。一般的土壤分析常用氣量法。氣量法操作簡單，易于掌握，同時也較準確。氣量法是一個簡易快速的分析方法，同時具有一定的準確度(絕對誤差0.5%)。本文對下蜀黃土碳酸鈣含量的測定采用氣量法即二氧化碳氣體體積法測定，其測定裝置是在劉光崧等［11-12］測定裝置的基礎上，進行了簡化和改進，使得測定裝置結構簡單、操作簡便、讀數精確。

1 實驗原理和測量

1.2 實驗方法與原理

將南京泰山新村下蜀黃土的30個樣品置于烘箱中(30℃)烘干，選擇1 d中氣溫相對穩定的時段，測量黃土中的碳酸鈣與鹽酸作用產生的二氧化碳體積，

根據二氧化碳在一定氣溫和氣壓下的密度，計算二氧化碳的質量，并換算為土壤碳酸鈣的含量。

1.3 儀器裝置

(1)250 mL的抽濾瓶配用13號橡皮塞，塞子上打一個孔，孔上插一根玻璃管(或圓珠筆管)，用橡皮管與一支25 mL的酸式滴定管相連，酸式滴定管內裝25 mL 1∶3的鹽酸溶液，每次加10 mL，均從上面的零點開始，使10 mL的鹽酸迅速順利地滴入抽濾瓶中。

(2)抽濾瓶側面肩部的細頸用一根長的橡皮管與十字架左邊的一支堿式滴定管連接，作為產生的二氧化碳氣體進入的通道。

(3)十字鐵架左邊和右邊各夾一支25 mL的堿式滴定管，兩管之間用橡皮管連通，右邊的堿式滴定管上插一只50 mL的漏斗，用于加入酸性封閉液以調節左右兩管的液面處于同一水平面上。

1.4 試劑與主要儀器

試劑:3 mol/L鹽酸溶液，250 mL濃鹽酸(化學純)加水稀釋至1 L;封閉液，100 mL水中加入約1 mL濃鹽酸和幾滴甲基紅指示劑。

主要儀器:氣量法的測定裝置(見圖1);鷹牌4200風速氣象儀(測定大氣壓和溫度)。

圖1 氣量法的測定裝置

1.5 測定步驟

測定之前要嚴格檢查整個系統是否密閉，不能有漏氣之處，以免影響結果。

(1)記取每次測定時的氣溫和氣壓。

(2)稱取通過60號篩的風干黃土樣品0.5～10 g(根據碳酸鈣的含量而定，精確到0.01 g)，放入250 mL的抽濾瓶(反應瓶)中，用蒸餾水濕潤樣品和瓶壁。

(3)向固定在橡皮塞上的酸式滴定管中加入25 mL的1∶3的鹽酸，管子外或底端若沾有鹽酸溶液時應用濾紙擦干(防止在未測定二氧化碳前鹽酸滴入抽濾瓶中)。

(4)從漏斗上加入酸性封閉液，使左右二個堿式滴定管中的水柱處在同一水平面的“零點”或一定刻度，記下讀數(第1次讀數V1)。

(5)用兩手捏住瓶口，將帶有酸式滴定管、橡皮管和玻璃管的塞子塞緊瓶口(此時不能用手直接接觸瓶壁)，塞子每次塞入抽濾瓶中要深淺一致，都控制在使左管水柱從“零點”或一定刻度向下壓0.5 mL的體積。

(6)向抽濾瓶中放入10 mL鹽酸溶液，其產生的二氧化碳氣體使左管水柱再下壓，排出的水柱進入右管，使水柱上升進入漏斗，把右管向下移動直至兩邊封閉液面在同一水平面上。然后再搖動抽濾瓶，當液柱不再移動時，記下第2次讀數V2(搖動和作用時間的長短也要根據碳酸鈣的含量多少，溫度的高低而定)。將第2次讀數減去第1次讀數，兩次讀數之差即

(7)做空白試驗(V0)。本實驗中的V0=10.5 mL(見表2)。

1.6 結果計算

式中:V為二氧化碳的體積，mL;r為二氧化碳的密度，μg/mL，根據測定時的氣溫和氣壓在表1中查出;2.27為二氧化碳換算成碳酸鈣的系數。

表2為下蜀黃土中碳酸鈣含量的計算結果。

表1 二氧化碳比重表［11］μg/mL

2 氣量法測定黃土碳酸鈣裝置的改進

2.1 產生二氧化碳氣體裝置的改進

本實驗中對陳立人［11］的產生二氧化碳氣體的裝置進行簡化與改進(見圖1):①用側面肩部帶一個細頸的抽濾瓶代替三角瓶，使橡皮塞只需打一個孔即可，增加了裝置的氣密性;②在酸式滴定管底端連接一根帶玻璃管(或圓珠筆管)的橡皮管，在抽濾瓶的細頸端連接一根橡皮管，使得鹽酸與土壤樣品反應的過程中搖動反應瓶時起到緩沖作用，不影響其他裝置部位的位置，可以均勻地搖動反應瓶，使得鹽酸溶液與土壤樣品充分反應;③用25 mL的酸式滴定管代替50 mL的酸式滴定管，因為下蜀黃土中的碳酸鈣含量很低，所以，25 mL的即可，而且25 mL的酸式滴定管使得實驗操作者每次加鹽酸溶液時操作方便和快捷。

需要注意的是:①橡皮塞每次塞入抽濾瓶中要深淺一致，都控制在使左管水柱從“零點”向下壓相同體積的液體;②抽濾瓶中加HCl后要搖動10 min，使反應完全。

2.2 測試二氧化碳氣體裝置的改進

本實驗中對劉光崧［12］的測試二氧化碳氣體的裝置進行簡化與改進(見圖1):左右兩端的管子都用25 mL的堿式滴定管，兩端的管子上都有刻度，這樣便于實驗操作者更準確地觀察兩液面處于同一水平面的刻度，從而減少實驗的誤差。

2.3 討 論

圖2 黃土中碳酸鈣含量對比

表2 下蜀黃土中碳酸鈣含量實驗計算結果(1)

從圖2可以看出，洛川不同時代的黃土中的CaCO3含量范圍為 3.6% ～20.9%，平均含量為11.13%。剖面中自下而上碳酸鈣含量由低到高，并呈現有節奏地波動上升。西安劉家坡不同時代的黃土中碳酸鈣含量平均為6.85%。南京下蜀黃土的含量明顯偏低，其中碳酸鈣量的變化范圍在0.04% ～0.40%，平均值為0.16%，遠低于洛川和劉家坡剖面中碳酸鈣的平均含量，這是由3個剖面所在地點的氣候條件的差異所造成的。洛川和西安同處黃河中游地區。前者位于該區中部，處于半干旱氣候帶中，是中國黃土地層的標準剖面之一;后者位于該區南緣，處于半濕潤氣候帶中，成土作用明顯強于洛川［5］。而南京下蜀黃土分布在我國南方長江中下游兩岸，該地區溫暖濕潤，沉積時以及沉積后的區域環境差異大，淋濾作用強烈，剖面中的碳酸鈣幾乎淋溶殆盡［13-18］。說明在下蜀黃土堆積的過程中，粉塵含有較高的碳酸鈣，而在相對暖濕的時期，粉塵堆積速率下降，成壤作用增強，經歷了較強的淋濾作用，碳酸鈣發生溶解遷移，使得古土壤層碳酸鈣含量較低。文啟忠等［5］認為:黃土中碳酸鈣含量在水平方向的變化有自西北向東南降低的趨勢。總的來看，其平均含量多在10%左右浮動，而最高含量也在20%附近變化，沒有出現更高的含量。

對碳酸鈣含量很低的下蜀黃土樣品來說，在測定碳酸鈣含量的實驗中用25 mL的酸式滴定管和堿式滴定管更加合適。

需要注意的是:右管漏斗下移靠近左管，使兩管水柱下降在同一水平面時左管的讀數，才是真實值。

3 結論

本實驗對氣量法測定下蜀黃土中碳酸鈣含量的測定裝置進行簡化與改進:

(1)用側面肩部帶一個細頸的抽濾瓶代替三角瓶，增加了裝置的氣密性。

(2)在酸式滴定管底端連接一個帶玻璃管的橡皮管，在抽濾瓶的細頸端連接一根橡皮管。對搖動反應瓶能起到緩沖作用。

(3)對碳酸鈣含量很低的樣品，在測定碳酸鈣含量的實驗中調整液面的左右兩端管子用25 mL的酸式滴定管更加合適。

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