Kalsium, magnesium ja kalium

Etusivu > Ympäristöanalyysit > Kalsium, magnesium ja kalium
Etusivu > Analyysiohjeet > Atomiabsorptiospektrometria, AAS

Kalsiumin, magnesiumin ja kaliumin
atomiabsorptiometrinen määritys maanäytteestä

Yleistä
Kalsium, magnesium ja kalium ovat kasvien tarvitsemia makroravinteita. Viljelykasvit ottavat makroravinteita 10-200kg hehtaarilta. Kasvi ottaa metalliset ravinteet molybdeeniä lukuun ottamatta positiivisina metallikationeina Ca²⁺, Mg²⁺ ja K⁺.
Kalsium on kasvin soluseinämien rakennusaine ja eräiden entsyymien rakenneosa. Se säätelee solukalvon läpäisykykyä ja osallistuu solun osmoottisen paineen säätelyyn.
Kalsiumin puute näkyy ensimmäisenä kasvupisteissä ja nuorissa lehdissä, joista tulee epämuotoisia. Kalsiumin puute on kuitenkin varsin harvinaista, sillä maaperässä on useimmiten riittävästi kasville käyttökelpoista kalsiumia.
Magnesium on viherhiukkasten aineosa eli se osallistuu kasvin yhteyttämisreaktioihin. Magnesium toimii useiden entsyymien aktivaattorina ja on mukana valkuaisainesynteesissä. Se osallistuu solun osmoottisen paineen säätelyyn. Magnesiumin puute heikentää yhteyttämisreaktiota, jolloin kasvin hiilihydraattipitoisuus pienenee. Myös proteiinipitoisuus pienenee. Magnesiumin puute näkyy kasvissa kloroosina: lehdistä tulee laikukkaita tai klorofylli näkyy pitkinä helminauhamaisina kuvioina lehtien reunoilla. Magnesiumin puute viivästyttää viljojen tuleentumista ja alentaa perunan tärkkelyspitoisuutta ja sokerijuurikkaan sokeripitoisuutta.
Kasvi pystyy sitomaan kaliumia maasta paljon tehokkaammin kuin kalsiumia tai magnesiumia. Kaliumionit säätelevät kasvin ilmarakojen sulkeutumista, ja siksi kaliumin määrä vaikuttaa kasvin vesitalouteen. Se säätelee solun suolapitoisuutta. Kalium on yleisin entsyymitoiminnan aktivoija. Se on välttämätön mitokondrioiden toiminnalle ja fotosynteesille sekä valkuaisainesynteesille. Kaliumin puute heikentää kasvin nestejännitystä mikä näkyy kasvien lakastumisena. Kasvi muuttuu väriltään harmahtavan vihreäksi. Lehtien reunat vaalenevat ja jopa ruskettuvat.

Työn tavoite
Työn tavoitteena on määrittää maanäytteen kalsium-, magnesium- ja kaliumpitoisuus.

Reagenssit ja välineet
- Väkevä etikkahappo, CH₃COOH
- Ammoniumasetaatti, CH₃COONH₄
- Kaupallinen kalsiumstandardi tai kalsiumkarbonaatti, CaCO₃, p.a.
- Kaupallinen magnesiumstandardi tai metallinen magnesium, Mg, p.a.
- Kaupallinen kaliumstandardi tai kaliumkloridi, KCl, p.a.
- Väkevä suolahappo, HCl
- Lantaanioksidi, La₂O₃ tai lantaanikloridi, LaCl₃
- 1l mittapulloja
- 100ml mittapulloja
- Pipettejä
- Spaatteleita
- Huhmare (mikäli käytössä ei ole myllyä)
- Büchnersuppilo
- Harvoja ja tiheitä suodatinpapereita

Laitteet
- Atomiabsorptiospektrometri
- Analyysivaaka
- Mylly
- Imusuodatuslaitteisto

Periaate
Kalsium, magnesium ja kalium määritetään maanäyteuutteesta atomiabsorptiospektrofotometrillä.

Standardit valmistetaan yhdistelmästandardeina, jolloin säästyy kemikaaleja ja aikaa. Lisäksi tiskiä syntyy vähemmän.

Näytteen säilytys ja esikäsittely
Maanäytteen annetaan kuivua näyterasia avattuna useita viikkoja huoneenlämpötilassa. Maanäytteestä kerätään pois pikkukivet, oljet ym. jauhautumattomat ainekset, jonka jälkeen se jauhetaan myllyssä hienoksi jauheeksi. Jauhaminen voidaan suorittaa myös huhmareessa.
Helppoliukoinen fosfori uutetaan maanäytteestä happamalla asetaattiuuttoliuoksella. Asetaattiuuttoliuos on liuos, joka on 0,5M etikkahapon ja 0,5M ammoniumasetaatin suhteen ja sen pH on 4,65. Tätä liuosta kannattaa valmistaa paljon, sillä sitä käytetään myös laimennosten ja standardien valmistuksessa.
Ilmakuivaa, jauhettua maata otetaan 25ml:n mitta-astia täyteen. Astiaa kopautetaan kolme kertaa pöytään ilmarakojen poistamiseksi. Jos mitta-astia jää kopautusten jälkeen vajaaksi, se täytetään uudelleen. Ylimääräinen maa pyyhkäistään pois esim. spaattelin tai viivoittimen avulla. (Vastaavasti voi punnita 25ml:aa vastaava määrä maata käyttämällä apuna maan tilavuuspainoa). Näyte siirretään 500ml:n pulloon ja lisätään uuttoliuokseksi 200ml hapanta asetaattiuuttoliuosta.
Pullo suljetaan hyvin kierrekorkilla, jonka jälkeen sitä ravistellaan 60 minuuttia ravistelulaitteessa. Näytteet suodatetaan heti ravistelun jälkeen büchnersuppilon avulla ensin harvan suodatinpaperin läpi ja sitten vielä tiheän läpi. Suodatinpaperi kostutetaan asetaattiuuttoliuoksella ennen näytteen kaatamista. Ravistelupulloon jääneet maahiukkaset huuhdellaan suodattimelle uuttoliuoksen avulla. (Uuttoliuosta on käytettävä säästeliäästi, jotta liuos sopii lopuksi 250ml:n pulloon). Suodatettu näyteliuos kaadetaan 250ml:n mittapulloon ja täytetään merkkiin uuttoliuoksella.

Työn suoritus
Perusliuosten valmistus
Standardeina voi käyttää kaupallisia standardeja tai valmistaa standardit perusliuoksista oheisten ohjeiden mukaan.
Kalsiumin perusliuos, jonka kalsiumpitoisuus on 500mg/l, valmistetaan seuraavasti: Punnitaan 1,249g vedetöntä, kuivattua kalsiumkarbonaattia CaCO₃ ja siirretään se kvantitatiivisesti litran mittapulloon. Lisätään 50ml vettä ja sen jälkeen tipoittain väkevää suolahappoa kunnes jauhe liukenee. Mittapullo täytetään lopuksi puhdistetulla vedellä.
Magnesiumin perusliuos, jonka magnesiumpitoisuus on 1000mg/l, valmistetaan seuraavasti: Punnitaan 1,000g metallista magnesiumia ja siirretään se kvantitatiivisesti litran mittapulloon. Magnesium liuotetaan pieneen määrään 1:1 laimennettua suolahappoa ja täytetään mittapullo lopuksi 1%:lla HCl:lla.
Kaliumin perusliuos, jonka kaliumpitoisuus on 1000mg/l, valmistetaan seuraavasti:1,907g kuivattua kaliumkloridia liuotetaan litran mittapullossa pieneen määrään puhdistettua vettä, jonka jälkeen mittapullo täytetään puhdistetulla vedellä.

Väliliuosten valmistus
Kalsiumin, magnesiumin ja kaliumin perusliuoksista valmistetaan väliliuokset, joiden pitoisuudet ovat 100ppm. Liuokset laimennetaan puhdistetulla vedellä.

Standardiliuosten valmistus
Standardit valmistetaan yhdistelmästandardeina, jotka sisältävät samassa liuoksessa sekä kalsiumia, magnesiumia että kaliumia. Kalsiumin standardikuvaaja on lineaarinen (=suora) pitoisuuteen 5mg/l asti, magnesiumin standardikuvaaja pitoisuuteen 0,5mg/l asti ja kaliumin standardikuvaajan lineaarisuus jatkuu pitoisuuteen 2,0mg/l asti.
Standardeja valmistettaessa kannattaa tutustua laitevalmistajan antamiin ohjeisiin. Mikäli mittaukset suoritetaan lineaarisella alueella suosittelevat jotkut laitevalmistajat käyttämään vain yhtä standardia, joka sijoittuu lineaarisen alueen yläpäähän. Vanhemmissa laitteissa suositellaan sen sijaan käyttämään useita standardeja.
Yhdistelmästandardit valmistetaan väliliuoksista laimentamalla liuokset happamalla ammoniumasetaattiliuoksella. Ennen mittapullon täyttämistä merkkiin lisätään 3ml 10%:sta LaCl₃-liuosta 100ml:n mittapulloon. Nollaliuos on asetaattiuuttoliuosta, joka sisältää 3ml 10%:sta LaCl₃-liuosta 100ml:ssa uuttoliuosta.
Happamalla asetaattiuuttoliuoksella uutetuista näyteliuoksista tehdään 10-kertaiset ja 100-kertaiset laimennokset. Laimennokset tehdään uuttoliuoksella. Myös näytteiden tulee sisältää 3ml 10%:sta LaCl3-liuosta 100ml:ssa näyteliuosta. Atomiabsorptiospektrofotometri valmistellaan käyttökuntoon. Atomiabsorptiospektrometri tukkeutumisen estämiseksi suodatetaan kaikki standardit ja näytteet ennen mittausta 0,45µm kalvosuodattimen läpi. Ruiskusuodattimet ovat käteviä, sillä itse mittaukseen tarvitaan liuoksia vain pieniä määriä. Sekä standardien että laimennettujen näytteiden absorbanssit mitataan laitteen käyttöohjeiden mukaan. Kaliummittauksia ei tarvitse tehdä 100-kertaisesta laimennoksesta.

Huom! Kaliumpitoisuus mitataan tarvittaessa myös laimentamattomasta näytteestä. Tällöin lantaania lisätään 3ml 100ml:n näytetilavuutta kohti. Myös nollaliuokset ja standardit tulee tällöin valmistaa siten, että lantaanilisäys lisätään "merkin päälle" eli lisätään sen jälkeen kun mittapullo on ensi täytetty merkkiin.

Alkuaine	Aallonpituus nm	Raon leveys nm
Kalsium	422,7	0,7
Magnesium	285,2	0,7
Kalium	766,5	0,7

Tuloksen laskeminen
Ellei atomiabsorptiospektrometri ilmoita suoraan näyteliuosten metallipitoisuuksia, on standardien absorbanssiarvojen perusteella piirrettävä standardikuvaaja, jossa vaaka-akselilla on standardien pitoisuudet ja pystyakselilla absorbanssit. Näyteliuosten metallipitoisuudet luetaan kuvaajasta. Mittaustuloksen perusteella lasketaan paljonko kalsiumia, magnesiumia ja kaliumia on litrassa maata. Tulos ilmoitetaan kahden merkitsevän numeron tarkkuudella.

Esimerkki kalsiumpitoisuuden laskemisesta:

	10-kertainen laimennus:	kalsiumia 25,88mg/l
	laimentamaton:	kalsiumia 258,8mg/l
	uutosta oli 250ml:	kalsiumia 64,7mg/250ml
	uutoksen kalsium on peräisin 25ml:sta maata:	kalsiumia 64,7mg/25ml maata
	eli	kalsiumia 2588mg/l maata
	eli	kalsiumia 2600mg/l maata

Työturvallisuus
Koska työssä käsitellään vahvoja happoja, on huolehdittava asianmukaisista suojavälineistä: työtakki, suojakäsineet, suojasilmälasit. Väkevät happoliuokset laimennetaan kaatamalla happoa veteen eikä päinvastoin. Happolaimennukset on syytä tehdä vetokaapissa. Atomiabsorptiospektrometrin käyttöohjeisiin tutustutaan huolellisesti ennen mittausta. Kaasuja käsitellään huolellisesti.

Jätteiden käsittely
Happamat jätteet neutraloidaan, jonka jälkeen ne voidaan kaataa viemäriin.

Lähteet
- Maanviljelyskemian ja -fysiikan harjoitustyöt A, Helsingin yliopisto, Soveltavan
kemian ja mikrobiologian laitos 1993
- Maaperäanalyysi, Opettajalinjan laudaturtyö, koonnut Antti Grönroos
- Kanerva Kaarina, Leskinen Marja (toim.), Kasvun tekijät, Mitä kasvi tarvitsee
kasvaakseen?, Tampere 1995

Etusivu > Ympäristöanalyysit > Kalsium, magnesium ja kalium
Etusivu > Analyysiohjeet > Atomiabsorptiospektrometria, AAS

Mittaus-
pöytäkirja
(274 kt Word)

Raportointi-
kaavake
(33 kt Word)