Jorden som tungmetalfilter

Introduktion

Jordbundens evne til at tilbageholde tungmetaller og andre stoffer som vi ikke ønsker i vores grundvand, er meget afhængig af hvad jorden består af. Der er fx kæmpe forskel på sand- og lerjord. I dette forsøg kan du teste jordbunden fra skolen, baghaven eller et andet sted fra din hverdag.

Tungmetaller findes naturligt i jordlagene under os. De stammer naturligt fra den blanding af grundstoffer som mineralerne i jorden er lavet af. Tungmetallerne frigives som metal-ioner igennem nedbrydningsprocesser i jorden. Dette naturlige indhold i naturen kaldes for baggrundsniveauet. Det er derfor en del af alle vores landskab og økosystem.

Den massive udvinding af fossile brændstoffer (kul og olie) siden industrialiseringen i 1800-tallet har resulteret i frigivelse af tungmetaller, som før var bundet i fossile brændstoffer i undergrunden. Desuden har forskellige former for industri, såsom metalbearbejdning, minedrift, produktion af pesticider m.m. forårsaget udledning af tungmetaller som fx bly, kviksølv, cadmium, kobber og zink. Dette har forårsaget flere tilfælde af lokale og globale forureninger. Selvom visse tungmetaller er livsvigtige for planter, dyr og mennesker, kan de i for høje koncentrationer udgøre en potentiel sundhedsskadelig risiko for os, derfor kan de stigende koncentrationer i naturen og miljøet omkring os udgøre en sundhedsrisiko.

Formål

Formålet med at undersøge interaktionen mellem tungmetaller og jord er at lære om de kemiske fysiske processer som er med til at påvirke vores grundvand. Undersøgelsesmetoden, når først den er tillært, vil kunne udvides til at omfatte andre jordbundstyper end den aktuelle, som eleverne selv kan være med til at definere.

Mål

Målet med øvelsen er at undersøge, hvor meget tungmetal en lokalt indhentet jordprøve kan binde. Målet er altså konkret at finde jordprøvens maksimale optagelse af tungmetal-ioner, også kaldet adsorbtionsevne.

Målet er desuden at der formuleres en arbejdshypotese omkring det forventede udfald på den aktuelle undersøgelse inden den påbegyndes. Det kunne være omkring, hvilken jordtype der vil kunne binde/adsorbere mest tungmetal og hvorfor det vil være tilfældet.

Sikkerhed

Det er vigtigt at understrege, at kobbersulfat ikke er helt ufarligt at beskæftige sig med. Ud over at kobber er giftigt for mennesker i for høje mængder er især kobber(II)-ionen, som indgår i kobbersulfat-forbindelsen giftig ved indtagelse. Det er derfor vigtigt, at håndtere både kobbersulfat på pulverform og i opløsning meget forsigtigt for at undgå at spilde kobbersulfat ud over tøj, borde og andre steder. Desuden er det yderst vigtigt, at man har kittel og beskyttelsesbriller på under forsøget. Efter forsøget er det vigtigt, at vaske hænderne grundigt, da rester af kobbersulfat kan sidde størknet på huden.

Rester af kobbersulfat-opløsninger bortskaffes som uorganisk affald.

Hypotese

Inden forsøgets begyndelse, skal der opstilles en hypotese om, hvor meget kobbersulfat jorden kan binde. Den vurdering kan foretages ved at analysere jordprøvens sammensætning. Er der fx meget sand, ler eller organisk materiale i prøven, og hvilken konsekvens har det for evnen til at binde positive metal-ioner?

Metode

Forsøget tager udgangspunkt i tungmetallet kobber, som findes i stoffet kobbersulfat (CuSO4), der er kendetegnet ved at have en meget blåturkis farve, også når det opløses i vand i tilstrækkeligt høje koncentrationer.

Når en kobbersulfat-opløsning har været rystet sammen med en jordprøve, kan man se om den turkise farves intensitet er aftaget, og evt. om den er forsvundet helt. Hvis væsken er farveløs, så kan man antage at alle kobber-ioner er bundet i jorden.

Ved at komme tæt på grænseværdien, altså der hvor al kobbersulfat lige akkurat bliver bundet i jordprøven, kan man vurdere jordbundens adsorbtionsevne af tungmetaller.

Fremstilling af stamopløsning - bør udføres af læreren

Materialer til produktion af stamopløsning - læreropgave:

  • ske med stor flade, der gør det nemt at tage CuSO4 op af bøtten.
  • Bægerglas til stamopløsning, mindst 1 L (til hver gruppe skal der anvendes ca. 50-60 ml stamopløsning)
  • Kobbersulfat (CuSO4), pulver/fast form

Klargøring af stamopløsning

  • Der afvejes 50 g CuSO4 (s) på præcisionsvægt
  • Det opløses i 1000 ml vand ved grundig omrøring
  • Stamopløsningen er nu klar

Materialer

Del 1 – opblanding af jordprøver med kobbersulfat

  • 150g tørret jordprøve. Fx, lerholdig jord fra en have, mark eller anden relevant lokalitet.
  • 60 ml Stamopløsning af CuSO4
  • Sandkassesand (Følger med forsøgskittet i en lille pose)
  • 8 Reagensglas/centrifugerør – volumen: 15 ml eller større
  • Propper til reagensglas
  • Reagensglasstativ
  • 10 ml måleglas
  • Præcisionsvægt
  • Plastikskål til at afveje jord
  • Ske

[billede med materialer på listen

Del 2 – filtrering af jordprøver med kobbersulfat

  • Tragt,
  • 7 runde filtre – diameter 10 cm
  • 7 rene reagensglas/centrifugerør med låg

[billede med materialer på listen]

 Sikkerhedsudstyr

  • Kittel
  • Beskyttelsesbriller

Klargøring til undersøgelse

Sikkerhed

Gør klar til at arbejde i laboratoriet ved at tage kittel, samt beskyttelsesbriller på.

Klargøring af jordprøver

  • 5,0 gram jord afvejes på et stykke papir med midterfold, på præcisionsvægt
  • Den afvejede jord hældes i et reagensglas.
  • Dette gentages yderligere 5 gange, så der i alt er 6 reagensglas med 5 gram jord i hver
  • nummerer reagensglassene fra 1-6. Skriv fx med sprittusch på et stykke tape på hvert reagensglas.

 

[billede af 6 reagensglas med 5 g jord + 1 reagensglas med 5 g sand og 1 med stamopløsning + papir med midterfold]

Klargøring af sandprøve

  • 5,0 g afvejes på et stykke papir med midterfold, på præcisionsvægt
  • Det afvejede sand hældes i et reagensglas.
  • giv reagensglasset nummeret 7.

fremstilling af referenceprøve med stamopløsning

  • Hæld 10 ml stamopløsning i et reagensglas og nummerér det 0.
  • Sæt prop på eller film henover åbningen på glasset.

Undersøgelse

Fortynding af stamopløsning til prøverne

  • Sørg for at de otte reagensglas med numrene 0-7 står klar i rækkefølge i stativ
  • Der skal nu tilsættes 10 ml opløsning oven i jordprøverne, i de blandingsforhold som fremgår af tabel 1.
  • Dette gøres ved at man først blander stamopløsning og vand i et måleglas
  • Derefter hældes de 10 ml opløsning forsigtigt over i det rette reagensglas
  • Når alle otte glas er klar, så tag et hvidt A4-ark og hold det op bag reagensglassene og tag et billede fra siden, hvor opløsningens farve tydeligt kan ses i alle reagensglas.

 

 Reagensglas nr.

Koncentration af CuSO4

Jord/sand

Volumen CuSO4-stamopløsning

Volumen vand

 0

50 g/l

intet

10,0 ml

0 ml

 1

50 g/l vand

5,0 g jord

10,0 ml

0 ml

 2

37,5 g/l vand

5,0 g jord

7,5 ml

2,5 ml

 3

25 g/l vand

5,0 g jord

5,0 ml

5,0 ml

 4

20 g/l vand

5,0 g jord

4,0 ml

6,0 ml

 5

15 g/l vand

5,0 g jord

3,0 ml

7,0 ml

 6

10 g/l vand

5,0 g jord

2,0 ml

8,0 ml

 7

37,5 g/l vand

5,0 g sand

7,5ml

2,5 ml

Tabel 1.

 

CuSO4-opløsning og jord blandes

  • Der sættes prop på alle reagensglassene, og de rystes grundigt i ca. 1 minut hver, og sættes tilbage i reagensglasstativet.
  • Når der er rystet færdigt er det vigtigt, at jorden i reagensglassene er våd.
  • Efter ca. 24 timer rystes reagensglassene endnu en gang og lades stå i yderligere 24 timer, så jorden kan bundfældes.
  • Prøverne skal altså samlet set stå i 48 timer efter første sammenrystning.

Resultater og databehandling

Måling af resultater

  1. Efter 48 timer er prøverne nu klar til at blive filtreret.
  2. Sæt nummer på de nye reagensglas, så de svarer til numrene på de reagensglas med jord/sand, der har stået i 48 timer (reagensglas 1-7).
  3. fold filtrene på midten to gange, så det danner en lomme.
  4. sæt tragtens ende ned i det nye reagensglas, som skal stå i et stativ.
  5. Med plastikpipetter føres væsken, der ligger som et lag over jorden i reagensglassene, over i glastragten, hvor det vil løbe gennem filtret og ned i det nye reagensglas. Dette gøres for alle reagensglas, så vi nu har 7 nye reagensglas, kun med væske.
  6. Tag et hvidt A4-ark og hold bag reagensglassene og tag nu et billede. Alle reagensglas skal være med på det samme billede, og lysniveauet skal meget gerne være det samme som da der blev taget billede af reagensglassene tidligere i forsøget.

Reagensglas nr.

1

2

3

4

5

6

Koncentration af CuSO4

50 g/l

37,5 g/l

25 g/l

20 g/l

15 g/l

10 g/l

Farve ifht. oprindelig 1-10, hvor 10 er det samme som oprindelig farve

 

 

 

 

 

 

Databehandling

Databehandlingen består i at lave en kvalitativ analyse af forsøgsresultaterne ved at kigge på farven på væsken, som har reageret med jorden i 48 timer.

Forsøg at besvar følgende spørgsmål, ved at se på prøverne og sammenligne billeder fra før og efter de 48 timers behandling.

  • Hvilke prøver har blå eller blålig farve?
  • Ved hvilken koncentration af CuSO4 synes farven er være aftaget mest?
  • Ligger der et klart skifte mellem to af prøverne?
  • Hvis ja, hvilke?
  • Hvor meget CuSO4 vurderer I selv, at jeres jordprøve kan binde?
  • Er der forskel på, hvor meget ler- og sandjorden har optaget i prøve 6 og 7? 

 

Er der en af reagensglassene der er helt gennemsigtig og farveløs? Hvis ja, så noter den laveste koncentration af CuSO4, som stadig har et skær af blå farve. Grænseværdien for hvor meget kobber 5 g jord kan binde, må være heromkring.

Hvis der stadig er blå farve ved alle væskerne, udføres forsøget igen med lavere koncentrationer af stamblandingen af CuSO4

På baggrund af resultaterne udregnes det, hvor meget kobber jeres jord kan binde i milligram CuSO4 pr gram jord. Hvis jeres grænseværdi er ved fx 15g CuSO4/L vand:

Her er følgende ræssonement til at estimere mængden af bundet kobber i jorden:

Hvis opløsningen af Kobbersulfat fx er 15 g/l, så er der 1,5 g/100 ml og 0,15 g/10 ml, som er den volumen der er tilstede.

Der er 5 g jord, som tilsammen har bundet ca 0,15 g som også kan skrives som 150 milligram kobbersulfat, ud fra den visuelle bedømmelse.

Det vil svare til at der i hvert gram jord er bundet 150/5 g jord = 30 milligram kobbersulfat pr gram jord.

I virkeligheden er det endnu mindre da CuSO4 findes som ionerne Cu2+ og SO42- i en vandig opløsning. Den samlede molekylevægt er 63,55 g/mol for kobber, 32,07 for Svovl og 128 g/mol for de fire iltmolekyler. Det giver en samlet vægt for molekylet på 223,6 g/mol. Det er altså kun 63,55/223,6 = 28,4 % af den samlede vægt der udgøres af kobberatomet.

Så 28 % af 30 milligram kobbersulfat svarer til ca 8,5 milligram ren kobber for 1 gram jord.

Derfor skal man gange resultatet med 0,28 for at få resultatet for ren kobber.

Ekstra mulighed for databehandling med appen Colorpicker

Bestemmelse af tilbageværende indhold af CuSO4

For at finde ud af hvilken adsorptionskapacitet,den undersøgte jord har, er det nødvendigt at finde en måde at kvantificere indholdet af CuSO4 i de forskellige opløsninger. Normalvis vil man gøre dette ved hjælp af spektroskopi, men da denne metode kræver avanceret udstyr, må man gøre det på en anden måde, nemlig ved hjælp af RGB-systemet.
   RGB-systemet er et farvesystem, der kan bruges til at kombinere farverne rød, grøn og blå. Det har været anvendt især i fjernsynsskærme til at give billederne forskellige farver. En pixel på en skærm kan således beskrives med RGB-systemet ud fra intensiteten af henholdsvis rød, grøn og blå farve. Intensiteten for hver farve angives i ”points”, der går fra 0-255. Jo højere et tal, desto højere farve-intensitet. Farven sort har for eksempel RGB-tallene 0-0-0, hvorimod hvid har RGB-tallene 255-255-255. Rød, grøn og blå i rene farver har tallene 255-0-0, 0-255-0 og 0-0-255, lilla i ren farve har tallene 255-0-255 osv.
   Da CuSO4 har en blå farve, kan det tilbageværende indhold af CuSO4 bestemmes i % og derved kvantificeres. Dette kan gøres ved brug af følgende matematiske formel:

Andel CuSO4 optaget af jorden =

hvor B-værdien er værdien af den blå farves intensitet i RGB-systemet.

Til at måle B-værdien på hhv. stamopløsningen og de forskellige prøver i fortyndingsrækken, kan den gratis app Color Picker, der er tilgængelig både på Android og til iPhone (under navnet ColorPicker i ét ord).

Sådan bruges appen:

  • Download appen fra Google Play eller App Store.
  • Åbn appen
  • Tryk på knappen med ”+”-ikonet
  • Vælg dernæst galleri-ikonet
  • Vælg billedet fra telefonens galleri
  • Tryk på det punkt på billedet, du ønsker farveinformation fra

Det er meget vigtigt, at der fyldes et reagensglas op med stamopløsning, og at dette placeres ved siden af de andre reagensglas i reagensglasstativet. Der skal tages et billede fra siden af reagensglasstativet, så alle reagensglas kan ses på billedet. Brug et hvidt A4-ark som baggrund og gør det gerne et sted, hvor der ikke er for meget naturligt lys.

Tilbage til forsøg