ویژگی‌های آب‌ و خاک – اسیدیته و شوری

هدایت الکتریکی و pH چیست؟

مشخص‌کردن ویژگی‌های یک محیط می‌تواند بسیار مفید باشد، مثلاً در محیط آبی اندازه‌گیری pH و هدایت الکتریکی (EC) ویژگی‌های مهمی از آن را بیان می‌کند. pH شاخصی از اسیدیته آب یا خاک است که براساس غلظت یون هیدروژن بدست می‌آید. فرمول محاسبه pH برابر است با منفی لگاریتم غلظت یون هیدروژن، یه به عبارت دیگر pH = -log[H⁺] ، که در آن ⁺H نمادی از میزان «غلظت» هستند. میزان pH یک ماده در مقیاس لگاریتمی عددی بین ۱ تا ۱۴ است، pH بین ۱ تا ۶ حالت اسیدی، ۷ خنثی و بین ۸ تا ۱۴ قلیایی است. وقتی مقدار pH کاهش می‌یابد به‌معنای افزایش [⁺H] است و برعکس چنانچه pH زیاد شود به‌معنای کاهش [⁺H] است.

هدایت الکتریکی (EC) سنجشی از مواد حل‌شده در یک محلول آبی است، این شاخص بیانگر توانایی ماده در انتقال جریان الکتریکی از درون خود است. EC به‌کمک واحد زیمنس بر واحد سطح (mS/cm یا میلی‌زیمنس بر سانتی‌متر) بیان می‌شود، هرچقدر ماده محلول در نمونه آب یا خاک بیشتر باشد، میزان EC آن ماده بیشتر خواهدشد.

pH و هدایت الکتریکی چگونه اندازه‌گیری می‌شوند؟

به‌کمک یک پی‌اچ‌سنج و پروب یا با استفاده از کاغذ لیتموس میزان pH یک نمونه بدست می‌آید. روش دقیق‌تر که البته گران‌تر است روش پروب و پی‌اچ‌سنج است. پی‌اچ‌سنج‌ها با استفاده از محلول‌های خاصی به‌نام بافرها (buffers) که میزان pH مشخصی دارند، کالیبره می‌شوند. دستورالعمل کالیبره کردن دستگاه در داخل دفترچه راهنمای شرکت سازنده قرار دارد، البته روش ساده‌تری نیز ممکن است برای آن وجود داشته باشد.

استفاده از کاغذ لیتموس یا pH ساده‌تر و با صرف هزینه کمتر است. در این روش به‌کمک نوارهای کاغذی خاصی که در محلول‌های مختلف به‌رنگ‌های متفاوت در می‌آیند، میزان pH بدست می‌آید. این نوارها دارای دقت‌های متنوعی هستند،‌ از اسیدها و بازهای ساده گرفته تا مقادیر بسیار دقیقی از pH را می‌توان به‌کمک آن‌ها بدست آورد. این نوارهای کاغذی قادرند در یک نمونه مشخص تا دقت‌های ۰٫۲ الی ۰٫۳ را نیز اندازه بگیرند. براساس اینکه نمونه محلول، اسید یا باز است‌، رنگ کاغذهای لیتموس تغییر می‌کند، این رنگ‌ها به‌ترتیب قرمز یا آبی می‌شود. همچنین با تغییر رنگ‌هایی که اتفاق می‌افتد میزان pH محلول نمونه قابل تشخیص است؛ سازنده کاغذ لیتموس برروی بسته‌بندی آن رنگ‌هایی که نشان‌دهنده pH های مختلف است را مشخص می‌کند.

به‌کمک یک دستگاه سنجش و پروب مربوطه میزان هدایت الکتریکی نیز بدست می‌آید. پروب شامل دو الکترود فلزی است که با فاصله یک سانتی‌متر از هم قراردارند (بنابراین واحد اندازه‌گیری آن میکروزیمنس یا میلی‌زیمنس بر سانتی‌متر است). با اعمال یک ولتاژ ثابت در داخل الکترودها، جریان الکتریکی در داخل نمونه آبی برقرار می‌شود. از آنجا که جریان الکتریکی که از آب عبور می‌کند متناسب با غلظت یون‌های موجود در آن است، میزان هدایت الکتریکی بدست خواهدآمد. هرچقدر غلظت یون‌ها یا نمک‌های محلول در آب بیشتر باشد، هدایت الکتریکی نمونه بیشتر است و میزان هدایت قرائت‌شده بالاتر می‌رود.

 

دستورالعمل‌ها و ملزومات اندازه‌گیری pH و EC

در ادامه دستورالعمل‌های عمومی برای اندازه‌گیری pH و EC ارائه شده‌است. در صورتی که سازنده دفترچه راهنمایی به همراه محصول ارائه کرده است، باید معیار کار قرارگیرد.

اندازه‌گیری pH به‌کمک نوارها یا کاغذ لیتموس

1. یک قطره از نمونه را روی کاغذ بریزید – اطمینان حاصل کنید که به‌جای اینکه کاغد را درون محلول فرو ببرید، تنها یک قطره از آن را روی کاغذ ریخته باشید، زیرا فروبردن کاغذ در محلول موجب آلودگی نمونه می‌شود.
2. تغییر رنگ کاغذ را زیرنظر بگیرید. اگر از کاغذ لیتموس استفاده می‌کنید، در صورت وجود محلول اسیدی، رنگ کاغذ قرمز یا صورتی می‌شود. در عین حال محلول بازی نیز منجر به تولید رنگ آبی می‌شود. اگر از نوارهای pH استفاده می‌کنید، رنگ‌هایی که مربوط به هر یک از pHهاست برروی بسته‌بندی مشخص شده‌اند.

اندازه‌گیری pH یک محلول به‌کمک پی‌اچ‌سنج و پروب:

1. دستگاه پی‌اچ‌سنج را روشن کنید و با استفاده از دو محلول استاندارد، پروب را کالیبره نمایید (براساس محدوده‌ای که قصد اندازه‌گیری آن را دارید، بافرهایی با pH (۴, ۷, ۱۰) پیشنهاد می‌شوند). فرآیندهای کالیبراسیون براساس نوع دستگاه متفاوت هستند بنابراین توصیه اکید بر آن است که از دفترچه راهنمای سازنده دستگاه کمک بگیرید. توجه کنید که با استفاده از آب مقطر بین بافرها، پروب را به‌خوبی آبکشی نمایید و سپس به‌کمک دستمال‌ مخصوص به‌طور کامل خشک کنید. پی‌اچ‌سنج‌ها قبل از هربار استفاده یا در زمان اندازه‌گیری محدوده بزرگی از pH، باید کالیبره شوند (قبل از هر سری از نمونه‌ها باید کالیبره صورت گیرد، نه بین همه نمونه‌ها).
2. بهتر است به‌جای استفاده از حالت کالیبره دستگاه، با استفاده از pH محلول‌های استاندارد به‌عنوان شاخص، کالیبراسیون انجام‌شده را بررسی نمایید.
3. نمونه‌های آب را در ظروف دربسته شیشه‌ای یا پلاستیکی جمع‌آوری نمایید. نمونه باید به‌اندازه‌ای باشد که سر پروب به‌راحتی در داخل آن مستغرق گردد. قبل از اینکه پروب را داخل ظرف نمونه ببرید، پروب را با آب مقطر یا مقداری از خود نمونه آبکشی نمایید (در هنگام استفاده از آب مقطر باید سر پروب به‌خوبی خشک شود).
4. پروب را در داخل نمونه مستغرق کنید و منتظر بمانید تا پی‌اچ‌سنج عدد ثابتی را نشان دهد. بسیاری از دستگاه‌ها دارای اصلاح‌کننده خودکار دما هستند (ATC)، که محاسبه pH را با درنظرگرفتن دما انجام می‌دهند. اگر دستگاه شما از چنین امکاناتی برخوردار نیست، ممکن است لازم باشد که با استفاده از تنظیم یک دستگیره برروی پی‌اچ‌سنج مقدار pH را با توجه به دما اصلاح کنید. زمانی که صفحه قرائت pH ثابت شد، مقدار بدست آمده را ثبت کنید.

اندازه‌گیری EC محلول نمونه با استفاده از ای‌سی‌سنج و پروب

1. دستگاه ای‌سی‌سنج را روشن کنید و به‌کمک یک محلول استاندارد که هدایت مشخصی دارد، پروب را کالیبره نمایید (استانداردی را انتخاب نمایید که گمان می‌کنید به محلول نمونه شما نزدیک‌تر باشد). فرآیندهای کالیبراسیون براساس نوع دستگاه متفاوت هستند بنابراین توصیه اکید بر آن است که از دفترچه راهنمای سازنده دستگاه کمک بگیرید. اطمینان حاصل کنید که پروب قبل و بعد از کالیبراسیون به‌خوبی با آب مقطر آبکشی شده‌است و سپس به‌کمک دستمال‌ آن را کاملاً خشک کنید. باید قبل از هر بار استفاده یا در زمان اندازه‌گیری محدوده بزرگی از EC، ای‌سی‌سنج را کالیبره نمود (قبل از هر سری از نمونه‌ها باید کالیبره صورت گیرد، نه بین همه نمونه‌ها)
2. بهتر است به‌جای استفاده از حالت کالیبره دستگاه، با استفاده از EC محلول‌های استاندارد به‌عنوان شاخص، کالیبراسیون انجام‌شده را بررسی نمایید.
3. نمونه‌های آب را در ظروف دربسته شیشه‌ای یا پلاستیکی جمع‌آوری نمایید. نمونه باید به‌اندازه‌ای باشد که سر پروب به‌راحتی در داخل آن مستغرق گردد. قبل از اینکه پروب را داخل ظرف نمونه ببرید، پروب را با آب مقطر یا مقداری از خود نمونه آبکشی نمایید (در هنگام استفاده از آب مقطر باید سر پروب به‌خوبی خشک شود).
4. پروب را در داخل نمونه مستغرق کنید و منتظر بمانید تا ای‌سی‌سنج عدد ثابتی را نشان دهد. بسیاری از دستگاه‌ها دارای اصلاح‌کننده خودکار دما هستند (ATC)، که محاسبه EC را با درنظرگرفتن دما انجام می‌دهند. اگر دستگاه شما از چنین امکاناتی برخوردار نیست، ممکن است لازم باشد که با استفاده از تنظیم یک دستگیره برروی ای‌سی‌سنج مقدار EC را با توجه به دما اصلاح کنید. زمانی که صفحه قرائت EC ثابت شد، مقدار بدست آمده را ثبت کنید.

اندازه‌گیری pH خاک

pH خاک را می‌توان با دستگاه پی‌اچ‌سنج (معمولاً نمونه خاک را با آب یا محلول نمکی مخلوط می‌کنند) یا با اضافه کردن رنگ به خاک، مشاهده تغییرات آن و در نهایت مقایسه با جدول تعیین pH، بدست آورد. روش دوم را به‌کمک یک کیت نیز انجام می‌دهند، این کیت حاوی مواد شیمیایی لازم است.

اندازه‌گیری EC خاک

EC خاک را می‌توان با الکترودهایی که مستقیماً وارد زمین می‌شوند یا با استخراج آبِ خاک به‌کمک لیسیمتر (lysimeter - لیسیمتر دستگاهی است که با استفاده از مکش می‌تواند خاک یا آب را از زمین بیرون بکشد) بدست آورد. EC آب‌زیرزمینی نیز به‌کمک پروبی که وارد چاه (مسیر قائم و لوله‌شکلی که در داخل خاک حفاری شده است و به‌کمک آن می‌توان سطح آب‌ زیرزمینی را بدست آورد) یا پیزومتر (مسیر قائمی که فقط انتهای آن باز است و میزان فشار آب را در آن عمق مشخص، تعیین می‌کند) می‌شود، تعیین می‌کنند. در روش الکترودی، یک سری از پروب‌های ویژه بکار می‌رود، دو عدد از این پروب‌ها جریان الکتریکی را داخل خاک برقرار می‌کنند و دو عدد دیگر نیز افت ولتاژ را تعیین می‌نمایند. برای اندازه‌گیری EC آبِ خاک، آب را از لیسمیتر، چاه یا پیزومتر استخراج می‌کنند و به تعیین هدایت الکتریکی آن می‌پردازند. در روشی دیگر می‌توان پروب را به دستگاه ای‌سی‌سنج متصل کرده و آن را وارد چاه یا پیزومتر نمود تا مقدار EC مایع بدست آید.

تحلیل نتایج

اندازه‌گیری pH و EC تحت تأثیر عوامل محیطی مختلفی قراردارد که شامل: آب‌وهوا، زیستگاه محلی (جانوران و گیاهان)، سنگ بستر و زمین‌شناسی سطحی است. همچنین اثرات انسانی نیز برروی زمین مقدار این پارامترها را دست‌خوش تغییر می‌کند. مقادیر مرسوم pH و EC برای محیط‌های مشخص در بسیاری از منابع مثل مجلات بازبینی‌شده و کتاب‌های مرجع یافت می‌شوند. در حالت کلی، pH بین ۱ تا ۶ به‌عنوان اسیدی، ۷ به‌عنوان خنثی و ۸ تا ۱۴ به‌عنوان محیط بازی شناخته می‌شود. همچنین، آب‌های رقیقی مانند آب مقطر یا آب ذوب‌شده از یخچال‌ها، هدایت الکتریکی اندکی دارد. محدوده این هدایت از صفر تا مقادیر میکروزیمنس تغییر می‌کند. از سوی دیگر، جریانات معتدل و دریاچه‌ها، به‌خصوص مواردی که با آب‌های زیرزمینی در ارتباط هستند، مقادیر هدایت الکتریکی بالایی دارند.