토양화학 분석법

토양화학 분석법

 

 

 

 

 

 

1. 산도 (pH : Potential of Hydrogen)

pH측정에 관한 원리는 두 가지 측면에서 취급되어야 할 것이다. 그 하나는 pH란 무엇인가의 측면이고 다른 하나는 pH는 어떻게 측정하는 것이냐의 측면이다. pH는 용액 중에 유리상태로 있는 수소이온 농도의 역수의 대수치이다.
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pH는 따라서 어떤 용액중의 수소이온 농도를 표시하는 지수이지 농도 그 자체는 아니다. 다시 말하면 pH 단위로 표시할 때 1, 2, 3 ……등이 가리키는 실제 수소이온 농도는 각각 10-1gram ion/ℓ, 10-2gram ion/ℓ, 10-3gram ion/ℓ …등이다. 대체로 경작지 토양이 갖는 수소이온 농도는 10-5gram ion/ℓ～10-7gram ion/ℓ 범위로 그 실제량으로 봐서는 극히 적은양이다. 그럼에도 불구하고 이것에 대해 깊은 관심을 갖는 이유는 수소이온 그 자체가 작물에 해롭다거나 이롭다 해서가 아니라, 수소이온 농도가 작물이 필요로 하거나 작물에게 유해한 다른 물질들의 용해도에 결정적인 영향을 미치기 때문이다.

 

토양의 pH를 측정하고 그 성적을 취급함에 있어서 명심해야 할 중요한 사실중의 하나는 흔히 물에 현탁시켜 측정하는 토양 pH가 갖는 의미를 명백히 이해하는 일이다. 토양을 물에 현탁시켜 초자전극을 써서 측정한 pH는 활산성으로 표현되는 것으로 이것은 어디까지나 그 토양이 갖는 수소이온의 극히 일부를 측정하는데 불과한 것임을 알아야 한다. 대체로 산성토양의 범주에 드는 토양의 경우에는 많은 양의 수소이온 또는 수소 이온을 방출시킬 수 있는 다른 이온이 토양교질 표면에 흡착되어 있다.

이러한 잠재 수소이온은 활산성 측정 시에는 직접 측정되지 않지만 토양의 중화를 목적으로 석회를 시용하고자 할 때는 반드시 고려되어야 할 대상이다. 이렇게 따져 보면 중요한 것은 잠산성이지 활산성은 별 의미가 없는 것으로 생각될 수도 있다. 그러나 활산성은 그 토양의 현재조건에서의 각종 양분에 유해물질의 활동 농도를 진단하는데 불가결한 정보이다. pH 측정은 일종의 전위차 측정이며 pH meter는 정밀하게 고안된 volt meter의 일종이다.

pH측정 장치에 있어서 특수한 부분은 volt meter 부분이 아니고 수소이온 농도 차이를 기전력(electromotive forces)차이로 감지하는 전극이 특수한 기능을 갖는 부분이다. pH meter에 쓰이는 전극은 금속과 비교적 난용성인금속염을 접촉시켜 만든 것인데 그 원리는 다음과 같다.
흔히 쓰이는 Ag, AgCl 전극을 예로 들면,
AgCl(고체) ↔ Ag+ + Cl-
+)Ag+ + e ↔ Ag(고체)
AgCl + e Ag(고체) + Cl-

(Ag․AgCl) 전극에 전자가 공급되면 더 많은 Ag+가 Ag로 되며 전자가 공급되지 않으면 Ag가 Ag+되려는 경향을 나타내면서 전위차를 일으킨다. 만약 똑같은 Ag․ AgCl 전극을 연결한다면 양편의 기전력이 같으므로 두 전극 간의 전위차는 “0”이 될 것이다. 그러나 어떤 수단으로든 한편 전극에는 다른편 전극에 비하여 Ag+가 많게 하고 두 전극을 연결하면 Ag+가 많은 쪽으로 전자가 이동하려 할 것이며 이것이 전위차로 나타날 것이다. 이 원리를 pH 측정에서 이용하고 있다.

 

초자전극 Calomel 전극
Ag, AgCl, KCl ∥HCl : H+ ∥ KCl, AgCl, Ag
고농도

초자전극이나 calomel 전극이나 다 같이 AgCl + e → Ag+ → Cl-로 된 반전지(half cell)인데 하나는 초자전극의 초자구 부분에 들어 있는 고농도의 H+(HCl)에 접해 있고 calomel 전극은 시료 용액중의 저 농도 H+에 접해있다. 그런데 AgCl은 고농도의 H+가 있는 조건에서 더 잘 녹아 더 많은 Ag+을 생성 시킨다고 생각해 보면 초자전극 쪽은 “+” 전위가 높고 calomel 전극 쪽은 상대적으로 “-” 전위가 되어 전위차가 나타나게 될 것이며 전위차는 초자금속의 H+농도와 액중의 H+농도의 차이의 크기에 비례하되 다음과 같은 관계식을 갖게 될 것이다. 이때 초자전극이 사용되는 것은 초자전극의 초자구 부분에 전류가 흐를 수 있는 초자막을 부착시킬 수 있기 때문이다.

1) 토양 pH 측정에 관여하는 인자
토양의 pH에 관여하는 인자는 주로 흙의 말림, 토양과 물의 비율, 수용성 염의 양, 탄산가스 량, 토양을 빻는 점토 등이 pH측정 수치에 차이를 준다.

2) 토양과 물의 비율
(1) 토양과 물의 비율은 포장의 토양이 가지고 있는 매우 적은 수분함량으로부터 토양과 물의 비율을 1:10까지 하는 법이 있으나 일반적으로 1:5 비율을 사용한다.
(2) 일반적으로 물의 비율이 많아질 수 록 pH는 높아지는 경향이 있으며 보통 곤죽상태(sticky point)로 부터 1:10으로 했을 때 pH가 0.2～0.5 높아지며 간혹은 pH 1.001(특수한 중성 또는 알칼리성 토양) 높아지는 경우도 있다.
(3) 증류수는 공기 중의 CO2를 흡수하여 pH가 내려감으로 질소 gas를 통과하여 쓰는 것이 이상적이며 약 10분간 끓여 식힌 것을 곧 사용해도 좋다.
(4) 전극을 넣을 때 토양 현탁액을 만들어 주고 곧 넣어서 측정한다. 너무 오래 토양을 방치하면 미생물의 작용으로 탄산 gas가 발생하여 pH가 낮아지는 경우가 있다.

3) 토양의 건조도
(1) 토양을 포장에서 직접 측정하는 것이 좋겠으나 여러 가지 불편한 점이 많으므로 보통은 풍건토양(2mm체를 통과한 시료)을 실험실에서 분석하는 것이 표준이다.

4) pH전극 사용법
(1) 유리 비이커는 전극과 접촉시 전극이 파손 우려가 있으므로 PP, PE비이커를 사용한다.
(2) 만약 올바른 수치가 나오지 않으면 표준전극의 미세구멍이 부분적으로 막힘을 나타낸다. 이것은 토양입자로 인하여 미세구멍이 막혔거나 초자막 주위에 KCl 결정의 과다한 발생이거나 포화 KCl의 흐름을 억제하는 전극의 공기구멍의 부적당한 조정에 의하여 야기될 수 있다.
(3) 정확한 분석을 하기 위해서는 주기적으로 공기구멍을 열어주거나 증류수로 KCl 결정을 세척 후 포화 KCl을 몇차례 교환하고 미세구멍이 있는 초자구가 약간 젖는것 같이 보일 때까지 고운 금강사로 전극 하단을 주의하여 가는 것으로 해결 될 수 있다.
(4) 전극을 넣을 때 토양 현탁을 만들어 주고 곧 넣어서 측정한다.
(5) 너무 오래 토양을 방치하면 미생물의 작용으로 탄산가스가 발생하여 pH를 낮추는 때가 있다.
(6) pH(H2O)의 경우 토양용액의 pH와 근사한 값을 나타내어 토양반응과 작물생육과의 관계를 아는 것은 좋은 자료가 되나 토양염류의 농도가 높아지면 수치가 낮아지는 경우가 많다.

5) 시약
(1) pH Buffer시약 (표준용액)
pH 4.01, 7.00 Buffer 용액(일반적으로 사용)

6) 실험방법
(1) pH meter를 표준용액으로 잘 맞춘다.
(2) 풍건토양 5g을 50㎖(PE, PP) 비이커에 평량하고 증류수(distilled water)
25㎖를 가한다.
(3) 때때로 유리봉으로 저어 준다.
(4) 실온에서 1시간 방치 후 60초 이내에 측정한다.
(pH 실험순서)
pH meter를 표준용액 pH 4.01, 7.00으로 조정
￬
풍건토양 5g + 50㎖ (PE, PP)비이커 + 증류수(distilled water)25㎖ 첨가
￬
때때로 유리봉으로 저어 준다
￬
1시간 방치 후 60초 이내에 측정

 

 

2. 전기전도도(Electrical Conductivity)

전기전도도는 용액 중에 존재하는 염류이온의 농도에 비례하기 때문에 전기도도를 측정하여 토양 또는 토양용액 중의 염류농도를 알 수 있다. 그러나염농도는 용액중의 염농도에 비례하기도 하지만 전기 흐르는 면의 접촉면적, 측정하는 전극간의 거리, 온도 등에 따라서도 달라지기 때문에 전기가 흐르는 면의 면적과 두 전극의 거리를 일정하게 해서 측정한 값을 쓰는데 접촉면의 면적을 1㎠, 두 전극간의 거리를 1㎝로 해서 측정한 전도도를 특히 비전도도라고 하며, 저항(ohm,Ω)의 역인 mmhos/㎝로 표시해 오다가 최근에 국제단위인 dS/m = mS/cm를 사용하고 있다.

 

1) 전극상수
정확히 조제된 0.01M KCl용액(1.414 dS/m at 25℃)의 비전도도를 임의의 전극으로 측정한다. 이 값을 A라고 하고 이 용액의 이론적 비전도도를 M, 전극상수를 K라고 하면, K = M / A 전극상수 K 인 적극으로 어떤 용액의 전도도를 측정해서 그 측정치가 L이었다면 그 용액의 비전도도 M은, M = K․L

2)  토양 EC 간이법 측정 (1 : 5)

(1) 시약 및 기구
① 0.01M KCl 표준용액
② Potassium Chloride〈KCl〉: 0.7455g을 증류수에 용해하여 1ℓ로 조제한다. (EC로 1.414dS/m임)
③ EC 표준용액 1414〜1413 ㎲/㎝시약을 구입해서 사용해도 된다.

(2) 기구 : Conductivity meter, 온도계

(3) 실험방법
① 100㎖ 삼각 flask에 10g의 토양을 넣고 50㎖의 증류수를 가하여 30분간 진탕한다.
② NO.2 여과지로 여과하여 여액을 전기전도도를 측정한다.

(토양 EC 간이법 실험순서)
풍건토 10g을 PP, PE 100㎖ 삼각 flask에 평량
￬
증류수50㎖ 가하고 30분간 진탕
￬
NO.2 여과지 여과 후 여액을 EC측정
￬
잔여 여액을 Cl (염소, IC 또는 적정법) 분석 시 사용 가능

4) 계산
(1) EC(dS/m) = 증류수㎖/토양무게×측정치×온도보정계수
(2) 염농도(%) = 증류수㎖/토양무게×측정치×온도보정계수 × 0.064
(3) ㎲/㎝로 측정된 경우, EC(dS/m) = 측정치×
50
10 ×온도보정계수÷1000
(4) ms/m로 측정된 경우, EC(dS/m) = 측정치 ×
50
10 ×온도보정계수÷100
(5) ms/cm 측정될 경우, EC(dS/m) = 측정치 ×
50
10 ×온도보정계수

(참고사항)
❍ 1 dS/m = 640ml/ℓ, 1% = 10,000 ppm 이므로 염농도를 %로 환산 하
려면 0.064를 곱해야 한다.
❍ 1 dS/m = 640 ppm 이다. 따라서 1 dS/m 는 0.064% 이다.
❍ EC = 삼투압의 원리
1 dS/m = 0.36 bars = 압력
1 dS/m = 10 mmol
(양이온, 음이온 합하여) 10 mmol 이다.
❍ 단위 환산
- deci 1/10 (0.1)
- centi 1/100(0.01)
- milli 1/1,000(0.001)
- micro 1/10,000,000
※ mmhos/cm = mS/cm = dS/m (mho=S, mhos는 mho의 복수)
※ 컨덕턴스 : 저항의 역수, 전류의 흐르는 정도를 나타냄.
기호는 G, 단위는 = Ω-1(mho), S(siemens),
저항단위는 Ω(ohm, mho는 ohm의 글자 순서를 거꾸로 바꾼 것임)