Effektive Kationenaustauschkapazität

Effektive Kationenaustauschkapazität
Methode
Englische Bezeichnung	Effective cation exchange capacity
Was kann gemessen werden?	Konzentration der einzelnen Kationen
Welche Materialien können gemessen werden?	Boden, Sediment
Zeitl. Aufwand insgesamt	3 Tage (Einwiegen, Perkolation der Probe, Messung an ICP-OES oder Flammen AAS, pH-Wert Messung und Reinigung), (inkl. Trocknungszeitraum ca. 1-3 Wochen bei Lufttrocknung und Siebung der Proben ≤ 2mm ca. 10-45 Minuten)
Kosten (f. Dienstleistung)	/
Aufbereitung
Generell mögliche Aufbereitungsarten?	Lufttrocknung, Ofentrocknung (≤ 40°C), Siebung der Proben ≤ 2mm
Aufbereitungsarten (an LMU)?	Lufttrocknung, Ofentrocknung (≤ 40°C), Siebung der Proben ≤ 2mm
Erforderliche Probenmenge	Humoser Boden 2,5 g, mineralischer Boden 5 g
Zeitl. Aufwand Probenaufbereitung (inkl. Reinigung)	Trocknung der Probe nicht über 40°C (ca. 1-3 Wochen) Sieben (≤ 2mm) ca. 10-45 Minuten
Messprozedur
Kalibration notwendig	Ja
Administrator notwendig	Ja
Messung = Dienstleistung	Ja
Messung selbständig möglich (nach Einweisung)	Ja bedingt
Dauer der Messung pro Probe	Perkolation ca. 1,5 Tage, Messung AAS Abhängig von der Probe, 3 - 5 Minuten/ Element, Messung ICP-OES ca. 5. Minuten
Ausgabeformat	cmolc kg-1 (Exceltabelle)

Die effektive Kationenaustauschkapazität ist eine Methode zur quantitativen Bestimmung der Nährstoffe, die den Pflanzen bei bodeneigenen pH-Wert zur Verfügung stehen.

Grundprinzip

Die Bestimmung der effektiven Austauschkapazität erfolgt durch Austausch der Kationen mit NH₄Cl-Lösung bei bodeneigenen pH-Wert. Um sicher zu gehen, dass der Austausch vollständig ist, wird eine Bodensäule mit großem Überschuss an NH₄⁺-Ionen perkoliert. Die im Perkolat enthaltenen Konzentrationen der Kationen werden mit Flammen AAS oder ICP-OES gemessen. Die H⁺ Konzentration wird über die Messung des pH-Wertes berechnet.

Effektive Kationenaustauschkapazität

Unter Kationenaustauschkapazität ist die Ladungsmenge an Kationen, die ein Boden in austauschbarer Form adsorbieren kann zu verstehen. Sie wird in cmol_c kg⁻¹ angegeben. Die effektive Kationenaustauschkapzität (KAK_eff) setzt sich aus der Ladungssumme aller austauschbaren Kationen beim aktuellen pH-Wert des Bodens zusammen. Aufgrund ihrer Fähigkeit Hydroxide zu bilden werden die Kationen Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ und Na⁺ als basische Kationen bezeichnet. Analog dazu werden die Kationen Al³⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, H⁺ (bzw. H3O⁺) als saure Kationen bezeichnet. Die Tongehalte, Art der der Tonminerale, humifizierte organische Substanz und der pH-Wert sind wichtige Faktoren, die einen Einfluss auf die KAK_eff haben.

Benötigte Gerätschaften und Chemikalien

• Präzisionswaage
• 100 ml Messkolben mit Stopfen
• Perkolationsapparatur: Perkolationssäule, Vorratsgefäß, Dreiwegehahn, Schlauchverbinder, Siliconschlauch, Tygonschlauch, und Pumpe
• Filterwatte
• Glasstab
• 0,5M Ammoniumchloridlösung
• ICP-OES oder Flammen AAS
• Standardlösungen für die Elemente Na, Mg, Al, K, Ca, Mn und Fe
• pH-Meter

Durchführung

Perkolation

1. 0,5 g Filterwatte in die Perkolationssäule geben und mit einem Glasstab leicht festdrücken.
2. 2,5-5 g Boden einwiegen und über die Filterwatte schichten.
3. 100 ml Messkolben unter die Perkolationssäule stellen.
4. Probe über Nacht mit 0,5M Ammoniumchloridlösung einweichen.
5. Am nächsten Morgen Perkolation mit 100ml Ammoniumchloridlösung abzüglich der Menge, die zum Einweichen verwendet wurde. Die Perkolationszeit sollte mindestens 4 Stunden betragen.
6. Messkolben bis zur Markierung mit 0,5M Ammoniumchloridlösung auffüllen.

Bestimmung der Elemente

Die Elemente werden mittels AAS oder ICP-OES bestimmt.
Für die Bestimmung der H Konzentration wird der pH-Wert gemessen.

Achtung:
Wird für die Messung der Elemente eine Flammen-AAS verwendet, sollte ein Brennerkopf für große Salzfrachten oder ein Mikroprobengeber mit automatischer Spülung verwendet werden.

Fehlerquellen

Durch die Perkolation gelangen auch organische Substanzen in Lösung. Diese gehen Komplexbildungsreatkionen ein und können nicht austauschbare Metalle in Lösung bringen und die Protonenkonzentrationen durch Dissoziations- und Komplexierungsreaktionen beeinflussen.

Auswertung

Die Kationenaustauschkapazität wird nach folgender Formel berechnet:
KAK = $\sum _{i=1}^{k}$${\textstyle {\frac {n_{i}*z_{i}}{m}}}$
Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:
k = Gesamtzahl der sorbierten Kationen
n_i = Stoffmenge des Kations i
z_i = Wertigkeit des Kations i
m = Einwaage Probe

Es steht eine Exceltabelle zur Verfügung, um die effektive Kationenaustauschkapazität der einzelnen Elemente zu berechnen.

Vor- und Nachteile

• Zeitaufwendige Analytik
• Bestimmung der Einzelelemente möglich

Weitere Methoden

• Potentielle Kationenaustauschkapazität
• KAK nach Kappen
• Methylenblaumethode

Einsatzbereiche

Die Bestimmung der effektiven Kationenaustauschkapazität kommt in der Bodenkunde zum Einsatz.

Ausstattung an der LMU

Im Bodenlabor des Departments für Geographie ist die Perkolation und die pH-Wert Messung für die H-Wertbestimmung möglich.

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• ICP-OES

Referenzen

• Blume, H.-P., Stahr, K., Leinweber, P. (2011): Bodenkundliches Praktikum. Eine Einführung in pedologisches Arbeiten für Ökologen, insbesondere Land- und Forstwirte und für Geowissenschaftler, 3. Aufl., Heidelberg
• Amelung, W., Blume, H.-P., Fleige, H., Horn, R., Kandeler, E., Kögel-Knabner, I., Kretzschmar, R., Stahr, K., Wilke, B.-M. (2018): Scheffer/Schachtschabel Lehrbuch der Bodenkunde, 17. Auflage, Springer Spektrum, Heidelberg
• GAFA (2014) Handbuch Forstliche Analytik (HFA), 1. - 5. Ergänzung des Gutachterausschuss Forstliche Analytik: Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) & Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt (NW-FVA).

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Karin Meisburger, Donjá Aßbichler

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