Обмінні процеси ґрунтових колоїдів - Студопедія
Ґрунт — складна багатофазна та полідисперсна система. У ній є грубі частинки і тонші частки - ґрунтові колоїди. Невеликі розміри колоїдів визначають величезну сумарну та питому поверхню.Тверда фаза грунту, що володіє поглинальною здатністю - це колоїдні частинки, що складаються з мінералів головним чином глинистих мінералів і гумусових речовин. що зумовлюють поглинальну здатність та буферні властивості ґрунтів.
На поверхні твердої фази існує некомпенсований електричний заряд, що викликає поверхневе натяг рідини на межі рідини з тв. фазою. Речовини, що змінюють поверхневий натяг, називаються поверхнево активними. Ці органічні кислоти, алкалоїди, високомолекулярні органічні сполуки. Вони зумовлюють позитивну фізичну адсорбцію.
Відомо, що органічні речовини (гумус) здатні до молекулярної сорбції низки речовин. Органічні речовини можуть бути захоплені сорбцією.
Ґрунти мають фізико-хімічну (обмінну) здатність поглинати та обмінювати іони, що знаходяться на поверхні твердої фази на еквівалентну кількість іонів розчину (водного). Поблизу поверхні частинки колоїда є електричне поле, викликане нескомпенсированным електричним зарядом на її поверхні. Заряд на поверхні частинок ґрунту негативний. Щоб його компенсувати, вибудовується нерухомий шар іонів протилежного знака (протиіонів), але його недостатньо, щоб повністю компенсувати заряд, тому навколо вибудовується дифузний шаріонів. За кордоном цього шару іони поводяться вільно від електричного поля поверхні частинки і можуть рухатися у будь-якому напрямку.
В результаті дифузії зовнішнього шару між потенціаловизначальним і дифузним шарами виникає різниця потенціалів, яка зумовлює заряд колоїдної частинки і називається електрокінетичним або дзета-потенціалом. Розмір дзета-потенціала коливається не більше від 0 до 40-60 мВ. Коли електрокінетичний потенціал дорівнює 0, колоїд знаходиться в електронейтральному або ізоелектричному стані, званому изоэлектрической точкою колоїда.
Будова міцели. Дипольні молекули води утворюють на поверхні високодисперсних твердих частинок плівку, що складається з декількох шарів сорбованих молекул (рис. 1).
Залежно від складу іонів потенціал визначальному шарі колоїди можуть мати негативний, позитивний або змінний заряди. Колоїди, що містять в потенціал визначальному шарі аніони, заряджені негативно і називаються ацидоїдами, що містять в потенційновизначальному шарі катіони позитивно заряджені і називаються базоїдами.
Колоїди, здатні змінювати характер дисоціації молекул подвійного електричного шару іонів залежно від реакції середовища, мають змінний заряд і поводяться як базоїди або ацидоїди. Такі колоїди отримали назву амфолітоїдів. Так поводяться за зміни кислотності колоїди гідроокисли заліза, алюмінію. При певної реакції середовища дисоціація амфолітоїдів йде однаково, як у основному, і по кислотному типу. Колоїдна система у цьому випадку буде електронейтральною.
Вважається, що більшість ґрунтових колоїдів - ацидоїди, у дифузному шарі яких знаходяться катіони, здатні до обмінних реакцій; присутні амфолітоїди; типовихбазоїдів у ґрунті немає. До ацидоїдів відносять більшість мінеральних, органічних та органо-мінеральних колоїдів. Це глини мінерали, колоїдні форми кремнезему, гумусові кислоти, сполуки гумусових кислот та їх похідних з мінеральною частиною ґрунту.
Наявність заряду зумовлює електрокінетичні властивості ґрунтових колоїдів. До них відносять коагуляцію та пептизацію колоїдної системи. Залежно від наявності або відсутності заряду колоїди можуть перебувати у стані золю чи гелю.
Золь – колоїдний розчин, стабільність якого визначається різницею потенціалів між поверхнею частинкою та розчином.
Гель – колоїдний осад. За відсутності заряду в колоїдній системі дисперсна фаза укрупнюється та відокремлюється від дисперсійного середовища.
Коагуляція – перехід колоїду зі стану золю до стану гель. Коагуляція може відбуватися під дією електролітів при взаємодії двох протилежно заряджених колоїдних систем, при висушуванні або заморожуванні грунтів, що супроводжуються дегідратацією. Коагуляція – позитивний процес. Коагуляція сприяє утворенню ґрунтової структури, зменшенню зв'язності важких за гранулометричним складом ґрунтів, збереженню від вимивання колоїдів, що зумовлюють найважливіші агрономічні властивості ґрунту.
Пептизація - перехід від стану гелю в стан золь. Вона пов'язана з відновленням заряду колоїдної системи, обумовленим головним чином дією розчинів лугів та гідролітично лужних солей. Наприклад, такий процес уражає содових солонців.
Дисперсне середовище та поглинені катіони звуться ґрунтового поглинаючого комплексу (ППК).
Обмінна поглинальна здатність – це здатність ґрунту поглинати та обмінювати іони, що знаходяться на поверхніколоїдних частинок (у дифузному шарі), на іони ґрунтового розчину в еквівалентній кількості.
Якщо потенциалопределяющий шар грунтових колоїдів заряджений негативно, то обмінюються катіони, якщо позитивний заряд – обмінюються аніони.
Обмін відбувається за рівнянням:
Основні закономірності обмінного поглинання катіонів полягають у наступному.
1. Обмін відбувається у еквівалентних кількостях за законами обмінних хімічних реакцій.
2. Будь-який поглинений катіон може бути витіснений і замінений будь-яким іншим катіоном ґрунтового розчину.
3. Енергія поглинання та витіснення катіонів різна і залежить від величини валентності та атомної маси.
Чим менший радіус іона, тим вище щільність електростатичної напруги на його поверхні, тим більшою мірою він гідратований. Виняток представляє комплексний іон NH4, що має більшу гідратацію, ніж іон К + , менший за розміром.
На енергію поглинання впливає концентрація іона у ґрунтовому розчині. Катіон натрію, що має меншу здатність до впровадження, ніж катіони амонію і калію, може їх витісняти при високій концентрації в ґрунтовому розчині.
4. Обмінне поглинання має оборотний характер. Na+ витісняють за допомогою гіпсування.
5. Швидкість обміну обумовлена будовою ядер колоїдних частинок, будовою кристалічних ґрат глинних мінералів, величини внутрішньоміцелярної порізності. Швидкість обміну велика, майже миттєва, якщо вона розвивається на зовнішніх поверхнях колоїдів і може тривати довго (кілька діб) при внутрішньоміцелярному обмінному поглинанні.
У поглиненому стані в грунті можуть бути різні катіони:
Загальна кількість всіх поглинених катіонів називається ємністю поглинання (Т). Їїхарактеризують з деякою умовністю ємністю катіонного обміну (ЕКО) і виражають у мг-екв на 100 г ґрунту.
Розрізняють три види ЕКО (Орлов, 1985). ЕКО ефективна, або реальна, що визначається при природній величині рН ґрунту; ЕКО стандартна, яка визначається з буферного розчину з рН 6,5 (у деяких методах, прийнятих за кордоном – 8,0-8,5); ЕКО диференціальна, залежна від рН, що характеризує збільшення ЕКО зі збільшенням рН.
Сумарну кількість всіх обмінних катіонів, за винятком Н + і А1 3+ називають сумою обмінних основ (S), яка також виражається в мг-екв на 100 г грунту. Так як у ґрунті завжди присутні Н + і А1 3+, то сума поглинених основ менша за ЕКО (Т). Частка суми поглинених основ від ємності поглинання, виражена у відсотках, називається ступенем насиченості ґрунтів основами (V):
Закономірності обмінного поглинання аніонів ті ж, що й обмінного поглинання катіонів. По можливості поглинання аніони розташовуються в наступний зростаючий ряд:
Краще за інших поглинаються аніони гідроксилу та фосфат-іони.
1. Відома негативна сорбція ґрунтом хлоридів та нітратів, яка вперше була описана К.К. Гедройцем як негативне фізичне поглинання речовин. Негативна сорбція нітратів - сприяє їх вимиванню з ґрунту та міграції у водойми. Це несприятливе, оскільки викликає етрофію водойм при непомірному використанні нітратних добрив.
2. Ґрунтовий поглинаючий комплекс (ППК) є доступним для рослин сховищем біофільних катіонів, захищеним колоїдною електростатичною природою від вимивання атмосферною вологою в ґрунтові води. За своєю стабільністю та ефективності ППК набагато перевершує як регулятор живлення рослин ґрунтові.розчини. Це відноситься до Na +, NH4+, K+, Mg 2+, Ca 2+, а також практично до всіх мікроелементів металевої природи. Особливо необхідно підкреслити, що калійне харчування рослин здійснюється виключно за рахунок обмінного калію колоїдів, а агрохіміками, що визначається, доступний рослинам калій — елемент колоїдно-обмінного походження.
3. Стан колоїдної системи визначає багато фізичних характеристик грунту: структурність, щільність, повітроємність, вологоємність та поведінка грунтової води. Екологічно оптимальне фізичне стан грунтів більшість рослин, тварин та інших організмів виникає у середовищі, коли 99,9% колоїдів перебувають у стані гелю і 0,1% — золя.
4. Ґрунтовий поглинаючий комплекс є геохімічним бар'єром (фільтром) для катіонів-забруднювачів важких металів та радіонуклідів.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: