Поглотительная способность и физико

Тема: Поглотительная способность и физико-химические свойства почв
(2 часа)
Поглотительною способностью почв называется ее свойство обменно или
необменно поглощать твердые, жидкие или газообразные вещества или
увеличивать их концентрацию у поверхности коллоидных частиц.
К.К. Гедройц выделил 5 видов поглотительной способности: механическую,
физическую, физико-химическую, химическую и биологическую.
Механическая – это свойство почвы поглощать твердые частицы,
поступающие с водой или воздухом, размеры которых не превышают размеры
почвенных пор.
Физическая – это свойство почвы изменять концентрацию молекул различных
веществ на поверхности твердых частиц за счет физического взаимодействия
молекул. При этом изменяется величина поверхности и поверхностная энергия.
Вследствие стремления
дисперсной системы к уменьшению поверхностной
энергии происходит укрупнение частиц твердой фазы путем адсорбции на
поверхности частиц некоторых веществ.
Такими веществами являются
органические кислоты, многие высокомолекулярные органические соединения.
Они притягиваются
к поверхности тонкодисперсных частиц, испытывая
положительную физическую адсорбцию.
Многие минеральные кислоты, соли (нитраты, хлориды), щелочи
отталкиваются от твердых частиц и испытывают отрицательную физическую
адсорбцию. Они слабо удерживаются в почве и легко вымываются из профиля.
Физической адсорбции подвергаются пары и газы, особенно N и СО2.
Химическая поглотительная способность (хемосорбция) обусловлена
образованием труднорастворимых соединений в почве с кислой реакцией.
Сорбция фосфатов на поверхности гидрооксидов Fe и Al в почве с нейтральной и
щелочной реакцией. Образование труднорастворимых CaPH4 , образование AlFe –гумусовых комплексов, глинисто-гумусовых комплексов.
Биологическая - обусловлена поглощением элементов питания и О2 корнями
растений, м/о. Характеризуется большой избирательностью.
Физико-химическая
обусловлена
наличием
ППК,
представленного
почвенными коллоидами. ППК обладает способностью поглощать и обменивать иt+
и anповерхностной части коллоидов на эквивалентное количество ионов
почвенного раствора.
Физико-химическая поглотительная способность
обуславливает физико-химические свойства почв, такие как кислотность, буферная
способность.
Почвенно-поглощающий комплекс (ППК)
Поглотительной способностью обладают коллоиды (частицы 0,2 –0,001 мкм),
предколлоидная фракция 1-0,2 мкм. Характерной особенностью их является
большая удельная поверхность. Это и определяет их высокую химическую
активность.
Коллоиды подразделяются на
1
- минеральные
- органические
Часть минеральных коллоидов находится в кристаллическом состоянии. Это в
основном минералы.
Другая часть минеральных коллоидов представляет собой аморфные
вещества: к ним относятся аллофаны, свежеосажденные гидраты полуторных
оксидов ( Fe(OH)3, Al (OH)3, Mn (OH)3 ), гидраты кремнезема и их комплексные
осадки (коагели).
Органическая часть почвенных коллоидов – аморфные гумусовые вещества,
органо-минеральные комплексы, клетки мелких бактерий.
В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды и составляют 8590% их общей массы. При физико-химической адсорбции поглощаются отдельные
ионы (катионы
и анионы). Адсорбция связана с наличием на поверхности
коллоидных частиц положительного или отрицательного зарядов. Появление
заряда на поверхности коллоидов, имеющих кристаллическое строение связано с
некомпенсированностью зарядов ионов кристаллической решетки, расположенных
на поверхности раздела
твердая частица - раствор. Появление заряда в
кристаллических и аморфных коллоидах, может быть обязано диссоциации ионов
поверхностного слоя в окружающую среду.
Основой коллоидной частицы является коллоидная мицелла (рис. 1)..
I
I
II
Потенциалопределяющие ионы
Неподвижный слой компенсирующих ионов
Диффузный слой компенсирующих ионов
Интрамицеллярный раствор
2
III
IV
Рис. 1. Строение коллоидной мицеллы.
I – ядро; II – гранула; III – частица; IV – мицелла
Потенциалопределяющие ионы на поверхности коллоида;
- компенсирующие катионы.
Коллоидная мицелла состоит из ядра, слоя потенциалопределяющих
ионов, неподвижного и диффузного слоя компенсирующих ионов.
Ионы диффузного слоя способны обмениваться с ионами
интрамицеллярного (почвенного) раствора, обуславливая физико-химическую
поглотительную способность. Коллоидная мицелла электронейтральна, но
поскольку основная масса принадлежит грануле, заряд последней
рассматривается как заряд всего коллоида. В почве преобладают коллоиды,
несущие отрицательный заряд и диссоциирующие в раствор Н-ионы. Такие
коллоиды обладают кислотными свойствами и называются ацидоидами. К ним
относятся гумусовые кислоты, глинистые минералы, кремнекислота. В почве в
небольшом количестве присутствуют коллоиды, обладающие основными
свойствами и диссоциирующие в раствор ОН-ионы, называющиеся базоидами
и коллоиды с переменным зарядом называются - амфолитоиды. К последним
относятся гидрооксиды железа и алюминия, протеины, у которых заряд
зависит от реакции почвенного раствора. В кислой среде они ведут себя как
базоиды, а в щелочной – как ацидоиды.
Обладая в силу высокой дисперсности огромной поверхностью, гели
могут поглощать из раствора ионы различных химических элементов,
необразуя при этом с ними химических соединений.
Катионы раствора, поглощаясь коллоидными частицами, вытесняют
ранее поглощенные катионы. В процессе поглощения имеет место
своеобразный физико-химический обиен химических элементов. Подобную
реакцию можно изобразить следующим образом (рис. 2).
+ nNH4Cl
+
CaCl2
MgCl2
NaCl
(n-16)NH4Cl
Рис. 2. Схематическое изображение обменной сорбционной реакции
-Са2+,
- Mg2+, - Na+,
- NH4+
Коллоидная частица условно изображена в виде круга, на поверхности
которого расположены катионы кальция, магния, натрия, способные к обмену.
При воздействии на частицу раствором хлорида аммония можно вытеснить шесть
3
катионов кальция, один катион магния и два катиона натрия из диффузного слоя
мицеллы. Так как катионы кальция и магния двухвалентны, то место каждого из
этих катионов должны занять два одновалентных катиона аммония. Катион натрия
одновалентен и соответственно замещается одним катионом аммония. Всего для
полного замещения потребуется (62)+(21)+(12) = 16 катионов аммония.
Одновременно в растворе уменьшается содержание хлорида аммония на 16
молекул, но появится шесть молекул хлорида кальция, одна – хлорида магния и две
– хлорида натрия.
Состав поглощенных оснований в почвах: Ca, Mg, K, Na, NH4, H, Al. Чем
выше валентность поглощенного катиона, тем прочнее эти ионы связываются с
потенциалопределяющими ионами и тем сильнее они нейтрализуют заряд
коллоидной частицы. Уменьшение заряда сопровождается менее энергичным
отталкиванием частиц друг от друга, что приводит к слипанию и коагуляции.
Следовательно, поглощение коллоидными частицами одновалентных катионов
способствует образованию золей, а поглощение двух- и трехвалентных катионов
приводит к образованию гелей. Физическое состояние почв в значительной
степени зависит от состава поглощенных оснований. По возрастанию прочности
сорбционных связей и коагулирующей способности распространенные катионы
были расположены К.К. Гедройцем в следующий ряд:
Na + < NH4 < K+ < H+ < Mg2+ < Ca2+ < Ва2+ < Al3+ < Fe3+
Почвы, насыщенные двух и трехвалентными катионами, обладают
устойчивым поглощающим комплексом. Коллоиды находятся в них в виде
водоустойчивого геля, способного склеивать более крупные почвенные частицы.
Обычно такие почвы обладают хорошей структурой. Почвы, насыщенные
одновалентными катионами, особенно Na+, легко подвергаются диспергирующему
действию воды, их коллоиды при увлажнении переходят в золь.
Благодаря различиям в степени гидратации ионов и коллоидов можно
составить ряд почв, насыщенных различными катионами и отличающихся по
степени набухания:
Н – 5% от V
Mg – 9,3 %
Na – 26,8 %
Ca, Ba – 7,7 %
K - 15,5 %
Gi - 50,0 %
Почвы, насыщенные Na, при увлажнении набухают, заплывают, делаются
воздухо- и водонепроницаемыми; при высушивании и резком уменьшении объема
они разбиваются вертикальными трещинами на отдельные блоки. Этого не
наблюдается если почвы насыщены Са, Mg и, тем более, Fe, Al.
Емкость катионного обмена (ЕКО) – это максимальное количество
поглощенных катионов, способных к обмену на другие катионы, выражающееся в
мг-экв/100 г почвы. ЕКО почв изменяется от 2 до 65 мг-экв/100 г.почвы.
ЕКО определяется составом высокодисперсных частиц почвы и их
количеством. Представление о емкости катионного обмена наиболее
распространенных компонентов высокодисперсной части почвы (мг-экв/100 г
вещества) можно получить из следующих данных (табл. 1):
4
Таблица 1
Емкость катионного обмена наиболее распространенных компонентов
высокодисперсной части почвы (мг-экв/100 г вещества)
Компоненты
ЕКО
Каолинит
20 мг-экв/100
Гидрослюды
20-50
Монтмориллонит
60-150
Гумус
100-200
ГК
350-800
ФК
800-1250
В природе встречаются кислые почвы, у которых в ППК присутствует
значительное количество поглощенного Н+. Это почвы не насыщенные
основаниями. Процентное содержание обменных оснований в общей сумме
поглощенных ионов служит показателем степени насыщенности (СНО).
V = ЕКО = 100 %
Н– х%
Са + Mg - у %
х + у =100 %
СНО = у/х+у = (Са + Mg)/ (Са + Mg + Н)
Кислотность и щелочность почв
Реакция почвы обусловлена наличием и соотношением в почвенном растворе
водородных (Н+) и гидроксильных (ОН¯) ионов и характеризуется величиной рН.
Эта величина соответствует отрицательному логарифму активности водородных
ионов в растворе. В зависимости от состава растворенных веществ и характера их
взаимодействия с твердой фазой почв, определяющих соотношение между
концентрациями
Н+ и ОН¯ ионов в почвенном растворе, почвы могут иметь
нейтральную рН=7, кислую рН < 7, щелочную рН > 7 реакцию.
Реакция почвы зависит от совокупного действия ряда факторов:
1. Химического и минерального состава минеральной части почвы
2. Наличия свободных солей
3. Содержания и качества органического вещества
4. Состава почвенного воздуха
5. Влажности почвы
6. Жизнедеятельности организмов
Нейтральные, кислые, щелочные соли, переходя из твердой фазы в раствор
при увлажнении и обратно при иссушении, оказывают влияние на реакцию почв.
Одной из наиболее распространенных в почве минеральных кислот явлется
угольная кислота. При окислении сульфидов в почвах может образовываться
серная кислота. Значительное подкисление почвенного раствора может вызвать
ненасыщенные катионами ГК и ФК. Слаборазложившиеся остатки органического
вещества лесной подстилки имеют кислую реакцию. В результате
5
жизнедеятельности грибов и бактерий, разложения растительного опада,
выделения корнями или насекомыми в почву могут присутствовать свободные
органические кислоты.
Кислотность почв
Различают актуальную и потенциальную кислотность.
Актуальная кислотность обусловлена наличием водородных ионов в
почвенном растворе, активность которых зависит от ионной силы раствора.
Актуальная кислотность определяется при взаимодействии почвы с
дистиллированной водой. Иногда рН почвы определяют непосредственно в почве,
но почва должна быть достаточно увлажненной.
Потенциальная кислотность – способность почвы при взаимодействии с
растворами солей проявлять себя как слабая кислота. Потенциальная кислотность
определяется свойствами твердой фазы почвы, обусловливающей появление
дополнительного количества протонов в растворе при взаимодействиях с
удобрениями. Потенциальная кислотность подразделяется на обменную и
гидролитическую.
Обменная кислотность определяется при взаимодействии почвы с раствором
нейтральных солей. При этом происходит эквивалентный обмен катионов
нейтральной соли на ионы водорода, алюминия и др., находящиеся в ППК. Обычно
для определения обменной кислоты почв используют 1 н раствор КCl.
Природа
обменной кислотности зависит от состава и свойств почвенных
коллоидов. Кислотность органических почвенных коллоидов (ГК, ФК)
обусловлена главным образом обменным Н функциональных групп. Источником
его служат органические кислоты и угольная кислота.
Кислотность минеральных коллоидов связана с наличием в ППК обменных
ионов Н+ Al+++, Fe+++. Источником служат ионы кристаллической решетки
глинистых минералов и гидроксидов, мобилизуемые органическими кислотами.
[ППК¯ ] Н+ + KCl → [ППК] К + HCl
[ППК3-] Al 3+ + KCl → [ППК] Al + AlCl3
AlCl3 + Н2О → HCl + (OH)3
Гидролитическая кислотность обнаруживается при воздействии на почву
раствора гидролитически щелочной соли сильного основания и слабой кислоты.
При этом происходит более полное вытеснение поглощенного Н. Обычно
используют 1 н р-р СН3 СОО Na с рН 8,2. При взаимодействии уксуснокислого Na
с почвой могут происходить реакции в зависимости от содержания в ней Al +++ или
Н+.
[ППК¯ ] Н+ + СН3СООNa → [ППК¯ ] Na+ + СН3 СООН
Наличие потенциальной кислотности характерно для почв, обедненных
основаниями (Са2+ , Mg2+).
Кислая реакция почвы неблагоприятна для большинства культурных растений
и полезных микроорганизмов. Кислые почвы обладают неблагоприятными
физическими свойствами. Из-за недостатка оснований органическое вещество в
этих почвах не закрепляется, почвы обеднены питательными веществами.
6
Алюминий оказывает токсическое действие на растения. При содержании его 10-12
мг=экв/100 г.п. наблюдается выпадение клевера из состава растений.
Доля участия в ППК обменных катионов Н+ и Al+++ характеризует
ненасыщенность почв основаниями.
СНО = Са + Mg / ЕКО  100 %
Основным приемом повышения продуктивности кислых почв служит
известкование.
Щелочность почв
Обуславливается
карбонатами
и
гидрокарбонатами
щелочных
и
щелочноземельных элементов, силикатами, алюминатами, гуматами натрия,
анионами слабых кислот.
Определяющим моментом в создании щелочной реакции является
присутствие в почве гидролитически щелочных солей слабых кислот и сильных
оснований: Na2СО3, К2СО3, гидрокарбонатов Na и К, карбонатов Са и Mg,
гидрокарбоната Са и др. Также ведут себя гуматы и фульваты щелочей.
Различают актуальную и потенциальную щелочность.
Актуальная щелочность появляется у почв, содержащих поглощенный
натрий. При взаимодействии почвы с Н2СО3 поглощенный натрий замещается Н* и
появляется сода.
[ППК 2¯] 2Na + + Н2СО3 → [ППК2¯ ] 2Н+ + Na2СО3
Сильнощелочная реакция неблагоприятна для большинства растений.
Высокая щелочность обусловливает неблагоприятные физические и химические
свойства. При рН 9-10 почвы отличаются большой вязкостью, липкостью,
водонепроницаемостью во влажном состоянии и твердостью, цементированностью
и бесструктурностью в сухом состоянии.
Для химической мелиорации содово-засоленных почв необходимы замещение
обменного Na на Са и нейтрализация свободной соды:
[ППК 2¯] 2Na + + СаSО4 = [ППК2¯ ] Ca2+ + Na2SО4
Na2CО3 + CaSО4 = СаCО4 + Na2SО4
Na2CО3 + H2SО4 = Na2SО4 + H2O + CO2
Химическая мелиорация щелочных почв производится путем гипсования,
внесения Са(NО3)2 или материалов, содержащих Н2SО4 , Fe SО4.
Поглотительная способность (ПС) почв – способность обменно или необменно
поглощать твердые, жидкие или газообразные вещества или увеличивать их
концентрацию у поверхности коллоидных частиц.
7