| Министерство образования и науки РФ
|
|
| Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
|
|
| ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
|
|
| (ГОУ ВПО ИГУ)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| РЕФЕРАТ |
|
| ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ
ПОЧВЕННЫЙ ПОГЛОЩАЮЩИЙ КОМПЛЕКС
|
|
| Руководитель
|
|
| Мартынова Наталья Александровна |
|
| Студентка 2 курса заочного отделения
|
|
| Географического факультета |
|
| Специальность «Природопользование». |
|
| №06241-зс |
|
|
|
Лопаткина Ольга Александровна |
|
Иркутск 20
|
|
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ |
3 |
| 1. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЫ |
3 |
| 1.1. КАЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЧВЫ
|
7 |
| 1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММЫ ПОГЛОЩЕННЫХ ОСНОВАНИЙ ПО МЕТОДУ КАППЕНА-ГИЛЬКОВИЦА
|
9 |
| 2. ПОЧВЕННЫЙ ПОГЛОЩАЮЩИЙ КОМПЛЕКС (ППК) |
11 |
| 2.1. ПОЧВЕННЫЕ КОЛЛОИДЫ |
11 |
| 2.2. СТРОЕНИЕ И ЗАРЯД ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ |
13 |
| 2.3. СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЧВАХ |
17 |
| 2.4. СОРБЦИЯ АНИОНОВ ПОЧВАМИ |
22 |
| 2.5. ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ |
24 |
| 3. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ |
28 |
| ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ |
29 |
1. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВЫ
Поглотительной способностью почвы называется ее свойство обменно либо необменно поглощать различные твердые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц.
Учение о поглотительной способности почв разработано в трудах К. К. Гедройца, Г. Вигнера, С. Маттсона, Е. Н. Гапона, Б. П. Никольского, Н. П. Ремезова, И. Н. Антипова-Каратаева, Н. И. Горбунова. Наиболее полно характеристика поглотительной способности почв изложена в работах К. К. Гедройца, который
выделил пять ее видов.
Цель:
Изучить виды и факторы формирования поглотительной способности почвы, получить представление о почвенном поглощающем комплексе, освоить методику количественного определения суммы поглощенных оснований почвы.
Поглотительной способностью почвы
называют способность почвы поглощать из водной или воздушной среды вещества в ионном, молекулярном, коллоидном виде или в виде суспензий, а также живые микроорганизмы. Эта способность почвы обусловлена протекающими в ней разнообразными процессами сорбционной и несорбционной природы. Совокупность минеральных, органических и органо-минеральных частиц твердой фазы почвы, обладающих поглотительной способностью, носит название почвенного поглощающего комплекса (ППК). Основную часть ППК составляют почвенные коллоиды. По К.К. Гедройцу, выделяют 5 видов поглотительной способности почвы: механическую, физическую, физико-химическую, химическую и биологическую.
Механическая поглотительная способность
– это свойство почвы, как всякого пористого тела, задерживать в своей толще твердые частицы крупнее, чем система пор. Это могут быть взвешенные в поверхностных водах частицы глины и песка, детрит и т. п. Механическая поглотительная способность зависит от гранулометрического состава почвы, ее пористости, сложения. Благодаря механической поглотительной способности почвы и грунтов обеспечивается чистота грунтовых вод, происходит заиление каналов.
Физическая (молекулярно-сорбционная) поглотительная способность
представляет изменение концентрации молекул растворенного вещества на поверхности твердых частиц почвы. Это свойство почвы обусловливается притяжением отдельных молекул к поверхности твердых почвенных частиц в результате проявления так называемой поверхностной энергии. Интенсивность проявления поверхностной энергии зависит от величины поверхности почвенных частиц и, следовательно, обязана присутствию в почве тонкодисперсных частиц. Эти частицы могут притягивать молекулы газов (водяной пар>NH3>CO2>O2>N2), молекулы жидких веществ. В частности, наличие пленочной влаги вокруг почвенных частиц обусловлено поверхностными силами. Наконец, в результате поверхностной энергии почвенными частицами поглощаются недиссоциированные на ионы молекулы веществ, находящихся в виде молекулярного раствора.
Физико-химическая (ионно-сорбционная) поглотительная способность
заключается в способности почвы сорбировать ионы в результате обменных и необменных процессов. Наиболее важную роль в ионном почвенном обмене играют катионы. Общая схема катионного обмена в почве выглядит следующим образом:
Са 2 + → (ППК) Mg 2 +
+ 5KCl (ППК)5К + CaCl2 + MgCl2 + HCl + ← H
Физико-химическое поглощение имеет ряд закономерностей.
1) Обменно поглощаются преимущественно катионы, так как поглощающий комплекс заряжен в основном отрицательно.
2) Обмен катионов происходит в строго эквивалентном количестве.
3) Энергия обменного поглощения различных катионов зависит от валентности, а при одной и той же валентности - от атомной массы.
4) Интенсивность поглощения зависит от концентрации раствора, а при одинаковой концентрации - от количества раствора.
5) Поглощение и закрепление катионов зависит не только от характера ионов, но и от свойств самой почвы.
Разные типы почв отличаются величиной емкости поглощения и имеют определенный состав поглощенных катионов. Величина емкости поглощения почв определяется минеральным составом высокодисперсной части пород, на которых сформированы эти почвы, и содержанием в них гумуса. Как правило, глинистые тяжелые почвы имеют большую емкость поглощения, чем песчаные. Состав поглощенных катионов влияет на ряд важных свойств почвы. Скорость всасывания воды, прочность структуры почв и некоторые другие показатели последовательно уменьшаются при преобладании кальция, магния, калия и натрия. Оценочной характеристикой содержания в ППК катионов служит показатель суммы поглощенных оснований (S), который выражается в ммоль/100 г почвы. Группировка почв по этому показателю приведена в табл. 12.
Таблица 12
Почвы обладают обменной поглотительной способностью не только в отношении катионов, но и в отношении анионов, среди которых наиболее активно поглощаются анионы фосфорной кислоты (Н2РО4+, НРО42+, РО43+).
Химическая поглотительная способность
- образование труднорастворимых химических соединений при взаимодействии отдельных компонентов почвенного раствора. Например, при взаимодействии фосфат-ионов с кальцием образуется слаборастворимый фосфат кальция. Возникновение новообразований гипса в почве протекает следующим образом:
СаСl2 + Na2SO4 = 2NaCl + CaSO4↓
Кроме того, химическая поглотительная способность почв связана с комплексообразовательной сорбцией, адгезионным взаимодействием (склеиванием), в которых активно участвуют гумусовые соединения. В результате образуются устойчивые органоминеральные соединения. Так в почве могут накапливаться устойчивые соединения тяжелых металлов.
Биологическая поглотительная способность
почвы обусловлена присутствием в ней животных и растительных организмов. В процессе своего жизненного цикла растения и животные накапливают некоторые химические элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов. После отмирания последних, накопленные элементы частично задерживаются в почве. Таким образом, почва постепенно обогащается определенными элементами, например углеродом, азотом, фосфором и пр., а также некоторыми микроэлементами.
Играя важнейшую роль в формировании почвы и почвенного плодородия, поглотительная способность почв имеет большое экологическое значение. Она определяет важнейшее свойство – буферность почвы
– устойчивость к неблагоприятным воздействиям, в том числе химическому, биологическому загрязнению. Благодаря поглотительной способности почвы регулируют реакцию среды (при кислотных или щелочных воздействиях), снижают токсическое действие тяжелых металлов, предотвращают загрязнение грунтовых вод. Эта способность почв широко используется в биологической очистке сточных вод (сооружение полей орошения и фильтрации), для рекультивации отвалов токсичных горных пород и отходов и т.п.
1.1. КАЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЧВЫ
Определение механической поглотительной способности
.
Порядок работы:
1.На железных штативах укрепляют две стеклянные воронки диаметром около 8см.
2. В фарфоровой ступке растирают суглинистую почву, от которой на технических весах берут навеску в 30 г. Ее помещают в воронку.
3. Во вторую воронку кладут такую же навеску сильно песчаной почвы или песка. Во избежание высыпания материала в обе воронки предварительно помещают гравелинки, закрывающие большую часть выходного отверстия воронки.
4. Через суглинистую и песчаную массу фильтруют заранее приготовленную глинистую суспензию. Фильтрат, полученный после прохождения через первую и вторую воронки, будет обладать различной прозрачностью в зависимости от того, какая почва лучше задерживает («поглощает») частицы глинистой суспензии.
5. Результаты опыта следует записать и сделать выводы.
Определение молекулярно-сорбционной (физической) поглотительной способности
Порядок работы
1. В стеклянные воронки, укрепленные в железных штативах, помещают навески в 25 г песка и суглинка.
2. Через приготовленные образцы фильтруют какой-либо молекулярный раствор с хорошо окрашенным веществом. Наиболее удобен для опыта жидкий раствор анилиновых фиолетовых чернил.
3. В зависимости от величины так называемой поверхностной энергии, обусловленной в основном степенью дисперсности каждого образца, происходит поглощение молекул. Интенсивность поглощения проявляется в обесцвечивании фильтрата.
4. Цвет фильтрата из-под каждого образца записывают и делают вывод, в каком образце энергичнее проявляется сорбция (поглощение) молекул.
Определение ионно-сорбционной (обменной) поглотительной способности
Порядок работы
1. Заранее заготавливают фракцию агрегатов крупнее 3 мм гумусового горизонта чернозема или серой лесной почвы. На технических весах берут навеску в 10 г и помещают в стеклянную воронку. Во вторую воронку насыпают 20 г песка. Воронки укрепляют в железных штативах.
2. Исходные растворы – дистиллированная вода и 5-процентный раствор хлорида калия – проверяют на содержание кальция. С этой целью дистиллированную воду и хлорид калия в количестве 5-6 см3 наливают в пробирки и туда добавляют около 1 см3 4%-ного раствора оксалата (щавелевокислого) аммония (NH4)2C2O4. Появление белой мути (оксалата кальция) указывает на примесь кальция. В дистиллированной воде кальций отсутствует. В растворе хлористого калия иногда обнаруживают очень слабое помутнение, свидетельствующее о содержании кальция в количестве, меньшем 0,01%. Реакция идет по схеме:
Ca2+ + C2O42- → CaC2O4↓
3. Через образцы в воронках фильтруют дистиллированную воду в конические
колбы емкостью около 100 см3. Жидкость, прошедшая через образцы, обычно содержит большее или меньшее количество механической примеси. Поэтому фильтрат из-под каждого образца вновь фильтруют через воронку с бумажным фильтром в пробирку в количестве 5-6 см3.
4. В обоих фильтратах определяют содержание кальция реакцией с оксалатом аммония. Как правило, констатируется отсутствие кальция или обнаруживается слабое помутнение, указывающее на присутствие водорастворимых форм кальция в количестве 0,01-0,001%.
5. Эти же образцы промывают 5%-ным раствором хлорида калия. Фильтрат от каждого образца фильтруют через воронку с бумажным фильтром в пробирку, где определяют содержания кальция.
6. Полученные результаты записывают. Объясняют появление обильного белого осадка оксалата кальция в фильтрате из-под почвы. Записывают схему процесса. Оборудование: железные штативы с зажимами, стеклянные воронки диаметром 8 см и 5 см, фарфоровая ступка с пестиком, технические весы, конические колбы емкостью 100 см3, пробирки в штативе.
Реактивы: глинистая суспензия, химические чернила, 5%-ный раствор хлористого калия, 4%-ный раствор щавелевокислого аммония.
1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММЫ ПОГЛОЩЕННЫХ ОСНОВАНИЙ ПО МЕТОДУ КАППЕНА-ГИЛЬКОВИЦА
Метод основан на вытеснении катионов из почвенного поглощающего комплекса 0,1 н. раствором соляной кислоты и последующим титровании гидроксидом натрия остатка кислоты, не вступившей в реакцию. Если в почве содержатся карбонаты, этот метод использовать нельзя, т.к. кислота будет израсходована на разрушение карбонатов.
Порядок работы
1. Из средней пробы почвы, растертой пестиком в фарфоровой ступке и просеянной через сито с отверстиями 1 мм, на технических весах берут навеску в 10 г (для черноземов можно 5 г).
2. Навеску переносят в колбу емкостью около 100 см3, куда наливают 50 см3 0,1 н. раствора соляной кислоты.
3. Колбу с почвой взбалтывают в течение 30 мин и оставляют на 24 ч.
4. Затем содержимое колбы взбалтывают и фильтруют через воронку с бумаж-
ным фильтром. Определение суммы поглощенных оснований возможно и в отстое. В этом случае отстой аккуратно сливают, не взмучивая почву. Для определения пипеткой берут 25 см3 фильтрата или отстоя в коническую колбу на 100 см3.
5. В раствор добавляют 2-3 капли фенолфталеина и титруют 0,1 н. раствором гидроксида натрия при помощи бюретки на 25 или 50 см3 появления ярко-розовой окраски, не исчезающей в течение 1 мин. В случае выпадения осадка полуторных оксидов окраску следует наблюдать в прозрачном слое над осадком. Аналогично проводят титрование 25 см3 раствора соляной кислоты (контроль).
6. Результаты вычисляют по формуле:
(V − V ) ⋅ c ⋅ 100 ⋅ К Г
S= 0,
Где S - сумма поглощенных оснований в ммоль на 100 г почвы, V0 – объем раствора гидроксида натрия, израсходованный на титрование соляной кислоты в контрольной колбе, см3; V – объем раствора гидроксида натрия, израсходованный на титрование испытуемого раствора, см3; с – концентрация раствора гидроксида натрия, ммоль/дм3; 100 – коэффициент пересчета на 100 г почвы; КГ – коэффициент гигроскопичности почвы; m – масса навески почвы, соответствующая взятому для титрования объему вытяжки, г.
Оборудование:
фарфоровая ступка с пестиком, сито с отверстиями 1 мм, технические весы, конические колбы емкостью 100 см3, стеклянная воронка, бюретки на 25 или 50 см3, железный штатив с зажимами, фильтровальная бумага, капельница для фенолфталеина.
Реактивы
: 0,1 н. раствор соляной кислоты, фенолфталеин, 0,1 н. раствор гидроксида натрия.
Приготовление растворов:
1) Приготовление 0,1 н. раствора соляной кислоты. Раствор указанной концентрации приготовляют из 8,2 см3 соляной кислоты с удельным весом 1,19, которую разбавляют до 1 л дистиллированной водой.
2) Приготовление 0,1 н. раствора гидроксида натрия. Указанный раствор гидроксида натрия готовят из 4 г кристаллического гидроксида натрия, который растворяют в дистиллированной воде, освобожденной от углекислого газа кипячением, и в мерной посуде объем доводят до 1 л.
3) Приготовление раствора фенолфталеина. Навеску в 0,1 г фенолфталеина растворяют в 100 см3 96-98-процентного этилового спирта.
http://window.edu.ru/window/library/pdf2txt?p_id=32810&p_page=5
2. ПОЧВЕННЫЙ ПОГЛОЩАЮЩИЙ КОМПЛЕКС (ППК)
2.1. ПОЧВЕННЫЕ КОЛЛОИДЫ
Обменная поглотительная способность почв обусловлена наличием в ней почвенного поглощающего комплекса. Почвенный поглощающий комплекс (ППК) — это совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы.
Почва относится к гетерогенным полидисперсным образованиям, для которых коллоидное состояние вещества имеет большое значение. Поглотительной способностью обладают как коллоидные частицы (0,2—0,001 мкм), так и предколлоидная фракция (0,2—1 мкм). Диаметр частиц в 1 мкм представляет собой грань, отделяющую механические элементы с резко выраженной поглотительной способностью. Почвенные коллоиды образуются в процессе выветривания и почвообразования в результате дробления крупных частиц или путем соединения молекулярно раздробленных веществ и, вообще говоря, подчиняются законам, установленным для таких систем в физической и коллоидной химии. В почве хорошо развита поверхность раздела между твердой (дисперсная фаза), жидкой и газообразной (дисперсионная среда) фазами. Между ними постоянно происходят процессы взаимодействия, устанавливается динамическое равновесие. Характерной особенностью почвенных коллоидов является наличие большой суммарной и удельной (поверхность почвенных частиц в м2 или см в единице массы или объема почвы) поверхности. Представление о поверхности коллоидов можно получить при подсчете площади всех сторон кубиков, образованных при дроблении 1 см3 твердого тела (табл. 31).
Как видно из таблицы, при делении 1 см3 вещества таким образом, что каждое ребро нового кубика равно 0,0000001 см, общая поверхность всех кубиков составляет 60 000 000 см2, или 0,6 га.
Удельная поверхность является одним из параметров, определяющих химическую активность почв, так как с увеличением дисперсности частиц их химическая активность возрастает. Удельная поверхность (в м2/г) коллоидов гумусового горизонта различных суглинистых почв составляет:
дерново-подзолистые - 29
серые лесные - 33
черноземы - 48
Особенности поглотительной способности различных почв в значительной степени обусловлены составом почвенного поглощающего комплекса, составом и строением почвенных коллоидов (табл. 32). Почвенно-поглощающий комплекс играет существенную роль в почвообразовательных процессах, в эволюции и генезисе почв. Многие свойства почвы, которые определяют уровень почвенного плодородия (сложение, физико-химические свойства, водный, воздушный, микробиологический и питательный режимы), в значительной мере зависят от природы и состава ППК. Поэтому исследования ППК имеют важное значение для разработки наиболее эффективных приёмов улучшения земель.
2.2. СТРОЕНИЕ И ЗАРЯД ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ
В почвах всегда присутствуют минеральные, органические и органоминеральные коллоиды, состав и количественное соотношение которых зависит от характера почвообразующих пород и типа почвообразования. Основу коллоидной частицы, называемой, по предложению Г. Вигнера, коллоидной мицеллой, составляет ее ядро, природой которого во многом определяется поведение почвенных коллоидов. Ядро коллоидной мицеллы представляет собой сложное соединение аморфного или кристаллического строения различного химического состава (табл. 32). Обобщенная схема строения коллоидной мицеллы, которой для наглядности придана шарообразная форма, представлена на рис. 35. На поверхности ядра расположен прочно удерживаемый слой ионов, несущий заряд, — слой потенциалопределяющих ионов. Ядро мицеллы вместе со слоем потенциалопределяющих ионов называется гранулой. Между гранулой и раствором, окружающим коллоид, возникает термодинамический потенциал (рис 36), под влиянием которого из раствора притягиваются ионы противоположного знака (компенсирующие ионы). Так, вокруг ядра коллоидной мицеллы образуется двойной электрический слой,
Электростатические силы отрицательно заряженной поверхности твердой фазы притягивают катионы и отталкивают анионы, создавая градиент концентрации катионов в пределах диффузного слоя с максимумом близ поверхности. Однако этому препятствует тепловое движение ионов, стремящееся выровнять их концентрацию во всем объеме раствора. Устанавливающееся под влиянием этих противоположно направленных силовых полей равновесие характеризуется состоянием, при котором избыток катионов, находящихся около поверхности твердой фазы, по мере увеличения расстояния от границы раздела фаз по направлению внутрь почвенного раствора в пределах диффузного слоя уменьшается по закону, выражаемому уравнением Больцмана:
(34)
где С— концентрация катиона на расстоянии z от поверхности твердой фазы, C — концентрация того же катиона на бесконечно большом расстоянии от заряженной поверхности, т е в свободном растворе; F — заряд катиона; R — газовая постоянная;
Т — абсолютная температура; φ — потенциал на уровне z, определяемый из формулы:
(35)
где п
— заряд на поверхности твердой фазы; D — диэлектрическая постоянная внутри двойного слоя зарядов на границе между твердой и жидкой фазами.
Коллоидная мицелла электронейтральна. Основная масса ее принадлежит грануле, поэтому заряд последней рассматривается как заряд всего коллоида. Возникновение заряда у различных коллоидов связано с особенностями их химического состава и структуры. Отрицательный заряд приобретают коллоиды за счет разрыва связей и облома пакетов глинистых минералов, различных форм почвенных кальцитов, несиликатных соединений железа и алюминия (их оксидов и гидроксидов) и освобождения валентностей краевых ионов кислорода, при изоморфном замещении в кремнекислородных тетраэдрах минералов группы монтмориллонита четырехвалентного кремния трехвалентным алюминием, алюминия — двухвалентными катионами — железом, магнием. Заряды у коллоидов органической природы (например, гуминовая кислота) возникают за счет диссоциации водородных ионов карбоксильных (СООН) и фенолгидроксильных (ОН) групп. Наибольшей способностью к диссоциации обладает водород карбоксильной группы. В коллоидной кремнекислоте электрический потенциал создается благодаря диссоциации ионов водорода. Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое отрицательно заряженные ионы и диссоциирующие в раствор Н-ионы, называются ацидоидами
(кислотоподобными). Ясно выраженными кислотными свойствами в условиях преобладающих в почве значений рН обладают кремнекислота и гуминовая кислота. Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое положительно заряженные ионы и посылающие в раствор ионы ОН, называют базоидами
. Коллоиды гидроксидов железа, алюминия, протеины в зависимости от реакции среды ведут себя то как кислоты (ацидоиды), то как основания (базоиды). Коллоиды с такой двойственной функцией называются амфотерными коллоидами
, или амфолитоидами
. Так, в условиях кислой реакции среды высокая концентрация в растворе водородных ионов подавляет диссоциацию гидроксида алюминия как кислоты и делает возможным диссоциацию его по основному типу с посылкой в раствор ОН-ионов:
При щелочной реакции гидроксид алюминия ведет себя как кислота и коллоид приобретает отрицательный знак заряда:
С подкислением реакции среды усиливается базоидная диссоциация амфотерных коллоидов, с подщелачиванием — ацидоидная. При некотором значении рН, которое называется изоэлектрической точкой
или изоэлектрическим рН, коллоид посылает в окружающий раствор одинаковое количество катионов и анионов и становится электронейтральным. Изоэлектрический рН характеризует степень выраженности ацидоидно-базоидных свойств. Амфотерные соединения обладают двумя видами констант диссоциации — кислотной и основной. Эти константы малы, обычно ниже констант диссоциации воды, т. е. амфотерные соединения являются очень слабыми кислотами и основаниями.
2.3. СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЧВАХ
Основным механизмом физико-химической, или обменной, поглотительной способности почв является процесс сорбции.
Неспецифическая, или обменная, сорбция катионов
— способность катионов диффузного слоя почвенных коллоидов обмениваться на эквивалентное количество катионов соприкасающегося с ним раствора. Обменные катионы составляют небольшую часть от их общего содержания в почве. В обменном состоянии в почвах обычно находятся
В незначительных количествах могут встречаться и иные катионы
Основными закономерностями обменной сорбции катионов являются:
1) эквивалентность обмена между поглощенными катионами почвы и катионами взаимодействующего раствора. Термодинамическая константа полностью обратимого (равновесного) обмена двух одинаково заряженных катионов А и В должна быть равна 1:
(36)
где — активности катионов в поглощенном состоянии и в равновесном окружающем растворе;
2) в ряду разновалентных ионов энергия поглощения возрастает с увеличением валентности иона:
Под энергией поглощения понимается относительное количество поглощения катионов почвами при одинаковой их концентрации в растворе;
3) энергия поглощения определяется радиусом негидратиро ванного иона: чем меньше радиус, тем слабее связывается ион.
Это объясняется большей плотностью заряда, а следовательно, и большей гидратированностью иона (табл. 33). Гидратационные оболочки изменяю свойства ионов: уменьшают их чувствительность к электростатическому притяжению, изменяют соотношение между размерами ионов;
4) внутри рядов ионов одной валентности энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы, атомного номера. В соответствии с указанными общими закономерностями имеются следующие ряды поглощения ионов: одновалентные: двухвалентные: трехвалентные: Ион или (оксоний) сорбируется аномально прочно, что обусловлено его малым размером и способностью давать со многими анионами слабодиссоциированные соединения.
Постоянного положения в ряду поглощения Н не имеет, так как его поглощение во многом зависит от состава твердой фазы (сорбента). Процесс обмена иона электролита с ионом сорбента проходит через пять последовательных стадий (Р. Гельферих, 1968): 1) перемещение вытесняющего иона из раствора к поверхности твердой фазы 2) перемещение вытесняющего иона внутри твердой фазы к точке обмена; 3) химическая реакция двойного обмена; 4) перемещение вытесняемого иона внутри твердой фазы от точки обмена к поверхности; 5) перемещение вытесняемого иона от поверхности в раствор.
Скорость катионного обмена в почвах определяется главным образом внутридиффузионными процессами. Катионы, обладающие большей энергией поглощения, прочнее удерживаются в поглощенном состоянии и труднее замещаются. 75—85% поглощенных катионов десорбируется за первые 3—5 мин, затем обмен резко замедляется и продолжается до двух-трех суток. Это связано с неоднородностью состава почвенного поглощающего комплекса, с наличием энергетически неравноценных центров, со строением поверхности коллоидных частиц, изменением состава почвенного поглощающего комплекса, с наличием энергетически неравноценных центров, со строением поверхности коллоидных частиц, изменением состава почвенного поглощающего комплекса в процессе поглощения катионов, его агрегатного состояния. По П. Н. Гапону, почва представляет собой сорбент с 5 группами активных мест:
Так как 3, 4 и 5-я группы проявляют активность при рН>7, большинство почв в широком интервале концентраций десорбируемых ионов ведут себя как адсорбенты с двумя группами активных мест. Излом прямой линии изотермы ионообменной сорбции (рис. 37) обусловлен тем, что одна группа катионов связана с органической частью поглощающего комплекса, в которой при рН 6,5—7,5 отсутствуют разнородные активные центры, другая — с минеральной частью. Минеральная часть почвы может иметь несколько энергетически неравноценных центров. 70—80% обменных катионов глинистых минералов связаны с поверхностью базальных граней кристаллов и легче обмениваются, чем катионы, удерживаемые активными центрами сколов кристаллов. Для характеристики количественных закономерностей ионообменной сорбции предложено значительное число эмпирических и теоретически выведенных уравнений, отражающих функциональную зависимость поглощения катионов от их равновесной концентрации в растворе. Большинство из этих уравнений может быть приведено к виду уравнения закона действующих масс. В одних случаях было установлено строгое подчинение ионообменных реакций этому закону, в других — коэффициенты ионного обмена являлись величинами переменными Наилучшее совпадение с экспериментальными данными обнаружено при использовании логарифмической изотермы сорбции.
Общее количество всех поглощенных (обменных) катионов, которые могут быть вытеснены из почвы, называется емкостью поглощения
или емкостью катионного обмена
(ЕКО) (понятие введено К. К. Гедройцем) и выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы.
ЕКО зависит от содержания в почве коллоидной и предколлоидной фракций, строения их поверхностей, природы почвенного поглощающего комплекса, реакции среды (табл. 34 и 35) При увеличении степени дисперсности входящих в состав поглощающего комплекса коллоидных и предколлоидных частиц емкость поглощения катионов возрастает. Органическая часть почвенного поглощающего комплекса обладает значительно большей емкостью поглощения, чем минеральная. Высокая емкость поглощения минералов монтмориллонитовой группы обусловлена расширением при увлажнении межплоскостных пространств и обменом расположенных в межплоскостных пространствах катионов на катионы взаимодействующих растворов (табл.34). С ростом рН возрастает ионизация функциональных групп гумусовых кислот, глинистых минералов, уменьшается положительный заряд полуторных оксидов и возрастает ЕКО (рис. 38). Соответственно определение ЕКО почв должно проводиться при определенном стандартном рН.
2.4. СОРБЦИЯ АНИОНОВ ПОЧВАМИ
Сорбция анионов зависит от заряда, строения и химических свойств почвенного поглощающего комплекса. По способности сорбироваться на почвенных частицах анионы располагаются в следующий ряд:
По мере увеличения в почвенном поглощающем комплексе содержания алюминия и железа и наличия сколов почвенных минералов, а также при понижении рН среды сорбция анионов возрастает. Так как анионы менее гидратированы, чем катионы, они характеризуются высокой селективностью поглощения.
Анионы и практически не поглощаются почвой. Известна отрицательная сорбция и которая впервые была описана К. К. Гедройцем как отрицательное поглощение веществ. Отрицательная сорбция этих анионов обусловлена снижением их концентрации во внутренней части сорбционной пленки, за счет чего концентрация анионов в более рыхло связанных, а следовательно, и в более подвижных слоях водной пленки возрастает. Отрицательная адсорбция нитратов усиливает процессы вымывания их из почвы, что приводит к обеднению почв соединениями азота. Отрицательная адсорбция хлоридов благоприятствует быстрой промывке почв при хлоридном засолении.
В поглощении анионов большую роль играют процессы солеобразования. При взаимодействии растворимых солей образуются новые, нерастворимые в воде соли (сульфаты, карбонаты, фосфаты), переходящие в твердую фазу почвы. Таким путем интенсивно поглощаются почвой ионы Н2
РО 4
, НРО2
4
, РО3
4
. Однако механизм поглощения фосфат-ионов почвами сложен и разнообразен Можно выделить следующие виды поглощения почвой фосфат-ионов:
1) образование малорастворимых фосфатов в результате взаимодействия внесенных в почву растворимых фосфатов с солями почвенного раствора (химическое поглощение). Такой вид поглощения возможен во многих почвах при наличии ионов кальция, алюминия, железа при нейтральной или щелочной реакции среды;
2) образование слаборастворимых фосфатов с катионами поглощающего комплекса после вытеснения их катионами раствора;
3) поглощение фосфат-ионов при взаимодействии их с минералами-солями; гипсом, кальцитом, доломитом. Часть фосфат-иона связывается с кальцием, перешедшим в раствор Возможно поглощение фосфат-иона на поверхности минералов без вытеснения кальция, частичное окклюдирование фосфата в минерале;
4) хемосорбция фосфат-ионов гидроксидами алюминия и железа. Связь осуществляется с твердой фазой на внешней поверхности коллоида. Одна из схем реакции:
При этом поглощение фосфат-ионов сильно зависит от дисперсности. Свежеосажденные оксиды поглощают фосфаты в большом количестве (Р2
О5
составляет 10—15% от массы поглотителя). При кристаллизации полуторных оксидов (уменьшении внешней поверхности) поглощение фосфатов уменьшается в 10 раз,
5) поглощение фосфат-ионов глинистыми и неглинистыми алюмо- и ферросиликатными минералами. На внешней, иногда на внутренней поверхности минералов происходит необменное поглощение фосфат-иона. При этом фосфат-ион адсорбируется в потенциалопределяюще.м слое отрицательных коллоидов, притягиваясь к Аl кристаллической решетки;
6) возможна обменная сорбция анионов на положительно заряженных участках коллоидной мицеллы:
7) аморфный кремнезем поглощает фосфаты путем механического захвата — окклюдирования.
Органические вещества, насыщенные основаниями, также поглощают фосфаты, но значительно меньше, чем полуторные оксиды и глинистые минералы (табл 36).
Поглощение фосфатов приводит к накоплению фосфора в почве, но снижает степень доступности его растениям. Уменьшение поглощения фосфатов может происходить за счет образования комплексных алюмо-и железогумусовых соединений.
2.5. ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ
Коллоиды в почве находятся главным образом в форме гелей, в которых частицы сцепляются между собой и образуют пространственную структурную сетку, в ячейках которой удерживается вода. Во влажной почве небольшое количество коллоидов может находиться в состоянии золя (частицы разделены водной фазой). Раздельное существование коллоидных частиц в состоянии золя связано с наличием электрокинетического потенциала и водной (гидратационной) оболочки на поверхности частиц. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, могут долго находиться в суспензии, не образуя осадка.
При падении электрокинетического потенциала и уменьшении заряда частиц разноименно заряженные коллоиды, сталкиваясь друг с другом при хаотическом движении, склеиваются, увеличиваются в размерах и выпадают в осадок. Процесс соединения коллоидных частиц и образования геля из золя называется коагуляцией
, дальнейшее осаждение — седиментацией
. Переход коллоида из состояния геля в состояние золя называется пептизацией
. Коллоиды, которые могут легко переходить из золя в гель и обратно, называются обратимыми. В почве много коллоидов, трудно переходящих в состояние золя и составляющих группу необратимых коллоидов.
Взаимодействию и соединению коллоидных частиц мешают водные пленки, которые удерживаются на их поверхности. По количеству воды, удерживаемой коллоидами, они разделяются на гидрофильные
и гидрофобные
. Гидрофильные коллоиды сильно гидратированы, труднее коагулируют. К ним относятся некоторые органические вещества, встречающиеся в почвах, минералы монтмориллонитовой группы. Гидрофобные коллоиды содержат небольшое количество воды. Это — гидроксид железа, минералы каолинитовой группы. Деление коллоидов на гидрофильные и гидрофобные несколько условно, поскольку при измельчении твердых коллоидных частиц степень гидратации их возрастает.
Физическое состояние коллоидов в значительной степени зависит от состава поглощенных катионов. Чем больше валентность поглощенных ионов, больше их заряд, тем меньше будет диссоциация их от коллоидной частицы, меньше электрокинетический потенциал частицы, тем легче идет процесс коагуляции.
К К. Гедройц расположил все катионы но их коагулирующей способности в ряд, который он назвал лиотропным
:
Коллоиды, насыщенные одновалентными катионами, находятся в основном в состоянии золя; при замене одновалентных катионов двух- и трехвалентными они переходят в гель. Так, насыщение почвенного поглощающего комплекса натрием способствует образованию золя, распылению почвы, увеличению
заряда почвенных коллоидов и их гидратации (рис. 39). Замещение натрия кальцием способствует коагуляции и образованию водопрочной структуры.
Реакция почвы также влияет на состояние коллоидов. Кислая реакция способствует растворению некоторых коллоидов, например гидроксида алюминия; щелочная реакция стимулирует выпадение в осадок коллоидов полуторных оксидов и переход в состояние золя органических и некоторых минеральных коллоидов.
Часть коллоидов в почве находится в свободном состоянии, часть образует пленки на поверхности более крупных гранулометрических фракций путем адгезии
, под которой понимается слипание (склеивание) поверхностей каких-либо веществ различного химического состава, соприкасающихся друг с другом.
Таким путем в почве при периодическом высушивании
, приводящем к дегидратации коллоидов, происходит закрепление гумусовых кислот и их солей на поверхности коллоидных частиц, а минеральных, органических и органоминеральных коллоидов — на поверхности частиц пылеватых и песчаных гранулометрических фракций
Особым явлением представляется процесс тиксотропии
коллоидов. Она имеет две особенности: 1) образующийся из золя гель не отделяется от дисперсной среды, а застудневает вместе с ней; 2) полученный гель обратим и может быть переведен в золь путем механического воздействия (встряхивания, помешивания), по прекращению которого золь снова с течением времени переходит в гель. В почвах результатом тиксотропии является возникновение особого рода коагуляционно-тиксотропной микроструктуры, которая характеризуется образованием рыхлого каркаса из коллоидных частичек в основном удлиненной формы, внутри которого находится почвенный раствор. Тиксотропия особенно развита в криогенных почвах, вызывая их плывунность. Тиксотропные почвы плохо проницаемы для воды и воздуха, в них часто развиваются восстановительные процессы.
В почве под влиянием различных факторов — периодическое высушивание, нагревание, увлажнение, промораживание, изменение реакции среды и др. — происходит изменение вновь образующихся при выветривании и почвообразовании органических и минеральных коллоидов. Одним из таких изменений является процесс старения коллоидов
, под которым понимается самопроизвольное уменьшение их свободной поверхностной энергии. Старение обычно не сопровождается изменением химического и минералогического состава коллоидов, но при этом резко изменяются их свойства: они становятся более гидрофобными, уменьшается их сорбционная способность, связь с дисперсионной средой, может произойти частичная кристаллизация гелей. Для некоторых коллоидов причиной старения является окисление кислородом воздуха, например переход оксида Fe (II) в оксид Fе (III). Свет, особенно ультрафиолетовое излучение, ускоряет старение коллоидов.
3. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ
Поглотительная способность почвы — одно из ее важнейших свойств, в значительной степени определяющее плодородие почвы и характер процессов почвообразования. Она обеспечивает и регулирует питательный режим почвы, способствует накоплению многих элементов минерального питания растений, регулирует реакцию почвы, ее водно-физические свойства.
На свойства почвы и условия произрастания растений большое влияние оказывает состав обменных катионов. Так, у почв, насыщенных кальцием, реакция близка к нейтральной; коллоиды находятся в состоянии необратимых гелей и не подвергаются пептизации при избытке влаги; почвы хорошо оструктурены, обладают благоприятными физическими свойствами. Черноземы являются примером таких почв. Почвы, у которых в составе обменных катионов в значительном количестве ионы натрия, имеют щелочную реакцию, отрицательно влияющую на состояние коллоидов и рост растений. Насыщенные натрием коллоиды легко пептизируются; содержащие их почвы плохо оструктурены, имеют неблагоприятные водно-физические свойства: повышенную плотность, плохую водопроницаемость, слабую водоотдачу, низкую доступность почвенной влаги (солонцы, солонцеватые почвы).
При наличии в почвенном поглощающем комплексе в составе обменных катионов значительного количества коллоиды легко разрушаются в результате кислотного гидролиза, почвы плохо оструктурены.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Агрохимия. 2-е изд., перераб. и доп./ Под ред. Смирнов П.М., Муравин Э.А. - М.: Колос, 1984. - 304с.
2. Гедройц К. К., Учение о поглотительной способности почв, 4 изд., М., 1933.; Ю. А. Поляков. Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.
3. Почвоведение. Учеб. для ун-тов. В 2 ч./ Под ред. В. А. Ковды, Б. Г. Розанова. Ч. 1. Почва и почвообразование/ Г. Д. Белицина, В. Д. Васильевская, Л. А. Гришина и др. — М.: Высш. шк., 1988. — 400 с : ил.
4. Уваров Г.И., Голеусов П.В. Практикум по почвоведению с основами бонитировки почв. – Белгород: Изд-во Белгор. гос. ун-та, 2004. – 140 с.
INTERNET
5. http:// www.window.edu.ru
6. http:// www.bsu.ru/content/hecadem/kovda/kovda1.pdf
7. http:// www.dic.academic.ru
8. http:// www.agromage.com