Почвенные коллоиды, их образование, состав, свойства

1. Понятие о поглотительной способности.

2. Почвенные коллоиды, их образование и свойства.

3. Виды поглотительной способности почвы и их характеристика.

4. Основные закономерности поглощения катионов.

5. Необменное поглощение катионов.

1. Важнейшая особенность почвы – её гетерогенность и многофазность. Твердая фаза ее представляет собой полидисперсную систему, состоящую из частиц различных размеров – от крупных до мельчайших. Благодаря содержанию тонкодисперсных частиц и пористости почва обладает способностью задерживать те или иные вещества, находящиеся с ней в соприкосновении. Почвой задерживаются вещества в молекулярном и ионном состоянии, тонкие и коллоидные суспензии. Явление поглощения и удержание веществ из почвенного раствора, а также коллоидно-распыленных частиц, паров, газов и живых микроорганизмов получило название поглотительной способности почв.

С поглотительной способностью связанны важнейшие особенности почвообразовательных процессов и многие свойства, определяющие плодородие почв. Поглотительная способность почв оказывает большое влияние на условия произрастания растений. Под влиянием последних в процессе сельскохозяйственного использования наблюдается существенное изменение поглотительных свойств почв.

Любое вещество в состоянии высокой степени раздробленности или дисперсности, может быть коллоидным. Коллоидные частицы видимы лишь в ультрамикроскоп: они проходят через бумажный фильтр, но не проходят через поры животной и растительной клетки.

2. В природных условиях коллоиды в почве образуются или в результате раздробления крупных частиц при выветривании или конденсации вследствие физического или химического соединения молекул или ионов.

Все почвенные коллоиды можно разделить на две группы: минеральные и органические. Минеральные образуются при выветривании горных пород; сюда входят коллоидные частицы разнообразных глинистых минералов. Органические коллоиды образуются в процессе гумификации животных и растительных остатков и, следовательно, входят в состав гумуса. Минеральные и органические коллоиды, вступая во взаимодействие между собой, могут давать коллоиды и более сложного состава – органоминеральные. Таким образом, наличие коллоидов в почве полностью зависит от содержания в ней физической глины и гумуса.

Почвенные мелкораздробленные частицы, как и любое раздробленное вещество, обладают свободной поверхностной энергией. Поверхностная энергия, будучи свободной, может производить определенную работу, вызывая разнообразные почвенные процессы. Именно эта энергия в значительной степени обусловливает поглотительную способность почв. Поэтому чем, тяжелее по механическому составу почва и богаче коллоидами, тем сильнее выражена ее поглотительная способность.

Коллоидная мицелла имеет следующее строение. Внутренняя ее часть называется ядром мицеллы. Ядро может быть аморфное или кристаллическое. Химический состав ядра очень разнообразен. На поверхности ядра располагается слой молекул, способных к диссоциации на ионы, при его диссоциации на поверхности ядра образуется три слоя ионов. Ионы, имеющие наибольшее химическое сродство с ядром, прочно удерживаются вокруг него, образуя внутренний, или потенциалопределяющий слой. Ядро мицеллы вместе со слоем потенциалопределяющих ионов называется гранулой. Ионы, расположенные за внутренним слоем к периферии, несущий заряд с противоположным знаком, образуют слой противоионов, или компенсирующих ионов.

Ядро мицеллы вместе со слоями потенциалопределяющих ионов и неподвижных компенсирующих ионов называется коллоидной частицей.

Если к ядру примыкают анионы, частица несет отрицательный заряд, а вокруг нее в окружающей дисперсной среде находятся положительно заряженные катионы. Если же к ядру примыкают катионы, частица несет положительный заряд.

Коллоиды несущий отрицательный заряд и имеющие в диффузном слое Н-ионы, называются ацидоидами. Коллоиды несущие положительный заряд и имеющие в диффузном слое ОН-ионы, называются базоидами. К ацидоидам относятся гумусовые кислоты, глинистые минералы, кремнекислота. К базоидам – гидраты окисей Al и Fe. Коллоиды, имеющие попеременный заряд в зависимости от рН среды, носят название амфолитоиды (гидроксиды железа и алюминия, протеины).

По отношению к воде коллоиды можно разделить на 2 группы: гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильные удерживают повышенное количество воды(минералы монтмориллонитовой группы, гумусовые кислоты). Гидрофобные связывают небольшое количество воды (гидроксиды железа и алюминия, минералы группы каолинита).

Коллоиды могут быть в 2 состояниях:

1 – состояние коллоидного раствора или золя;

2 – в состоянии студенистого, хлопьевидного или аморфного осадка – геля.

В состоянии золя коллоиды находятся до тех пор, пока они имеют заряд. Но как только он будет снят или уменьшен настолько, что сила притяжения станет больше силы отталкивания, коллоидные частицы начнут сцепляться друг с другом в крупные агрегаты и выпадать в осадок. Этот процесс носит название свертывания коллоидов или коагуляции. Обратный процесс, т.е. переход в состояние золя называется пептизацией. Почвенные коллоиды в состоянии золя могут вымываться и передвигаться по профилю почвы, а в состоянии геля они практически не передвигаются.

Коагуляция происходит главным образом при их взаимодействии с электролитами – растворами кислот, солей, щелочей. Свертывание коллоидов может происходить и при взаимной коагуляции противоположно заряженных коллоидов. По степени возрастания коагулирующей способности наиболее часто встречающиеся в почвенном растворе катионы располагаются в следующем порядке: Na⁺, K⁺, H⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Al²⁺, Fe²⁺.

3. Поглощение почвой находящихся в соприкосновении с ней различных веществ, представляет собой сложное явление. К.К. Гедройц выделил следующие виды поглотительной способности почв: механическую, физическую, химическую, физико-химическую и биологическую.

Механическая. Это свойство почвы, как всякого пористого тела, не пропускать через себя взмученные в воде частицы крупнее почвенных пор. И если мутный раствор со взвесями коллоидных частиц пропустить через слой почвы, то этот раствор посветлеет, муть частично или полностью задержится в почве. Эта способность почвы находится в тесной зависимости от ее механического состава и структурных свойств. Благодаря механической поглотительной способности в почве удерживаются от выноса в глубокие горизонты наиболее ценные с точки зрения плодородия элементы.

Биологическая поглотительная способность почв играет важную роль в поглощении и закреплении от вымывания питательных веществ в почве. Она вызывается жизнедеятельностью населяющих почву микроорганизмов и растений, которые, усваивая из почвы легкоподвижные соединения, переводят их в ткани своего тела. В таком виде питательные элементы не вымываются из почвы выпадающими атмосферными осадками. Особенно большое значение имеет этот вид поглощения в отношении нитратов: они поглощаются и закрепляются только биологически.

Физическая поглотительная способность. Сущность этого процесса заключается в способности почвы поглощать и удерживать парообразные вещества и растворенные в воде соли. Это можно уяснить на примере взаимодействия твердых частей почвы с парообразной влагой. Воздушно-сухая почва содержит определенное количество гигроскопической влаги.

Объясняется это тем, что почвенные частицы благодаря силам молекулярного притяжения способны притягивать и с большой силой удерживать на поверхности молекулы паров воды. Такая прочная связь, в основе которой лежит сила молекулярного притяжения, называется адсорбцией. При этом происходит поглощение почвой целых молекул без качественного их изменения.

Благодаря этой способности некоторая часть растворимых соединений будет поглощена почвой (анионы азотной кислоты не поглощаются).

Химическая поглотительная способность (хемосорбция). Обусловлена образованием труднорастворимых соединений, выпадающих в осадок из почвенного раствора. Например, сорбция фосфатов на поверхности гидроксидов железа и алюминия в почвах с кислой реакцией среды, образование труднорастворимых фосфатов кальция в почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией среды.

Физико-химическая (обменная адсорбция). Минеральные соли и кислоты в почвенном растворе в значительной степени диссоциированы на катионы и анионы. Явление, при котором катионы растворенных солей поглощаются почвой, а взамен их в раствор вытесняются другие катионы, называется обменной адсорбцией. Обмен катионов в почвенной среде происходит в эквивалентных количествах. Реакция обмена катионов является обратимой.

ППК)Са²⁺ + 2КCl = ППК)2К⁺ + СаCl₂.

Это поглощение осуществляется за счет физического поглощения катионов и замещения их вследствие химических реакций.

4. Способности обмена зависят от свойств основных катионов. Чем выше валентность катиона, тем выше его способность к внедрению. При равной валентности, поглощающая способность выше у катионов, имеющих высшую атомную массу. Но H⁺ будет поглощаться интенсивнее чем Na⁺ и К⁺, так как он имеет меньшую гидратную оболочку.

Интенсивность обмена катионов также зависит от свойств адсорбента: например гуминовая кислота поглощает больше катионов Ca²⁺ (92%), а монтмориллонит – 68% Ca²⁺ и 27% NH₄.

Обмен катионов ППК на катионы почвенного раствора идет в эквивалентных отношениях.

5. В почвах помимо обменных катионов может содержаться некоторое количество необменно-поглощённых или фиксированных катионов, которые не вытесняются при обработке почв растворами нейтральных солей. Прочно удерживаемые коллоидами необменно-поглощенные катионы труднодоступны для растений. Наиболее выраженной способностью к необменному поглощению отличаются одновалентные ионы, имеющие большой радиус - калий и аммоний. Способность почв к необменному поглощению зависит от минералогического состава коллоидной фракции. Например, основными минералами поглощающие NH₄ являются монтмориллонит, иллитт – то есть минералы с расширяющейся кристаллической решеткой. В верхних слоях необменного NH₄ содержится 2,5-6%, в нижних горизонтах 22-42%. Чем тяжелее почва, тем больше она фиксирует NH₄.

Лекция № 8 (2 часа)

Дата добавления: 2014-01-11