Виды поглотительной способности почв

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Почва — сложная многофазная и полидисперсная система. В ней имеются грубые дисперсии с диаметром частиц более 0,02 нм, образующие в почвенных и грунтовых водах суспензии, более тонкие дисперсии размером 0,02—0,0001 нм — почвенные коллоиды и дисперсии на уровне молекулярного раздробления с диаметром частиц менее 0,0001 нм, которые образуют молекулярные, или истинные, растворы.

Дисперсные системы коллоидного раздробления, обладающие большой свободной поверхностной энергией, электрокинетическими свойствами, обусловливают ряд важнейших процессов, связанных с поглотительной способностью почв.

Эти явления были известны очень давно (I—II в. до н. э.) и уже использовались тогда для опреснения морской воды (пропуская ее через почву).

В пятидесятые годы XIX в. английские ученые-химики Т. Трем и Д. Уэй попытались объяснить поглотительную способность почв на основании химических явлений.

В дальнейшем, в восьмидесятые годы прошлого столетия, развитие физической и коллоидной химии позволило голландскому ученому Ван-Беммелену объяснить поглотительную способность почв наличием в них тел, находящихся в коллоидном состоянии.

В начале XX в. поглотительную способность почв методами коллоидной химии изучали швейцарский ученый Г. Вигнер и шведский ученый С. Маттсон. Их исследования позволили раскрыть некоторые закономерности физико-химического поглощения и явлений амфотерности, но они не были связаны с решением агрономических вопросов.

Видная роль в изучении поглотительной способности почв принадлежит российскому ученому К. К. Гедройцу. Для его исследований характерны широкий подход к изучению почвенных коллоидов и поглотительной способности почв и тесная связь с практическими вопросами агрономии. В дальнейшем развитие учения о почвенных коллоидах и поглотительной способности почв получило как в нашей стране, так и за рубежом (Гапон, Соколовский, Тюлин, Антипов-Каратаев, Алешин, Горбунов, Ди-Глерия, Келли и др.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Почвенные коллоиды.

Количество коллоидов в почвах различно и составляет от 1—2 до 30—40 % массы почвы. Образуются почвенные коллоиды при раздроблении более крупных частиц в процессе выветривания, путем поликонденсации в процессах почвообразования и образования гумуса, а также при химических реакциях между продуктами выветривания и почвообразования.

Коллоиды как двухфазная система состоят из дисперсной фазы (коллоидные частицы) и дисперсионной среды (почвенный раствор). Свойства почвенных коллоидов обусловлены их размерами, составом и строением.

Небольшие размеры коллоидов определяют огромную суммарную и удельную поверхность, что можно представить на примере суммарной и удельной поверхности при дроблении длины сторон куба (табл. 25).

Длина сторон куба	число кубов	Поверхность		Длина сторон куба, нм	Число кубов	Поверхность
		суммарная, см2	на единицу объема			суммарная, м2	на единицу объема
1см	1	6	6	0,1	1012	6	6-104
1мм	103	60	6•10	0,01	1015	60	6-105
0,1мм	106	600	6 • 102	0,001	1018	600	6 • 106
0,01мм	109	6000	6•103	0,0001	1021	6000	6•107

25. Увеличение суммарной  и удельной поверхности 1 см3 тела.

25. Увеличение суммарной  и удельной поверхности 1 см3 тела.

 

 От размеров удельной поверхности зависит величина поверхностной энергии, с которой связаны явления сорбции паров воды, газов и молекул других веществ. С поверхностной энергией дисперсных тел связан тепловой эффект — выделение тепла при их смачивании, который называется теплотой смачивания.

Состав почвенных коллоидов представлен минеральными, органическими и органо-минеральными соединениями.

К. минеральным коллоидам относятся глинные минералы, коллоидные формы кремнезема, оксиды железа и алюминия. Органические коллоиды представлены в основном веществами гумусовой и белковой природы. В коллоидно-дисперсном состоянии могут находиться полисахариды и другие органические соединения. Органо-минеральные коллоиды представлены преимущественно соединениями гумусовых веществ с глинными минералами и осажденными формами оксидов железа и алюминия.

Поглотительная способность этих трех групп соединений проявляется в разной степени и обусловлена не только удельной поверхностью, но и строением коллоидов, наличием двойного электрического слоя ионов на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Общая схема строения коллоида приведена на рисунке 5.

Коллоидную частицу, по предложению Г. Вигнера, называют мицеллой. Ядро мицеллы представляет собой агрегат недиссоциированных молекул какого-либо вещества. Например, глинные минералы (каолинит, монтмориллонит и др.), гуминовые кислоты, коллоидные формы кремнезема и др. На границе с дисперсионной средой в результате диссоциации внешних молекул ядра или поглощения ионов из дисперсионной среды, на поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов (ионогенный слой). Он состоит из внутреннего потенциалопределяюще-го слоя прочно связанных с ядром неподвижных ионов и внешнего слоя компенсирующих противоположно заряженных ионов. Ядро с потенциалопределяющим слоем ионов называется гранулой, гранула и слой компенсирующих ионов — частицей. Часть ионов компенсирующего слоя прочно связана с потенциалопределяющим слоем, часть его диффундирует в почвенный раствор, образуя внешний, или диффузный, слой.

В результате диффузии внешнего слоя между потенциалопределяющим и диффузным слоями возникает разность потенциалов, которая обусловливает заряд коллоидной частицы и называется электрокинетическим или дзета-потенциалом. Величина дзета-потенциала колеблется от 0 до 40—60 мВ. Когда электрокинетический потенциал равен 0, коллоид находится в электронейтральном, или изоэлектрическом, состоянии, называемом изоэлектрическои точкой коллоида.

В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое коллоиды могут иметь отрицательный, положительный или переменный заряды. Коллоиды, содержащие в потенциалопределяющем слое анионы, заряжены отрицательно и называются аци-доидами, содержащие в потенциалопределяющем слое катионы заряжены положительно и называются базоидами. Коллоиды, способные менять характер диссоциации молекул двойного электрического слоя ионов в зависимости от реакции среды, имеют переменный заряд и ведут себя как базоиды или как ацидоиды. Такие коллоиды получили название амфолитоидов.

Согласно правилу Маттсона, если два соединения при диссоциации дают один общий ион, то они взаимно подавляют диссоциацию друг друга.

В условиях кислой среды, когда в растворе много Н+-ионов и мало ОН–-ионов, амфолитоиды ведут себя как основания:

А1(ОН)3↔А1(ОН)2+ +OН–.

Базоид

При щелочной реакции, наоборот, высокая активность ОН–-ионов в растворе будет подавлять диссоциацию по основному типу и тот же коллоид А1(ОН)3 диссоциирует как кислота:

А1(ОН)з↔ А1O(ОН)2– + Н+.

Ацидоид.

Так же ведут себя при изменении реакции и коллоиды гидроксидов железа.

При определенной реакции среды диссоциация амфолитоидов идет в равной степени как по основному, так и по кислотному типу. Коллоидная система в этом случае будет электронейтральной, а величина рН называется изоэлектрической.

Считается, что большинство почвенных коллоидов — ацидоиды, в диффузном слое которых находятся катионы, способные к обменным реакциям; присутствуют амфолитоиды; типичных базоидов в почве нет.

К ацидоидам относят большинство минеральных, органических и органо-минеральных коллоидов. Это глинные минералы, коллоидные формы кремнезема, гумусовые кислоты, соединения гумусовых кислот и их производных с минеральной частью почвы.

К амфолитоидам относят группы минеральных высокодисперсных форм гидроксидов железа и алюминия, некоторых глинных минералов (монтмориллонит и др.), а также органических коллоидов, представленных белковыми веществами, в основном плазмой микроорганизмов, изоэлектрическая величина рН которых равна 4—4,5, для гидроксидов железа —7,1 и для гидроксидов алюминия—8,1.

Наличие заряда обусловливает электрокинетические свойства почвенных коллоидов. К ним относят коагуляцию и пептизацию коллоидной системы.

В зависимости от наличия или отсутствия заряда коллоиды могут находиться в состоянии золя или геля.

Золь — коллоидный раствор. Обусловлен наличием заряда в коллоидной системе; представляет состояние коллоидно раздробленного вещества, рассеянного в дисперсионной среде.

Гель — коллоидный осадок. При отсутствии заряда в коллоидной системе дисперсная фаза укрупняется и отделяется от дисперсионной среды.

Коагуляция — переход коллоида из состояния золя в состояние геля. Коагуляция может происходить под действием электролитов, при взаимодействии двух противоположно заряженных коллоидных систем, при высушивании или замораживании почв, сопровождающихся дегидратацией. Коагуляция — положительный процесс. В скоагулированном (осажденном) состоянии могут находиться, например, органические коллоиды в результате их взаимодействия с поливалентными катионами. Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых по гранулометрическому составу почв, сохранению от вымывания коллоидов, обусловливающих важнейшие агрономические свойства почвы.

Пептизация — переход от состояния геля в состояние золя. Она связана с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением ее дзета-потенциала, обусловленным главным образом действием растворов щелочей и гидролитически щелочных солей. Например, за счет образования гумусовых солей щелочных металлов, чаще всего натрия. При пептизации разрушается структура, коллоиды распыляются и приобретают способность к передвижению по почвенному профилю; верхние горизонты почв обедняются коллоидами, что отрицательно сказывается на многих агрономически важных свойствах почвы.

Коллоиды почвы обладают способностью поглощать молекулы воды. Эта способность называется гидратацией коллоида. Гидрофобные коллоиды практически не гидратируются, почвы характеризуются плохой смачиваемостью, при насыщении почвы высокогидратированными катионами происходит пептизация почвенных коллоидов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды поглотительной способности почв.

Способность почвы поглощать пары, газы, задерживать растворенные или взмученные в почвенном растворе вещества или части их, живые организмы называется поглотительной способностью.

К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности — четыре абиотических вида: механическая, физическая, физико-химическая, или обменная, химическая и пятый вид — биологическая поглотительная способность.

Совокупность частиц почвы, обладающих абиотической катионной или анионной поглотительной способностью, называется, по К. К. Гедройцу, почвенным поглощающим комплексом (ППК).

С физической точки зрения, ППК представляет собой совокупность веществ в тонкодисперсном состоянии (коллоиды). В химическом отношении это нерастворимые в воде солеобразные алюмосиликатные, органические и органо-минеральные соединения.

Механическая поглотительная способность — это свойство почвы задерживать (подобно фильтру) твердые частицы, взмученные в фильтрующейся воде, размеры которых превышают размеры почвенных пор.

Это свойство зависит от размера и формы почвенных пор, которые обусловлены гранулометрическим, агрегатным составами, плотностью почвы. Песчаные, крупноагрегатные, рыхлые почвы обладают слабой механической поглотительной способностью. Наоборот, глинистые почвы способны полностью поглощать из почвенных суспензий частицы размером более 0,001 мм.

В природе механическое поглощение взвешенных в почвенной воде частиц происходит при промывном режиме пористых и трещиноватых почв.

Явление механического поглощения используют для очистки питьевых и сточных вод путем их фильтрации через почву, для заиливания (кольматирования) дна и стенок каналов, водохранилищ в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию.

Физическая поглотительная способность — это поглощение целых молекул газов, вещества, растворенного в воде, изменение его концентрации на поверхности твердых почвенных частиц. Эту поглотительную способность еще называют молекулярной адсорбцией.

Физическая поглотительная способность протекает на границе твердой и жидкой фаз. Она обусловлена наличием большой свободной поверхностной энергии, которая равна произведению поверхностного натяжения раствора на суммарную величину поверхности частиц.