Физическая поглотительная способность.

Физическая поглотительная способность — способность почвы поглощать из раствора целые молекулы растворенных минеральных и органических веществ и молекул воды.

Физическая поглотительная способность почвы зависит от гранулометрического, минералогического состава, а также гумусности почв.

Песчаные и малогумусные почвы обладают пониженной адсорбционной способностью в сравнении с глинистыми и высокогумусными.

С увеличением содержания гидратов железа и алюминия, как и минералов монтмориллонитовой группы, активность почв к поглощению повышается.

Физико-химическая поглотительная способность (полярная адсорбция). Физико-химическая (обменная) поглотительная способность, или коллоидно-химическая адсорбция, обусловлена наличием на поверхности коллоида электрического заряда.

Так как в почве преобладают отрицательно заряженные коллоиды (ацидоиды), то сильнее выражена способность почвы к обменному поглощению катионов, нежели анионов

2.Почвенные коллоиды

Поглотительная способность почвы неразрывно связана с наличием в ней высокодисперсных частиц—коллоидов, учение о которых создавалось в первой четверти 20 век.

В состав почвенной массы входят частицы самых разных размеров. Самые мелкие из них, размерами от 0,2 до 0.001 мкм относятся к коллоидам.

Почвенные коллоиды образуются в процессе выветривания и почвообразования, в результате дробления крупных частиц, или путем соединения молекулярно раздробленных веществ и подчиняются законам, установленным для таких систем в физической и коллоидной химии.

В почвах коллоиды образуют двухфазную систему, состоящую из дисперсной фазы (твердые коллоидные частицы) и дисперсионной среды (почвенный раствор). Высокодисперсные системы по величине частиц делятся на три группы.

Таблица 1.Классификация высокодисперсионных систем почвы

Коллоиды в почвах представлены сложной системой минеральных, органических и органоминеральных соединений. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, на долю которых приходится 85—90% их общей массы.

К минеральнымотносятся глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, галлуазит, гидрослюда, иллит, вермикулит и др.); гидроксиды железа, алюминия, марганца, кремния и их комплексные соли — коагели.

К органическим относятся гумусовые вещества, их соли, (гуматы, фульваты), некоторые полисахариды.

Органо-минеральные коллоиды широко распространены в верхних горизонтах всех почв. Они представляют собой сложные образования высокодисперсных минералов и гумусовых веществ.

Основными минералами, входящими в состав этих коллоидов, являются монтмориллонитовая и гидрослюдистая группы, а также всегда сопутствующие им в почве полуторные окислы и кремнезем, в меньшей степени распространено участие в их образовании каолинитовых минералов.

Формируются эти коллоиды в почве в процессе склеивания (адгезии) гумусовых кислот и их производных с поверхностью минеральной частицы, вследствие чего вещества минеральной природы в них преобладают.

В любой почве основная масса коллоидов находится в форме гелей, различных по степени гидратации и прочности связи с поверхностью твердых частиц.

Часть коллоидов находится в почве в свободном состоянии,

часть образует пленки на поверхности более крупных гранулометрических фракций, сильно дегидратирована.

Первая категория коллоидов легко пептизируется при щелочной реакции и насыщении их диффузного слоя натрием.

Вторая категория очень прочно связана с поверхностью крупных гранулометрических фракций, и их пептизация затруднена.

Основное свойство коллоидов — способность к поглощению веществ из растворов как в виде молекул, так и в виде ионов.

Поглощенные вещества могут обмениваться на другие, находящиеся в растворе, т.е. коллоиды обусловливают поглотительную и обменную способность почв.

Это свойство определяется высокой реакционной способностью, обусловленной большой суммарной и удельной поверхностью, которая тем больше, чем выше дисперсность коллоидов (табл. 2). Если в почве содержится 10% коллоидных частиц, то сумма их поверхности на площади 1 га составит 70 тыс. га.

С увеличением суммарной поверхности растет суммарная поверхностная энергия и возрастает химическая активность коллоидов.

Удельная поверхность выше в суглинистых почвах, чем в песках и супесях, и выше в гумусовом горизонте, чем в нижележащих.

Таблица 2

Роль частиц различного размера в формировании общей поверхности среднесуглинистой почвы

Коллоид имеет сложное строение.

Внутренняя часть, состоящая из агрегатов аморфного или кристаллического вещества разного химического состава, называется ядром (рис.1).

На его поверхности расположен слой прочно удерживаемых потенциалопределяющих ионов, которые вместе с ядром образуют гранулу.

Вокруг гранулы двумя слоями располагаются ионы противоположного (компенсирующего) заряда.

К грануле примыкает слой неподвижных противоионов, прочно удерживаемых электростатическими силами ионов потенциалопределяюшего слоя, образуя вместе с гранулой частицу.

Часть противоионов удалена от частицы, их связь с ней по мере удаления уменьшается. Это диффузный слой, ионы которого способны к эквивалентному обмену на ионы того же заряда из дисперсионной среды и вместе с частицей образуют коллоидную мицеллу.

Свободный электрический заряд коллоидной частицы (дзета-потенциал) — разность потенциалов вследствие удаления частиц противоионов от границы компенсирующего слоя к внешней границе диффузного слоя, колеблется от 0 до 40—60 мВ. Коллоидная мицелла электронейтральна при дзета-потенциале, равном нулю, что является изоэлектрической точкой коллоида.

Заряд коллоида появляется в связи с нарушением равновесия между зарядами, расположенными на поверхности раздела твердая частица — раствор, а также в связи с изменением химического состава и структуры коллоидного вещества.

Рис.1 . Схема строения коллоидной мицеллы (по Н. И. Горбунову

Классификация коллоидов в зависимости от заряда ионов потенциал -определяющего слоя.

В зависимости от заряда ионов потенциал - определяющего слоя коллоиды делятся на

ацидоиды — отрицательно заряженные,

базоиды — положительно заряженные и

амфолитоиды, которые в кислой среде имеют положительный заряд, в шелочной — отрицательный.

К ацидоидам относятся глинистые минералы, гидроксиды кремния и марганца, гумусовые кислоты и органоминеральные коллоиды.

В качестве базоидов в кислой среде выступают гидроксиды железа и алюминия, белки, тела мелких бактерий, которые в щелочной среде имеют свойства ацидоидов.

Коллоиды в почве могут находиться в состоянии геля (коллоидный осадок) или золя (коллоидный раствор).

Золь может переходить в гель – процесс называется коагуляцией.

Коагуляция может происходить при встрече разнозаряженных коллоидных частиц, которые, соединяясь друг с другом, образуют коагелъ.

Гель может переходить в золь.

Это — пептизация. При прочих равных условиях она происходит при уменьшении концентрации солей в растворе.

Переход коллоидов из одного состояния в другое обусловлен изменением электрического потенциала коллоидных частиц и зависит от степени их гидратации.

Коллоиды, легко переходящие из геля в золь, называются обратимыми.

Обратимыми являются гидрофильные коллоиды, насыщенные высокогидратированными одновалентными катионами,

необратимыми — гидрофобные коллоиды, насыщенные двух-и особенно трехвалентными катионами с низкой степенью гидратации (низкой обводненностью).

Особым видом коагуляции является тиксотропия: когда масса геля неотделима от золя, образуется студень, который можно превратить в состояние золя при механическом воздействии.

Тиксотропия распространена в почвах, образующихся под воздействием вечной мерзлоты.

От состава и свойств коллоидов зависит поглотительная способность почвы.

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 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 lll). Свет, особенно ультрафиолетовое излучение, ускоряет старение коллоидов.

3.Состав обменных катионов в почвах и его регулирование

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 состояний коллоидов и рост растений. Насыщенные натрием коллоиды пептизируются; содержащие их почвы плохо оструктурены, имеют неблагоприятные водно-физические свойства: повышенную плотность, плохую водопроницаемость, слабую водоотдачу, низкую доступность почвенной влаги (солонцы, солонцеватые почвы).

Всоставе обменных катионов всех почв присутствуют Са²⁺, Mg²⁺ и в небольших количествах К⁺ и NH4. Кроме того, в некоторых почвах содержатся катион Н⁺ и А1³⁺ или Na⁺.

В зависимости от состава обменных катионов К. К. Гедройц разделил все почвы на две группы:

почвы, насыщенные основаниями, в составе обменных катионов которых присутствуют Са²⁺, Mg²+ и Na+, и

почвы, ненасыщенные основаниями, содержащие наряду с Са²⁺ и Mg²⁺ катионы Н+ и А1³+.

В разных почвах количество и состав обменных катионов, а следовательно, и емкость обменного поглощения катионов различны.

В черноземах в составе обменных катионов доминируют Са²⁺ и Mg²⁺ и отмечается высокая емкость поглощения,

в подзолистых почвах наряду с Са²⁺ и Mg²⁺ присутствуют Н+ и А1³+, емкость поглощения этих почв значительно ниже.

В составе обменных катионов солонцов много обменного натрия.

В профиле почвы величина емкости поглощения обычно уменьшается параллельно снижению количества гумуса.

Состав обменных катионов оказывает большое влияние на свойства почвы и условия произрастания растений. Состав обменных катионов влияет на реакцию и тип коагуляции коллоидов почвы, на ее физические свойства и структурообразование.

У почв, насыщенных Са²⁺ и Mg²⁺, реакция близка к нейтральной, коллоиды находятся в состоянии необратимых гелей и не подвергаются пептизации при избытке влаги, почвы хорошо оструктурены и обладают благоприятными физическими свойствами. Таковы черноземы, дерновые почвы.

Почвы, содержащие в составе обменных катионов наряду с Са²⁺ и Mg²⁺ значительное количество Na+, характеризуются щелочной реакцией, отрицательно влияющей на состояние коллоидов и рост растений. Коллоиды в этих почвах легко пептизируются, почвы плохо оструктуриваются и имеют неблагоприятные для жизни растений водно-физические свойства (повышенную плотность сложения, плохую водопроницаемость, высокую влагоемкость).

К таким почвам относятся солонцы и сильно солонцеватые почвы.

Почвы, не насыщенные основаниями, в составе обменных катионов которых наряду с обменными Са²⁺ и Mg²+ содержатся Н⁺ и А1³⁺, имеют кислую реакцию, токсичную для многих культурных растений, в них легко разрушаются коллоиды в результате кислотного гидролиза, они плохо оструктуриваются. Типичные представители таких почв — подзолистые.

Для характеристики количества катионов и их свойств введено понятие ЕКО.

Емкостью поглощения или емкостью катионного обмена (ЕКО) называется общее количество катионов, которое может быть вытеснено из почвы.

ЕКО характеризует физико-химическую поглотительную способность почв и зависит от минералогического и гранулометрического состава почв, а также от содержания в них гумуса.

Емкость поглощения колеблется в широких пределах: она выше в суглинистых почвах, чем в песчаных, и выше в черноземах, чем в дерново-подзолистых.

Органическая часть почвы обладает более высокой поглотительной способностью, чем минеральная. Емкость катионного обмена возрастает также в условиях нейтральной и щелочной реакции почвы, когда сильнее проявляется отрицательный заряд ацидоидов и может меняться в зависимости от энергии катиона вытеснителя.

Различные почвы отличаются не только по ЕКО, но и по составу поглощенных катионов. Он разнообразен: все почвы содержат в поглощенном состоянии почти все катионы, среди них больше катионов кальция, магния, калия, аммония, присутствуют микроэлементы, катионы водорода и алюминия.