Коллоиды и их роль в почвообразовании

Почва - это живое тело, живой организм, поскольку представляет собой не только среду, в которой происходят различные физические, химические и биологические явления, но она испытывает постоянное изменение, имеет такой же регулируемый обмен веществ, как и организованное тело, поэтому эта формация является переходным мостиком между областью инертных пород и миром организованных индивидуумов – жизнью. Почва является полидисперсной системой, субстратом, состоящим из 4^х фаз: твердой, жидкой, газообразной и живой. Соотношения этих фаз могут колебаться даже в пределах одной разновидности почвы в зависимости от климатических условий и уровня хозяйствования.

Твердая фаза почвы состоит из частиц различного размера, начиная от крупинок песка до коллоидальных частиц. Отдельные фракции почвы отличаются между собой не только по размеру частиц, но и по минералогическому составу и целому ряду химических и физических свойств.

Пример. Грубый песок в основном состоит из кварца (с примесью обломков разных пород), это связанно с большой стойкостью кварца против выветривания и значительной твердостью, которая предохраняет кварц от механического измельчения.

В более тонких фракциях, кроме кварца, присутствуют и другие первичные минералы - полевые шпаты, слюды, отличающиеся малой твердостью.

Фракция пыли содержит уже некоторое количество вторичных минералов, а в иле - вторичные минералы преобладают.

Соответственно минералогическому составу изменяется и химический состав почвенных фракций. Крупные фракции в основном состоят из SiО₂ , мелкие фракции - богаты рядом питательных для растений веществ (Al₂O₃, MgO, K₂O, P₂O₅).

Почвенный гумус сосредоточен в наиболее высокодисперсной части почв, т.е. именно высокодисперсная часть почв играет наибольшую роль в питании растений. С высокодисперсными частицами нацело связана поглотительная способность почвы.

Кроме того, эти же наиболее мелкие частицы являются клеящим материалом в почве и принимают участие в создании почвенной структуры, определяющей ряд физических свойств почвы, от которых зависит и воздушный и водный и питательный режим почв, а также жизнедеятельность микроорганизмов, которые играют важнейшую роль в обеспечении растений минеральными и органическими компонентами обмена веществ.

Высокодисперсные частицы являются настоящими катализаторами почвы. Они играют важную роль в разрушении пестицидов, в динамике передвижения тяжелых металлов и других загрязнителей в почве.

Таким образом, высокодисперсные частицы почвы, точнее ее коллоиды, являются наиболее активной частью. Что же такое коллоиды? Коллоиды- это тонкодисперсные частицы почвы размером менее 0,0002мм. Образуются эти частицы путем диспергации (дробления) более крупных частиц или конденсации многих молекул в агрегаты молекул. Их количество в почве различно - от 1-2 до 30-40% к массе почвы.

По составу почвенные коллоиды подразделяют на минеральные, органические и органо-минеральные. Минеральные коллоиды представлены преимущественно вторичными минералами (монтмориллонит, каолинит, бейделит), гидроокисями Fe, Al, кремния и частично тонкодисперсной фракцией первичных минералов (кварц, слюда).

Органические коллоиды состоят из различных перегнойных веществ и имеют высокую степень дисперсности. Они представлены преимущественно веществами гумусовой и белковой природы.

Органо-минеральные коллоиды возникают при взаимодействии гумусовых веществ со вторичными минералами. Следовательно тяжелые и хорошо гумусированные почвы содержат больше почвенных коллоидов и обладают более высокой поглотительной способностью, чем почвы песчаные и бедные органическим веществом.

Всю совокупность коллоидов, обуславливающих поглотительную способность почвы, по предложению академика К. К. Гедройца называют почвенно - поглотительным комплексом (ППК). ППК характеризуется с химической стороны как комплекс нерастворимых в воде алюмосиликатных, органических и органо - минеральных соединений, а с физической стороны - как совокупность тех почвенных соединений, которые находятся в почве в мелкораздробленном состоянии; эта высокодисперсная часть почвы по всей вероятности близко совпадает с коллоидальной частью почвы. ППК удерживает питательные вещества и пополняет их запас. С ним связаны структурообразование и характер структуры. Он способен разрушаться в результате физико-химических и биологических процессов, а также водой. ППК размещен в почве не равномерно, большая часть находится в верхних горизонтах. В связи с процессом почвообразования и проявлением экзогенных факторов с течением времени ППК, изменяется. Содержание его может увеличиваться, благодаря чему повышается плодородие почвы. Влияя на ППК, можно воздействовать на плодородие почвы (гипсование, известкование).

Высокая дисперсность и большая поверхностная энергия обуславливают определенное строение почвенных коллоидов (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема строения коллоидной мицеллы (по Н.А. Горбунову)

Отдельная структурная единица называется коллоидной мицеллой. Внутри нее находится ядро - агрегаты недиссоциированных молекул основного вещества (аморфного или кристаллического). Вокруг ядра расположен внутренний слой ионов, который называют слоем потенциалопределяющих ионов. Эти ионы, несущие определенный электрический заряд, прочно удерживаются ядром и не могут быть отдиссоциированы.

Ядро со слоем потенциалопределяющих ионов называется гранулой. К поверхности гранулы примыкает слой компенсирующих ионов (противоионов), который прочно удерживается электростатическими силами. Часть ионов компенсирующего слоя неподвижна, т.к. прочно связана с внутренним слоем ионов (потенциалопределяющими), часть подвижна и образует внешний, или диффузный, слой. Этот слой образует рой (облако) ионов, способных к обменным реакциям. Диффузный слой вместе с коллоидной частице образует мицеллу; она электронейтральна но поскольку масса ее принадлежит грануле, то заряд последней считается зарядом коллоида. Мицелла (дисперсная фаза) окружена внешним интермицеллярным раствором (дисперсной средой).

В пределах диффузного слоя между неподвижным слоем ионов и дисперсной средой (раствором, окружающим коллоидную частицу) возникает разность потенциалов вследствие удаления части противоионов к внешней границе диффузного слоя. Эта разность потенциалов называется дзета - потенциалом и обуславливает свободный электрический заряд коллоидной частицы. Величина дзета - потенциала колеблется от 0 до 40-60 милливольт (МВ). При дзета - потенциале, равном 0, коллоид находится в незаряженном состоянии, оно называется изоэлектрической точкой коллоида [для Al(OH)₃ соответствуют PH 8,1; а для Fe(OH)₃ -PH 7,1].

По электрическому заряду частиц все коллоиды подразделяют на ацидоиды, базоиды и амфолитоиды. Ацидоиды - отрицательно заряженные коллоиды, они содержат в потенциалопределяющем слое анионы, а в диффузном - катионы. Базоиды - положительно заряженные коллоиды, несущие в потенциалопределяющем слое катионы, а в диффузном - анионы. Большинство почвенных коллоидов являются ацидоидами. К ним относятся гумусовые кислоты, глинистые минералы и кремнекислота в коллоидном состоянии. Ацидоиды способны отдиссоциировать в раствор ионы Н⁺, Na⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ и др. Базоиды в почве представлены преимущественно гидратами окиси Al, Fe и белковыми веществами. Они способны отдиссоциировать в раствор анионы ОН^- и содержат в диффузном слое различные анионы (Al⁺⁺⁺, Cl<sup>`</sup>, SO4``, NO<sub>3</sub>` и др.)

Некоторые коллоиды при изменении реакции среды меняют знак заряда. Такие коллоиды называются амфолитоидами. Свойствами амфолитоидов обладают многие базоиды (полуторные окислы, почвенные белки).

Наличие электрического заряда обуславливает электрокинетические свойства, главнейшими из которых являются коагуляция и пептизация коллоидной системы.

Понятие о коагуляции и пептизации коллоидной системы. В почвах коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя (коллоидного раствора) и геля (коллоидного осадка).

Переход коллоида из состояния золя в состояние геля называется коагуляцией.При этом коллоиды теряют заряд и происходит слипание их в агрегаты (аморфный осадок). Коагуляция – положительный процесс. Она вызывается действием электролитов (щелочей, солей, растворы кислот), ионы которых несут противоположный знак заряда. Ацидоиды коагулируют под действием катионов электролита, базоиды - под влиянием анионов. Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых почв (глинистых), сохранению от вымывания коллоидов.

Пептизация- переход коллоида из состояния геля в золь. Этот процесс противоположен коагуляции. Пептизация вызывается восстановлением и повышением дзета -потенциала коллоидной системы. Она происходит при удалении избытка электролита и действием ионов ОН^- , которые увеличивают заряд ацидоидов. Пептизация почвенных коллоидов происходит также при насыщении почвы высоко гидратированными катионами (Na и др.). При пептизации разрушается структура, коллоиды распыляются и приобретают способность к передвижению по почвенному профилю

Рассмотренные свойства коллоидов имеют большое значение в почвообразовании, т.к. обуславливают их способность к аккумуляции и передвижению в пределах почвенного профиля, а следовательно к их участию в формировании аккумулятивных, элювиальных и иллювиальных горизонтов почвы.