Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность (ионообменная сорбция)

Под ионообменной сорбцией понимают способность почвы обменивать ионы, находящиеся в диффузном слое коллои­дов, на эквивалентное количество ионов почвенного раствора. Важнейшую роль в ее проявлении играет ППК. В зависимости от знака заряда коллоида обмениваются катионы или анионы.

Обменная поглотительная способность у коллоидов, заряжен­ных отрицательно, проявляется по отношению к катионам. Поло­жительно заряженные коллоиды поглощают и обменивают анионы.

Поглощение почвами катионов. Обменные (поглощенные) катио­ны в почвах представлены главным образом Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, H . Железо, цинк, медь, марганец и другие элементы обнаруживаются в незначительных количествах. Катионный обмен наиболее подробно изучен для Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ и К⁺. Для катионного обмена в почвах характерны следующие закономерности.

1. Поскольку ППК в целом заряжен отрицательно, то обменно поглощаются преимущественно катионы.

2. Эквивалентность и полная обратимость обмена между по­глощенными катионами твердой фазы почвы и катионами по­чвенного раствора.

3. Реакция обмена катионов происходит исключительно быстро (за первые 3-5минут сорбируется до 85% катионов), хотя для установления динамичного равновесия необходимо около 1-3 суток.

4. При одинаковой концентрации ионов в растворе энергия их поглощения возрастает с увеличением валентности иона. У ионов с одинаковой валентностью энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы. Энергия поглощения зависит от радиуса негидратированного иона. Чем он меньше, тем больше плотность заряда иона, тем сильнее он гидратируется. Большие гидратные оболочки умень­шают способность катионов к взаимодействию с ионами потенциалопределяющего слоя.

Согласно этим закономерностям в зависимости от степени по­глощения почвой катионы образуют следующий ряд:

Li⁺ < Na⁺ < NH₄⁺ < К⁺ < Rb⁺ < Cs⁺ < Mg²⁺ <H⁺ < Ca²⁺ < Ba²⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺.

Таким образом, одновалентные катионы натрия и калия поглощаются и удерживаются почвой слабее, чем двухвалентные катионы кальция и магния, а двухвалентные слабее, чем трехвалентные. Особое место занимает ион водорода, который интенсивно поглощается и сорбируется аномально прочно благодаря малым размерам и способности давать слабодиссоциирующие соединеня с рядом анионов.

5. Интенсивность поглощения катионов зависит от концентрации реагирующего с почвой раствора, а при одинаковой концентрации – от количества раствора. Чем ниже концентрация раствора, тем более активно поглощаются из него катионы.

6. Поглощение и закрепление катионов зависят не только от характера ионов, но и от свойств самой почвы (ППК).

Обменные катионы легко поглощают корневые системы растений, они служат важным источником их минераль­ного питания.

Необменно-поглощенные катионы (необменная сорбция). В по­чвах обычно небольшая часть обменных катионов со временем пе­реходит в необменное (фиксированное) состояние. Необменно-поглощенные катионы труднодоступны для растений и микроор­ганизмов. Наиболее выражена способность к необменному погло­щению почвенными коллоидами у калия и аммония. В меньшей степени фиксируются в почве другие катионы (кальция, магния, стронция, цезия и т.д.). По прочности связи фиксированные кати­оны занимают промежуточное положение между обменными ка­тионами и катионами кристаллической решетки. Необменное по­глощение катионов может быть временным, поскольку возможен переход катионов почвенных коллоидов из одного состояния в другое: катионы кристаллической решетки <—> необменные кати­оны <—> обменные катионы <—> катионы почвенного раствора.

Способности к необменному поглощению катионов способствует иссушение по­чвы и особенно чередование процессов увлажнения и иссушения. Способность необменно фиксиро­вать катионы зависит от гумусированности и гранулометрическо­го состава почв. Чем больше гумуса содержат почвы и чем тяжелее их гранулометрический состав, тем выше способность почв к не-обменному поглощению катионов.

Почвы могут содержать значительное количество необменных катионов. Так, доля фиксированного аммония может доходить до 8 % от валового запаса азота в верхних горизонтах почвы и до 40 % в нижних.