5

ЛЕКЦІЯ 7 ОБМІННІ КАТІОНИ В ҐРУНТАХ

1. Поняття про ґрунтові колоїди.

2. Вбирна здатність ґрунту.

3. Механізм катіонного обміну.

4. Склад обмінних катіонів у ґрунтах.

5. Вплив стану обмінних катіонів на зміни мікроструктури і мікротекстури ґрунтів.

7.1. Поняття про ґрунтові колоїди

Ґрунт - це полідисперсна система, а його найдрібніші частинки (розміром менші за 1 нм) називаються ґрунтовими колоїдами. Термін "ґрунтові колоїди" введений англ. вченим Томасом Гремом.

Колоїди - це двофазна система, яка складається з дисперсної фази (колоїдні частинки) та дисперсного середовища (ґрунтовий розчин).

Ґрунтові колоїди - тонкодисперсні, нерозчинні у воді частинки розміром від 1 до 100 нанометра (1 нм = 1 • 10^-9 м = 1 • 10^-6 мм).

Системи, в яких речовина роздрібнена до частинок від 1 до 100 нм (нанометр) і знаходиться в будь-якому середовищі (рідкому, газоподібному), називається колоїдними або дисперсними. У таких системах речовина - це дисперсна фаза, а середовище, в якому його частинки перебувають у підвищеному стані, - дисперсне.

Г. Вігнер запропонував колоїдну частинку назвати колоїдною міцелою. Узагальнена схема колоїдної міцели наведена на рис 7.1.

Основу колоїдної міцели складає ядро. Природа ядра визначає поведінку ґрунтових колоїдів. Ядро колоїдної міцели являє собою складну сполуку аморфної або кристалічної будови різного хімічного складу. На поверхні ядра розміщується шар потенціал- визначаючих іонів. Ядро міцели разом із шаром потенціал-визначаючих іонів утворює гранулу. Між гранулою й розчином, який оточує колоїд, виникає термодинамічний потенціал. Під його впливом із розчину притягуються іони протилежного знаку (компенсуючі іони). Навколо ядра колоїдної міцели утворюється подвійний електричний шар, який складається із шару потенціал-визначаючих іонів і шару компенсуючих іонів. Компенсуючі іони розміщуються навколо гранули двома шарами: один - нерухомий шар, який міцно утримується електростатичними силами потенціал-визначаючих іонів; зовнішній - дифузний шар, який утримується значно меншими силами, і тому може замінюватись іншими катіонами, зумовлюючи цим фізико-хімічну (обмінну) вбирну здатність ґрунту.

Гранула разом із нерухомим шаром компенсуючи іонів називається колоїдною частинкою. Між колоїдною частинкою й оточуючим розчином виникає електрокінетичний потенціал (дзета-потенціал). Під його впливом знаходиться другий (дифузний) шар компенсуючи іонів, які мають здатність до еквівалентного обміну на іони того самого знаку заряду з оточуючого розчину.

Колоїдна міцела є електрично нейтральна. Головна маса її належить гранулі, тому заряд останньої розглядається як заряд усього колоїду.

Колоїди, які у потенціал-визначаючому шарі мають негативно заряджені іони й Н⁺ у дифузному шарі, що дисоціюють у розчин, називають ацитоїдами (кислотоподібними). До таких колоїдів можна віднести кремнекислоту і гумінову кислоту, а також мінерали групи монтморилоніту.

Колоїди, які мають у потенціал-визначаючому шарі позитивно заряджені іони і відщеплюють у розчин іони ОН^-, називаються базоїдами (дугоподібними). До них відносяться гідрати оксидів феруму та алюмінію.

Проте колоїди гідроксидів феруму, алюмінію, а також протеїну залежно від реакції середовища ведуть себе або як кислота (ацитоїди), або як основа (базоїди). Колоїди з такою подвійною функцією називаються амфотерними або амфолітоїдами (рис 7.2).

Виникнення заряду у різних колоїдів пов'язане з особливостями їхнього хімічного складу й структури. Негативний заряд набувають колоїди за рахунок розриву зв'язків і облому пакетів глинистих мінералів, оксидів і гідроксидів феруму та вивільнення валентностей крайових іонів оксигену; при ізоморфному заміщенні в кремній-кисневих тетраедрах мінералів чотирьохвалентного силіцію трьохвалентним алюмінієм, алюмінію - двохвалентними катіонами (ферумом, магнієм) (рис. 7.3).

Колоїдний розчин, який складається з дисперсної фази і дисперсного середовища, називається золем.

Дисперсна фаза формується з колоїдних електрично нейтральних частинок - міцел. Ці частинки можуть мати однакові позитивні чи негативні заряди. Наявність позитивного заряду всіх частинок золю перешкоджає злипанню та збільшенню їхнього розміру. Властивість колоїдної системи протидіяти збільшенню частинок називається агрегативною стійкістю. У такій системі частинки завжди знаходяться в підвішеному стані. Крім того, важливим чинником стійкості є наявність гідратних оболонок як навколо ядра колоїдних частинок, так і навколо іонів дифузного шару.

Якщо колоїдні системи перебувають у нерозчинному, згорнутому стані, то вони утворюють так звані гелі. Під впливом низки чинників колоїди можуть переходити з одного агрегатного (фізичного) стану в інший. Процес переходу золю в гель, тобто процес з'єднання (злипання) розсіяних частинок золю у пластівці чи осад, називають процесом коагуляції, зворотній процес - пептизацією.

Розрізняють два шляхи утворення колоїдних систем:

6. Дисперсійний - коли колоїди утворюються шляхом подрібнення більш великих частинок до розмірів колоїдних.

7. Конденсаційний - коли відбувається збільшення більш маленьких частинок.

За своїм складом колоїди ґрунту поділяються на мінеральні, органічні та органо- мінеральні.

З мінеральних колоїдів у ґрунтах трапляються золі і гелі кремнієвої кислоти, гідроксиди феруму, алюмінію, глинисті мінерали. Утворюються такі колоїди у процесі вивітрювання гірських порід.

Органічні колоїди - це дрібні частинки гумусових речовин і тіл бактерій, які можуть коагулювати та адсорбуватися.

До органо-мінеральних колоїдів ґрунту відносяться комплексні сполуки гумусових речовин та оксиди металів (хелати).

Ґрунтові колоїди в основному представлені гелями і лише невелика їхня частина знаходиться у ґрунті у вигляді золів. Ґрунтові гелі частково зв'язані з більш грубими частинками ґрунту, покриваючи їхню поверхню плівками. У них колоїдні частинки зчіплюються між собою й утворюють структурну сітку, у вічках якої утримується вода. Частинки у цьому випадку не відокремлені водною фазою.

У вологому ґрунті невелика кількість колоїдів може знаходитися у стані золю (частинки, відокремлені водною фазою). Відокремлене існування колоїдних частинок у стані золю пов'язано з наявністю електрокінетичного потенціалу - однаково заряджені колоїдні частинки відштовхуються одна від одної, знаходяться у стані золю і не утворюють осаду, а також із наявністю водної (гідратної) оболонки на поверхні частинок.