Поглотительные способности почв

Реферат

Поглотительные  способности почв

Содержание

Введение

1.1.Состав обменных катионов в почвах

1.2. Зависимость содержания связанной воды в грунтах от состава обменных катионов

1.3. Влияние состава обменных катионов на изменение микроструктуры и микротекстуры грунтов

2. Механизм катионного обмена.

3.Степень насыщенности почв основаниями

       Список литературы

Введение

Одним из главнейших свойств  почвы является ее поглотительная способность. Почва способна поглощать газы, пары воды и ряд веществ, растворенных в воде. Это свойство было известно давно, задолго до оформления почвоведенья в самостоятельную науку. Научное изучение поглотительной способности почвы началось в  19 веке трудами английского ученого Д.Уэя и голландского исследователя Ван-Беммелена.

Наиболее существенный вклад  в разработку учения о поглотительной  способности почв уже в    20 веке внес русский почвовед  К.К.Гедройц, а также Г.Вингер и С.Матсон. Поглотительная способность почвы неразрывно связана с наличием в ней высокодисперсных частиц – коллоидов, учение о которых создавалось в первой четверти текущего столетия  М.Смолуховского, Е.Зигмонда, В.Оствальда, А.В.Думанского, Н.П.Пескова. В последующие годы учение о почвенных коллоидах и поглотительной способности почв разрабатывается многими исследователями.

Состав обменных катионов в почвах

Состав обменных катионов определяется минералогическим составом грунта и  составом их воды. Чаще всего среди  обменных катионов находятся Ca²⁺ Mg²⁺ , Na⁺, К⁺, H⁺, реже Al³⁺, Fe³⁺, Fe²⁺, NH⁺⁴, Li⁺. В относительно большом количестве среди обменных катионов встречается Ca²⁺ что объясняется: 1) широким распространением в природе солей кальция; 2) большой энергией вхождения кальция в поглощающий комплекс. Последнее обстоятельство особенно важно, так как оно обусловливает преобладание кальция в поглощающем комплексе грунтов, несмотря на малую растворимость его солей.

В. В. Охотин (1940) указывает, что многие грунты, переносимые и отложенные пресными водами — ледниковыми, речными и атмосферными, содержат в поглощающем комплексе в большем или меньшем количестве H⁺; например, моренные отложения Валдайской возвышенности. В таких грунтах все простые соли, вплоть до малорастворимых карбонатов кальция, могут быть вымыты и вследствие этого ион водорода будет играть доминирующую роль среди обменных катионов.

Обменный Mg присутствует в дисперсных грунтах обычно в меньшем количестве, чем кальций. В почвах относительное содержание его в большинстве случаев не превышает 10—15% от общей суммы обменных ионов. В глинах содержание Mg²⁺ может быть выше, особенно в таких, которые генетически связаны с выветриванием основных изверженных пород, богатых магнием, например габбро, или в доломитизированных разностях мергелистых глин.

Из одновалентных катионов чаще всего присутствует Na⁺. «Многие грунты морского происхождения, как, например, современные отложения морей, все время находятся в непосредственном соприкосновении с катионами одновалентных металлов и прежде всего и больше всего с ионами натрия, который входит в поглощающий комплекс грунтов, вытесняя другие основания», — пишет В. В. Охотин (1940).

Ион натрия у многих морских глин в процессе диагенеза может быть замещен на ион кальция. Этой замене способствует присутствие известковистых раковинок и кальциевых минералов, растворение которых создает  повышенную концентрацию Ca²⁺ в морских породах. Глинами с повышенным содержанием обменного Na⁺ или даже типичными натриевыми глинами являются такие, в которых присутствуют в значительном количестве соли Na⁺, чаще всего NaCl.

Грунты, содержащие заметное количество свободных солей, называются засоленными  грунтами. После вымывания простых  солей грунты могут содержать  в различных количествах обменный натрий. В этом случае их называют солонцеватыми  грунтами. К солонцеватым грунтам  относятся многие глинистые отложения, сформировавшиеся в морских условиях.

Изучение состава обменных катионов и изменения его во времени  имеют большое практическое значение, так как свойства высокодисперсных грунтов (глинистых и лёссовых пород  и многих почв) зависят от состава  обменных катионов не в меньшей степени, чем от других факторов. В зависимости  от состава обменных катионов в этих грунтах изменяется содержание различных  категорий воды и одновременно характер микроструктуры и микротекстуры. Это  в свою очередь влияет на многие свойства высокодисперсных грунтов.

Зависимость содержания связанной воды в грунтах  от состава обменных катионов

Выше указывалось, что прочносвязанная  вода образуется в результате «ближней»  гидратации ионов. Можно считать, что степень гидратации обменных ионов, входящих в коллоидную мицеллу, в общем пропорциональна их степени гидратации в растворе. Основанием к этому является изменение величины максимальной гигроскопичности грунта, характеризующей общее содержание в нем прочносвязанной воды в соответствии с гидратацией ионов в растворе. Содержание прочносвязанной воды увеличивается с ростом валентности катионов и соответствует ряду: катион³⁺ > катион Н²⁺ > катион⁺.

Этот ряд иногда нарушается вследствие явления селекции ионов.

Образование рыхлосвязанной воды происходит в диффузном слое ионов, с мощностью  которого непосредственно связано  ее количество. Чем больше мощность диффузного слоя ионов, тем больше образуется вокруг грунтовой частицы рыхлосвязанной воды. Мощность диффузного слоя ионов  при прочих равных условиях возрастает с уменьшением валентности ионов, и, следовательно, количество рыхлосвязанной воды, образующейся при гидратации грунтовых частиц, будет изменяться в зависимости от состава обменных катионов (без учета аномальности) по следующему ряду: катион⁺ > катиоН²⁺ > катион³⁺.

Эта же зависимость справедлива  и для общего количества связанной  воды, так как рыхлосвязанной воды всегда содержится значительно больше, чем прочносвязанной.

Несмотря на то, что в диффузном  слое содержится лишь небольшая часть  обменных катионов (1—5%), этого количества оказывается достаточно для образования  значительных гидратных оболочек вокруг частиц при низких концентрациях порового раствора (примерно =0,01 н.).

Образование таких оболочек связанной  воды вокруг грунтовых частиц обусловливает  распад микроагрегатов. Уменьшение оболочек связанной воды вокруг грунтовых  частиц способствует обратному явлению  — процессу коагуляции частиц, образованию  микроагрегатов.

Влияние состава обменных катионов на изменение  микроструктуры и микротекстуры  грунтов

Изменение микроструктуры высокодисперсных грунтов от состава обменных катионов связано с возникновением и распадом микроагрегатов, о чем можно судить по выходу частиц глинистой фракции  при микроагрегатном анализе. Это хорошо проявляется при искусственном насыщении грунта каким-либо одним катионом. Одновалентные катионы (особенно имеющие малый ионный радиус и большие гидратные оболочки — Li⁺, Na⁺) резко увеличивают дисперсность грунтов, двух- и трехвалентные катионы снижают ее.

В природных грунтах наибольшее значение как диспергатор имеет Na⁺, как коагулятор — Ca²⁺. Данные, характеризующие изменение дисперсности грунтов при насыщении их этими обменными катионами показывают, что действие обменного H⁺ в общем аналогично действию Ca²⁺.

Изменение дисперсности грунтов в  зависимости от состава обменных катионов используют при физико-химической подготовке грунтов к гранулометрическому  анализу. Определить предельную дисперсность грунта (его гранулометрический состав) можно только при насыщении его  одновалентными катионами с малым  атомным весом (Li⁺, Na⁺). В этом случае вокруг грунтовых частиц возникают мощные пленки связанной воды, которые и обеспечивают максимальный выход глинистых частиц.

Естественно, что изменение микроструктуры ведет к изменению характера  микротекстуры. Это хорошо видно  на фотографиях, сделанных на сканирующем  электронном микроскопе. Во всех случаях Na-глины и Са-глины имеют разную микротекстуру, что обусловлено диспергирующими и коагулирующими свойствами этих катионов.

Влияние обменных катионов на содержание в грунтах связанной воды, характер микроструктуры и микротекстуры  и свойства грунтов значительно  больше в том случае, когда в  глинистой фракции грунта содержатся минералы с раздвижными кристаллическими решетками, имеющие большую емкость  катионного обмена (монтмориллонит); при  содержании в глинистой фракции  минералов с жесткими межпакетными связями, имеющих малую емкость катионного обмена (каолинит, гидрослюды), роль обменных катионов в указанном отношении становится второстепенной.

Вывод, что текстура грунтов зависит также от состава их жидкой компоненты. Поэтому можно говорить не только о взаимосвязи между минералогическим составом и дисперсностью грунтов, а ввести более широкое понятие о взаимосвязи между их химико-минералогическим составом, структурой и текстурой. Эта зависимость есть не что иное, как самоорганизация материи, возникающая в процессах генезиса, диагенеза и эпигенеза пород и определяющая все их свойства.

Механизм катионного обмена.

Общее количество ионов  в грунте, способных к обмену в  данных условиях, называют емкостью поглощения, или емкостью обмена грунта. Емкость  поглощения обычно выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г абсолютно сухого грунта и определяется в нейтральной среде, т. е. при рН = 7. Величина емкости поглощения грунтов обычно не превышает 100 мг-экв на 100 г навески. И лишь у минералов группы монтмориллонита достигает 150 мг-экв на 100 г. Так как большинство минеральных и органических частиц в воде получают отрицательный заряд, то в обмене участвуют главным образом катионы. Поэтому можно говорить о механизме катионного обмена.

По К. К. Гедройцу (1918—1932 гг.), катионы, участвующие в  реакциях обмена (обменные катионы), находятся  в химической связи с поверхностными молекулами почвенных частиц. Возможности  этой химической связи «обусловливаются, с одной стороны, существованием поверхностной энергии, а с другой — тем, что почвенные коллоидально-раздробленные  частички, будучи заряжены отрицательным  электричеством, притягивают к своей  поверхности катионы электролитов почвенного раствора, где эти катионы  и вступают в реакцию обмена с  анионами молекул, расположенных на поверхности частичек».

Вместе с тем  причину поглощения катионов К. К. Гедройц  видит в поверхностной энергии  и наличии у частиц электрического заряда. Исследования природы обменных реакций, проведенные в последние  годы, показывают, что обмен ионов  совершается как в диффузном  и адсорбционном слоях мицелл, так и кристаллической решетке  самих частиц. Механизм катионного обмена во многом зависит от характера  кристаллических решеток минералов. Частицы каолинита имеют жесткую  кристаллическую решетку; доступ находящихся  в растворе ионов в межпакетные  пространства исключен. Базальные поверхности  частиц каолинита электронейтральны. Поэтому обменные реакции у частиц каолинита протекают только по сколам кристаллической решетки. Отсюда емкость поглощения каолинита небольшая, 3—15 мг-экв на 100 г.

Гидрослюды имеют  также жесткую кристаллическую  решетку, но их базальные поверхности  несут значительный отрицательный  заряд, который возникает благодаря  нескомпенсированности зарядов внутри кристаллической решетки при замещении Si⁴⁺ на Al³⁺ или Al³⁺ ионами более низкой валентности, обычно Mg²⁺ . Вследствие этого ионный обмен у гидрослюд происходит не только по сколам, но и по всей площади базальных плоскостей. Емкость поглощения гидрослюд значительно превышает емкость поглощения каолинита; величина ее составляет 10—40 мг-экв на 100 г. В обоих рассмотренных случаях обмен происходит на внешней поверхности частиц. По терминологии Г. Вигнера, это экстрамицеллярный обмен. В отличие от него может быть интрамицеллярный обмен, когда обменные ионы проникают в межпакетное пространство подвижной кристаллической решетки. Такой случай типичен для монтмориллонита.

У монтмориллонита  изоморфные замещения проходят в  меньшей степени, чем у гидрослюд, поэтому его базальные поверхности  имеют несколько меньший отрицательный  заряд, чем базальная поверхность  гидрослюд, но вследствие подвижного характера кристаллической решетки для обменных реакций оказываются доступными не только внешняя, но и все внутренние поверхности частицы. Величина емкости обмена при сочетании экстра- и интрамицеллярного обмена наибольшая, для монтмориллонита она составляет 80—150 мг-экв на 100 г.

При насыщении грунта различными катионами  наблюдается неодинаковое поглощение их в процессе обменных реакций. Одни катионы энергично вытесняют  ионы, находящиеся в поглощенном  состоянии, и сами, будучи поглощены  грунтом, с трудом переходят в  раствор, другие — менее активно  участвуют в обменных реакциях и  легко переходят из поглощенного состояния в свободное. Это положение было хорошо показано К. К. Гедройцем на образцах почвы, искусственно насыщенных Ba²⁺ и Ca²⁺. При сравнении данных видно, что:

1. различные катионы при взаимодействии с почвой вытесняют неодинаковое количество обменного Ba и Ca, что говорит об их различной энергии поглощения;
2. энергия поглощения катионов возрастает с увеличением их валентности: энергия поглощения трехвалентных катионов больше, чем энергия поглощения двухвалентных катионов, а у последних в свою очередь больше, чем у одновалентных катионов;
3. среди катионов одной валентности энергия поглощения возрастает с увеличением их радиусов. Исключением из этой зависимости являются NH⁺⁴ и H⁺.

Наиболее распространенные катионы  по своей энергии поглощения могут  быть расположены в следующий  ряд:

Fe > Al > Н > Ba > Ca > Mg > NH₄ > К > Na > Li.

По энергии выхода из поглощенного состояния катионы располагаются  в ряд, обратный предыдущему:

Li > Na> К > NH₄ > Mg > Ca > Ba > H > Al > Fe.

Проверка этих рядов проводилась  неоднократно. В одних случаях  были получены положительные результаты, в других были отмечены отклонения. Одни и те же катионы с различной  энергией поглощаются различными веществами. Это явление называют селективностью. Возможно, что оно связано с  неодинаковой поляризацией ионов различными поглотителями. Поляризация ионов  представляет собой деформацию электронных  оболочек иона под влиянием электрического поля, в которое попадает данный ион. Поляризация может в очень  сильной степени влиять на радиус иона или атома и тем самым  нарушать закономерность катионного обмена, которая базируется на величине радиусов обменивающихся ионов.

   Зависимость энергии входа и выхода катионов от их валентности и ионного радиуса (или атомного веса) с точки зрения строения двойного электрического слоя можно объяснить следующим образом. Повышение валентности ионов связано с возрастанием числа его зарядов. Увеличение же числа зарядов увеличивает силы электростатического притяжения к противоположно заряженной поверхности гранулы, что повышает его энергию вхождения (энергию поглощения) и снижает энергию выхода.

Различная энергия поглощения катионов одной валентности объясняется  различной степенью гидратации. В  пределах одной валентности с  увеличением радиуса иона степень  его гидратации уменьшается. Уменьшение степени гидратации действует так  же, как и повышение валентности, увеличивая электростатические силы притяжения ионов к поверхности частицы. Кроме того, ионам, обладающим незначительной гидратной оболочкой, проще участвовать  в интрамицеллярном обмене. С возрастанием радиуса иона увеличивается также его поляризация в электрическом поле мицеллы, что в свою очередь увеличивает силы притяжения иона к поверхности частицы. Все это приводит к тому, что среди ионов одной валентности наибольшей энергией поглощения обладают ионы с большим радиусом и меньшей степенью гидратации.

Степень насыщенности почв основаниями

Одной из важнейших сторон почвообразования является образование  почвенных коллоидов и формирование почвенного поглощающего комплекса, способного удерживать катионы кальция, магния, натрия, калия, аммония, алюминия, железа и водорода в обменном и необменном состоянии.

Общее количество поглощенных  оснований Са**, Mg**, Na*, К*, NH4 называют суммой поглощенных оснований. Эту величину выражают в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы (мг-экв на 100 г почвы). Суммарное количество всех обменных катионов называют емкостью поглощения или емкостью обмена и также выражают в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Такие же характеристики имеет поглощение почвами анионов — Сl'₁, NO'₃, SO'₄, РО'₄, OH'.

Наличие в составе поглощенных  катионов водорода и алюминия обусловливает гидролитическую кислотность почв, величина которой также выражается в мг-экв на 100 г почвы. Отношение суммы поглощенных  оснований  к величине суммы поглощенных оснований   плюс гидролитическая кислотность, выраженное в процентах, называют степенью  насыщенности   почв   основаниями или насыщенностью . По величине степени  насыщенности   почв  основаниями решают вопрос о нуждаемости почв в известковании, необходимых количествах извести и о формах внесения минеральных удобрений.

Степень насыщенности основаниями  показывает , какая часть от емкости поглощения приходится на обменные основания, и в различных типах почв колеблется от 5 до 100%.

Список литературы

1. С. Кауричев Почвоведение. / М.: «Колос», 1982. - 495с.
2. M.П. Толстой Геология – учебник/ М.: ГЕОС, 1991. – 395с.
3. Болысов С.И. Биогенное рельефообразование на суше. Том 2. Зональность /  
   – М.: ГЕОС, 2007. – 467 с.