Тема 2. Фізико-хімічні властивості ґрунту.

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ

Питання теми

Ґрунтові колоїди: склад, будова і властивості.

Поглинальна здатність ґрунту. Види поглинання.

Основні поняття: ґрунтові колоїди, поглинальна здатність ґрунту, механічна поглинальна здатність, біологічна поглинальна здатність, хімічна поглинальна здатність, фізична поглинальна здатність, фізико-хімічна поглинальна здатність, ґрунтовий поглинаючий комплекс.

Ґрунтові колоїди: склад, будова і властивості. Будь-яка речовина у стані великої подрібненості, дисперсності, може бути колоїдом. Якщо речовину в колоїдному стані замішати з водою, то одержимо колоїдний розчин. На відміну від молекулярного розчину, який складається з окремих молекул чи іонів, колоїдний розчин містить частинки речовини, які складаються з великої кількості молекул. Колоїдні частинки мають розмір від 0,1 мкм (мікрометра) до 1 нм (нанометра). Речовини з частинками менше 1 нм відносяться до молекулярних розчинів. Речовини з частинками більше 1 мкм називаються суспензіями.

Ґрунтові колоїди утворюються при подрібненні великих частинок ґрунту, при вивітрюванні або в результаті фізичної чи хімічної взаємодії.

Всі ґрунтові колоїди за складом поділяються на такі види:

1) мінеральні колоїди, які утворилися при вивітрюванні гірських порід (колоїдні частинки глинистих мінералів);

2) органічні колоїди, які утворилися в процесі гуміфікації тваринних і рослинних решток, вони входять до складу гумусу;

3) органо-мінеральні колоїди утворюються при взаємодії мінеральних та органічних колоїдів.

Вміст колоїдів у ґрунті залежить від вмісту у ньому фізичної глини і гумусу. Найбільше колоїдів у глинистих і суглинистих ґрунтах з великим вмістом гумусу, найменше – у піщаних бідних на гумус ґрунтах.

Властивості ґрунтових колоїдів. Молекули, що знаходяться в середині колоїдної частинки, однаково притягаються сусідніми молекулами. Поверхневі молекули, які стикаються з зовнішнім середовищем, ззовні і з середини притягуються з різною силою. Тому поверхневі молекули мають вільну енергію, яка зумовлює поверхневий натяг на межі колоїдних частинок з оточуючим середовищем. Чим більша загальна поверхня, тим більша поверхнева енергія.

Дуже подрібнені речовини мають дуже велику загальну поверхню, а отже, і велику поверхневу енергію. Поверхнева енергія, в значній мірі зумовлює поглинальні властивості ґрунту. Тому, чим більше колоїдів, тим більша поглинальна здатність ґрунту.

Колоїдні частинки знаходяться в постійному хаотичному русі. Цей рух називається броунівським (вперше описаний ботаніком Броуном в 1926 році). Колоїдні частинки зіштовхуються з молекулами розчинника і в результаті цього виникає броунівський рух. Чим менші за розміром колоїдні частинки, тим швидше вони рухаються. Частинки діаметром 2 мкм не рухаються, вони під своєю вагою осідають на дно. Колоїдні частинки не притягаються між собою і не об’єднуються в великі агрегати, завдяки однаковим електричним зарядам.

Будова ґрунтових колоїдів. Внутрішня частина колоїду – ядро, може бути аморфним чи кристалічним. Хімічний склад ядра дуже різноманітний.

На поверхні ядра розташований шар молекул, які здатні дисоціювати на іони. Це іонний або подвійний електонний шар. При його дисоціації на поверхні ядра утворюються три шари іонів: внутрішній - потенціалвизначаючий, середній компенсуючий і зовнішній - дифузний.

Ядро і потенціалвизначаючий шар утворюють гранулу. Ядро разом з шаром потенціалвизначаючих і компенсуючих іонів називається колоїдною часткою. Якщо ядро оточують аніони, частка має негативний заряд, якщо катіони – позитивний. Отже, заряд колоїдів визначає не міцела, а лише її частка.

Колоїди, які мають негативний заряд і H⁺ у дифузному шарі називаються ациноїдами. Колоїди, які мають позитивний заряд і OH^– у дифузному шарі називаються базоїдами.

По відношенню до води колоїди поділяються на два види:

1) гідрофільні, які набухають у воді і залишаються у колоїдному розчині;

2) гідрофобні, набухають слабо, згортаються і випадають в осад.

Колоїди можуть перебувати у двох станах - у стані колоїдного розчину – стан золя та у стані желеподібного чи аморфного осаду – стан геля. У стані золя колоїди знаходяться тоді, коли вони мають заряд. Коли заряд зникає чи дуже зменшується, колоїди злипаються, утворюючи великі агрегати і випадають в осад. Цей процес називається коагуляцією. Зворотній процес називається пептизація.

Коагуляція зумовлена присутністю електролітів і протилежно заряджених колоїдів. Коагуляція може відбуватися при висиханні і замерзанні ґрунтів. Також, коагулюють колоїди в процесі старіння.

Поглинальна здатність ґрунту. Види поглинання. Основоположником вчення про поглинальні властивості ґрунту є академік К. К. Гедройц.

Поглинальна здатність ґрунту – це властивість поглинати і утримувати розчиненні у воді тверді речовини і гази.

Поглинальна здатність (ПЗ) різних ґрунтів не однакова. Одні ґрунти володіють цією здатністю в більшій мірі, інші в меншій. Здатність поглинати речовини з розчину залежить від вмісту у ґрунті колоїдних частинок. Чим більше колоїдних частинок тим краща поглинальна здатність.

К. К. Гедройд виділяє п’ять видів поглинальної здатності - механічну, фізичну, хімічну, фізико-хімічну і біологічну.

Механічна поглинальна здатність. Це властивість ґрунту, як будь якого пористого тіла, не пропускати частинки, які мають розміри більші, ніж ґрунтові пори. Якщо через ґрунти пропустити каламутний розчин з колоїдними частинками, то розчин посвітліє, колоїдні частинки частково залишилися у ґрунті.

Цей вид ПЗ пов’язаний із механічним складом ґрунту та його структурою. Чим дрібніші ґрунтові пори, тим більша ПЗ ґрунту. Суглинисті і глинисті ґрунти мають більшу ПЗ, ніж піщані і кам’янисті. Механічне поглинання зростає при збільшенні вмісту гумусу. Гумус, вкриваючи тоненькою плівкою мінеральні частинки, зменшує просвіт пор.

Завдяки механічній ПЗ в ґрунті утримуються від вимивання у глибокі горизонти дуже дрібні частинки, які містять цінні елементи. Особливо велике значення має механічне поглинання в областях, де випадає багато опадів і ґрунти систематично промиваються водою.

Біологічна поглинальна здатність відіграє важливу роль у поглинанні і закріпленні від вимивання поживних речовин ґрунту. Біологічна ПЗ зумовлена життєдіяльністю ґрунтових мікроорганізмів і рослин, які засвоюють з ґрунту рухливі речовини і переводять їх у тканини власного тіла.

Особливо велике значення має цей вид поглинання для нітратів, вони поглинаються і закріплюються в ґрунті тільки біологічно. Біологічне поглинання має вибірковий характер, рослини з ґрунту засвоюють лише елементи, які мають життєво важливе значення.

Біологічне поглинання має велике значення. Рослини перекачують елементи із нижніх горизонтів ґрунту у верхні, після відмирання і розкладання рослинних решток відбувається накопичення органічних речовин.

Фізична поглинальна здатність – це здатність ґрунту поглинати та утримувати газоподібні речовини і розчинені у воді солі. Суть фізичного поглинання полягає у взаємодії твердих частинок з газоподібною водою. Ґрунтові частинки завдяки силам молекулярного притягання здатні притягати і утримувати на поверхні молекули води. Для видалення гігроскопічної вологи треба нагріти ґрунт до 105^оC. Зв’язок, в основі якого лежить сила молекулярного притягання, називається адсорбцією. При адсорбції відбуваються фізичне поглинання цілих молекул без якісних змін, тому це явище називають фізичним поглинанням або молекулярною адсорбцією.

Фізичне поглинання збільшується при збільшенні загальної поверхні твердих речовин.

Завдяки фізичному поглинанню ґрунт утримує аміак, якай є необхідним для живлення рослин.

Хімічна поглинальна здатність. Багато речовин при злипанні між собою чи з нерозчинною частиною ґрунту здатні вступати в хімічні реакції, утворюючи нерозчинні чи малорозчинні сполуки. Такі сполуки утримуються в ґрунті від вимивання. Наприклад, в ґрунті знаходиться фосфорна кислота у формі легкорозчинної солі Na₃PO₄. При переміщенні цієї солі в глибокі горизонти, рослини втрачають важливу поживну речовину – фосфор. У ґрунтовому розчині містяться інші солі кальцію, наприклад, CaCl₂, Ca(HPO₃) ₂, які вступають у реакцію з Na₃PO₄ і утворюють нерозчинну соль Ca₃ (PO₄) ₂.

Цей вид поглинальної здатності зумовлений хімічними реакціями, тому називається хімічним поглинанням.

Не всі мінеральні речовини можуть поглинатись хімічним способом. Наприклад, азотна кислота хімічно не поглинається. З усіма катіонами вона утворює розчинні солі. Тому нітрати легко вимиваються з ґрунту.

Фізико-хімічна поглинальна здатність (обмінна адсорбція). Мінеральні солі і кислоти в ґрунтовому розчині дисоціюють на іони. Наприклад, NaCl розпадається на Na⁺ + Cl^–; HСl на H⁺ і Cl^–. Дуже слабо дисоціює і вода: H⁺ і OH^-.

Ґрунт поглинає з розчину не лише молекули, а й іони. Оскільки більшість ґрунтових колоїдів заряджені негативно, то ґрунтом поглинаються в основному катіони. Поглинуті катіони міцно утримуються на поверхні колоїдних частин і можуть бути витиснені лише іншими катіонами. Поглинання іонів з розчину відбувається з обміном катіонів на поверхні ґрунтових частин, тому процес називається обмінною адсорбцією.

Реакція обміну катіонів зворотна, кожний поглинутий катіон при відповідних умовах може знову перейти в розчин.

До обмінної адсорбції здатна та частина ґрунту, яка складається з колоїдних частин.

Тонкодисперсна частина ґрунту, яка здатна обмінювати катіони на інші катіони з розчину, називається ґрунтовим поглинаючим комплексом (ГПК).

Одні ґрунти мають великий ГПК, інші незначний.

З ґрунтовими колоїдами пов’язана ємність поглинання ґрунту, тобто максимальна кількість катіонів, яку даний ґрунт здатний поглинути з розчину. Чим більше колоїдів у ґрунті, тим більша ємність поглинання. Ґрунти важкого механічного складу, глинисті і суглинисті, які містять багато гумусу, мають велику емність поглинання, піщані ґрунти, які бідні на гумус – малу.

Різні катіони мають різну енергію поглинання. Велику енергію поглинання мають Ca²⁺ і Mg²⁺, меншу Na⁺, NH₄⁺ і K⁺. На поглинання ґрунтом катіонів впливає їх концентрація в ґрунтовому розчині, чим більше катіонів в розчині, тим більше вони поглинаються, витісняючи інші катіони.

В залежності від складу поглинутих катіонів всі ґрунти поділяють на дві групи:

1) насичені основами, в поглинаючому комплексі яких знаходяться тільки катіони металів, наприклад Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺. До таких ґрунтів відносяться чорноземи, сіроземи і каштанові ґрунти;

2) не насичені основами, в поглинаючому комплексі яких крім катіонів металів міститься H⁺. Це підзолисті, дерново-підзолисті, сірі лісові і болотні грунти.

Склад поглинутих катіонів впливає на властивості ґрунтів. Так, ґрунти насичені Ca²⁺ і Mg²⁺, мають стійку структуру, сприятливий водний і повітряний режим. Ґрунти, поглинальний комплекс яких насичений воднем, мають погану структуру, менш сприятливі водний і повітряний режим, здатні до утворення кірки. Ґрунти, насичені Na⁺, мають нестійку структуру, при зволоженні вони розпливаються, а при висиханні утворюють тріщини і перетворюються в монолітні глиби.

Поглинуті катіони впливають на хімічні властивості ґрунтового розчину. Ґрунти, насичені основами, мають нейтральну або лужну реакцію, ґрунти, не насичені основами – кислу.

Отже, ґрунтоутворюючий процес супроводжується накопиченням у ґрунті хімічних елементів. Це накопичення пов’язане з поглинальною здатністю ґрунтів. Для ґрунтів характерно п’ять видів поглинальної здатності - механічна, фізична, хімічна, фізико-хімічна і біологічна. Велике значення у поглинанні ґрунтом речовин відіграють ґрунтові колоїди.