Селективность катионного обмена

Катионный обмен в почвах обладает селективностью, т. е. при равной активности раствора один из них поглощается почвой в больших количествах и удерживается более прочно. Почвы обладают способностью селективно (избирательно) поглощать катионы одного рода в ущерб катионам другого рода.

Селективность зависит как от свойств катионов, так и от химических особенностей ППК. В общем случае предпочтительнее связываются катионы с более высоким зарядом, а при равных зарядах – катионы с большей атомной массой.

Большое значение в селективном обмене имеют свойства анионной части ППК. В качестве адсорбционных центров ППК выступают сколы кристаллов минералов, так как обменные катионы могут входить в межпакетные пространства минералов.

Активными центрами органической части ППК являются карбоксильные и фенольные группы.

Кинетика обмена катионов

Изучая процессы физико-химического поглощения, К.К. Гедройц установил, что

- обменные реакции в почве происходят очень быстро, почти мгновенно. По современным представлениям, высокая скорость обмена катионов наблюдается в том случае, когда обмениваются катионы, расположенные на сколах частиц ППК [7]. Быстро обмениваются катионы, удерживаемые функциональными группами органических веществ.

- условием большой скорости обмена является высокая влажность. В природных условиях при низкой влажности почв и её агрегированности для установления равновесия может потребоваться несколько суток.

Замедляется реакция обмена в тех случаях, когда обмениваются катионы межпакетных промежутков глинистых минералов или когда источником вытесняющих ионов являются труднорастворимые соли твердой фазы почвы.

Кроме того,

- особенностью обменных реакций в почвах является неравномерность скорости обмена.

В первые 5–10 мин обычно вступают в реакцию 70–90 % обменных катионов, затем скорость обмена снижается, и реакция медленно приближается к состоянию равновесия.

Сорбционные явления широко применяются в практике сельского хозяйства, особенно для повышения плодородия почв – химической мелиорации. При химической мелиорации в качестве мелиорантов используют главным образом труднорастворимые соли – гипс CaSO4∙2H2O и

CaCO3.

Мелиоранты вносят в почву в твердом состоянии. В этом случае скорость изменения состава обменных катионов почв зависит не только от диффузной кинетики, но и от скорости растворения мелиоранта. Последняя в почвенных условиях сравнительно невелика. Например, вытеснение обменного натрия при гипсовании солонцов происходит медленно, особенно в условиях засушливого климата.

Важно знать кинетику сорбционных процессов для характеристики поведения в почвах элементов минерального питания, химических средств защиты растений и токсикантов.

Буферность почв

Реакция почвенного раствора является величиной непостоянной, так как ряд процессов, протекающих в почве, влечет за собой образование избытка кислот или щелочей.

Кроме того, в почву вносят удобрения, которые в результате неравномерного использования растениями анионов и катионов приводят к проявлению физиологической кислотности или щелочности почвенного раствора. Но при этом, тем не менее, установлено, что колебание величины рН в почвенном растворе невелико. Реакция некоторых почв более или менее стабильна и с трудом поддается смещению.

способность почвы противостоять изменению реакции (или её сдвигу) в кислую или щелочную сторону при внесении в 

почву кислых или щелочных удобрений называется буферностью.

Чем выше буферность почвы, тем труднее сместить её реакцию в ту или иную сторону. Буферность – очень существенная характеристика почвы, которую необходимо учитывать, особенно при внесении удобрений и хи-мических мелиорантов.

Буферность почвы определяется в основном свойствами твердой фазы почвы и поглощенными катионами.

Появляющиеся в растворе кислота или щелочь тотчас же вступают во взаимодействие с почвенными коллоидами как с наиболее активной частью твердой фазы почвы. В результате часть кислоты или щелочи исчезает из раствора, нейтрализуется и, следовательно, сдвиг реакции ослабевает.

 

 

Например:

     Са2+                         H

ППК]         + 3HCl → ППК] H + C а Cl 2+ NaCl

      Nа+                        H

            

­Происходит реакция обмена между обменными катионами почвы и

H+ кислоты, в результате чего из почвенного раствора исчезает ион H+,

который поглощается твердой фазой почвы, а в почвенный раствор поступают нейтральные соли. Сдвига величины рН не происходит.

Кроме почвенных коллоидов твердая фаза почв может содержать другие факторы буферности, а именно: малорастворимые простые соли, среди которых наибольшее значение имеют карбонат кальция (CaCO3) и менее растворимый карбонат магния (MgCO3), присутствие которых не позволяет реакции сдвинуться в сторону кислой среды.

Существует несколько методов определения буферности. Наиболее распространен метод определения буферной площади – площади между кривой титрования для данной почвы и основной кривой для песка. Строится график. При этом на оси ординат откладываются величины рН, а на оси

абсцисс – соответствующие им количества кислоты или щелочи (рис. 3).

 

НАРИСОВАТЬ НА ДОСКЕ

Рис. 3. Графический способ определения величины буферности почв

 

На буферность значительно влияют свойства почвы, например, гранулометрический состав и количество коллоидов.

                                   

       ВОПРОС 3. Показатели катионообменных свойств почвы

                Понятия, термины, показатели

Наиболее общим показателем катионообменных свойств почвы является емкость катионного обмена (ЕКО). В англоязычной литературе этот показатель обозначают СЕС (the cation exchange capacity). По существу величина ЕКО отражает количество отрицательных зарядов ППК или количество положительных зарядов обменных катионов, компенсирующих эти заряды ППК.

    Величина ЕКО может быть оценена количеством вещества отрицательных зарядов ППК в единице массы почвы [ммоль(е~)/кг почвы] или количеством вещества положительных зарядов обменных катионов, компенсирующих отрицательные заряды ППК

[ммоль(р+)/кг],

    Понятиями, близкими по своему содержанию к ЕКО, являются «сумма обменных катионов» и «сумма обменных оснований».

Термин «обменные основания» нестрогий, но пока не имеет адекватной замены.

    Почвы, которые в составе обменных не содержат катионов с выраженными кислотными свойствами (Н+, А1³⁺), называют почвами,