12

Лекція 5

Катіонообмінна здатність ґрунту. Вбирання аніонів ґрунтом

5.1. Ґрунтово-вбирний комплекс. Ємність катіонного обміну.

5.2. Склад обмінних катіонів у ґрунтах.

5.3. Принцип селективності.

5.4. Кінетика обміну катіонів.

5.5. Способи оцінки ємності катіонного обміну.

5.6. Вбирання аніонів ґрунтом.

5.1. Ґрунтово-вбирний комплекс. Ємність катіонного обміну

Увібрані (обмінні) катіони у ґрунтах представлені переважно елементами I і II груп періодичної системи. У кислих ґрунтах значну, а інколи і домінуючу роль мають іони Н⁺ та Al³⁺. В обмінній формі у ґрунтах можуть бути також мікроелементи: іони Zn²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺ тощо. Найкраще катіонний обмін вивчено для катіонів Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ і Na⁺.

Іонний обмін як один з видів вбирної здатності ґрунтів розглядав К. К. Гедройц. Він запропонував розрізняти такі види вбирної здатності:

• механічна вбирна здатність – властивість ґрунту затримувати зважені у воді тверді частинки, які надходять до нього разом зі скаламученою водою;

• фізична вбирна здатність – здатність ґрунту концентрувати біля енергонасиченої поверхні своїх тонкодисперсних частинок молекули розчинених або газоподібних речовин;

• фізико-хімічна (обмінна) вбирна здатність – властивість ґрунту обмінювати певну частину катіонів твердої фази на еквівалентну кількість катіонів ґрунтовог розчину;

• хімічна вбирна здатність – це утворення у ґрунтовому розчині (унаслідок суто хімічних реакцій) важкорозчинних сполук, які випадають в осад і долучаються до твердих фаз ґрунту;

• біологічна вбирна здатність – зумовлена вибірковим (фізіобіохімічним) вбиранням рослинами та мікроорганізмами необхідних для їхньої життєдіяльності елементів живлення з ґрунтового розчину.

Катіонообмінна здатність слугує однією з фундаментальних властивостей ґрунту. Від складу вбирних (обмінних) катіонів у ґрунті залежать його структурно-агрегатний склад, водно-фізичні та фізико-механічні властивості; утворення органо-мінеральних сполук; рівень рН ґрунтового розчину і його сольовий склад; формування кислотно-основної та інших видів буферності; кількісне і якісне забезпечення рослин елементами мінерального живлення тощо. Закони катіонного обміну є теоретичною базою для деяких видів хімічної меліорації ґрунтів, зокрема вапнування кислих ґрунтів і гіпсування солонців.

Катіонний обмін − це частина іонного обміну, особливістю якого є зворотність процесу стехіометричного обміну іонами, між двома контактуючими фазами.

Реакцію обміну катіонів і формально можна записати так:

де ҐВК − ґрунтовий вбирний комплекс.

Катіонообмінні властивості ґрунтів пов’язані з наявністю від’ємних зарядів на поверхні мінеральних, органічних та органо-мінеральних компонентів ҐВК, які характеризуються високим ступенем дисперсності, є нерозчинними у воді, здатні вбирати і обмінювати вбирні катіони. Від’ємні заряди ҐВК компенсуються позитивно зарядженими − вбирними (обмінними) катіонами, які у ґрунті представлені, переважно, елементами І і ІІ груп періодичної системи, деякими мікроелементами в обмінній формі та ін.

У складі ҐВК вирізняють постійні (або перманентні) та змінні заряди. Наявність постійних зарядів зумовлена, винятково, ізоморфними заміщеннями у кристалічних ґратках глинистих мінералів. Отож кількість таких зарядів залежить від структурних особливостей власне мінералів і не залежить від рН та багатьох інших чинників.

Змінні заряди доволі часто називають рН-залежними. Їхня кількість зумовлена, переважно, іонізацією функціональних груп органічної речовини та поверхневих ОН-груп оксидів і гідроксидів. Тому число змінних зарядів збільшується зі зростанням рН, залежить від валентності протилежно зарядженого іона, концентрації електроліту та інших чинників.

Для характеристики катіонообмінних властивостей ґрунтів використовують такі найважливіші поняття, як ґрунтовий вбирний комплекс (ҐВК), ємність катіонного обміну (ЄКО) з поділом на види, специфічна і неспецифічна адсорбція, адсорбційні центри, обмінні (вбирні) катіони, обмінні (вбирні) основи, константа іонного обміну, коефіцієнт селективності та ін. Матеріальним носієм катіонообмінної здатності ґрунтів є ҐВК.

Ґрунтовий вбирний комплекс (ҐВК) − це сукупність мінеральних, органічних і органо-мінеральних компонентів твердої частини ґрунту, які володіють іонообмінною здатністю. У ҐВК, згідно із означенням, входять і здатні до обмінних реакцій катіони, які в еквівалентній кількості можуть обмінюватися на катіони ґрунтового розчину.

Встановлено, що не всі тверді фази ґрунтів рівною мірою здатні проявляти катіонообмінні властивості. Найкраще здатність до вбирання і обміну катіонів виражена у передколоїдній та колоїдній фракціях ґрунтів. З іншого боку, органічна частина ҐВК характеризується значно більшою ємністю вбирання, ніж мінеральна.

Найбільш узагальнюючим показником катіонообмінних властивостей ґрунту є ємність катіонного обміну. В англомовній літературі цей показник позначають СЕС (the cation exchange capacity).

Ємність катіонного обміну (ЄКО) – загальна кількість катіонів одного роду, яку ґрунт спроможний утримувати в обмінному стані у визначених стандартних умовах. За своїм змістом величина ЄКО відображає кількість від’ємних зарядів ҐВК або кількість позитивних зарядів обмінних катіонів, які компенсують ці заряди ҐВК.

Величина ЄКО оцінюється кількістю речовини від’ємних зарядів ҐВК в одиниці маси ґрунту [ммоль(е^-)/кг ґрунту] або кількістю речовини позитивних зарядів обмінних катіонів, які компенсують від’ємні заряди ҐВК [ммоль(р⁺)/кг], або кількістю речовини еквівалентів обмінних катіонів [ммоль(+)/кг, смоль (+)/кг або ммоль (+)/100 г ґрунту]. Наведені вище величини чисельно повинні дорівнювати одна одній, оскільки 1 протон (р⁺) або його електрохімічний еквівалент у вигляді катіона компенсують одну від’ємно заряджену позицію ҐВК.

Достатньо часто величину ємності катіонного обміну виражають у міліграм-еквівалентах на 100 г ґрунту (м-екв/100 г), що чисельно співпадає з величиною ЄКО, вираженою згідно Міжнародної системи одиниць (СІ) у сМ (р⁺)·кг^-1 (сантимолях позитивних зарядів у 1 кг ґрунту).

Показники, що характеризують катіонообмінні властивості ґрунту, наведено у табл. 5.1.

Таблиця 5.1

Показники катіонообмінних властивостей ґрунтів

Властивість	Показник	Одиниці вимірювання
Катіонообмінна здатність	Ємність катіонного обміну − ЄКО	м-екв/100 г, ммоль (+)/100 г, смоль (+)/кг ґрунту
	Сума обмінних катіонів − ∑обм.кат	Те ж
	Сума обмінних основ (у насичених основами ґрунтах) − ∑обм.осн	Те ж
Склад обмінних катіонів	Кількість обмінних Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+,Al3+	Те ж
	Частка (%) обмінного катіона від ЄКО або суми обмінних катіонів	%

Унаслідок того, що ємність обміну залежить від рН та інших чинників і водночас ґрунти необхідно характеризувати не тільки в умовно вибраному стандартному стані, але і у природній ситуації, розрізняють три види ЄКО.

Ємність катіонного обміну стандартна (ЄКО_ст). Визначають її за допомогою буферних розчинів при постійному значенні рН. З цією метою прийнято насичувати ґрунт іонами Ba²⁺ відповідного буферного розчину з рН 6,5. Після насичення ємність визначають за кількістю увібраного ґрунтом Ba²⁺. Стандартна ємність катіонного обміну дає змогу порівнювати ЄКО ґрунтів з різними кислотно-основними властивостями.

Ємність катіонного обміну реальна, або ефективна (ЄКО_еф). Визначають її шляхом обробітку ґрунту небуферними розчинами солей. ЄКО_еф характеризує ємність катіонного обміну ґрунту у наближених до реальних кислотно-основних умовах. Доволі часто про реальну ємність катіонного обміну можна робити висновки за показниками суми обмінних катіонів.

Диференційна (рН-залежна) ємність катіонного обміну характеризує приріст ємності катіонного обміну унаслідок зростання рН рівноважного розчину: ∆ЄКО/∆рН. Для того, щоб знайти диференційну ЄКО, насамперед, ґрунт насичують катіонами одного роду із буферних розчинів з різними значеннями рН (наприклад, 6,5 і 8,2), після чого обчислюють або загальний приріст ЄКО, або приріст ЄКО на одиницю рН.

ЄКО у ґрунтах залежить насамперед від гранулометричного складу, домінуючої групи глинистих мінералів та вмісту гумусу. Зокрема, ЄКО у гумусових і елювіальних горизонтах дерново-підзолистих ґрунтів змінюється від 1,4-3,2 до 4,2-6,0 м-екв/100 г або ммоль (+)/100 г ґрунту і залежить переважно від зростання ступеня гумусованості (табл. 5.2). В ілювіальних горизонтах ЄКО зростає унаслідок поважчання гранулометричного складу цих горизонтів (табл. 5.2).

Таблиця 5.2

Ємність катіонного обміну різноманітних ґрунтів (за Н. П. Ремезовим, 1989)

Ґрунт	Генетичний горизонт	Глибина, см	ЄКО м-екв/100 г ґрунту
Дерново-середньопідзолисті супіщані ґрунти на шаруватих водно-льодовикових пісках	НЕорн E(h) IE IE Pi	0-10 18-26 50-60 75-85 100-120	3,2 1,4 1,2 1,3 1,3
Дерново-середньопідзолисті легкосуглинкові ґрунти на морені	HEорн E I Ip IP P	0-11 32-42 53-63 73-83 93-103 140-150	4,2 6,0 14,8 12,2 13,2 15,6
Ясно-сірі лісові пилувато-легкосуглинкові ґрунти на лесоподібних суглинках	HEорн Eh I1(h) I2 Pk	0-10 22-27 41-51 85-95 140-150	14,0 15,0 13,0 17,0 14,8
Сірі лісові пилувато-суглинкові ґрунти на лесоподібних суглинках	Heорн Ieh I1(h) I2	0-10 22-27 30-35 47-52	14 15 13 17
Чорнозем типовий суглинковий на лесах	H H H H	4-10 10-30 40-50 56-65	74 63 63 58

Достатньо наближеними за змістом до ЄКО поняттями є сума обмінних катіонів і сума обмінних основ. Обмінними вважають будь-які катіони у складі ҐВК, які здатні до обміну на інші катіони. До обмінних катіонів зачислюють H⁺, Al³⁺, Ca²⁺, Na⁺ та ін.

Обмінними основами називають обмінні катіони (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺), кислотні властивості яких виражені надзвичайно слабо, тому вони, як кислоти, не впливають на властивості системи. Водночас, за умови заміщення в ҐВК катіонів з чітко вираженими кислотними властивостями (H⁺, Al³⁺), обмінні основи “нейтралізують” ҐВК. Власне тому обмінні Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺ ґрунтознавці називають “обмінними основами”.

Ґрунти, у складі обмінних катіонів яких відсутні катіони з чітко вираженими кислотними властивостями (H⁺, Al³⁺), називають ґрунтами, насиченими основами. Ґрунти, до складу ҐВК яких входять обмінні катіони з чітко вираженими кислотними властивостями, називають ґрунтами, ненасиченими основами.

Показники катіонообмінних властивостей використовують для характеристики ступеня вираженості деяких ґрунтових процесів. Зокрема, ступінь солонцюватості ґрунтів оцінюють за часткою (%) обмінного (увібраного) Натрію від ЄКО або суми обмінних основ, ступінь насичення ґрунтів основами − за часткою (%) обмінних основ від ЄКО або суми обмінних катіонів.