Питання для самопідготовки:

1. Які показники відносяться до загальних фізичних властивостей ґрунтів? 2. В яких межах коливається поруватість ґрунтів. Які види та категорії поруватості виділяють? 3. На які показники впливає поруватість ґрунту? 4. Які показники відносяться до фізико-механічних властивостей ґрунту? 5. Як розрахувати набухання та осідання ґрунту? Від чого залежать ці показники? 6. Від чого залежить зв’язність ґрунту? 7. Що таке питомий опір ґрунту і від чого він залежить?

Розділ 5. Вбирна здатність ґрунтів

5.1. Ґрунтові колоїди, їх склад, будова та властивості

Найважливіші властивості ґрунту - загальні фізичні, фізико-механічні, водні, повітряні значною мірою залежать від найбільш дрібної фракції в складі твердої фази, тобто ґрунтових колоїдів.

До колоїдів відносяться частки розміром від 0,2 до 0,001 мкм. За своїми властивостями вони наближаються до окремих молекул. Ці частки здатні проходити через фільтри, здатні до броунівського руху, не випадають в осад, утворюють у воді колоїдні розчини.

Колоїди – це двохфазна система, яка складається із дисперсної фази (колоїдні частинки) та дисперсного середовища (ґрунтовий розчин). Оскільки тверда фаза ґрунту складається з мінеральної, органічної й органо-мінеральної частин, колоїди ґрунтів за своїм походженням і складом бувають мінеральними, органічними та органо-мінеральними. В природних умовах вони утворюються двома шляхами: дисперсійним - в результаті подрібнення більш крупних часток, та конденсаційним – внаслідок хімічного чи фізичного поєднання молекул та іонів.

Мінеральні колоїди представлені кристалічними або аморфними сполуками. Вони - складова частина переважно вторинних міне-ралів та частково первинних мінералів (кварц, слюди).

Кристалічні вторинні мінерали представлені смектитами (монт-морилоніт, нонтроніт бейделіт), гідрослюдами (біотит, мусковіт, іліт тощо), групою каолініту (каолініт, галуазит), змішано шарува-тими мінералами, півтораоксидами тощо.

Аморфні мінерали представлені гідрооксидами феруму, алюмі-нію, силіцію. В мінеральних ґрунтах переважають кристалічні колоїди (до 90%), аморфних колоїдів - 10-13%.

Органічні - представлені, в основному, гумусовими речовинами (гумінові кислоти, фульвокислоти та їх солями типу хелатних сполук). Вони характеризуються високою дисперсністю та підвище-ною здатністю до обмінних реакцій.

Органо-мінеральні - комплексні - сполуки змішаного складу утворились внаслідок хімічної взаємодії гумусових кислот з вторинними мінералами.

Ґрунт, пронизаний порами і порожнинами, що містять у різних співвідношеннях воду і повітря - це не тільки багатофазна, але й дисперсна система, яка складається з дисперсійного середовища, у якому розподіляється речовина, і дисперсної фази - речовини, що розподілена в дисперсійному середовищі.

В залежності від ступеня подрібнення дисперсної фази, дисперсні системи бувають у вигляді суспензій (емульсій), коли діаметр часток дисперсної фази більше 0,1 мкм; колоїдних систем - коли діаметр часток дисперсної фази знаходиться в інтервалі 0,1-0,001 мкм (10^-4–10^-6 мм) та справжніх розчинів - коли частки дисперсної фази менше 0,001 мкм. В ґрунтознавстві умовно до колоїдів відносять частки, розмір яких менше 0,001 мм. Із подрібненням речовини (при постійній її масі) у дисперсних системах відбувається різке збільшення загальної і питомої поверхні її часток (табл. 5.1).

Таблиця 5.1

Збільшення поверхні тіла при його подрібненні

(за О. Н. Соколовським)

Довжина ребра куба, см	Кількість кубиків	Загальна поверхня, см2	Питома поверхня, см-1	Периметр, см
1	1	6	6	12
1 х 10-1	103	6 х 10	6 х 10	12 х 102
1 х 10-2	106	6 х 102	6 х 102	12 х 104
1 х 10-3	109	6 х 103	6 х 103	12 х 106
1 х 10-4	1012	6 х 104	6 х 104	12 х 108
1 х 10-5	1015	6 х 105	6 х 105	12 х 1010
1 х 10-6	1018	6 х 106	6 х 106	12 х 1012
1 х 10-7	1021	6 х 107	6 х 107	12 х 1014
1 х 10-8	1024	6 х 108	6 х 108	12 х 1016

Велика питома поверхня і її здатність взаємодіяти із зовнішнім середовищем - істотна властивість колоїдних частинок ґрунту. На їх поверхні є значно більше активних молекул, атомів і іонів, ніж на поверхні більших за розмірами частинок (табл. 5.2).

Таблиця 5.2

Роль фракцій механічних елементів у формуванні загальної поверхні середньо суглинкового ґрунту

Розмір часток, мм	Назва фракцій	Вміст фракції, % в 1 г ґрунту	Загальна поверхня, м2 на 1 г ґрунту	Частка загальної поверхні, %
0,25-0,05	Пісок дрібний	17	0,5	0,2
0,05-0,01	Пил крупний	50	4,1	1,7
0,01-0,005	Пил середній	20	9,9	4,1
0,005-0,001	Пил дрібний	6	12,7	5,2
0,001-0,0001	Мул	3	18,8	7,8
<0,0001	Колоїди	4	194,0	81,0
Сума		100	240,0	100

Крім зовнішньої поверхні, таким специфічним колоїдним речовинам ґрунтів, як гумус і вторинні глинисті мінерали, притаманні і так звані внутрішні поверхні міжпакетного простору. Останні суттєво збільшують загальну поверхню вторинних мінералів. В результаті теоретично 1 г каолініту, має загальну поверхню 80 м², а 1 г монтморилоніту - 800 м².

В наслідок високої дисперсності колоїдних часток та великої загальної поверхні, вони характеризуються великою поверхневою енергією іонів, що розташовані на поверхні часток. Поверхнева енергія утворюється за рахунок некомпенсованих валентностей поверхневих іонів. Поверхневі іони твердих частинок відрізняються від іонів, що містяться в середині частинки: якщо в останніх валентності абсолютно насичені зв'язками у кристалічній peшітці іонами протилежного знака, що оточують їх, то в іонів, що на поверхні, валентності насичені не повністю. За рахунок цих ненасичених валентностей з розчину притягуються до поверхні такі іони, що можуть добудувати кристалічну решітку. В результаті цього між колоїдними частками (дисперсна фаза) та ґрунтовим розчином (дисперсне середовище) відбувається електрична взаємодія. Навкруги колоїдної частки утворюється подвійний електричний шар із протилежно заряджених часток.

Заряджені частки, що абсорбуються на поверхні колоїдів за рахунок вільної поверхневої енергії утворюють внутрішній електричний шар частки. Він отримав назви потенціалвизначальний шар. Така заряджена частка притягує до своєї поверхні протилежно заряджені іони, які утворюють другий зовнішній шар заряджених часток. Така колоїдна частка з подвійним шаром іонів називається міцелою.

Сучасні уявлення про природу вільної енергії на поверхні колоїдних часток, характер їх взаємодії з дисперсним середовищем розроблено М.І. Горбуновим. Для їх пояснення М.І. Горбунов запропонував фізичну модель будови колоїдної частки разом з іонами дисперсійного середовища, з якими вона взаємодіє за рахунок електричних сил, що виникають на її поверхні.

Вважається, що колоїдна міцела складається з трьох зон: ядра, внутрішнього шару потенціалвизначаючих іонів, що міцно зв'язаний з ядром, і зовнішнього шару компенсуючих іонів (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема будови колоїдної міцели (за М. І. Горбуновим).

Ядро - визначає хімічний склад та властивості колоїдної міцели. Подвійний електричний шар на поверхні ядра утворюється за допомогою зовнішніх молекул самого ядра та шляхом поглинання зовнішніх іонів з дисперсійного середовища. Ядро частки, завдяки силам, походження яких пов'язане з некомпенсованими (ненасиче-ними) валентностями атомів на гранях і ребрах частки, абсорбує іони дисперсійного середовища, які утворюють на його поверхні потенціалвизначаючий шар іонів. Ядро разом з іонами потенціал-визначаючого шару називають гранулою. В залежності від знака заряду іонів, сорбованих ядром у потенціалвизначаючому шарі, гранула може мати позитивний або негативний заряд. У першому випадку гранула буде сорбувати, „притягувати” негативні іони, в другому – позитивні заряди.

Іони, що розташовані ближче до периферії від потенціалвиз-начаючого шару мають протилежний йому заряд і утворюють шар компенсуючих іонів, або шар протиіонів. Шари потенціалвиз-начаючих і компенсуючих іонів разом утворюють подвійний елект-ричний шар. Компенсуючі іони, що розташовані безпосередньо поблизу іонів потенціалвизначаючого шару, утворюють нерухомий шар, за яким розміщується зовнішній - дифузний шар іонів, що поступово переходить у інтерміцелярний розчин.

Гранула разом із нерухомим шаром компенсуючих іонів утворює колоїдну частку, яку разом з оточуючим її дифузним шаром іонів називають колоїдною міцелою. Колоїдна міцела електрично нейтральна. Головна її маса належить гранулi, тому заряд останньої розглядається як заряд усього колоїду. Поява заряду може відбу-ватися двома шляхами: шляхом адсорбції ioнів з оточуючого сере-довища або шляхом виділення іонів молекулами самої частники.

Властивості колоїдів. Частки речовини, подрібнені до pозмipy колоїдів, мають ознаки, не властиві грубим дисперсним (пиловидним i піщаним) частинкам i дійсним розчинам. Важливою ознакою колоїдів є їх властивість вступати в хімічні реакції з різними сполуками у розчиненому та i нерозчинному виді. У вигляді істинних розчинів солі та інші сполуки вступають в реакцію всією масою, а у колоїдів – лише ті молекули або іони, які є на поверхні колоїдної частинки. Зокрема, на поверхні таких частинок утворюється поверхнева енергія у зв'язку з тим, що молекули і атоми, які знаходяться в середині них, перебувають в інших умовах, ніж ті, що є на поверхні. Ці молекули й атоми мають вільну енергію, яка може утримувати воду та поживні речовини. Колоїди ґрунту мають властивість диспергуватись (подрібнення) i коагулюватись (укрупнения).

Таким чином, гранула і колоїдна частка проявляють заряди протилежного знака. У той же час колоїдна міцела в цілому є електронейтральною. Однак, під впливом теплового руху, або при зміні концентрації іонів у дифузному шарі останній постійно зміщується відносно менш рухомої гранули.

При зміщенні більш рухомого дифузного шару відносно неру-хомо пов'язаного шару іонів колоїдної частки, на поверхні розділу твердої і рідкої фаз фактично виникає різниця потенціалів, частина якої вимірюється величиною так званого дзета-потенціалу (в мілі-вольтах). Іони дифузного шару рухомі і вступають в обмінні реакції з іонами ґрунтового міжміцелярного розчину. Ця властивість до їх обміну в значній мірі обумовлює поглинальну здатність ґрунтів. У дисперсійному середовищі колоїдної системи частки дисперсної фази знаходяться у завислому стані, так званому стані золя.

Стійкість колоїдної системи залежить від електрокінетичного потенціалу часток і від їх гідратованості: чим вище електрокіне-тичний потенціал колоїдних часток, тим більш стійкою є колоїдна система. Величина дзета-потенціалу залежить від концентрації електроліту, що оточує колоїдні частки, і від валентності іонів у його розчині. У дуже слабких розчинах відбувається його поступове зменшення.

Внаслідок броунівського руху колоїдні частки можуть стикатися одна з одною і під дією електричних сил притягання протилежного заряду з'єднуватися між собою. Однак при цьому колоїдні частки повинні підійти на відстань, при якій сили притягання будуть сильніші за сили відштовхування. Дифузний шар іонів, а також водний гідратний шар, є перешкодою для зближення часток, що рухаються. Для достатньої ефективності зіткнення (злипання) часток товщина дифузного шару повинна бути різко зменшена. Ці закономірності поведінки колоїдних часток пояснюють явища їх гідратованості (молекулами води – як дисперсійного середовища).

Ступінь гідратації неорганічних негативно заряджених ґрунтових колоїдів обумовлений і видом катіонів, що знаходяться на їх поверхні.

Гідратованість іонів, у свою чергу, значною мірою залежить від їх діаметру і валентності. При однаковій валентності з двох іонів більш гідратований той, діаметр якого менше. Двовалентні катіони, які є більш гідратованими, слабкіше дисоціюють від ґрунтових частинок, ніж одновалентні.

На гідратованість органічних колоїдів впливає наявність у них гідрофільних або гідрофобних радикалів. Гідрофільні - це радикали ОН - СОН = СО - СООН - Н₂ - НСО -; гідрофобні - СН = СН₂, - СН₃ - СН₂ - С₆Н₅ (обумовлюють низьку гідратованість колоїдів). Біль-шість органічних колоїдів проявляє стійкість золів завдяки гідрато-ваності їх часток. В процесі природного або термічного старіння (висушування) органічні золі втрачають гідратаційні властивості.

У розчиненому стані (стані золя) ґрунтові колоїди: гумус, глина можуть переміщатись з потоком води по профілю ґрунту, змінюючи його забарвлення, щільність та склад, а після осадження (коагуляції) акумулюватися в певних зонах, утворюючи горизонти ґрунтового профілю з характерними для них водно-фізичними та іншими властивостями.

Колоїдні частки у розчиненому стані в дисперсійному середо-вищі (рідині) можуть знаходитись до тих пір, доки не почнуть об’єднуватися у більші згустки або агрегати. Умова такого „зли-пання” та укрупнення розмірів часток - зниження дзета-потенціалу і гідратованості часток. Після цього колоїдна система зі стану золя переходить у стан гелю (осаду). Процес переходу колоїдної системи із стану золя у стан гелю (осаду) називають коагуляцією.

У природних умовах коагуляція ґрунтових колоїдів відбувається внаслідок підвищення концентрації іонів у міжміцелярному розчині і дифузному шарі при надходженні в ґрунт додаткових солей з ґрунтових вод або з атмосфери (електролітна коагуляція), при висиханні і замерзанні ґрунту. При дії на колоїдні частки іонів електролітів (солей, кислот, основ) негативно заряджені колоїдні частки (гумус, глина) коагулюють під дією катіонів, а позитивно заряджені - під впливом аніонів. Коагулююча дія катіонів прямо пропорційна їх діаметру й валентності і обернено пропорційна ступеню їх обводненності (гідратованності).

Процес електролітичної коагуляції розпочинається при певній концентрації електроліту. Цю концентрацію називають порогом коагуляції. Як правило, чим вище валентність катіона електроліту, тим нижче значення порога коагуляції.

У більшості ґрунтів, насичених двовалентними катіонами, головним коагулятором виступає іон кальцію. Його присутність завжди підсилює стан гелю (сприяє стійкості колоїдного осаду).

Коагуляція ґрунтових колоїдів (гумусу й глини) може відбуватися не тільки при зменшенні дзета-потенціалу системи під дією іонів протилежного знака заряду, що знаходяться в міжміцелярному розчині електролітів, але і при взаємодії часток протилежного знака заряду (взаємна коагуляція).

Пептизація ґрунтових колоїдів - явище протилежне коагуляції. При пептизації відбувається розукрупнення, тобто повторне здрібнення часток дисперсної фази. Цей процес обумовлений зміною електричного потенціалу колоїдних часток та збільшенням ступеня їх гідратації. Сприяє пептизації колоїдних часток насичення їх одновалентними катіонами (К⁺, Na⁺, ОН^-). Такі системи сильно гідратуються та стійкі до коагуляції. Сильну пептизуючу дію на ґрунтові колоїди гумусу й глини має сода (Nа₂СО₃ і NaHCO₃). Пептизація колоїдів глини підсилюється захисною дією гідрофільних колоїдів гумусу, які оточують їх частинки. Багатовалентні катіони (Са²⁺, Мg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺) навпаки посилюють процеси коагуляції та седиментації ґрунтових колоїдів.

Колоїди здатні переходити із стану золя в гель та навпаки називаються оберненими. Разом з тим, у ґрунтах міститься багато колоїдів, які після коагуляції стають гідрофобними та важко пептизуються – це не обернені колоїди.

По відношенню до основного розчинника - води, колоїди поділяються на гідрофільні та гідрофобні. Гідрофільні колоїди здатні сильно гідратуватися та утворюють потужні гідратні оболонки (це колоїдні частки утворені силіцієвою кислотою, гумусовими кислотами, білками). Гідрофільність залежить не тільки від хімічного складу, але й від складу увібраних катіонів на поверхні колоїдних частинок. Ґрунти, що містять монтморилоніт і мають відносно підвищений вміст гумусу й увібраного натрію, проявляють велику гідрофільність. Такі колоїди більш стійкі проти коагуляції. Насичений кальцієм гумус утворює гумат кальцію, при цьому він майже втрачає властивості зворотного колоїду і, виступаючи як речовина, що склеює структурні агрегати, обумовлює їх водостійкість (в чорноземних ґрунтах).

Гідрофобні колоїди слабо поглинають воду та погано гідратуються (це переважна більшість мінеральних колоїдів). Fe(ОН)₃, А1(ОН)₃ і колоїдний розчин СаСО₃, характеризуються слабкою гідратованістю і відносяться до гідрофобних. Після коагуляції вони майже не пептизують і є незворотними, обумовлюючи міцність грудкуватої структури в ілювіальних горизонтах підзолистих ґрунтів.

Ґрунтові колоїди можуть мати позитивний і негативний заряди. До негативно заряджених колоїдів більшості ґрунтів помірних широт відносять гумус і колоїди глинистих мінералів. Позитивний заряд властивий колоїдам гідроксидів феруму, алюмінію, трифосфатів кальцію і білковим сполукам.

У залежності від знака заряду, а також від того, яку реакцію ґрунтового середовища обумовлюють колоїди, їх поділяють на:

- ацидоїди - колоїди гумусу й сіліцієвих кислот, які мають негативний заряд та дисоціюють у навколишній розчин катіон H⁺, внаслідок чого розчин підкислюється;

- базоїди - колоїдні розчини гідрооксидів феруму й алюмінію, які мають позитивний заряд та дисоціюють у навколишній розчин аніони ОН ^- надаючи йому лужної реакції;

- амфолітоїди – колоїди з подвійною функцією які здатні змінювати заряд. Дані колоїди ведуть себе подібно до амфотерних сполук дисоціюючи, в залежності від реакції середовища, іони Н⁺ або ОН ^-. При кислій реакції розчину такі колоїди дисоціюють іони ОН ^-, а при лужній – іони Н⁺. Амфолітоїдні властивості проявляють гідроксиди алюмінію, феруму, білкові сполуки ґрунту, гумусу, комплексні сполуки.

Колоїди ґрунту - активний фактор структуроутворення, отже вони в значній мірі обумовлюють фізичні, фізико-механічні, фізико-хімічні властивості грунтів, особливості формування поживного, повітряного, водного та теплового режимів. Ґрунтові колоїди обумовлюють одну з важливих властивостей ґрунту - його вбирну здатність.