Физико-химическая поглотительная способность. Строение почвенных коллоидов

Физико-химическая, или обменная поглотительная, способность состоит в том, что почва способна обменивать некоторую часть ка­тионов (или анионов), находящихся на поверхности твердых час­тиц, на эквивалентное количество катионов (или анионов), находя­щихся в растворе, соприкасающемся с этими частицами. Это явле­ние называется физико-химической адсорбцией, при которой в отличие от физической поглощаются не целые молекулы, а отдельные ионы (катионы или анионы). Оно связано с наличием на поверхности коллоидных частиц положительного или отрицательного потенциал - определяющего электрического заряда.

Вследствие наличия на поверхности коллоидных частиц заряда Распределение ионов в растворе вблизи каждой частицы происхо­дит не только в результате молекулярного теплового движения, но ^и под влиянием электростатических сил, притягивающих противоположно заряженные ионы к твердой частице. В результате об­разуется двойной электрический слой, внутреннюю обкладку которого образуют потенциалобразующие ионы, а внешнюю — ком­пенсирующие ионы противоположного заряда. Силы молекулярного теплового движения стремятся распределить ионы в растворе равномерно.

В результате этих противоположно действующих сил (электро­статических и теплового движения) вокруг твердых коллоидальных частиц в растворе устанавливается равновесие, аналогичное изме­нению плотности газа под влиянием силы тяжести. Концентрация ионов с зарядом, противоположным заряду частиц, убывает по мере удаления от ее поверхности, уменьшается в этом направлении и связь ионов с частицей. Непосредственно около заряженной части­цы, на поверхности которой находится слой потенциалопределяющих ионов, концентрируется наиболее прочно связанный с части­цей неподвижный слой адсорбированных компенсирующих ионов.

Часть ионов противоположного заряда удалена от частицы и находится в пределах окружающей коллоидную частицу ионной ат­мосферы. Это диффузный слой ионов. На определенном расстоя­нии от твердой частицы, где сила электростатического притяжения оказывается равной силе теплового движения ионов, концентрация ионов с различными зарядами выравнивается. Это расстояние оп­ределяет толщину диффузного слоя.

Таким образом, коллоид имеет сложное строение (рис. 9.1). Его внутренняя часть, состоящая из агрегата молекул аморфного или кристаллического вещества, называется ядром. Ядро с потенциал- определяющим слоем ионов на поверхности называется гранулой, а гранула вместе со слоем неподвижных противоионов — частицей, а если сюда присоединить еще и слой диффузных противоионов — мицеллой.

Знак заряда твердых частиц приблизительно может быть опре­делен правилом Коэна, согласно которому твердое тело получает отрицательный заряд, если его диэлектрическая постоянная мень­ше диэлектрической постоянной соприкасающейся с ним жидко­сти. Диэлектрическая постоянная чистой воды равна 81, а боль­шинства минералов — 5—6, что и обусловливает их преимущественно отрицательный заряд.

Если ядро мицеллы состоит из кристаллического вещества, по­явление заряда на его поверхности может быть следствием разруше­ния кристаллической решетки и появления на поверхности оста­точных некомпенсированных связей.

Отрицательный заряд у коллоидов глинистых минералов появ­ляется вследствие изоморфного замещения в кремнекислородных тетраэдрах Si⁴⁺ на А1³⁺, а в алюмокислородных октаэдрах — части Al ³⁺ на Mg ²⁺ кристаллов. Кроме того, заряд может появляться вследствие нарушения связей на поверхности кристаллов в пластинчатых кристаллах на боковых (торцовых) поверхностях.

В случае если ядро коллоидной мицеллы сложено аморфным веществом, появление положительного или отрицательного заряда связано с диссоциацией молекул, образующих поверхностный слой, и удалением одного из отдиссоциированных ионов с поверхности в слой неподвижных или диффузных ионов. Участие отдиссоциированного иона в обменных химических реакциях, в результате кото­рых образуются менее диссоциированные и менее растворимые со­единения, способствует образованию связанного с ядром слоя не­компенсированных ионов, определяющих заряд коллоида. Так, коллоиды гидроксидов железа Fe(OH)₃ и алюминия А1(ОН)₃ в кис­лой среде при наличии в растворе ионов водорода Н⁺ заряжаются положительно благодаря диссоциации молекул, находящихся на поверхности, по следующему типу:

Fe(OH)₃ <=> Fe(OH)₂⁺ + ОН"

А1(ОН)₃ <=> А1(ОН)₂⁺ + ОН-

В раствор диссоциирует гидроксильный ион, где он соединяет­ся с имеющимися там ионами Н⁺ в нейтральную молекулу воды (Н⁺ + ОН —» Н₂O). На поверхности коллоидов остается некомпен­сированный положительный заряд.

Если коллоиды гидроксидов железа и алюминия соприкасаются с щелочным раствором, в котором уже имеются ионы ОН", диссо­циация по рассмотренному выше типу подавляется. В этом случае молекулы поверхностного слоя диссоциируют по типу кислот:

H₃FeO₃ <=> H₂FeO₃- + Н⁺

Н₃А1O₃ <=> Н₂А1O - + Н⁺

В данном случае отдиссоциированный ион водорода соединяет­ся с имеющимися в растворе ионами ОН; образуется нейтральная молекула воды, а на поверхности коллоида возникает отрицатель­ный заряд.

Появление положительного или отрицательного заряда у раз­личных коллоидов связано в значительной мере с химическим со­ставом, а в кристаллоидах — со структурными особенностями кол­лоидального вещества.

Коллоидальный кремнезем в щелочной среде обычно имеет от­рицательный заряд, так как диссоциация поверхностных молекул SiO₂ • H₂O идет по типу Н⁺ — HSi0₃^-, отдиссоциированный водород соединяется с ОН^- растворов в молекулу воды, на поверхности ядра остается отрицательный заряд. В сильнокислой среде диссоциация Н⁺ подавляется и коллоид становится электронейтральным. Так же ведут себя и коллоиды гумусовых веществ, представляющих, как было показано ранее (см. гл. 8), сложные высокомолекулярные мно­гоосновные органические кислоты.

Коллоиды гуминовых кислот имеют отрицательный заряд вслед­ствие диссоциации части водорода карбоксильных (СООН) и фенолгидроксильных (ОН) групп: — (СОО^-) — Н⁺, — (О^-) — Н⁺.

В кислой среде при подавлении диссоциации водорода (уже имеющимися в растворе ионами водорода) коллоид гуминовой кис­лоты становится электронейтральным.

Коллоиды, имеющие в. потенциалопределяющем слое отрица­тельный заряд, называются ацитоидами если заряд потенциалопределяющего слоя положительный, коллоиды относятся к группе 6азоидов; если же он может изменяться при разных кислотно-щелочных условиях среды (как, например, в случае гидроксидов железа и алюминия), коллоиды принадлежат к группе амфолитоидов.

Расположенные в поле электростатического воздействия заряда противоионы (катионы в случае отрицательно заряженных, анио­ны — в случае положительно заряженных коллоидов) могут уча­ствовать в реакциях обмена на ионы того же знака, находящихся в межмицеллярном растворе. Обмен ионами идет в эквивалентных количествах; одни из них поглощаются и исчезают из межмицеллярного раствора, взамен им появляются другие, находящиеся в диффузном слое и слое неподвижных противоионов коллоидной мицеллы. Эти явления получили название физико-химического по­глощения и обмена.

От обычных реакций химического обмена эти реакции отлича­ются тем, что идут лишь на поверхности коллоидов и не затрагива­ют молекулы, образующие внутренность ядра коллоида, т. е. реак­ции, осуществляются между твердой частицей и раствором.