17. Почвенные коллоиды. Строение, состав, свойства.

Коллоиды представляют собой наиболее дисперсную часть твердой фазы почвы, размеры их лежат в пределах 0,001—0,2 мкм.

В коллоидной химии за верхнюю границу диаметра коллоидных частиц принимают величину 0,1 мкм, в почвоведении — 0,2 мкм. В общем, это условные границы и они не имеют принципиального характера. Существенно то, что начиная с этих размеров резко возрастает адсорбционная емкость почвенных частиц благодаря быстрому росту их удельной поверхности.

Коллоиды не только поглощают и удерживают ионы и органические вещества, но и служат цементом для более крупных частиц и агрегатов, влияя таким образом на структуру почвы, от которой зависит ее водно-воздушный режим.Коллоиды образуются в процессе выветривания и почвообразования либо путем раздробления крупных частиц до коллоидных размеров или же за счет соединения молекул и ионов до размеров коллоида. Содержание их в почве различно — от 1—2 до 30—40% к массе почвы. В воде они образуют коллоидные растворы или системы, состоящие из дисперсной фазы (масса коллоидных частиц) и дисперсионной среды (почвенный раствор).

Состав почвенных коллоидов. По вещественному составу коллоиды почвы бывают минеральные, органические и органо-минеральные. В большинстве своем минеральные коллоиды представлены вторичными минералами. Часть из них находится в кристаллическом состоянии. Это прежде всего глинистые минералы: монтмориллонит, каолинит, вермикулит, гидрослюды и др. Кроме них в коллоидной фракции всегда присутствует небольшая примесь тонкодисперсных первичных минералов, главным образом кварца и слюд, не проявляющих коллоидные свойства. Широко представлены в почвах, особенно влажных субтропических и тропических областей, минеральные коллоиды аморфной природы. Это аллофаны, коллоидные формы кремнезема, гидроксиды алюминия, железа и марганца.

Органические коллоиды состоят преимущественно из гумусовых веществ. В коллоидно-дисперсном состоянии могут находиться полисахариды, белки, лигнин и некоторые другие соединения, а также клетки наиболее мелких бактерий, диаметр которых лежит в пределах размеров коллоидных частиц.

Органо-минеральные коллоиды представлены гуматами кальция, продуктами взаимодействия гумусовых веществ с глинистыми минералами, осажденными формами полуторных оксидов и другими соединениями. В почвах присутствуют многочисленные комплексные минеральные и органо-минеральные соединения коллоидной природы, образующиеся при совместном осаждении двух или нескольких веществ. Сюда относятся кремне-алюминиевые и кремне-железистые образования, железисто-марганцевые, органо-железисто-марганце- вые и другие соединения. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, составляющие 85—90% их общей массы.

Строение коллоидов. Основу коллоида составляет ядро — внутренняя часть коллоида, представляющее собой аморфное или кристаллическое вещество различного химического состава. На поверхности ядра находится слой ионов, несущих заряд . Ионы, расположенные на поверхности ядра и несущие заряд, называются потенциалопределяющими, а ядро со слоем ионов — гранулой. Появление заряда у различных коллоидов связано с их химическим составом и структурой. У глинистых минералов наличие отрицательного заряда обусловлено свободными валентностями краевых ионов кислорода кристаллической решетки.

Возникновение заряда возможно за счет диссоциации ионов поверхностного слоя в окружающую среду. Это типично для коллоидов органической природы (гуминовые и фульвокислоты), коллоидных форм кремниевой кислоты, гидроксидов железа и алюминия. Так, в кислой среде коллоидный гидроксид железа приобретает положительный заряд вследствие диссоциации в раствор гидроксильного иона. Ион ОН- соединяется с водородом почвенного раствора в молекулу воды, а на поверхности коллоида остается некомпенсированный положительный заряд.

Между гранулой и окружающим раствором на границе раздела фаз возникает термодинамический потенциал, и под действием электростатических сил из раствора притягиваются ионы противоположного знака, образуя компенсирующий слой ионов. Вокруг ядра коллоида образуется двойной электрический слой, состоящий из слоя потенциалопре- деляющих и слоя компенсирующих ионов.

Часть ионов компенсирующего слоя прочно удерживается электростатическими силами и образует неподвижный слой, находящийся в непосредственной близости к межфазной поверхности на молекулярном расстоянии от поверхности ядра. Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называется частицей. Другая часть ионов компенсирующего слоя благодаря тепловому движению, стремящемуся равномерно распределить их во всем объеме, удалена от поверхности ядра на расстояние, превышающее молекулярное. Эти ионы образуют диффузный слой, толщина которого в разбавленных растворах колеблется от 0,001 до 0,01 мкм. Концентрация ионов с зарядом, противоположным заряду коллоида, убывает по мере удаления от его поверхности, при этом уменьшается и связь ионов с коллоидом. На определенном расстоянии силы электростатического притяжения уравновешиваются силами теплового движения и концентрация ионов с различными зарядами выравнивается. Это расстояние и определяет толщину диффузного слоя. Между коллоидной частицей и окружающим раствором возникает электрокинетический или дзета-потенциал, под влиянием которого и находятся ионы диффузного слоя. Коллоидная частица вместе с диффузным слоем ионов называется мицеллой. Коллоидная мицелла электронейтральна, однако поскольку основная масса ее принадлежит грануле, заряд последней и рассматривается как заряд коллоида.