Запитання для самоперевірки:

1. В чому полягає подібність і відмінність ґрунтів і порід за хімічним складом?

2. Які хімічні елементи переважають у ґрунті?

3. Як впливає хімічний склад порід і ґрунтів на ґрунтоутворення?

4. Порівняйте вміст вуглецю у ґрунтах і літосфері та визначте причину розбіжності.

5. Опишіть основні мікроелементи, що зустрічаються в ґрунтах, їх значення для живлення рослин.

Література:

1. Назаренко І.І., Польчина С.М., Нікорич В.А. Ґрунтознавство: Підручник. – Чернівці: Книги – ХХІ, 2008. – 400 с.

2. Ґрунтові колоїди та поглинальна здатність ґрунту

Мета: розвинути у студентів навики самостійної роботи з технічною літературою, вміння вибирати головне, узагальнити і систематизувати знання.

Завдання:

1.Прочитати текст.

2.Скласти конспект.

3.Відповісти на запитання для самоперевірки.

План:

1. Склад ґрунтових колоїдів та їх головні ознаки.

2. Фізичний стан ґрунтових колоїдів.

3. Природа та види поглинальної здатності ґрунтів.

4. Ґрунтовий поглинальний комплекс та його характеристики.

5. Екологічне значення поглинальної здатності.

2.1. Склад ґрунтових колоїдів та їх головні ознаки

О.Н.Соколовський - батько українського ґрунто­знавства, засновник і перший директор Науково-дослідного інсти­туту ґрунтознавства та агрохімії (тепер національний науковий центр "Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського"), автор першого підручника українсь­кою мовою "Курс сільськогосподарського ґрунтознавства" (1934) і "Сельскохозяйственное почвоведение" (1956). Досліджу­ючи склад і властивості гумусу, він дійшов висновку: "яким би не був хімічний склад гумусу, головна його властивість - колоїдність". О.Н.Соколовський поділив гумус ґрунтів на дві групи: актив­ний і пасивний. Зразок ґрунту оброблявся 0,1 н розчином NаСl; гумус, який перейшов після обробки до розчину, він назвав актив­ним - ця фракція гумусу може рухатися по профілю, покривати струк­турні відокремлення тоненькою плівкою тощо. Та частина гумусу, яка не переходить (не пептизується) до розчину навіть після дії натрію (розчину NаС1) на ґрунтовий зразок, називається пасив­ною. Останній вид гумусу має важливе значення для утворення аг­рономічно-цінної структури з розміром агрегатів від 0,25 мм до 7-10 мм. Особлива його здатність - забезпечення водостійкості струк­тури, тобто здатності не руйнуватися під дією дощової води. Отже, О.Н.Соколовський обґрунтував роль і значення у ґрунтоутворюючих процесах активного і пасивного гумусу або активних і пасив­них колоїдів у житті ґрунту.

Дослідженням поглинальної здатності ґрунтів активно займався К.К.Гедройц, який розв'язував цю проблему впродовж 1908-1932 рр. Результати досліджень були опубліковані в науковій праці "Вчення про поглинальну здатність ґрунтів" (1922); поряд із механічною, хімічною, фізичною і біологічною поглинальними здатностями ґрунтів мін виділив найголовнішу - фізико-хімічну, яка зв'язана з властиво­стями ґрунтових колоїдів і залежить від їх речовинного складу.

Ґрунт - полідисперсна система, а його найдрібніші частинки (роз­міром менші за 0,0001 мм) називаються ґрунтовими колоїдами. Цей термін уведений англійським ученим Томасом Гремом. Утворюються колоїди шляхом диспергації крупних часток або конденсації молекул в агрегати. На основі досліджень К.К.Гедройца й О.Н.Соколовського можна визначити речовинний склад ґрунтових колоїдів: він може бути органічним, мінеральним і органо-мінеральним.

Органічні колоїди - гумус, до складу якого входять фульвокислоти, гумінові кислоти та їх солі типу хелатів (внутрішньо-комплексні сполуки), з ними ми в певній мірі вже познайомились при вив­ченні гумусу. Мінеральні - це глинисті мінерали, колоїдні форми SіО₂, гідроксиди алюмінію, заліза та кремнієвої кислоти. Органо-мінеральні колоїди утворилися внаслідок з'єднання гумусових кислот із глинистими мінералами. Склад і кількісне співвідношення мінераль­них, органічних і органо-мінеральних колоїдів у ґрунті залежить від характеру ґрунтоутворюючих порід і типу ґрунтоутворення.

Колоїди - це двофазна система, яка складається з дисперсної фази (колоїдні частинки) та дисперсного середовища (ґрунто­вий розчин).

Г.Вігнер запропонував колоїдну частинку назвати колоїдною міцелою. Узагальнена схема будови колоїдної міцели, якій для наочності надана кулеподібна форма, наведена на рисунку . Основу колоїдної міцели складає ядро. Природа ядра визначає поведінку ґрунтових колоїдів. Ядро колоїдної міцели являє собою складну сполуку аморфної або кристалічної будови різного хімічного складу. На поверхні ядра розміщується шар міцно утримуваних іонів із зарядом - шар потенціал-визначаючих іонів. Ядро міцели разом із ша­ром потенціал-визначаючих іонів має назву гранули. Між гранулою й розчином, який оточує колоїд, виникає термодинамічний потенціал Під його впливом із розчину притягуються іони протилежного знака (компенсуючі іони). Навколо ядра колоїдної міцели утворюється подвійний електричний шар, який складається із шару потенціал-визначаючих іонів і шару компенсуючих іонів. Ком­пенсуючі іони розміщуються навколо гранули двома ша­рами: один - нерухомий шар, який міцно утримується електростатичними силами потенціал-визначаючих іонів; зовнішній — дифузний шар, який утримується знач­но меншими силами, і тому може замінюватись іншими катіонами, зумовлюючи цим фізико-хімічну (обмінну) поглинальну здатність ґрунтів. Гранула разом із неру­хомим шаром компенсуючих іонів називається колоїдною частинкою. Між колоїдною частинкою й оточуючим розчином виникає електрокінетичний потенц­іал (дзета-потенціал). Під його впливом знаходиться другий (дифузний) шар компенсуючих іонів, які мають здатність до еквівалентного обміну на іони того самого знака заряду з оточуючого розчину.

Колоїдна міцела електрично нейтральна. Головна маса її нале­жить гранулі, тому заряд останньої розглядається як заряд усьо­го колоїду. Поява заряду може відбуватись двома шляхами: шляхом адсорбції іонів з оточуючого середовища чи шляхом віддисоціації іонів молекулами самої частинки.

Як протікає адсорбція іонів на поверхні колоїдної частинки і чому це явище має місце в ґрунтах? Поверхневі іони твердих части­нок відрізняються від іонів, що знаходяться всередині частинки: якщо у останніх валентності абсолютно насичені зв’язкам з оточуючими їх у кристалічній решітці іонами протилежного знака, то в іонів, що на поверхні, валентності насичені не повністю. За рахунок цих ненасичених валентностей з оточуючого частинку розчину притягуються до поверхні такі іони, що можуть добудувати кристалічну решітку.

Рис. 3 . Схема будови колоїдної міцели (за М .І.Горбуновим)

Спробуємо уявити утворення важкорозчинної солі СаСО₃ при взаємодії розчинів СаСl₂ та Na₂CO₃

СаС1₂ + Na₂СО₃ = СаСО₃ + 2NaCl

Завдяки своїй низькій розчинності карбонат кальцію випадає з розчину в осад, молекули зближуються і формують кристалічну ре­шітку. Ріст кристалів зупиняється із закінченням реакції. Якщо на цей момент у розчині залишиться в надлишку один з компонентів реакції, наприклад СаС1₂, то іони СО₃^2- на поверхні кристалів притя­гуватимуть до себе іони Са²⁺ з розчину. При цьому кожний притяг­нутий іон Са²⁺ витрачатиме на зв'язок з поверхнею лише частину своєї валентності; інша залишається вільною і надає поверхні кристалика позитивний заряд. Частинка оточується позитивно зарядже­ною іонною оболонкою. У цей же час еквівалентна (до адсорбованих іонів Са²⁺) кількість іонів Сl^- електростатичне притягується до по­верхні частинки, утворюючи при цьому другу іонну оболонку. Цим формується зовнішній дифузний шар з негативно заряджених іонів.

Якщо в розчині, що оточує частинку, в надлишку не СаС1₂, а Nа₂СО₃, то добудова кристалічної решітки здійснюватиметься за рахунок адсорбції поверхневими іонами Са²⁺ іонів СО₃^2- з розчину. Як наслідок, частинка буде оточена негативно зарядженим адсорб­ційним шаром, а зовнішній дифузний шар складуть позитивно заряд­жені іони Nа⁺. Аналогічним чином виникає заряд і в таких ґрунтових колоїдах, як Fе(ОН)₃*nН₂О та А1(ОН)₃*nН₂О.

Інший шлях появи заряду пов'язаний з дисоціацією молекул самої частинки. Наприклад, гумінова кислота, віддисоційовуючи Н⁺ своїх карбоксильних груп набуває негативного заряду (за рахунок залишку –СОО^-), а іони Н⁺ утворять навколо частинки зовнішній дифузний шар. Аналогічно виникає негативний заряд на поверхні частинок кремнієвої кислоти, яка також віддисоційовує Н⁺- іон.

Колоїди, які у потенціал-визначаючому шарі мають негативно заряджені іони й Н⁺ - іони в дифузному шарі, що дисоціюють у розчин, називаються ацидоїдами (кислотоподібними).

До таких колоїдів можна віднести розглянуті нами кремнекислоту і гумінову кислоту, а також мінерали групи монтморилоніту.

Колоїди, які мають у потенціал-визначаючому шарі позитивно заряджені іони і відщеплюють у розчин іони ОН^-, називаються базоїдами (лугоподібними).

До них відносяться гідрати оксидів заліза та алюмінію. Проте колоїди гідроксидів заліза, алюмінію, а також протеїну залежно від реакції середовища ведуть себе то як кислота (ацидоїди), то як осно­ва (базоїди).

Колоїди з такою подвійною функцією називаються амфотерни­ми, або амфолітоїдами.

Так, в умовах кислої реакції середовища висока концентрація у розчині водневих іонів пригнічує дисоціацію алюмінію й Н-іонів і робить можливим дисоціацію у розчин ОН-іонів. При лужній реакції гідроксид алюмінію веде себе як кислота й заряд колоїду стає нега­тивним. З підкисленням реакції середовища посилюється базоїдна дисоціація амфотерних колоїдів, із підлуговуванням - ацидоїдна. При деякому значенні рН, яке називається ізоелектричною точкою, або ізоелектричним рН, колоїд посилає в оточуючий його розчин одна­кову кількість катіонів і аніонів, перетворюючись на електричко ней­тральний.

З огляду на той факт, що в едафотопах бореального та суббореального поясів (а відповідно і в ґрунтах України) більшість колоїдів представлені гелями гумусових кислої та кремнезему, ґрунтовий колоїдний комплекс носитиме заряд мінус і мова йтиме про доміну­вання процесів обміну катіонів.

Виникнення заряду у різних колоїдів пов'язане з особливостями їх хімічного складу й структури. Негативний заряд набувають колоїди за рахунок розриву зв'язків і облому пакетів глинистих мінералів, оксидів і гідроксидів заліза та вивільнення валентностей крайових іонів кисню; при ізоморфному заміщенні в кремній-кисневих тетраедрах мінералів чотирьохвалентного кремнію трихвалентним алюмінієм, алюмінію - двовалентним катіонами (залізом, магнієм).

Ґрунтові колоїди характеризуються такими властивостями:

1. Ґрунтові колоїдні системи - дисперсні й гетерогенні; це означає, що в ґрунтовому розчині (який називають дисперсним середовищем) рівномірно розподілені тверді частинки глини, гумусу та інших колоїдів (дисперсна фаза). "Дисперсний" походить від слова "розсіяний". Відомо, що розчини є однофазними (гомогенними) й багатофазними (гетерогенними). Система, яка містить частинки у вигляді молекул або іонів, - однофазна, тому всі молекулярно-іонні розчини відносять до гомогенних однофазних систем, або до істинних розчинів. Дисперсна система, у якій частинки дисперсної фази складаються з великої кількості молекул, є гетерогенною системою. Як приклад гетерогенних дисперсних систем можна навести завис глини у воді, емульсію масла у воді.

2. Між частинками гумусових речовин, глини й водою є поверхня поділу, яка володіє визначеним запасом вільної поверхневої енергії. Це дуже суттєва ознака ґрунтових колоїдів. Цією ознакою гетерогенні системи відрізняються від гомогенних (істинних), у яких поверхня поділу відсутня. Поверхнева енергія може переходити в інші форми: хімічну, теплову тощо.

Змочування розпилених речовин крохмалю, чорнозему, глини, торфового порошку призводить до підвищення їх температури - тепло, що виділяється при цьому, називають теплотою змочування. З піском цього ефекту не відбувається. Теплота змочування - показник величи­ни загальної поверхні й ступеня її гідрофільності. Чим більш дисперсний ґрунт, тим більше виділиться теплоти змочування. Щоб пересвідчитись у цьому, варто лише вийти після літнього дощу і пройтись босоніж по польовій дорозі та її узбіччю, на якому поверхневі частинки менш дис­персні (крупніші), а потім порівняти відчуття. Дорога тепліша.

Поверхнева енергія прискорює хімічні реакції, тобто виявляє каталітичну дію. Наприклад, маємо три пробірки: у першій містить­ся чорнозем, у другій - бурувато-підзолистий ґрунт, у третій - пісок. Добавляємо у кожну з них пероксид водню. У перших двох спостер­ігається активне кипіння - виділяється молекулярний кисень, а у третій цього не буде, бо відсутня поверхнева енергія.

3. Колоїдні частинки мають велику загальну й питому поверх­ню. При збільшенні дисперсності частинок у ґрунті підвищується їх хімічна активність. Вона зв'язана зі збільшенням поверхневої енергії.

4. Колоїдні розчини здатні розсіювати світлові промені, ство­рювати опалесценцію. Оскільки довжина хвилі променів менша, ніж розмір колоїдних частинок, вони утворюють конус Тіндаля. Дифузія частинок у колоїдних розчинах відбувається дуже повільно. Це свідчить, що колоїдні частинки мають великі розміри в порівнянні з істинними іонними або молекулярними розчинами.

5. Колоїдні розчини здатні до діалізу, тобто до їх очищення від низькомолекулярних, іонних домішок. Це робиться за допомогою напівпроникної мембрани (пергаментний папір, колодій), через яку не проникають колоїдні частинки, а проходять тільки іони й молекули. Для прискорення цього процесу використовують електрофорез.

6. Колоїдні розчини під дією електролітів коагулюють, тобто проходить розділення, відокремлення дисперсного середовища від дисперсної фази, яка випадає в осад. Колоїдні частинки переходять із золю в гель, гублять заряд, склеюються в агрегати. Цим вони відрізняються від істинних гомогенних систем.

7. Колоїдні частинки мають заряд: позитивний або негативний. Для визначення знака заряду колоїдних частинок використовують електрофорез. Для цього наливають колоїдний розчин у U- подібну посудину. Вставляють в отвори електроди і з'єднують із постійним джерелом електричного струму. Колоїдні розчини гумусу, глини бу­дуть мати біля анода темний розчин, а біля катода прозорий. Тому ці колоїди мають від'ємний заряд, їх гранула заряджена негативно. Навпаки, колоїдні розчини А1₂О₃ і Fе₂О₃ будуть мати біля катода непро­зорий розчин, а біля анода - прозорий. Заряд їх гранул - позитивний.

Стійкість колоїдної системи до зміни стану залежить від ступеня дисперсності частинок, яка виражається площею їх загальної поверхні в одиниці маси (1 г). Крім того, залежить від ступеня гідратації самої колоїдної системи і катіонів, що містяться в ній, зокрема. Не менш важливим чинником є величина електрокінетичного потенціалу.