45. Почвенные коллоиды. Строение, состав, свойства.

Одним из главнейших свойств почвы является ее поглотительная способность. Являясь полидисперсной системой, состоящей из частиц разной величины, почва способна поглощать газы, пары воды и ряд веществ, растворенных в воде. Наиболее дисперсная часть почвы, представленная частицами диаметром от 0,02 до 0,0001 нм, называется почвенными коллоидами. Их количество в почве различно (от 1-2 % в легких почвах до 30-40 % в тяжелых). Образуются они путем диспергации (раздробления) более крупных частиц или конденсации многих молекул в агрегаты молекул.

Коллоиды представляют собой двухфазные системы и состоят из дисперсной фазы (коллоидных частиц) и дисперсионной среды (почвенного раствора). Характерными особенностями почвенных коллоидов являются очень большая суммарная и удельная поверхность и наличие двойного электрического слоя ионов на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Строение коллоидов. Ядро состоит из агрегата недиссоциированных молекул того или иного вещества (минерального или органического). На поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов, образующий границу раздела с дисперсионной средой (интрамицеллярным раствором). Этот слой образуется в результате диссоциации внешних молекул самого ядра или вследствие поглощения ионов из дисперсионной среды. Внешний, или диффузный, слой образует рой (облако) ионов, способных к обменным реакциям. В его пределах между неподвижным слоем ионов и дисперсионной средой возникает разность потенциалов вследствие перемещения части противоионов к внешней границе диффузного слоя. Эта разность потенциалов называется -потенциалом (дзета-потенциал) и обусловливает свободный электрический заряд коллоидной частицы. (0 до 40-60 м).

В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое различают ацидоиды, базоиды и амфолитоиды. Ацидоиды это отрицательно заряженные коллоиды, содержащие анионы в потенциалопределяющем слое и катионы в диффузном. Базоиды – положительно заряженные коллоиды с катионами в потенциалопределяющем слое и анионами в диффузном. Амфолитоиды способны менять характер диссоциации молекул двойного электрического слоя и в зависимости от реакции среды вести себя как ацидоиды или как базоиды. основная масса коллоидов в почве является ацидоидами, присутствуют также амфолитоиды, меняющие знак в зависимости от рН среды.

Свойства коллоидов. По отношению к жидкой фазе коллоиды делятся на гидрофильные и гидрофобные. К гидрофильным коллоидам относятся, например, минералы монтмориллонитовой группы, а к гидрофобным – каолинитовой.

Коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя (коллоидного раствора) и геля (коллоидного осадка). Наличие электрического заряда обусловливает электрокинетические свойства, главнейшими из которых являются коагуляция и пептизация.

Коагуляция – переход коллоида из состояния золя в состояние геля. Коллоиды теряют заряд и слипаются в агрегаты. Причины коагуляции следующие:

 действие электролитов, ионы которых несут противоположный знак заряда;

 взаимодействие двух коллоидных систем с разноименно заряженными частицами;

 дегидратация гидрофильных коллоидов и повышение концентрации электролита в растворе в результате высушивания или замораживания почвы.

Наиболее легко коагулируют гидрофобные коллоиды, труднее – гидрофильные из-за наличия на поверхности водной оболочки. Гели могут быть обратимыми и необратимыми. Коагуляция способствует образованию почвенной структуры, уменьшению связности тяжелых по гранулометрическому составу почв, сохранению от вымывания колллоидов.

Пептизация – переход из состояния геля в золь. Она вызывается восстановлением заряда и повышением -потенциала коллоидной системы. Пептизация почвенных коллоидов происходит при удалении избытка электролита (в случае обратимых гелей) и под действием ионов ОН^–, увеличивающих заряд ацидоидов. При пептизации разрушается структура геля, коллоиды распыляются и приобретают способность к передвижению по почвенному профилю.

Особым явлением представляется процесс тиксотропии коллоидов – явление, при котором образующийся из золя гель не отделяется от дисперсионной среды, а застудневает вместе с ней и способен возвращаться в состояние золя при механическом воздействии. Явление тиксотропии широко распространено в почвах, распространенных в зоне многолетней мерзлоты.

Физическое состояние коллоидов в значительной степени зависит от состава поглощенных катионов. Чем больше валентность поглощенных катионов и больше их заряд, тем меньше электрокинетический потенциал частицы и легче идет процесс коагуляции. К.К. Гедройц расположил все катионы по их коагулирующей способности в следующий ряд: Li⁺ < Na⁺ < < K⁺ < Mg²⁺ < H⁺  < Ca²⁺ < Ba²⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺. Коллоиды, насыщенные одновалентными катионами, находятся, в основном, в состоянии золя; при замене одновалентных катионов двух- или трехвалентными они переходят в гель.

Реакция почвы также влияет на состояние коллоидов. Кислая реакция способствует растворению некоторых коллоидов, например, гидроксида алюминия; щелочная реакция стимулирует выпадение в осадок коллоидов полуторных оксидов и переход в состояние золя органических и некоторых минеральных коллоидов.

Электрокинетические свойства коллоидов обуславливают их способность к аккумуляции и передвижению в пределах почвенного профиля и к их участию в формировании аккумулятивных, элювиальных и иллювиальных горизонтов почв.

Огромное значение имеют также адсорбционные свойства коллоидов – способность поглощать катионы, анионы и целые молекулы находящихся в почвенном растворе веществ.

Состав почвенных коллоидов. Различают минеральные, органические и органоминеральные коллоиды.

Минеральные коллоиды представлены глинистыми минералами, коллоидными формами кремнезема и полуторных оксидов. Все глинистые минералы имеют кристаллическое строение, пластинчатую форму и являются типичными ацидоидами.

Характерные для глинистых частиц заряды обязаны своим происхождением замещению одних ионов на другие. Особенно большое значение имеет замещение Si⁴⁺ на Al³⁺ в тетраэдрах и Al³⁺ на Mg²⁺ в октаэдрах кристаллической решетки. Такие внутриструктурные замещения ионов в целом являются причиной появления зарядов на плоских поверхностях частиц глинистых минералов, в том числе и на плоских поверхностях частиц глинистых минералов с расширяющейся решеткой (монтмориллонита и вермикулита). В этих минералах около 80 % всей емкости приходится на внутреннюю поверхность, т.е. на поверхность элементарных пакетов. У каолинита внутренней поверхности нет, нет и внутренних замещений ионов. Его обменная емкость обусловлена свободными связями на боковых (торцевых) поверхностях пластинок. Здесь ионы обнажаются и часть присущих им связей оказывается свободной, ненасыщенной. Эти свободные связи и компенсируются обменными катионами.

Органические коллоиды представлены в почве, прежде всего, гумусовыми кислотами и их солями (гуматами, фульватами, алюмо- и железогумусовыми соединениями) и находятся, в основном, в состоянии гелей. Все они типичные ацидоиды. Являясь гидрофильными коллоидами, они легко меняют состояние: пептизируются при действии щелочных растворов и коагулируют под влиянием двух- и трехвалентных катионов. Характерная особенность гумусовых веществ – очень высокая емкость обменного поглощения катионов – обусловливает огромную их роль в поглотительной способности почв.

Органоминеральные коллоиды широко распространены в верхних горизонтах почв. Они представляют собой комплекс переменного состава из высокодисперсных минералов и гумусовых веществ, покрытых пленками гумусовых кислот, гуматов и фульватов алюмо- и железогумусовых солей. Основные минералы этих коллоидов – монтмориллонит и гидрослюды, а также всегда сопутствующие им в почве полуторные оксиды и кремнезем. эти коллоиды формируются в почве в процессе склеивания (адгезии) гумусовых кислот и их производных с поверхностью минеральной частицы. Органоминеральные коллоиды являются ацидоидами; относительно высокая емкость обменного поглощения катионов зависит от количества гумусовых веществ.

В любой почве основная масса коллоидов находится в форме гелей, различных по степени гидратации и прочности связи с поверхностью твердых частиц. Одна часть коллоидов находится в почве в свободном состоянии, другая образует пленки на поверхности более крупных гранулометрических фракций и сильно дегидратирована. Первая категория коллоидов легко пептизируется при щелочной реакции и насыщении их диффузного слоя натрием. Вторая очень прочно связана с поверхностью крупных гранулометрических фракций, и их пептизация затруднена.