книги из ГПНТБ / Горбунов, Н. И. Минералогия и коллоидная химия почв

Рис. 24. Схема строения мицеллы кремнекислоты

У положительно заряженной гидроокиси железа компенси-' рующими ионами являются отрицательно заряженные анионы, например ионы хлора, тогда как у гуминовой кислоты и кремне­ кислоты компенсирующими ионами являются катионы.

Почвенные коллоиды бывают аморфные, кристаллические и переходные от аморфных к кристаллическим. Различное строе­ ние коллоидов сказывается на их свойствах и на свойствах всей

почвы.

Аморфные коллоиды, как правило, имеют большую поверх­ ность и легче вступают во взаимодействие с водой, солями и друг с другом. Кристаллические коллоиды имеют меньшую поверхность и труднее взаимодействуют с водой, солями и дру­ гими коллоидами. Однако это различие проявляется у разных коллоидов по-разному. Например, в монтмориллоните имеется большое расстояние между слоями решетки, и вода легко про­ никает внутрь кристаллов. В каолините слои решетки располо­ жены на близком расстоянии, и вода не проникает внутрь кристалла. Свежеосажденная гидроокись железа в аморфном состоянии поглощает много фосфат-ионов; после окристаллизации ее, а следовательно уменьшения поверхности, поглощение фосфора уменьшается. Обмен катионов протекает главным

194

образом на поверхности коллоидов. Некоторые коллоиды имеют не только внешнюю, но и внутреннюю поверхность, т. е. внутри макромицеллы могут быть микромицеллы, которые по своему строению и составу имеют специфические черты. Внутренняя поверхность развита у набухающих минералов, например монт­ мориллонита, бейделлита, вермикулита. Благодаря внешней и внутренней поверхности суммарная поверхность достигает огромных величин. Например, поверхность 1 г монтмориллонита достигает 100—500 м\ что резко сказывается на его поглоти­ тельной способности.

Так как ниже придется неоднократно говорить об аморфных и кристаллических веществах, то следует несколько подробнее разъяснить значение этих терминов.

Аморфными называются такие тела, которые во всех направ­ лениях имеют одинаковые свойства (твердость, теплопровод­ ность, электропроводность, оптические свойства и пр.). Аморф­ ные тела иначе называются изотропными. К ним относятся опал, аллофан, свежеосажденные полуторные окислы, многие органические вещества.

В кристаллических телах свойства будут различными в зави­ симости от направления, в котором свойство измеряется,

Рис. 26. Схема строения мицеллы гидроокиси железа

т. е. они анизотропны. Например, кристаллы слюды в одном направлении раскалываются легко, в другом — трудно, т. е. в различных направлениях обладают различной механической

прочностью.

Указанная разница объясняется различием в строении аморфных и кристаллических тел. В аморфных телах нет строго регулярного расположения атомов, ионов и молекул, поэтому

они не имеют определенной внешней формы.

В кристаллических же телах молекулы или ионы располо­ жены относительно друг друга строго закономерно, образуя так

называемую пространственную решетку.

Выше мы рассмотрели строение коллоидов, имеющих одно­ родный и определенный химический состав. В почвах коллоиды состоят из смеси различных химических соединений или в виде пленок покрывают крупные частицы почвы. Например, гидро­ окись железа может находиться в смеси, или в химической связи с органическими веществами. На ^зернах кварцевого песка могут осаждаться пленки гуминовой кислоты, гидроокиси железа и алюминия. Иногда коллоидные пленки, несмотря на ничтожную толщину, очень сильно влияют на свойства почв.

19Ö

СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ к о л л о и д о в

Если твердые коллоидные частицы почвы распределены в большом объеме воды и находятся в раздельном одна от другой состоянии, то такое состояние коллоидов называется золем или,

дом (электрокинетическим потенциалом) и наличием водной оболочки на поверхности частиц. Электрический заряд способ­ ствует взаимному отталкиванию коллоидных частиц, а водная оболочка препятствует слипанию их при столкновении. В при­ роде можно встретить разнообразные случаи сочетаний среды и фазы. Например, дым представляет собой коллоидную систе­ му, в которой дисперсионной средой является воздух, а дисперс­ ной фазой — частицы углерода. В некоторых драгоценных кам­ нях дисперсионной средой является твердое тело-—кварц, дис­ персной фазой — коллоидно-раздробленные твердые частицы хрома, железа, золота и др. В мутной воде рек и оросительных каналов дисперсная фаза представлена твердыми почвенными частицами, а дисперсионная среда — водой.

В результате высушивания, добавления солей и просто дол­ гого хранения золя заряд и водная пленка коллоидных частиц уменьшаются, вследствие чего они могут соединиться друг с другом и образовать рыхлую массу в виде хлопьевидного осадка.

Процесс соединения (склеивания) коллоидных частиц назы­ вается коагуляцией, а следующее за ним осаждение — седимен­ тацией. Минимальная концентрация солей, при которой насту­ пает коагуляция коллоидов, называется порогом коагуляции. Имеет место и обратный процесс, т. е. переход геля в золь — пептизация. Но не всякие коллоиды могут легко переходить из состояния геля в золь. В природе много таких коллоидов, кото­ рые трудно перевести в состояние золя.

По количеству воды, которое удерживается коллоидами, по­ следние условно разделяют на две группы: гидрофильные и гид­ рофобные. Первые удерживают большое количество воды, т. е. гидратация их большая, поэтому для коагуляции необходимо отнять воду от коллоидов путем Добавления к ним спирта или концентрированного раствора соли. Гидрофобные коллоиды со­ держат небольшое количество воды, и их можно коагулировать раствором соли слабой концентрации.

Примерами гидрофильных коллоидов могут служить жела­ тин, клей, некоторые органические вещества, встречающиеся в почвах, минералы монтмориллонитовой группы. Из гидрофоб­ ных коллоидов можно назвать гидроокись железа, минералы каолинитовой группы.

197

По мере диспергирования и измельчения твердых коллоид­

ных частиц гидратация их возрастает, и они становятся более гидрофильными, чем до измельчения. Следовательно, деление

коллоидов на гидрофобные и гидрофильные относительно. Состояние коллоидов в форме геля является распростране

ным в природе. В почве коллоиды также находятся преимуще­ ственно в состоянии геля. Во влажной почве обычно лишь не­ большая часть коллоидов находится в состоянии золя. I ели при высушивании склеиваются с крупными песчаными или пылева­ тыми частицами, образуя структурные агрегаты разного разме­ ра. Если гели не растворяются в воде и не переходят опять в состояние золя, то образующиеся при их высыхании структур­ ные отдельности называются водопрочными. Водопрочной структурой обладают многие черноземы. Если гели в воде пере­ ходят, хотя бы частично, в состояние золя, то почвенные агре­ гаты расплываются, а почва становится бесструктурной.

В почвах постоянно происходят изменения количества кол­ лоидов и переход части коллоидов из одного состояния в другое. Наиболее быстрое изменение происходит с органическими кол­ лоидами. Часть остатков растительности при разложении обра­ зует гумус, который имеет коллоидную природу и служит источ­ ником обогащения почвы коллоидами. На орошаемых почвах накопление илистых и коллоидных частиц происходит вследст­

вие привноси их с поливной водой.

Под влиянием периодического высушивания почвы, нагрева­ ния, увлажнения, промораживания, изменения реакции среды и других причин органические - и минеральные коллоиды сильно изменяются. Установлено, что высушивание, нагревание и про­ мораживание способствуют переходу почвенных золей в гели. Некоторые органические коллоиды способствуют переходу в зо­ ли минеральных коллоидов, например при образовании органо­ железистых соединений, вследствие чего последние могут пере­ носиться водой по почвенному профилю. Изменение в поглоща­ ющем комплексе также сказывается на состоянии коллоидов. Например, насыщение поглощающего комплекса натрием спо­ собствует образованию золей, распылению почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и гидратации. Замещение натрия кальцием, наоборот, способствует переходу золей в гели и обра­

зованию водопрочной структуры.

Реакция почвы также влияет на состояние коллоидов. Так, кислая реакция способствует растворению некоторых коллои­ дов, например гидроокиси алюминия; щелочная реакция способ­ ствует выпадению осадков коллоидов полуторных окислов и пе­ реходу в состояние золя органических и некоторых минераль­ ных коллоидов. Золи, несмотря на их малое содержание в поч­ ве в сравнении с гелями, сильно влияют на свойства почвы. Заполняя промежутки между крупными частицами почвы, кол­ лоиды могут уменьшать проницаемость воды и воздуха в почву.

198

В сельскохозяйственной практике пептизация почв имеет от­ рицательные последствия. Хорошо известно, что почву реко­ мендуют пахать в спелом состоянии, когда она не сильно прили­ пает к орудиям. Эта рекомендация вполне обоснована с точки зрения учения о свойствах коллоидов. Если лемех плуга или зубья бороны будут раздвигать почву, имеющую слишком высо­ кую влажность, то их действие станет аналогично механическо­ му дезагрегированию гелей, т. е. разрушению структуры.

Укажем еще на один пример неблагоприятного влияния пептизации на почву. При устройстве коллекторных каналов инже­ неры пытались применить вместо экскаваторов силу взрывча­ тых веществ. Через стенки таких каналов вода должна с окру­ жающих участков поступать в канал и отводиться в сторону от орошаемого поля. Однако взрывной способ не всегда пригоден, так как скорость фильтрации воды через стенки канала неболь­ шая и, кроме того, на стенках наблюдаются оползневые явле­ ния. Эти явления объясняются тем, что при взрыве происходит разрушение структурного состояния почвы, что приводит к пе­ реходу гелей в золи. Коллоиды в состоянии золей заполняют промежутки между почвенными комочками и уменьшают водо- ; проницаемость почвы. Взрывной способ можно применять лишь в том случае, когда почва имеет небольшую влажность, и в соче­ тании с последующей за взрывом работой экскаватора, с помо­ щью которого следует убрать обесструктуренную пептизированную часть почвы.

К особому виду коагуляции относится так называемая тик­ сотропия. Этот вид коагуляции имеет две особенности. Во-пер­ вых, образовавшийся из золя гель не отделяется от дисперсной среды, а застудневает вместе с ней. Коллоидные, а вместе с ни­ ми и более крупные частицы образуют своеобразный каркас, внутри которого свободное пространство заполняется раство­ ром. Некоторые авторы сравнивают образовавшуюся структуру с карточным домиком, между стенками которого находится жидкость. По внешнему виду тиксотропный гель напоминает студень или скисшее молоко. Образование студня происходит обычно медленно и сопровождается постепенным нарастанием вязкости. Вторая особенность тиксотропных коллоидов состоит в том, что путем механического воздействия, например, поме­

также иногда в плывунах. Поверхность тиксотропной почвы до механического воздействия ничем не отличается от почвы, не имеющей такого свойства. При копке шурфа, сотрясении или механической обработке выступает вода и почва становится те­ кучей. Оставление ее в покое снова приводит к увеличению вяз­ кости и затвердеванию.

199

Тиксотропные почвы плохо проницаемы для воды и воздуха, поэтому в них часто развиваются восстановительные процессы и оглеение. Улучшения физических свойств таких почв можно достичь высушиванием, внесением коагуляторов с минеральны­

ми удобрениями: кальция, магния.

Большое значение для тиксотропии имеют величина и фор­ ма коллоидов. Удлиненные, неправильной формы коллоидные частицы более склонны к образованию тиксотропных гелей, чем

шарообразные.

Тиксотропия хорошо выражена у глинистых гидрофильных минералов монтмориллонитовой группы. Минералы каолинитовой группы не дают тиксотропных студней. Концентрация твер­ дых частиц в воде, реакция среды, состав солей и органических веществ также имеют значение для образования тиксотропных гелейДля каждого коллоидного раствора существуют опреде­ ленные оптимальные условия, при которых наиболее легко по­

лучаются такие гели (Абрукова, 1970).

Многие коллоиды при хранении самопроизвольно переходят из состояния золя в гель. Это явление называется старением. Стареют и сами гели, при этом происходят их уплотнение, поте­ ря воды и частичная кристаллизация. Процесс старения изучен далеко не полно, однако хорошо известно, что причины этого

явления разнообразны.

Коллоидные мицеллы находятся в непрерывном движении, при этом они сталкиваются и слипаются одна с другой, что при­ водит к выпадению их в осадок. Большая гидрофильность и низ­ кая концентрация коллоидов уменьшают вероятность столкно­ вения коллоидных мицелл, поэтому процесс старения замедляет­ ся. Гидрофобность и высокая концентрация, наоборот, ускоря­

ют этот процесс.

Старение некоторых коллоидов, кроме указанных причин, вызывает окисляющее действие на них кислорода воздуха. В почвах это явление наблюдается при переходе закисного же­ леза в окисное, а также при окислении органических коллоидов. Ускоряет старение свет, особенно ультрафиолетовые лучи.

П О Г Л О Щ Е Н И Е К А Т И О Н О В Г Л И Н И С Т Ы М И М И Н Е Р А Л А М И И П О Ч В А М И

Под поглотительной способностью почв понимают ее свойст­ во поглощать различные твердые, жидкие и газообразные ве­ щества или увеличивать их концентрацию у поверхности кол­

лоидов.

В настоящее время известны искусственные органические смо­ лоподобные вещества — иониты, в результате взаимодействия с которыми морская вода, освобождаясь от части солей, стано­ вится пригодной для технических целей и приготовления пищи. Одни иониты поглощают катионы, другие — анионы. Иные веще-

200

ства применяются для очистки воды, в том числе родниковой, от взвешенных тончайших частиц почвы, органических остатков,

коагулянта обычно используют сернокислый алюминий. Коагу­ лянт свертывает взмученные в воде частицы, и они в виде хлопье­ видного осадка выпадают на дно бассейна, в котором произво­ дится очистка воды. Поглотительная способность угля и ваты была использована во время первой мировой войны. От многих вредных газов может предохранить почва, поэтому она исполь­ зуется как фильтр при устройстве газоубежищ.

Почвенные коллоиды имеют ряд особенностей. Прежде всего следует отметить их полидисперсность, т. е. разнообразие раз­ меров и форм. Вторая особенность заключается в том, что кол­ лоиды состоят из органических и минеральных веществ и про­ дуктов их . взаимодействия. Не только органические вещества, но и организмы и корни растений в силу их коллоидной природы обладают поглотительной способностью, при этом они погло­ щают преимущественно одни вещества, а в меньшей степени — другие, т. е. обладают избирательной способностью. Небольшая часть почвенных коллоидов имеет амфолитоидные свойства, т. е. коллоиды ведут себя как кислоты или как щелочи, в зави­ симости от реакции среды, и могут поглощать либо катионы, ли­ бо анионы (Маттсон, 1938).

Поглотительная способность почв имеет огромное значение для сельского хозяйства, и на нее обратили внимание задолго до открытия причин этого явления. Первые наблюдения за по­ глощением почвой навозной жижи были сделаны около 150 лет назад. Тогда же было высказано предположение, что поглощен­ ные почвой вещества постепенно усваиваются растениями в процессе их роста.

В середине прошлого столетия проводились специальные опыты по изучению поглощения почвами различных солей и удобрений. Было установлено, что почвы поглощают из солей основания, выделяя взамен поглощенных такое же количество других оснований, т. е. происходит катионный обмен между поч­ вой и раствором. Процесс этот обратимый, и обмен происходит в эквивалентных количествах.

Наиболее важные исследования поглотительной способности почв принадлежат советскому ученому К - К - Гедройцу. Его рабо­ ты тесно связаны с практикой сельского хозяйства и с решением научных вопросов происхождения почв, т. е. с теми вопросами, которые лежат в основе современного почвоведения.

К . К - Гедройц разработал методику определения поглоти­ тельной способности почв, изучил прочность поглощения, про­ цессы катионного обмена между почвой и растениями, выяснил образование солонцовых почв и разработал теорию их мелиора­ ции с помощью гипсования. Изучив поглощающий комплекс

201

кислых (подзолистых) почв, К - К - Гедройц обосновал известко­ вание этих почв и объяснил причины разложения фосфоритов

в кислых почвах.

Начиная с экспедиций В. В. Докучаева каждое обследова­ ние почв включает определение поглотительной способности. Один из сотрудников В. В. Докучаева — Бараков в 1886 г. писал, что поглотительная способность почв должна быть важным оце­ ночным признаком при разделении почв на группы.

Виды поглотительной способности почв

В зависимости от того, какова непосредственная причина поглощения, К . К . Гедройц предложил различать пять разно­

логическая.

Под механической поглотительной способностью следует по­ нимать способность почвы задерживать мелкие частицы другого вещества в своих порах, например поглощать взвешенные в во де мелкие твердые частицы глины, остатки органических ве­ ществ, водоросли и т. п. Этот вид поглощения широко распрост­ ранен в природе. Каждый знает, что во время дождя по поверх­ ности почвы перемещаются мутные потоки воды, но после про­ сачивания через почву вода становится почти прозрачной (вода колодцев и родников). В солонцовых почвах обычно можно на­ блюдалъ уплотненный слой, состоящий из скопления тонких частиц, механически поглощенных самой же почвой.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способ­ ность состоит в обмене катионов почвы на катионы раствора в

щенный кальций. Аммоний в эквивалентном количестве обмени­

вается на кальций.

В почве физико-химическое поглощение происходит при из­ менении влажности, внесении удобрений, подъеме и опускании грунтовых вод, орошении и т. п. Малейшее изменение в составе и концентрации почвенного раствора вызывает изменение и в составе поглощенных катионов. Следовательно, между почвен­ ным поглощающим комплексом и почвенным раствором сущест­ вует постоянное взаимодействие. Каждая разновидность почвы имеет в поглощающем комплексе определенный состав и коли­

чество катионов.

Химической поглотительной способностью называют такое поглощение, которое сопровождается образованием в почве труднорастворимых солей из легкорастворимых, например об­ разование в почве гипса при взаимодействии сернокислого нат­

202

рия с хлористым кальцием; фосфорнокислого кальция при взаи­ модействии хлористого кальция с фосфорнокислым натрием;

фосфатов железа и алюминия и т. п.

Под физической поглотительной способностью понимают увеличение концентрации молекул различных веществ у поверх­ ности коллоидов. Таким способом поглощаются молекулы неко­ торых органических веществ. Иногда принимают за физическую поглотительную способность два явления: физико-химическое и химическое поглощение. Например, молекулы фосфорнокислого калия могут поглощаться почвой. При внимательном рассмот­ рении причин поглощения нетрудно обнаружить, что в этом слу­ чае мы имеем дело не с физическим поглощением целых моле­ кул, а с физико-химическим и химическим поглощением ионов. Рассмотрим подробно этот пример. Калий из фосфорнокислого калия поглощается физико-химически, т. е. он будет обмени­ ваться на кальций согласно уравнению:

ПСа2+ + 2 К+ =ПК£ -I- Са2+.

Вытесненный кальций с фосфорной кислотой образует нерас­ творимый осадок, т. е. произойдет химическое поглощение фос­ фат-анионов. Таким образом, одновременно протекают два процесса.

К. К- Гедройц к физической поглотительной способности от­ носит поглощение почвой щелочи. Однако и в этом случае про­ исходит более сложный процесс. Щелочь, например едкий ка­ лий, состоит из катиона К+ и гидроксильного аниона. Гидро­ ксильные анионы могут поглощаться почвенными коллоидами дополнительно (реагируя, например, с Н+), а катион, в данном примере калий, поглотится вследствие обмена на иные катио­ ны, например на кальций.

Под биологической поглотительной способностью понимают способность микроорганизмов, населяющих почвы, поглощать различные элементы: калий, фосфор и др. Корни растений так­ же обладают поглотительной способностью. Одновременно с поглощением и усвоением питательных веществ на поверхности микроорганизмов и корней растений происходит обмен катионов и анионов.

Поглощенные обменные ц необменные жатионы

Катионы, находящиеся в компенсирующем слое коллоидов, называются поглощенными; часть катионов располагается в неподвижном слое, а часть — в диффузном; некоторая часть катионов находится в межслоевом пространстве глинистых ми­ нералов. Последние могут быть обменными и частично необ­ менными, Переходу обменных катионов в необменные спо­ собствует высушивание, так как при этом происходит уменьше­ ние расстояний между слоями кристаллической решетки мине­

203