3. Фізико-хімічне вбирання та його екологічна роль. Коагуляція і пептизація. Значення двохвалентних катіонів

Колоїдні частки ґрунту мають електричний заряд: позитивний або негативний. Знак заряду колоїдних часток визначають з допомогою електрофорезу. Колоїдні розчини глинистих мінералів та гумінових кислот матимуть біля анода темне забарвлення, а біля катода будуть прозорими. Це вказує на те, що колоїди цих речовин мають позитивний заряд. Такий заряд мають колоїди Al₂O₃ і Fe₂O₃.

Характерною особливістю ґрунтових колоїдів є велика сумарна і питома поверхня (поверхня часток ґрунту в см² в одиниці маси або об’єму ґрунту). Чим вища ступінь дисперсності, тим більша питома поверхня маси речовини. Чим більша питома поверхня речовини, тим вищий сумарний заряд одиниці маси, тим вища ємкість вбирання ґрунту.

Збільшення загальної поверхні одиниці об’єму речовини можна показати на такому прикладі (табл. 8.1.):

Таблиця 8.1. Залежність сумарної поверхні середньо суглинкового ґрунту від розміру часток (за А.Д. Фокіним)

Розмір часток, мм	Вміст часток у ґрунті, % до маси	Їх поверхня, м2 на 1 г ґрунту	Частка загальної поверхні, %
0,25-0,05	17	0,5	0,2
0,05-0,01	50	4,1	1,7
0,01-0,005	20	9,9	4,1
0,005-0,001	6	12,7	5,2
0,001-0,0001	3	18,8	7,8
0,0001	4	194,0	81,0
Сума	100	240,0	100

Дисперсність ґрунту, або ступінь подрібнення твердої фази ґрунту, впливають на всі його властивості. Її зв'язок з мінеральним складом опосередковано характеризує валовий хімічний склад ґрунту, зокрема загальні запаси елементів живлення. Чим вища дисперсність твердої фази ґрунту, тим чіткіше (помітніше) проявляються в ній процеси сорбції вологи, молекул і йонів ґрунтового розчину, тим міцніше закріплюється органічна речовина. Від дисперсності твердої фази ґрунту, від розмірів її часток залежить форма і розмір пор між ними, а це, в свою чергу, впливає на водні, повітряні і теплові властивості і режими ґрунту. Все це має надзвичайно важливе значення в агровиробництві, екології, генезисі самих ґрунтів. Звідси, дисперсність є важливою паспортною характеристикою ґрунту.

Ґрунтові колоїди можуть перебувати у двох фізичних станах: у відокремленому або зчіпленому. Це пов’язано з наявністю чи відсутністю електрокінетичного потенціалу.

Якщо в колоїдному розчині частки мають однаковий заряд, вони відштовхуються одна від одної. Такий стан колоїдного розчину називають золь. У більшості різновидностей ґрунтів у стані золю перебуває невелика кількість колоїдів. Це зумовлено тим, що більшість з них насичені 2-х і 3-х валентними катіонами від чого їх електрокінетичний потенціал знижується.

При значному зниженні електрокінетичного потенціалу та за інших умов колоїдні частки злипаються і випадають в осад. Цей процес називається коагуляцією. Осад, що виник внаслідок коагуляції, називають гелем. Більша частина колоїдів ґрунту знаходиться у стані гелю. Зчеплені між собою колоїди утворюють структурну сітку, у проміжках якої утримується вода.

Коагуляція, як правило, відбувається при: (1) змішуванні двох колоїдних розчинів з різноіменними зарядами; (2) доливання до золю електроліта, який містить 2-х або 3-х валентні катіони; (3) при дії β-радіоактивного опромінення.

Гелі дуже поширені у природі, особливо у ґрунтах і в зоні гіпергенезу. Від наявності в ґрунті гелів залежать особливості його будови, складу і властивості.

Основною причиною коагуляції колоїдів у ґрунтах у природі є наявність у ґрунтовому розчині 2-х і 3-х валентних катіонів. Прикладом цього процесу є формування ґрунтів на карбонатних ґрунтоутворюючих породах, які у своєму складі містять багато Са²⁺ і Mg²⁺. Чим вища валентність увібраних йонів тим міцніше вони зв’язані з іонами шару що визначає потенціал частки і тим сильніше вони нейтралізують заряд колоїдної частки. Зменшення заряду часток послаблює силу відштовхування що приводить до їх злипання і коагуляції.

Одновалентні катіони вбираються і утримуються колоїдами з меншою силою і тому їх заряд при цьому суттєво не знижується. При наявності в колоїдному розчині одновалентних катіонів відбувається процес зворотний коагуляції. За цих умов гелі переходять в золь. Цей процес має назву пептизація.

Таким чином, вбирання колоїдними частками одновалентних катіонів зумовлює процес пептизації (утворення золей), а вбирання 2-х і 3-х валентних катіонів приводить до коагуляції (утворення гелей).

За зростаючою міцністю сорбційних зв’язків (енергії вбирання) та коагулюючою здатністю поширені в ґрунтах катіони К.К. Гедройц розмістив у такий ряд:

Li⁺<Na⁺<NH₄⁺<K⁺<Mg²⁺<H⁺<Cd²⁺<Ba²⁺<Al³⁺<Fe³⁺

З наведених вище фактів стає зрозумілим, що процеси коагуляції і пептизації зумовлюються складом увібраних катіонів (табл. 8.3.). Ці процеси, значною мірою, впливають на формування фізичних властивостей ґрунту. Так ґрунти, вбирний комплекс яких насичений двохвалентними катіонами, мають високі показники водних і повітряних властивостей. Це пояснюється тим, що процес коагуляції є основним у формуванні структурних агрегатів. А структурні ґрунти мають оптимальні водний і повітряний режими і, як наслідок, високу родючість. Крім того, структурні ґрунти мало піддаються водній і вітровій ерозії, їх можна обробляти у широкому діапазоні вологості. Реакція ґрунтового розчину цих ґрунтів є нейтральною. Прикладом таких ґрунтів є ґрунти, що формуються на карбонатних породах – лесах, продуктах вивітрювання вапняків (чорноземи, темні каштанові, коричневі субтропічні та інші). Про екологічні функції структури ґрунту сказано далі (див. тему 12).

Ґрунти, ґрунтовий комплекс яких насичений одновалентними катіонами (Na⁺, K⁺), перебувають у безструктурному дисперсному стані через те, що основна маса колоїдів пептизована, знаходиться у стані золю. Такі ґрунти мають несприятливий водний і повітряний режими. Вони легко піддаються водній і вітровій ерозії, мають лужну реакцію і, як наслідок, низьку родючість. Формуються такі ґрунти в умовах арідного клімату (сухі степи, напівпустелі і пустині) де, завдяки інтенсивному випаровуванню ґрунтових вод, у верхні горизонти ґрунту надходить значна кількість водорозчинних солей.