Строение и свойства почвенных коллоидов.
К.К.Гедройц многолетними исследованиями установил, что явления поглощения в основном связаны с большой удельной поверхностью тонкодисперсных коллоидальных частиц почвы. По мере уменьшения диаметра частиц почвы возрастает удельная поверхность и, соответственно, возрастает количество поглощаемых катионов, которая достигает максимума при диаметре гранулометрических фракций < 0,22.
Всю массу тонко раздробленных частиц, состоящих из органических, органно-минеральных и минеральных соединений, обуславливающую поглотительную способность почвы, называют почвенно-поглощающим комплексом (ППК). В основном ППК состоит из частиц и компонентов почвы, находящихся в состоянии коллоидов. Под коллоидами понимают любое вещество в состоянии высшей степени раздробленности (дисперсности) и представляющие собой агрегат из совокупности многих молекул. К коллоидам принято относить вещества, отдельные частички которых имеют размеры от 0,1 μ (микрона) до 1 mμ (миллимикрона).
Для наглядности, что же представляют собой коллоиды, можно остановиться на следующем опыте. Если взять небольшое количество чернозема, поместить в цилиндр, залить водой, взболтать и оставить на некоторое время, то можно заметить следующее: жидкость в верхней части цилиндра светлеет, становиться прозрачной – это молекулярный раствор; в нижней части цилиндра находятся частицы во взвешенном состоянии, они еще не успели опуститься на дно цилиндра – это суспензия; в средней части цилиндра раствор слабоокрашенный, мутный, он долго не оседает, проходит через обыкновенный фильтр – это коллоидный раствор или часть чернозема, находящегося в коллоидном состоянии.
Коллоидный раствор следует отличать от суспензий и молекулярных растворов. Коллоидные частички, в отличие от взвеси, не видны в микроскоп и проходят через бумажный фильтр. Однако в отличие от молекулярных (истинных) растворов, коллоидные растворы не проходят через растительные перепонки и поры животных.
Почвенные коллоиды в природных условиях могут образовываться различными путями: а) путем дробления, разрушения и выветривания горных пород; б) в результате конденсации отдельных молекул, химических реакций (образование гидрозолей); в) в следствие накопление перегнойных веществ биологическим путем.
С химической точки зрения почвенные коллоиды могут быть разделены на три группы: минеральные, органические, органо-минеральные.
Минеральные коллоиды представлены главным образом коллоидально-распыленными алюмосиликатами, гидратами окиси железа и алюминия, коллоидальной кремниевой кислоты, а также соединениями закиси железа, оксидов марганца и др.
Минеральная часть, преобладающая в составе почвенных коллоидов, состоит в основном из вторичных минералов и аморфных веществ. Из первичных минералов в коллоидной фракции в небольших количествах встречается кварц и слюды. К вторичным минералам с кристаллической структурой, часто встречающимся в почвенной коллоидной фракции, принадлежат глинные минералы группы гидрослюд (иллит, гидробиотит), группы монтмориллонита (монтмориллонит, бейделит, нонтронит), обладающие наибольшей дисперсностью, а также группы каолинита (каолинит, галлузит).
Аморфные вещества коллоидной фракции представлены оксидами железа, алюминия, кремния, а также продуктами их взаимодействия. В почвах могут образовываться промежуточные формы коллоидов между кристаллами и аморфными веществами. Относительное соотношение между кристаллическими и аморфными веществами коллоидных фракций различается в зависимости от типов почв.
Органические коллоиды являются составной частью перегноя и образуются в результате гумификации животных и растительных остатков. Минеральные и органические коллоиды, вступая во взаимодействие, дают коллоиды более сложного состава – органо-минеральные коллоидальные соединения, которые представлены соединениями алюминия и железа, а также с частицами глинистых минералов.
По отношению к воде коллоиды можно разделить на две группы: гидрофильные и гидрофобные. Такие коллоиды, как кремниевая и гуминовая кислота, адсорбируют на своей поверхности молекулы жидкой фазы почвенного раствора и окружают себя водной оболочкой, относятся к гидрофильным коллоидам. Гидрофильные коллоиды отличаются способностью сильно набухать в воде и оставаться устойчивыми в состоянии коллоидального раствора. В почве также встречаются коллоиды, которые не могут адсорбировать молекулы воды, они носят название гидрофобых. Гидрофобные коллоиды характеризуются незначительным набуханием, способностью свертываться и переходить в осадок. Почвенные коллоиды могут относиться к одной из групп или занимать промежуточное положение. Гидрофильность коллоидов повышается с увеличением степени их дисперсности. Органические коллоиды более гидрофильны, чем минеральные.
В жидкой среде при образовании гидрозолей химическим путем в зависимости от характера ионной оболочки мицеллы ряд коллоидов получает определенный электрический заряд – положительный или отрицательный. Коллоиды, которые получают отрицательный заряд, образуют кислотные золи – ацидоиды, положительный заряд – базоиды. Положительный или отрицательный заряд коллоидной частицы зависит от строения мицеллы (рис.7.2.1.).
Рис. 7.2.1. Схема строения коллоидных молекул (мицелл).
Коллоидные молекулы окружены двумя слоями зарядов. Первый слой, отвечающий собственно заряду молекулы, примыкает к ее ядру и является замкнутым. У электроотрицательных коллоидов он имеет отрицательный заряд, у электроположительных – положительный. Второй слой противоположного знака соответствует поглощенным ионам. По мере удаления от центра молекулы он становится все более диффузным.
К группе ацидоидов относится коллоидальный кремнезем, глинистые минералы, перегнойные кислоты и вообще основная часть почвенных коллоидов. Почвенные суспензии, как правило, заряжены отрицательно. Базоиды в почве встречаются крайне редко. Положительный заряд часто имеют гидраты окиси Fe и Al. К амфолитоидам относятся окислы Fe и Al, а также протеиновые вещества почвенного перегноя.
Как правило, почвенные коллоиды имеют отрицательный заряд.
В почвах также встречаются коллоиды, которые могут изменять свой заряд на положительный или отрицательный в зависимости от реакции среды. Они носят название амфолитоидов.
Коллоиды также могут находиться в двух различных состояниях: 1) в состоянии коллоидального раствора (псевдораствора) – золя; 2) в состоянии хлопьевидного или аморфного осадка – геля. Коллоидальный раствор обычно называют гидрозолем. Коллоидальные растворы из состояния гидрозолей могут переходить в гель и наоборот. В состоянии золя находятся коллоиды, имеющие заряд. Когда коллоид теряет этот заряд или он понижается настолько, что сила притяжения становится больше силы отталкивания, отдельные коллоидные частички начинают “сцепливаться” друг с другом в крупные агрегаты и выпадают в осадок. Этот процесс носит название коагуляции. Обратный процесс перехода геля во взвешенное состояние носит название пептизация. Процесс пептизации заключается в том, что ионы электролита адсорбируются на поверхности коллоидальных частиц, в результате возрастает электрокинетический потенциал, увеличивается степень гидротации, вокруг частиц образуется гидратная оболочка, это приводит к разрыву связей и переходу пептизируемого осадка в раствор.
Процесс коагуляции происходит при взаимодействии коллоидов с электролитами (растворами солей, кислот, щелочей). Сущность этого процесса заключается в том, что электролиты распадаются в растворе на ионы, при этом катионная часть приобретает положительный заряд, анионная – отрицательный. Эти ионы диссоциированных молекул, встречаясь в растворе с коллоидами, нейтрализуют их заряды. При этом коллоиды с отрицательным зарядом будут каогулироваться катионами, а положительно заряженные коллоиды – анионами. Так как в почве преобладают отрицательно заряженные коллоиды, то их коагуляция может происходить под действием положительно заряженных катионов почвенного раствора. При этом коагулирующая способность катионов, начиная от лития до алюминия, возрастает по мере увеличения их атомного веса и зависит от валентности. Это определяется величиной так называемого порога коагуляции – концентрации, при которой золь переходит в гель. Одновалентные катионы слабее двухвалентных. По степени возрастания коагуляционной способности катионы располагаются в следующем порядке: Li+ > Na+ > NH4 + > K+ > H+ > Mg++ > Ca++ > Al+++ > Fe+++. При коагуляции степень дисперсности уменьшается, а при пептизации - увеличивается.
Коагуляция может быть обратимой и необратимой. Обратимой является коагуляция, вызванная воздействием одновалентных катионов Na+, K+, H+. В этом случае гель может снова перейти в раствор. Необратимой является коагуляция, вызванная двух- и трехвалентными катионами Mg++, Ca++, Al+++, Fe+++. Если осаждение или свертывание коллоидов вызвано одновалентными катионами, то такая коагуляция будет непрочной. Коагуляция, вызванная двух- и трехвалентными катионами, отличается большой прочностью и устойчивостью. Щелочи одновалентных катионов могут вызывать пептизацию почвенных коллоидов.
Коагуляция происходит под влиянием высокой температуры, действием электролитов, при взаимодействии двух разноименно заряженных коллоидов. В природных условиях коагуляцию почвенных коллоидов может вызывать низкая температура. В почвах при смешивании двух золей, из которых один имеет положительный заряд, а другой – отрицательный, может происходить взаимная коагуляция. Это явление происходит вследствие взаимного притяжения противоположно заряженных частиц. Взаимная коагуляция играет большую роль в жизни почвы. Значительная часть почвенных коллоидов является результатом взаимной коагуляции положительных золей Fe(OH)3 и Al(OH)3 c отрицательными золя перегнойных кислот и SiO2. При взаимной коагуляции двух коллоидов порога коагуляции не наблюдается. В природных условиях процессы коагуляции почвенных коллоидов могут происходить под влиянием дегидратации.