Связь гумусовых кислот с минеральными компонентами.

Характер взаимодействия органического вещества с минеральной частью почвы определяет многие почвенные процессы. Эти процессы очень сложны, и механизмы взаимодействия изучены недостаточно. Можно выделить следующие основные формы связей гумусовых веществ:

1. Гумусовые вещества в свободном или почти свободном состоянии;

2. Гумусовые вещества в форме гуматов сильных оснований (калий, натрий, магний);

3. Гумусовые вещества в форме гуматов и смешанных гелей с гидроокисью алюминия и железа.

4. Гумусовые вещества в форме комплексных органоминеральных соединений (с алюминием, железом, фосфором, серой);

5. Гумусовые вещества, прочно связанные с глиной.

О формах связи между кристаллическими решетками глинистых минералов и гумусовыми веществами нет единого мнения. Одна группа исследователей придерживается мнения о том, что взаимодействие гумусовых веществ с катионами кальция, магния и алюминия являются обменной реакцией между водородом функциональных групп гумусовых кислот и обменными катионами кристаллической решетки глинистых минералов. В результате этой реакции всегда образовывается соответствующий гумат или фульват. Он не связан с кристаллической решеткой минералов и находится в состоянии равновесного обмена с обменными катионами глинистого минерала.

Другая группа гипотез предполагает возможность непосредственной химической связи между кристаллической решеткой глинного минерала и гумусовыми веществами. При этом полутораокиси являются своеобразным мостиком между гумусовыми веществами и кристаллической решеткой. Считается, что эти мостики представлены комплексными алюмо- и железо-гумусовыми соединениями, которые образуются при взаимодействии гумусовых веществ с неселикатными формами полутораокисей. Их закрепление на поверхности частиц глинистых минералов является процессом склеивания за счет межмолекулярных форм связи пре дегидротации. Прочность связи зависит от степени дегидротации и относительного содержания полутораокисей.

Формирование органоминеральных соединений в реальных природных почвах происходит с участием различных видов связей. Большую роль играет собственно химическая связь, которая делится на валентную (ионную и ковалентную), невалентную ''орбитальную'' и координационную.

Ионная связь возникает между анионами гумусовых кислот и катионами щелочных и щелочноземельных металлов. Она занимает важное место в образовании органоминеральных соединений.

Ковалентная связь в органоминеральных соединениях играет подчиненную роль. В простейшем случае ковалентной связи соединяющиеся атомы предоставляют по одному не спаренному электрону. В результате формируется двухэлектронная связь, а взаимодействующие атомы имеют общую электронную оболочку. Смещение электронного облака к одному из атомов обуславливает появление полярной ионной связи.

Для невалентных связей характерна делокализация электронов вдоль всей молекулы. Эти связи развиты в ароматических системах.

Координационная связь рассматривается как частный случай орбитальной связи. Для нее характерно наличие центрального атома и координированных вокруг нее лигандов. С участием координационной связи образуются комплексные соединения. Они состоят из атома металла, который связан с одной или несколькими молекулами (ионами), способными к самостоятельному существованию. Эти молекулы, связанные с центральным атомом, называются лигандами.

Если при образовании координационного соединения участвуют лиганды типа F^-, Cl^-, OH^-, CH₃COO^-, H₂O, NH₃, то в реакцию с металлом вступает только одна донорная группа. Такие лиганды называют монодентатными. Примером может служить аквакомплекс железа.

ОН₂

Н₂О ОН₂

Fe (III)

Н₂О ОН₂

ОН₂

Молекулы или ионы, которые способны координироваться к центральному иону сразу в нескольких точках, называются полидентатными или хелатообразующими. Комплексы с такими лигандами называются хелатами. Хелаты – это внутрикомплексные соединения, в которых металл втянут во внутреннюю сферу молекулы и соединяется с ней двумя типами связи – ионной и координационной. Примером может служить оксалат ^¯:ООС – СОО:^¯, имеющий более сложное строение. В хелатных соединениях две и более донорских групп одной молекулы лиганда взаимодействуют с центральным ионом. В результате образуются кольцевые структуры. Хелатный комплекс глицина имеет следующий вид:

О

C O NH₂ CH₂

M

Н₂C NH₂ O C

O

При образовании хелатов ион металла замещает протон кислотной группы. Замыкание кольца осуществляется в результате образования донорно-акцепторной связи. Донорами неподеленных пар электронов в гумусовых веществах могут служить группы:

Наибольшее значение для образования таких связей имеют кислород- и азотсодержащие группировки.

В формировании минералоорганических соединений существенную роль играют также водородные связи. Они возникают вследствие того, что атом водорода, связанный с сильно электроотрицательным атомом, не имеет симметричной электронной оболочки. Пара электронов оттягивается в сторону электроотрицательного атома. При этом противоположная сторона атома водорода приобретает положительный заряд. За счет этого осуществляется взаимодействие с другими электроотрицательными атомами.

Межмолекулярные взаимодействия могут возникать за счет электростатических, индукционных и дисперсионных сил. Связь за счет электростатических сил возникает между постоянными диполями, и ее параметры определяются законом Кулона. Индивидуальная связь возникает между диполем и нейтральной молекулой, когда в молекуле происходит смещение зарядов под влиянием постоянного диполя. Дисперсионная связь возникает, когда в результате движения электронов временная неравнозначность распределения зарядов приводит к возникновению диполя, который индуцирует диполь в другой молекуле. Это обуславливает их притяжение.