3.5. Гранулометричний склад ґрунтового профілю

Якщо потрібно охарактеризувати гранулометричний склад всього ґрунтового профілю, то використовуються дані по гранулометричному складу всіх генетичних горизонтів профілю. Найкращим способом представлення і аналізу профільних даних по гранулометрії є діаграма гранулометричного складу ґрунту.

Діаграма гранулометричного складу ґрунту – пошарове (по горизонтам) представлення даних по кумулятивному вмісту ЕҐЧ в осях “відсотковий вміст” – “глибина”, десь вісь “відсотковий вміст” має діапазон від 0 до 100 %.

Для побудови діаграми гранулометричного складу ґрунту для кожного ґрунтового горизонту відкладають вміст гранулометричних фракцій, починаючи з фракції мулу і додаючи кожну наступну фракцію до попередніх, тобто гранулометричний склад кожного шару подають у вигляді горизонтального стовпчика діаграми з координатами від 0 до 100 %, вказуючи при цьому всередині стовпчика і окремі фракції. Для цього в кожному шарі, для кожного ґрунтового горизонту, що зображається горизонтальним стовпчиком діаграми, на відповідній йому глибині слід відкладати вміст часток, починаючи з вмісту мулу, потім мул + дрібний пил, потім мул + дрібний пил + середній пил і т. д. аж до досягнення 100 % суми всіх фракцій. Так роблять для кожного генетичного горизонту. У результаті утворюється картина розподілу вмісту різних фракцій по профілю ґрунту. При цьому з’являється можливість аналізу внутрішньоґрунтових процесів, які привели до особливостей розподілу гранулометричних фракцій по профілю ґрунту (процеси лесиважу, підзолоутворення, вивітрювання in situ та ін.). Для прикладу наводимо діаграму гранулометричного складу тих самих чорнозему і дерново-підзолистого ґрунту, дані по гранулометрії яких використовувались для побудови кумулятивних кривих окремих горизонтів (рис 3.7).

Рис. 3.7. Діаграми гранулометричного складу профілю чорнозему (а) і дерново-підзолистого ґрунту (б)

Розподіл ґрунту на окремі ЕҐЧ і визначення відсоткового вмісту фракцій ЕҐЧ відбувається в процесі гранулометричного аналізу ґрунту.

3.6. Питома поверхня ґрунту

Дисперсність ґрунту оцінюється не лише за вмістом часток різного розміру (гранулометричним складом), але також формою і якістю поверхні ґрунтових часток. Поверхня часток може проявляти різну активність, вбираючи з різною інтенсивністю різноманітні речовини, наприклад, гази, пари води і ін. Якщо мати теоретичні, модельні уявлення про механізм цього процесу вбирання (сорбції), то можливо кількісно охарактеризувати властивість дисперсності. Така характеристика дисперсності ґрунту називається питомою поверхнею і проявляється по відношенню до різних речовин. Найчастіше її розглядають по відношенню до парів води.

Питома поверхня ґрунту – це площа поверхні (м²) ґрунтових часток масою в 1 г. Іншими словами, питома поверхня ґрунту – це сумарна поверхня всіх часток ґрунту в одиниці маси (1 г) (інколи об’єму (1 см³)), виражена в м² або см². Вимірюється в м²/г.

Згадаємо, що молекули води представляють собою диполі, які мають на кінцях протилежні заряди. На поверхні ґрунтових мінералів також є некомпенсовані заряди (за рахунок дефектів у молекулярній будові решітки мінералів та ін.). За рахунок цього завжди будуть виникати сили, перш за все молекулярної (Ван-дер-Ваальса) і електричної (кулонівські) природи, які призводять до зв’язування молекул води на поверхні твердої фази ґрунту. Енергія самих молекул води буде при цьому знижуватись, виділятиметься тепло – теплота адсорбції.

Однак сили Ван-дер-Ваальса зменшуються з відстанню набагато швидше, ніж кулонівські сили взаємодії. Вони поширюються всього на декілька шарів молекули води, які покривають поверхню твердої фази ґрунту. При утворенні наступних шарів молекул води помітного виділення тепла вже відбуватись не буде.

У цьому випадку адсорбція дорівнює (рівна) теплоті конденсації. Тому нема і суттєвих, досить помітних структурних змін в цих шарах ґрунтової вологи, хоча адсорбційні сили мають вплив і на ці шари. Досить важливо було б визначити вологість при формуванні моношару води (W_m) на поверхні. Якщо б вдалось визначити цю вологість, тоді, знаючи площу проекції одної молекули води (S₀, для ґрунтів в середньому складає 10,5 Ų, 1 Å = 10^-10 м), можна було б розрахувати і питому поверхню (S_пов):

, де

N_a – число Авогадро (6,02 · 10²³); S₀ – площа проекції одної молекули води (“молекулярна площа води”); М – молекулярна маса води (18 г).

Оскільки N_a, М, S₀ – величини постійні, то рівняння перетворюється у

S_пов = 36,16 · W_m, де

W_m виражено у %, а S_пов у м²/г.

Спробуємо уявити фізичну модель виникнення шару води на внутрішній і зовнішній поверхнях ґрунтових часток. Символом m будемо позначати формування мономолекулярної плівки, і – для позначення внутрішньої, е – для позначення зовнішньої поверхні часток.

Статистична фізика говорить, що спочатку утворюються “острівки” молекул води на ділянках поверхні з найвищими енергетичними характеристиками. Як правило, це відбувається у тонких шпарах, тріщинах, на внутрішній стороні ґрунтової частки. Потім формується тонкий шар води товщиною в одну молекулу води на всій внутрішній поверхні – ця величина відповідає вологості внутрішнього моношару (W_m)_і (стадія 1 на рис. 3.8). Відповідно цій вологості можна розрахувати і внутрішню питому поверхню – поверхню мікротріщин, мікрозападин в ґрунтових частках – S_і.

Рис. 3.8. Схема формування різних шарів води на внутрішній (тріщина) і зовнішній поверхні ґрунтової частки

Припускають, що після утворення моношару на внутрішній поверхні часток, у міру підвищення вологості повітря або відносного тиску водяної пари буде відбуватись вже утворення плівки на зовнішній поверхні. У результаті це приведе до утворення суцільної плівки на зовнішній поверхні часток. Вологість, яка відповідає цьому стану, – W_m (стадія 2 на рис. 3.8). Вона буде дорівнювати сумі вологостей, які формують внутрішній і зовнішній моношари: W_m = (W_m)_і + (W_m)_е (стадії 1 і 2, рис. 3.8). За цією вологістю можна розрахувати повну поверхню часток – S_пов.

Наступне підвищення тиску водяної пари буде призводити до формування другого мономолекулярного шару, але тільки на зовнішній поверхні моношару води, оскільки внутрішній простір вже заповнений. Формування другого мономолекулярного шару відповідає вологості зовнішнього моношару води (W_m)_е (стадія 3, рис.3.8). Якщо знати цю вологість, то за її величиною можна розрахувати зовнішню (S_е) питому поверхню – поверхню ґрунтових часток в найбільш плоских і випуклих її місцях, енергетично найменш активних:

S_е = 36,16 · (W_m)_е

Різниця між повною і зовнішньою поверхнями дасть величину внутрішньої (S_і), пряме визначення якої досить складне, так як експериментально визначити величину (W_m)_і досить складно. Тому в завдання визначення повної питомої поверхні і складових її зовнішніх і внутрішніх частин входить перш за все визначення величин W_m і (W_m)_е.

Така “модель” утворення плівок води у процесі сорбції ґрунтом водяної пари. Цю фізичну модель розвивали багато дослідників, але завершив і використовував А. Д. Воронін, хоча і він добре розумів всю умовність цієї моделі. Цей фізичний образ (вираз) формування плівок – спочатку мономолекулярних на внутрішній поверхні, потім по всій частці, заповнення всіх внутрішніх площин і в кінці кінців мономолекулярної плівки лише на зовнішній поверхні часток, з кінцевим утворенням фазового розділу “вода – газ” – повинен був дозволити визначати важливі поверхневі властивості часток – зовнішню, внутрішню і повну питому поверхні.

Отже, питома поверхня (м²/г) – це величина площі поверхні 1 г дисперсних часток. Вона характеризує дисперсність ґрунту і стан поверхні ґрунтових часток.

Розрізняють повну питому поверхню (S_пов), внутрішню (S_і) і зовнішню (S_е):

S_пов = S_і + S_е

Внутрішня поверхня – це поверхня мікротріщин, мікрокаверн, мікрозападин в ґрунтових частках. Зовнішня – утворюється після заповнення молекулами води внутрішньої поверхні часток. Повна питома поверхня, внутрішня і зовнішня відображають сорбційну здатність ґрунту, форму часток, стан їхньої поверхні.

Величини питомої поверхні ґрунту характеризують перш за все дисперсність ґрунту. Разом із даними гранулометричного складу ґрунту величини питомої поверхні можуть характеризувати мінералогічний склад ґрунту, склад вбирних катіонів, гідрофільність ґрунтових компонентів (гумусу, солей і ін.).