FIZYKOCHEMICZNE WŁA

Ś

CIWO

Ś

CI GLEB

ODCZYN GLEB

Odczyn jest okre

ś

lany przez stosunek jonów wodorowych, H

+

, do

jonów wodorotlenowych OH

-

, na które dysocjuje woda:

H

2

O = H

+

+ OH

-

W wodzie destylowanej [H

+

] = [OH

-

] = 10

-7

mol/dm

3

. Odpowiada to

odczynowi oboj

ę

tnemu. Wzrost st

ęż

enia jonów [H

+

] (spadek [OH

-

])

powoduje,

ż

e roztwór staje si

ę

kwa

ś

ny. Wzrost st

ęż

enia jonów

[OH

-

] (spadek [H+]) powoduje,

ż

e roztwór staje si

ę

zasadowy.

Odczyn gleby wyra

ż

a si

ę

warto

ś

ci

ą

pH

pH = -log [H+]

roztwory kwa

ś

ne – pH < 7

roztwory oboj

ę

tne – pH = 7

roztwory zasadowe – pH > 7

Zakres pH spotykany w wi

ę

kszo

ś

ci gleb mineralnych

W Polsce przewa

ż

aj

ą

gleby o odczynie kwa

ś

nym; gleby

kwa

ś

ne i bardzo kwa

ś

ne zajmuj

ą

50% powierzchni kraju,

gleby słabo kwa

ś

ne – 30%, gleby oboj

ę

tne i zasadowe – 20%.

ODCZYN GLEB – cd.

KWASOWO

ŚĆ

I ZASADOWO

ŚĆ

GLEB

KWASOWO

ŚĆ

I ZASADOWO

ŚĆ

GLEB

Kwasowo

ść

– stan gleby, w którym jej odczyn jest kwa

ś

ny

1. Kwasowo

ść

czynna – pochodzi od jonów H

+

roztworu glebowego

2. Kwasowo

ść

potencjalna – pochodzi od jonów H

+

i Al

3+

zaadsorbowanych przez koloidy glebowe

kwasowo

ść

wymienna – ujawnia si

ę

w glebach po potraktowaniu ich

roztworami soli oboj

ę

tnych - KCl

kwasowo

ść

hydrolityczna - ujawnia si

ę

w glebach po potraktowaniu

ich roztworami soli hydrolizuj

ą

cych zasadowo – (CH

3

COO)

2

Ca

KWASOWO

ŚĆ

I ZASADOWO

ŚĆ

GLEB

KWASOWO

ŚĆ

I ZASADOWO

ŚĆ

GLEB

–

–

cd

cd

.

.

Gleba

Al

3+

Al

3+

H

+

H

+

+ 8KCl

K

+

K

+

K

+

K

+

K

+

K

+

K

+

K

+

+2AlCl

3

+ 2HCl

Gleba

H

+

H

+

+ (CH

3

COO)

2

Ca

+ 2CH

3

COOH

Gleba

Gleba

Ca

2+

BUFOROWE WŁA

Ś

CIWO

Ś

CI GLEBY

Wła

ś

ciwo

ś

ci buforowe gleby

- zdolno

ść

gleby

do przeciwstawiania si

ę

zmianie odczynu

SORPCYJNE WŁA

Ś

CIWO

Ś

CI GLEB

Sorpcja

Sorpcja – powierzchnia ciała stałego (gleby) przyci

ą

ga

i zatrzymuje warstw

ę

jonów, atomów lub molekuł.

Za zdolno

ś

ci sorpcyjne gleby odpowiada kompleks

sorpcyjny zbudowany z koloidów glebowych:

minerały ilaste (smektyty, wermikulit, illit, kaolinit)

krystaliczne i amorficzne tlenki

ż

elaza i glinu

minerały bezpostaciowe

próchnica

kompleksy ilasto-próchnicze

Dzi

ę

ki wła

ś

ciwo

ś

ciom sorpcyjnym gleby mo

ż

liwe

jest:

regulacja w nich odczynu

magazynowanie dostarczanych w nawozach

składników pokarmowych ro

ś

lin

neutralizacja szkodliwych dla organizmów

ż

ywych substancji, które dostaj

ą

si

ę

do gleby

Rodzaje sorpcji w glebie:

Rodzaje sorpcji w glebie:

Wymiana jonowa

Wymiana jonowa – jon z roztworu wymienia (zast

ę

puje)

jon z powierzchni lub struktury ciała stałego

Sorpcja chemiczna

Sorpcja chemiczna – powstawanie na powierzchni

gleby trwałych wi

ą

za

ń

chemicznych (kompleksów)

mi

ę

dzy sorbentem a sorbatem

Sorpcja fizyczna

Sorpcja fizyczna – zag

ę

szczanie na powierzchni

cz

ą

stek gleby molekuł innych ciał (cieczy, gazów)

wskutek działania sił van der Waalsa

Sorpcja biologiczna

Sorpcja biologiczna – pobieranie i zatrzymywanie

jonów z roztworu przez organizmy

ż

ywe

Przyczyn

ą

Przyczyn

ą

wymiany jonowej i sorpcji chemicznej

s

ą

nie skompensowane ładunki elektryczne wyst

ę

puj

ą

ce na

powierzchni koloidów glebowych.

Ź

ródłem tych ładunków s

ą

:

Niewysycone wi

ą

zania (warto

ś

ciowo

ś

ci) wyst

ę

puj

ą

ce na

kraw

ę

dziach i zewn

ę

trznych płaszczyznach minerałów ilastych

(pakietów) oraz cz

ą

stkach próchnicy. S

ą

to ładunki zmienne

poniewa

ż

ich wielko

ść

zmienia si

ę

wraz z odczynem gleby.

Wewn

ą

trzwarstwowa wymiana w kryształach minerałów

ilastych. S

ą

to ładunki trwałe poniewa

ż

ich wielko

ść

nie zale

ż

y

od pH.

Zmienne pH roztworów glebowych (pH

ZPC

) – w przypadku

koloidów glebowych z grupy wodorotlenków Fe i Al

Ładunki zmienne – minerały ilaste

Ładunki trwałe – minerały ilaste

Ładunki zmienne – próchnica

pH

ZPC

Jednym z najwa

ż

niejszych rodzajów sorpcji na koloidach

glebowych jest

wymiana jonowa

wymiana jonowa. Polega ona na tym,

ż

e jon

z roztworu glebowego wymienia (zast

ę

puje) jon z powierz-

chni lub struktury koloidu glebowego.

Wymianie jonowej ulegaj

ą

przede wszystkim kationy –

sorpcja wymienna kationów

sorpcja wymienna kationów (

cation

cation

exchange

exchange)

a zdecydowanie w mniejszym stopniu aniony –

sorpcja wymienna anionów

sorpcja wymienna anionów (

anion

anion

exchange

exchange).

Najcz

ęś

ciej spotykanymi kationami w glebach s

ą

:

Ca

Ca

2+

2+

, Mg

, Mg

2+

2+

, K

, K

+

+

, Na

, Na

+

+

, NH

, NH

4

4

+

+

- kationy o charakterze zasadowym

H

H

+

+

, Al

, Al

3+

3+

- kationy o charakterze kwasowym

SORPCJA WYMIENNA KATIONÓW

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- - -

K
O
L
O

I

D

Ca

+2

Mg

+2

Al

+3

K

+

Ca

+2

H

+

Ca

+2

Ca

+2

Mg

+2

K

+

Al

+3

Ca

+2

H

+

Mg

+2

H

+

Ca

+2

K

+

Ca

+2

Ca

+2

Kationy wymienne

Al

+3

K

+

H

+

Ca

+2

Mg

+2

Miar

ą

pojemno

ś

ci wymiany kationów (CEC)

i anionów (AEC)

jest

mM

mM

/kg

/kg

Inne, stosowane, jednostki pojemno

ś

ci wymiany jonów:

cmol

cmol

(+)/kg

(+)/kg

= 0,01 M/kg = 10mM/kg

mval

mval

/kg

/kg

= mM/kg

××××

warto

ś

ciowo

ść

pierwiastka

Rozmiary wymiany kationów w glebie zale

żą

od:

składu mineralnego sorbentu i wielko

ś

ci jego

ziaren,

rodzaju sorbowanego kationu i jego st

ęż

enia,

rodzaju towarzysz

ą

cego anionu,

pH roztworu,

temperatury,

Wpływ składu mineralnego

Wpływ składu mineralnego gleby na wielko

ść

jej pojemno

ś

ci sorpcyjnej

150-250

próchnica

20-50

illit

100-200

wermikulit

4

uwod. tl. Fe i Al

80-120

montmorillonit

100

alofan

5-10

haloizyt

10-40

chloryt

3-15

kaolinit

CEC

Składnik

CEC

Składnik

Pojemno

ść

sorpcyjna niektórych składników gleb [cmol(+)/kg]

Wpływ rodzaju kationu na sorpcj

ę

wymienn

ą

Wpływ rodzaju kationu na sorpcj

ę

wymienn

ą

zale

ż

y

od warto

ś

ciowo

ś

ci, wielko

ś

ci i stopnia uwodnienia

kationów

Wraz ze wzrostem

warto

ś

ciowo

ś

ci

warto

ś

ciowo

ś

ci kationów wzrasta ich

zdolno

ść

wymienna. Generalnie zgodnie ze schematem:

Li

+

< Na

+

< NH

4

+

= K

+

< Mg

2+

< Ca

2+

< Al

3+

< Fe

3+

< H

+

Zdolno

ść

wymienna jonów o tej samej warto

ś

ciowo

ś

ci

zale

ż

y od

wielko

ś

ci

wielko

ś

ci ich

ś

rednic. Kation tym ch

ę

tniej

wchodzi do kompleksu sorpcyjnego, im wi

ę

ksza jest jego

ś

rednica.

Im wi

ę

ksza jest

ś

rednica jonów, tym słabsze jest pole

elektryczne przez nie wytwarzane - mniejszy stopie

ń

ich

uwodnienia

uwodnienia. Wraz ze wzrostem

ś

rednicy jonów uwodnionych

mniej ch

ę

tnie wchodz

ą

one do kompleksu sorpcyjnego gleby.

Wpływ rodzaju towarzysz

ą

cego anionu

Wpływ rodzaju towarzysz

ą

cego anionu na

wielko

ść

wymiany kationu

Sorpcja niektórych kationów wielowarto

ś

ciowych mo

ż

e

zale

ż

e

ć

od rodzaju towarzysz

ą

cych anionów. Kationy te

zachowuj

ą

si

ę

jak jednowarto

ś

ciowe, przy czym nad-

miar ładunku jest neutralizowany przez towarzysz

ą

ce

aniony, takie jak: OH

-

, Cl

-

i NO

3

-

. W ten sposób s

ą

sorbowane kationy: CuCl

+

, ZnCl

+

, FeOH

2+

, Fe(OH)

2

i

Al(OH

2

)

2

+

.

Wp

Wp

ł

ł

yw

yw

pH

pH

na wielko

na wielko

ść

ść

sorpcji

sorpcji

Cr(III

Cr(III

)

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

iłowiec smektytowy

iłowiec smektyt.-zeolitowy

kaolin szlamowany

darniowa ruda żelaza

torf

popiół lotny

hydroliza Cr(III)

pH

S

o

rp

cj

a

C

r(

II

I)

[%

]

Pojemno

ść

sorpcyjn

ą

gleby (CEC) oblicza si

ę

wyznaczaj

ą

c sum

ę

kationów metali o charakterze

zasadowym (Ca, Mg, Na, K) i jonów wodoru
znajduj

ą

cych si

ę

w kompleksie sorpcyjnym gleby.

Dokonuje si

ę

tego poprzez potraktowanie próbki gleby

roztworem zawieraj

ą

cym 1M NH

4

+

i oznaczenie w

roztworze po reakcji zawarto

ś

ci Ca, Mg, Na i K oraz pH,

które jest miar

ą

zawarto

ś

ci jonów H

+

.

Wyznaczona w ten sposób warto

ść

CEC nazywana jest

pojemno

ś

ci

ą

całkowit

ą

pojemno

ś

ci

ą

całkowit

ą

.

Pojemno

ść

potencjaln

ą

Pojemno

ść

potencjaln

ą

wyznacza si

ę

traktuj

ą

c próbk

ę

na

przykład roztworem zawieraj

ą

cym 1M Mg

2+

w celu

wysycenia wszystkich potencjalnych pozycji wymiennych
a nast

ę

pnie desorbuje si

ę

magnez roztworem

zawieraj

ą

cym 1M Ba

2+

lub 1M NH

4

+

.

Przykłady wartości CEC

5

5

0

0

m

m

M

M

/ kg

/ kg

12

12

0

0

m

m

M

M

/ kg

/ kg

24

24

0

0

m

m

M

M

/ kg

/ kg

R

ę

dzina

Gleba brunatna

Bielica