KOLOIDY GLEBOWE

Faza stała gl. jest zbiorem mineralnych, organicznych i organiczno mineralnych części o różnym rozdrobnieniu. W glebie części te tworzą skupienia (agregaty).

Agregaty tworzą się pod wpływem:

• mikroorg.

• soli

• własności adsorpcyjnych KS

• rodzaju zawartych w KS kationów wymiennych

• stanu uwilgotnienia gleby itd.

Gleby wysycone w dużym stopniu jonami Na⁺ (gl. słone) będą cechowały się silną dyspersją, a co za tym idzie dużą zdolnością do pęcznienia, słabą przepuszczalnością w stosunku do wody. Przy wysychaniu gl. te będą się rozpadały na twarde niestrukturalne bryły.

Gl. wysycone Ca²⁺ mają słabą dyspersję, są strukturalne i łatwo przepuszczalne dla wody.

Aby poznać stopień rozdrob. gl. należy wykonać analizę mech. Części najdrobniejsze, znajdujące się w gl. wywierają wpływ na własności gleb i zachodzące w nich procesy fiz. - chem. i biol. Od składu gran. zależy użytkowość rolnicza gleb.

Najdrobniejszą frakcją gleby jest ił koloidalny (średnica < 0,002 mm), który, pod względem mineralogicznym, stanowią minerały ilaste (kaolinit, montmorylonit, illit), posiadające zróżnicowaną budowę i charakterystyczne właściwości. Minerały ilaste rozproszone w wodzie to koloidy glebowe, posiadające określony ładunek (+/-). Ładunek wpływa na zdolności sorpcyjne danego koloidu glebowego. Sorbują wodę, kationy lub aniony. Koloidy pochłaniają wodę (pęcznienie) i przy pęcznieniu otaczają się powłokami wodnymi same nie ulegając zmianom.

Im większy jest stopień rozdrobnienia cząstek, tym większa jest powierzchnia właściwa fazy rozdrobnionej, tym bardziej ta faza jest aktywa i tym większą wykazuje zdolność do wchodzenia w różne reakcje.

Ze stopniem rozdrobnienia wzrasta ich zdolność do sorpcji, pęcznienia, wzrasta ruch Browna i współcz. dyfuzji (liczbowa wartość tego współ.= ilości gramów substancji płynącej stałym prądem dyfuzyjnym przez jednostkę pola w czasie 1 sek.).

Ze wzrostem dyspersji gleb polepszają się własności chemiczne, pogarszają fiz., a mech. uprawa roli staje się trudniejsza. Przy zmniejsz. stopniu dyspersji - odwrotnie.

Do koloidów glebowych zalicza się układy o cząstkach mniejszych od 1μ lub od 2 μ (0,001 - 0,002 mm) 1μ=0,001mm

POWSTAWANIE UKŁADÓW KOLOIDALNYCH

Układy koloidalne tworzą się w gl na drodze dyspersji grubszych cząstek, albo drogą kondensacji (tj. agregacji) drobniejszych cząstek gl.

Rozdrobnienie materiału skalnego i glebowego odbywa się pod wpływem działania lodowców, wody, wiatrów, wietrzenia. Przy wietrzeniu chem. rozdrobniony materiał skalny rozpada się na minerały, a te dalej wietrzejąc wytwarzają odpowiednie żele lub zole.

Roztwory koloidalne powstają też w reakcjach chemicznych utleniania: H₂S + O → S + H₂O i hydrolizy: FeCl₂ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3HCl,

AlCl₃ +3H₂O → Al(OH)₃ + 3HCl,

WŁAŚCIWOŚCI ROZTWORÓW KOLOIDALNYCH:

• ruch Browna (cząsteczki koloidalne są w stałym ruchu)

• zjawisko Tyndalla (przez roztwory przechodzą promienie, które opalizują)

• ciśnienie osmotyczne (wymiary cząstek są duże)

• brak dializy (cząstki nie przechodzą przez błony rośl. i zwierzęce)

• brak dyfuzji

• pęcznienie (zachodzi przy pochłanianiu wody przez koloidy. Koloidy otaczają się powłokami wodnymi, same nie ulęgają zmianom. Wzrasta objętość i elastyczność pęczniejącej substancji. Przy silnej hydratacji polimery rozpadają się na monomery, a więc żel → zol).

Do koloidów silnie pęczniejących zaliczamy: żelatynę, klej, kwasy humusowe i niektóre gliny wysycone jonami jednowartościowymi (Na, K, NH₄)

• właściwości elektryczne

BUDOWA MICELI (pierwotnej cząstki koloidalnej)

• jądro (rdzeń = ultramikron)

• wewnętrzna powłoka jonów

• zewnętrzna warstwa kompensujących jonów

• jądro może mieć budowę krystaliczną lub być ciałem bezpostaciowym, o strukturze zbitej lub porowatej.

• jądro, dzięki siłom resztkowych wartościowości (wolne nie związane ładunki elektryczne, które pozostają na powierzchni siatki krystalicznej minerału) przyciąga z ośrodka dyspersyjnego jony o ładunku tego samego znaku. Te jony przylegają ściśle i trwale do jądra tworząc wewnętrzną powłokę i decydują o jego znaku i wielkości ładunku. Jest to tzw. granula, która decyduje czy sorbowane będą kationy czy aniony.

• Jądro z wewnętrzną powłoką (granula) przyciąga jony o znaku przeciwnym tworząc wokół granuli zewnętrzną warstwę jonów.

• Jony zewnętrznej warstwy silnie związane z granulą tworzą warstwę nieruchomych kompensujących jonów, które są mało ruchliwe.

• Bardziej oddalone od granuli jony warstwy zewnętrznej tworzą w postaci ruchliwego roju warstwę dyfuzyjną otaczając nieruchome jony kompensujące. Jony warstwy dyfuzyjnej przechodzą w ośrodek dyspersyjny. Posiadają zdolność do wchodzenia w różne reakcje chemiczne. Tu następuje wymiana między koloidem, a roztworem glebowym.

Jądro + wewnętrzna powłoka jonowa + warstwa jonów kompensujących = cząstka koloidalna, która posiada określony ładunek. Jądro + wewnętrzna powłoka jonowa + warstwa zewnętrzna ( kompensacyjna i dyfuzyjna) = micela, która nie ma ładunku.

TRWAŁOŚĆ UKŁADÓW KOLOIDALNYCH

Układy koloidalne pozostają w stanie dynamicznej równowagi (wspólne działanie sił stabilizacyjnych i koagulujących).

O trwałości układu decyduje:

• elektrokinetyczny potencjał cząstek (potencjał zawarty między warstwą nieruch. jonów kompens., a warst. dyfuzyjną. Im wyższy potencjał, tym układ trwalszy).

• stopień hydratacji (przyciąganie z ośrodka dyspersyjnego cząsteczek wody, tworząc warstwę wody hydratacyjnej).

Stopień zhydratowania cząstek koloidalnych zależy od ładunku, jaki maja kationy zewnętrznej warstwy jonów. Kationy ++ oddysocjowują od micel koloidów słabiej niż kationy +. Dlatego cząstki koloidalne wysycone Ca i Mg otoczone są cieńszą warstwą wody hydratacyjnej niż cząstki wysycone np. Na.

Stopień zhydratowania cząstek organicznych zależy od charakteru rodników:

• hydrofilowych (łatwo wchłaniających wodę):

• ─ OH

• ─COH

• ─COOH

• ─NH₂

• ═CO

• hydrofobowych (słabo łączące się z wodą)

• ─CH₃

• ═CH₂

• ≡CH

• −C₆H₅

Hydratacja sprzyja peptyzacji, dehydratacja koagulacji.

Koloidy organiczne będą tym silniej uwodnione im są zasobniejsze w rodniki hydrofilowe.

PEPTYZACJA - pod wpływem uwodnienia lub zwiększenia elektrokinetycznego potencjału cząstek następuje zwiększenie stanu rozdrobnienia zawiesin. Peptyzacja odbywa się etapami. Wywołujemy ją, działając na układ koloidalny, elektrolitami (kwasami lub zasadami, zależnie od ładunku cząstki koloidalnej)

Układy o ujemnie naładowanych cząstkach peptyzują pod wpływem jonów OH^-, które wnikają do wewnętrznej powłoki jonów zwiększając ujemny ładunek..

K⁺ i Na⁺ osłabiają w nieznacznym stopniu peptyzujące działanie OH^-.

Ca²⁺ - hamują peptyz. (czynnik koagulacyjny). Silnie koagulujące działanie Ca²⁺ ma znaczenie w glebach, bowiem gl. wapnowane nie tracą w stanie wilgotnym budowy gruzełkowatej, gdyż koagulujące działanie Ca²⁺ jest silniejsze od peptyzującego działania OH^-, powstającego przy hydrolizie CaCO₃: CaCO₃ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂.

Peptyzacja przebiega łatwiej i szybciej im mniej koloidy są odwodnione.

Szybkość zależy też od rodzaju kationu powodującego koagulację. Najłatwiej peptyzują koażele strącone przez kationy jednowartościowe.

Peptyzacja może też zachodzić w wyniku rozpuszczania się cząstek koloidowych w ośrodku dyspersyjnym (żelatyna w wodzie).

Prędkość pept. zależy od stężenia substancji peptyzujących i temperatury.

KOAGULACJA - wytrącanie cząstek koloidalnych z ośrodka dyspersyjnego i tworzenie się osadów.

Strącenie koloidów można wywołać przez:

• wytrząsanie

• zagęszczanie ośrodka dyspersyjnego (dehydratacja)

• działanie elektrolitów

• wzajemne oddziaływanie dwóch różnoimiennie naładowanych układów

W glebie koagulacja zachodzi przy wysychaniu (dehydratacja) i zamarzaniu (duże znaczenie orki przedzimowej).

Cząstki koloidalne naładowane ujemnie koagulują pod wpływem kationów. Działanie koagulacyjne kationów jest tym silniejsze im większa jest ich średnica, im wyższa wartościowość i im mniejszy jest ich stopień hydratacji, co obrazuje szereg:

Al³⁺> H⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺>Na⁺. W glebie klimatu umiarkowanego Mg, Ca i H działając na cząstki ilaste tworzą kłaczki, które razem z próchnicą przyczyniają się do budowy gruzełkowej.

Gdy w układach dyspersyjnych koagulacja zachodzi samorzutnie następuje tzw. starzenie się koloidów np. przemiana krzemionki koloidalnej w opal.

Gdy koagulują koloidy hydrofobowe oddzielają się od ośrodka dyspersyjnego i osadzają się (koażele).

Gdy koagulują koloidy hydrofilowe powstają hydrożele zawierające pewne ilości wody i mające właściwości galarety.

Koagulaty (koażele i hydrożele) mają zdolność sorbowania kationów i anionów, które z kolei pod wpływem innych jonów mogą podlegać wymianie (sorpcja wymienna). Koagulaty ujemnie naładowanych koloidów sorbują aniony i vice versa.

Właściwości sorpcyjne koloidów glebowych są jedną z najważniejszych cech glebowych → decydują o zasobności gleb w składniki pokarmowe.

Koloidy gl. mają przeważnie ładunek ujemny, a kationami otaczającymi cząsteczkę koloidu są Ca, Al., H, Mg, K, Na.

PODZIAŁ KOLOIDÓW GLEBOWYCH

KOLOIDY
ORGANICZNE	MINERALNE
próchnica białka glebowe żywe bakterie celuloza	glinokrzemiany (b. silnie rozdrobnione wtórne minerały ilaste) krzemionka koloidalny wodorotlenek żelaza [Fe(OH)2] koloidalny wodorotlenek glinu [Al(OH)2] fosforan wapnia [Ca(PO4)2 węglan wapnia [CaCO3] związki manganu
w zależności od ładunku:
UJEMNIE NAŁADOWANE	DODATNIO NAŁADOWANE
próchnica krzemionka silnie rozdrobnione minerały pierwotne wtórne minerały ilaste związki manganu	koloidalny wodorotlenek żelaza [Fe(OH)2] koloidalny wodorotlenek glinu [Al(OH)2] białka glebowe fosforan trójwapniowy
w zależności od powinowactwa do wody
HYDROFILOWE	HYDROFOBOWE
próchnica krzemionka wtórne minerały ilaste białka glebowe	koloidalny wodorotlenek żelaza [Fe(OH)2] koloidalny wodorotlenek glinu [Al(OH)2] węglan wapnia [CaCO3] próchnica, gdy jest wysycona Ca
ODWRACALNE	NIEODWRACALNE
koloidy hydrofilowe tzw. zole (żel → zol)	koloidy hydrofobowe (koagulaty pod wpływem wody nie peptyzują)

Powinowactwo do wody zależy od składu chemicznego koloidu i rodzaju kationów wymiennych na ich powierzchni. Koloidy hydrofilowe są b. odporne na czynniki koagulujące (o ich trwałości decyduje uwodnienie).

Utrudnianie lub zapobieganie koagulacji koloidów hydrofobowych nie sprzyja tworzeniu się budowy agregatowej gleby. Sprzyja natomiast bielicowaniu gleby → wymywanie składników pokarmowych.

6

---