Sorpcyjne właściwości gleb

To całokształt różnych zjawisk w wyniku których gleby pochłaniają i zatrzymują drobne zawiesiny, mikroorganizmy, molekuły i jony.

Właściwości sorpcyjne zależne są od koloidów glebowych stanowiących tak zwany:

sorpcyjny lub chłonny kompleks glebowy.

Im mniejsza średnica koloidów tym właściwości sorpcyjne większe. Oprócz rozdrobnienia cząstek właściwości sorpcyjne są kształtowane odczynem, charakterem cząstek (mineralne czy organiczne) oraz strukturą.

Właściwości sorpcyjne odgrywają ważną rolę jako czynnik regulujący zjawisko wymywania składników pokarmowych roślin z gleb, a tym samym odgrywają doniosłą rolę w procesach odżywiania roślin.

Sorpcyjny kompleks glebowy

Złożony jest z koloidów o ogromnej zewnętrznej a często także i wewnętrznej powierzchni.

Właściwości KS zależą od stosunku koloidów organicznych do mineralnych, ich struktury

i ich właściwości.

W budowie glebowego kompleksu sorpcyjnego wyróżniamy:

- część organiczną

- część mineralną

Bardzo często stanowią one kompleksowe żele organiczno - mineralne.

Część organiczna - składa się z mieszaniny różnych związków o właściwościach koloidów hydrofilowych. Największe znaczenie wśród tych koloidów mają różne związki próchniczne. Część organiczna ma 4 - 15 razy większe właściwości chłonne niż część mineralna, lecz pochłonięte przez próchnicę wymienne kationy związane są z kompleksem sorpcyjnym mniej trwale niż te same kationy z częścią nieorganiczną.

Część mineralna - tworzą ją żele wtórnych minerałów ilastych. Wtórne minerały ilaste cechują się znaczną plastycznością oraz zdolnością pęcznienia i sorbowania jonów (co związane jest z ich warstwową budową).

W części mineralnej sorpcyjnego kompleksu glebowego występują minerały ilaste z podgrupy:

a/ kaolinitu

b/ montmorylonitu

c/ illitu

a/ Kaolinit

39,5 % Al₂O₃ / 46,5 % SiO₂ / 14 % H₂O domieszki Fe, Mg, Ca, K, Na

W stanie suchym intensywnie wchłania wodę i pęcznieje stając się plastyczny.

Niska pojemność sorpcyjna 5 -15 milirównoważników w 100 g minerału.

Haloizyt

Ma mniejsze zdolności pęcznienia natomiast wysoką pojemność sorpcyjną 5 - 50

milirównoważników w 100 g minerału.

b/ Montmorylonit

Silnie pęcznieję wchłaniając wodę. Pojemność sorpcyjna 50 - 150 (80 - 130)

Milirównoważników w 100 gramach minerału.

c/ Illit

Pojemność sorpcyjna wymienna 20 - 40 milirównoważników w 100g minerału

Kompleks sorpcyjny gleb jest mieszaniną różnych koloidów znajdujących się przeważnie w stanie żeli, koagulatów.

Zależnie od wartości pH może wykazywać zarówno ładunek dodatni jak i ujemny, a wskutek tego może sorbować z roztworów tak kationy, jak i aniony.

W naszych warunkach klimatycznych znaczenie praktyczne ma jedynie sorpcja kationów.

• W minerałach ilastych następuje podstawianie

Np. Al⁺⁺⁺ przez Mg⁺⁺ daje wolny (-) ładunek ujemny

• W minerałach ilastych grupa OH oddysocjowuje H⁺ i pozostaje ładunek (-) ujemny który nosi tlen

• W próchnicy grupy karboksylowe COOH, fenolowe (pierścień aromatyczny z OH) oddysocjowują H⁺ i pozostaje ujemny (-) ładunek

• DLATEGO MOŻLIWA JEST SORPCJA KATIONÓW

Rodzaje sorpcji

W gleboznawstwie wyróżnia się sorpcję:

• mechaniczną

• fizyczną

• wymienną

• chemiczną

• biologiczną

Sorpcja mechaniczna

Polega na mechanicznym zatrzymywaniu w przestworach kapilarnych gleb, mikroorganizmów i zawiesin zawartych w roztworach glebowych. Sorpcja ta zależna jest przede wszystkim od wymiarów kapilarnych przestworów glebowych - czyli od uziarnienia.

Sorpcję mechaniczną zwiększa koagulacja drobnych zawiesin, które zgrużlone są zatrzymywane przez kapilary glebowe.

Sorpcja mechaniczna może wpływać na powstawanie w glebie warstw trudno przepuszczalnych co może wywołać pogorszenie się stosunków wodno - powietrznych.

Sorpcja fizyczna (apolarna)

Sorpcją fizyczną gleb nazywamy zdolność fazy stałej gleb do zatrzymywania na swojej powierzchni gazów i par oraz całych molekuł i mikroorganizmów z roztworów glebowych.

Pochłaniane mogą być jedynie substancje niedysocjujące.

Sorpcja fizyczna zależy od wielkości energii powierzchniowej K, którą mierzy się iloczynem:

K= S · P

K - energia powierzchniowa

S - Napięcie powierzchniowe ośrodka dyspersyjnego

P - powierzchnia fazy stałej

Sorpcja fizyczna wzrasta z napięciem powierzchniowym i stopniem rozdrobnienia fazy stałej.

Sorpcja fizyczna, wiążąc niektóre łatwo rozpuszczalne i łatwo przyswajalne przez rośliny składniki ze stała fazą gleby, chroni te składniki od wypłukania.

Duże znaczenie dla przebiegu różnych procesów glebowych ma sorpcja par i gazów

N₂ < O₂ < CO₂ < H₂O

Zachodzi ona na drodze:

- adsorpcji apolarnej /zwiększenie koncentracji na powierzchni sorbenta/

- absorpcji /pochłanianie przez całą masę sorbenta/

- chemosorpcji /chemiczne oddziaływanie gazów i par na stałą fazę gleb

- kondensacja kapilarna par w porach sorbentów

Sorpcja wymienna (polarna)

Nazywana również koloidalno - chemiczną uwarunkowana jest reakcją wymiany między jonami znajdującymi się w KS gleb a jonami występującymi w roztworach glebowych.

Polega na tym, że na miejsce jonów zasorbowanych z roztworów glebowych wychodzi z fazy stałej gleb do tych roztworów równoważna ilość jonów.

Reakcje wymiany nie przebiegają do końca, a między jonami roztworów glebowych a jonami występującymi w fazie stałej gleb, ustala się stan dynamicznej równowagi, który zależny jest od energii wejścia jonów z ośrodka dyspersyjnego do fazy stałej - i na odwrót.

Reakcje sorpcji wymiennej należą do odwracalnych (przy zmianie koncentracji roztworów).

Zasorbowane przez kompleks sorpcyjny kationy przechodzą częściowo znów do roztworu, stąd mogą być pobierane przez rośliny.

Sorpcja wymienna przebiega w ciągu pewnego czasu co między innymi uzależnione jest od struktury sorbentów i stopnia uwilgotnienia gleby.

Struktura permutoidalna - duża ilość kanalików i kapilar - przestrzenie międzywarstwowe

np. montmorylonit, beidelit, haloizyt

Sorpcja przebiega na zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni.

Struktura średnio zbita - dotyczy sorbenta o mniejszej porowatości wewnętrznej niż

poprzednia struktura permutoidalna.

Struktura zbita - sorpcja zachodzi głównie na powierzchni zewnętrznej

Energia wejścia

Kationy wchodzą do kompleksu sorpcyjnego gleb z różną energią. Ustalono szereg:

Li⁺ < Na⁺ < NH₄⁺ = K⁺ < Mg⁺⁺ < Ca⁺⁺ < Al⁺⁺⁺ < Fe⁺⁺⁺ < H⁺

Zależy od:

- wartościowości (tym większa energia im większa wartościowość)

- ciężaru atomowego kationów (masa atomowa decyduje w wypadku identycznej

wartościowości

- energia wejścia jonów H⁺ zależna jest od stopnia dysocjacji kwasów (energia jest duża

w wypadku silnych kwasów)

- stopnia ich hydratacji (im większa tym mniejsza energia wejścia kationów do KS)

- koncentracji roztworu (im wyższa tym sorpcja jest bardziej energiczna)

Energia wyjścia kationów z fazy stałej gleby do roztworu (desorpcja):

Li⁺ > Na⁺ > NH₄⁺ = K⁺ > Mg⁺⁺ > Ca⁺⁺ > Al⁺⁺⁺ > Fe⁺⁺⁺ > H⁺

Wynika z tego, że kationy wykazujące dużą energię sorpcji mają małą energię desorpcji. Wodór, żelazo, glin - łatwo wchodzą do kompleksu sorpcyjnego lecz trudno są z niego wypierane przez inne kationy.

Sorpcja chemiczna

Zaliczane są tutaj zjawiska spowodowane wytrącaniem się nierozpuszczalnych soli w wyniku reakcji wzajemnego oddziaływania na siebie jonów roztworów glebowych albo reakcji odbywających się na powierzchni kompleksu sorpcyjnego gleb.

Wpływa ona nie tylko na skład jakościowy jonów ale również na zmniejszenie ich koncentracji w roztworze glebowym.

Dotyczy:

- sorpcji anionów kwasu węglowego

- „ „ „ siarkowego

- „ „ „ fosforowego (wytrącane są różne sole fosforu zależnie od pH)

- „ „ „ krzemowego

- „ „ OH

- sorpcji kationów soli hydrolizujących

Sorpcja biologiczna

Jest to proces gromadzenia różnych składników mineralnych gleby w postaci żywych

i obumarłych organizmów.

Zachodzi za pośrednictwem roślin wyższych i niższych, mikroorganizmów oraz mikro-

i makrofauny glebowej.

Biologicznie sorbowane są kationy i aniony (pobierane korzeniami z głębszych warstw), które po obumarciu i rozkładzie tych roślin całkowicie lub częściowo powracają do wierzchnich warstw gleby.

Największe znaczenie dla odżywiania się roślin ma sorpcja biologiczna kwasu azotowego. Ważną rolę odgrywają mikroorganizmy wiążące azot atmosferyczny w glebie (bakterie wolnożyjące).W ten sposób azot atmosferyczny nieprzyswajalny przez rośliny, dzięki sorpcji biologicznej może być przez nie wykorzystany.

• Bakterie wolnożyjące:

Clostridium - beztlenowe (temp.28°C, pH obojętny - tolerują słabo kwaśny odczyn

Azotobakter - tlenowe (temp.30°C, pH obojętny - poniżej pH 5,8 zahamowana

aktywność

Pojemność sorpcyjna gleb

Jest to sumaryczna ilość wszystkich zdolnych do wymiany kationów (kationy o charakterze kwaśnym - kwasowość hydrolityczna oraz kationy zasadowe - suma zasad), jaką może zasorbować 100g gleby.

Pojemność sorpcyjna T zależy od uziarnienia i powierzchni aktywnej glebowego kompleksu sorpcyjnego. Przyjmuje wartości w szerokich granicach (od kilku do kilkudziesięciu

mmol⁽⁺⁾/ 100 g gleby → cmol⁽⁺⁾/1kg gleby

1 - 10 piaski; 10 - 20 gliny; do 60 - iły; 100 - 150 torfy;

T = S+K_h [ cmol⁽⁺⁾/1kg gleby ]

T - pojemność sorpcyjna

S - suma wymiennych kationów zasadowych

K_h- całkowita ilość kationów o charakterze kwaśnym (kwasowość hydrolityczna)

Stopień wysycenia gleb kationami zasadowymi

S S

V = -—— · 100 % = ———— · 100 %

T S + K_h

Stopień wysycenia gleb zasadami jest wskaźnikiem zakwaszenia gleb. Gleby nasycone kationami wykazują wartość zbliżoną do 100 %; w miarę zakwaszania gleby wartość

V maleje. W dobrych glebach wartość V nie powinna być mniejsza od 80 %.

---