Что такое емкость катионного обмена почвы

Емкость катионного обмена.

Важнейшей характеристикой почвенного поглощающего комплекса и почвы в целом является емкость катионного обмена (ЕКО). По К.К.Гедройцу, емкость поглощения определяется как сумма всех обменных катионов, которые можно вытеснить из данной почвы. Он считал, что для данной почвы — это величина постоянная и может изменяться лишь с изменением природы самой почвы. Позже было установлено, что величина ЕКО существенно зависит от рН взаимодействующего с почвой раствора и несколько варьирует при замене одного вида насыщающего катиона на другой.

Под емкостью катионного обмена будем понимать общее количество катионов одного рода, удерживаемых почвой в обменном состоянии при стандартных условиях и способных к обмену на катионы взаимодействующего с почвой раствора. Величину емкости катионного обмена выражают в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы или ее фракции. Согласно правилам Международной системы единиц (СИ), величина ЕКО, выраженная в сМ(р+) • кг-1 (сантимоли положительных зарядов в 1 кг почвы), численно совпадав с числом миллиграмм-эквивалентов на 100 г почвы.

Емкость обмена не следует отождествлять с суммой обменных катионов. Последняя определяется как общее количество катионов, вытесняемых из незасоленной и бескарбонатной почвы нейтральным раствором соли. Сумма обменных катионов характеризует природное состояние почвы, она может совпадать количественно с ЕКО, но может и существенно от нее отличаться. Поскольку ЕКО зависит от рН, для одной и той же почвы сумма обменных катионов может быть ниже, если почва имеет кислую реакцию, ЕКО — выше, если ее определяют с помощью буферного раствора при рН 8,2. Возможны и обратные зависимости.

Учитывая зависимость емкости обмена от рН и необходимость характеристики почвы не только в условно выбранном стандартном состоянии, но и в природной обстановке, следует различат три вида ЕКО:

• емкость катионного обмена стандартную определяют с помощью буферных растворов при постоянном значении рН. С этой целью почву насыщают ионами Ва2+ из буферного раствора с рН 6,5 После насыщения емкость определяют по количеству поглощенного почвой Ва2+;

• емкость катионного обмена реальную (или эффективную) определяют путем обработки почвы небуферными растворами солей о реальной емкости катионного обмена можно судить с достаточной точностью по сумме обменных катионов;

• дифференциальная (или рН-зависимая) емкость катионного обмена характеризует приращение емкости катионного обмена с увеличением рН равновесного раствора: ∆ЕКО/DрН. Чтобы найти дифференциальную ЕКО, почву насыщают катионами одного рода из буферных растворов с различными значениями рН (например, 6,5 и 8,2), а затем рассчитывают общее приращение ЕКО или её приращение на единицу рН.

Емкость катионного обмена зависит от гранулометрического состава почвы и строения веществ, входящих в состав почвенного поглощающего комплекса. Увеличение ЕКО в тяжелых по механическоскому составу почвах обусловлено не только нарастанием удельной поверхности, но и изменением природы слагающих различные фракции веществ.

Величина ЕКО зависит от числа отрицательных зарядов, приходящихся на единицу массы или поверхности ППК. Обменные катионы компенсируют отрицательный заряд, и в отсутствие внешнего электрического поля каждая частица ППК электронейтральна.

Наибольшей емкостью обладают гумусовые вещества, для которых особенно сильно выражена зависимость ЕКО от рН. В нейтральной и кислой средах в реакциях обмена участвует водород только карбоксильных групп. В щелочной среде диссоциируют также фенольные группы и некоторые другие гидроксилы, что резко увеличивает ЕКО. Надо иметь в виду, что карбоксильные группы гумусовых кислот неодинаковы. Константы диссоциации групп СООН зависят от их положения в молекуле и ближайшего окружения.

В обогащенных гумусом горизонтах почв величина ЕКО обусловлена в значительной мере органическими веществами. По данным М.А. Винокурова, емкость органической части почвы в 10—30 раз превышает ЕКО минеральной части, и при содержании гумуса около 5—6 % на его долю приходится 30—60 % ЕКО

Источник

Емкость катионного обмена почв и факторы, ее определяющие.

Ёмкостью поглощения или емкостью катионного обмена (ЕКО) называется общее количество катионов, которое может быть вытеснено из почвы. ЕКО характеризует физико-химическую поглотительную способность почв и зависит от минерального и гранулометрического состава почв, а также от содержания в них гумуса

Обменные катионы и анионы. Состав обменных катионов и емкость катионного обмена основных типов почв.

Влияние обменных катионов на свойства почв.

Обменные катионы – это катионы, способные к эквивалентному обмену на катион взаимодействующего с почвой раствора. Обменные катионы находятся на обменных позициях глинистых минералов и органического вещества, и их составов сильно различается в почвах разных природно-климатических зон.

Обменные анионы – анионы, способные эквивалентно обмениваться на анионы взаимодействующего с почвой раствора. Основная часть обменных анионов находится в почвах на поверхности гидроксидов железа и алюминия, которые в условиях кислой реакции имеют положительный заряд. Поглощение анионов почвами в неблагоприятных условиях может приводить к накоплению ряда токсичных веществ.

Основные обменные катионы в почве: (Ca) 2+ ; (Mg) 2+; (Na ) +; (NH4) +; (K) +; (H) +; (Al) 3+; (Fe) 2+; (Mn) 2+.

Основные обменные анионы в почве: (PO4) 3-; (HPO4) 2-; (H2PO4) -; (SiO3) 2-; (NO3) -; (Cl) -.

Емкость анионного обмена имеет тот же смысл, что и емкость катионного обмена. Но характеризует обменную способность почвы в отношении анионов. Емкость анионного обмена не имеет существенного значения для большинства типов почв, у которых основная масса частиц, способных к ионном обмене, несет отрицательный заряд.

Емкость анионного обмена возрастает по мере подкисления среды, с увеличением содержания в почве органического вещества, галлуазита и аморфных минералов.

Ёмкостью поглощения или емкостью катионного обмена (ЕКО) называется общее количество катионов, которое может быть вытеснено из почвы. ЕКО характеризует физико-химическую поглотительную способность почв и зависит от минерального и гранулометрического состава почв, а также от содержания в них гумуса.

· Величина ЕКО определяется числом отрицательных зарядов, приходящихся на единицу массы или поверхности почвенного поглощающего комплекса.

· Выражают ее в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы.

Величина емкости катионного обмена зависит от ряда факторов:

· Минералогического состава почвы;

· Содержания и состава органического вещества;

· природы и концентрации катиона раствора, используемого для определения ЕКО.

Группировка почв по емкости катионного обмена.

Обменные катионы выполняют в почве следующие экологические функции:

· Ca 2+ — присутствует во всех почвах, но в разных количествах и соотношениях с другими катионами, оптимальное содержание 80-90% ЕКО, способствует оструктуриванию, гумусообразованию, кислотно-основной буферности, способен к ионе обменному поглощению корнями растений.

· Mg 2+ — всегда сопровождает Ca 2+, при увеличении доли ППК вызывав повышение щелочности, присутствуя в ППК поддерживает солонцеватость случаях к образовании особых почв – магниевых солонцов.

· K + — играет важную роль в питании растений;

· Al 3+ — участвует в формировании потенциальной кислотности почв, играет важную роль в перераспределении веществ в почвенном профиле;

· H + — источник почвенной кислотности,

Состав поглощенных катионов в разных почвах различен и зависит от типа почвообразования, состава материнских пород и состава грунтовых вод. Наиболее распространенными во всех почвах являются кальций, магний, водород, алюминий, калий, натрий, аммоний.

· Подзолистые и дерново-подзолистые почвы содержат кальций, магний, водород и алюминий. Водород и алюминий приводят к кислой реакции среды. Такие почвы имеют низкую емкость поглощения, особенно в горизонте А2;

· В черноземах преобладают кальций и магний, причем кальция больше, чем магния. Одновалентных катионов (натрий, калий, водород и аммоний) в поглощенном состоянии содержат мало. Емкость поглощения высокая.

· Каштановые содержат меньше гумуса, чем черноземы и меньшую емкость поглощения. Основные катионы – кальций, магний и натрий (до 3%)

· Солонцы – кальций, магний, натрий (более 20%). Благодаря натрию в почве коллоиды имеют высокий потенциал, при котором гели переходят в золи.

· Сероземы имеют низкую емкость поглощения, в составе преобладает кальций, магний, содержание калия и натрия не превышает 10-15% от емкости поглощения.

· Красноземы – почвы влажных субтропиков. Это кислые почвы. В составе ППК преобладают водород и алюминий (до 70-80% от емкости поглощения) и немного кальция и магния.

· Болотные почвы – содержат кальций, магний, водород, алюминий и аммоний в большом количестве.

Значение катионов в агрономических свойствах почв:

· Катионы, которые насыщая почву полностью дают нормальный урожай растений. К ним относятся кальци и стронций. Последний не имеет практического значения, то можно сказать, что кальций представляет собой единственный катион, который насыщая почву, создает для растений вполне благоприятные условия;

· Катионы магния, марганца, железа, алюминия и водорода. При полном насыщении ими растения гибнут, но внесение извести в той или иной степени исправляют урожай;

· Катионы, обладающие ядовитыми свойствами по отношению к растениям и внесение извести в этом случае бесполезно – это аммоний, натрий, калий, кадмий, барий, никель, кобальт, медь.

Дата добавления: 2019-07-17 ; просмотров: 1816 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Катионообменная емкость — Cation-exchange capacity

Катионообменная емкость ( CEC ) — это мера того, сколько катионов может удерживаться на поверхности частиц почвы. Отрицательные заряды на поверхности частиц почвы связывают положительно заряженные атомы или молекулы (катионы), но позволяют им обмениваться с другими положительно заряженными частицами в окружающей почвенной воде. Это один из способов, которыми твердые вещества в почве изменяют химический состав почвы. CEC влияет на многие аспекты химии почвы и используется как мера плодородия почвы , поскольку показывает способность почвы удерживать несколько питательных веществ (например, K + , NH ₄ + , Ca 2+ ) в доступной для растений форме. Это также указывает на способность удерживать катионы загрязнителей (например, Pb 2+ ).

СОДЕРЖАНИЕ

Определение и принципы

Катионообменная емкость определяется как количество положительного заряда, которое может быть обменено на массу почвы, обычно измеряемое в смоль _с / кг. В некоторых текстах используются более старые эквивалентные единицы me / 100g или meq / 100g. ЕКО измеряется в молях электрического заряда, поэтому катионообменная емкость 10 смоль _c / кг может удерживать 10 смоль катионов Na + (с 1 единицей заряда на катион) на килограмм почвы, но только 5 смоль Ca 2+. (2 единицы заряда на катион).

Катионообменная способность возникает из-за различных отрицательных зарядов на поверхности частиц почвы, особенно глинистых минералов и органических веществ почвы . Филосиликатные глины состоят из слоистых листов оксидов алюминия и кремния . Замена атомов алюминия или кремния другими элементами с более низким зарядом (например, Al 3+, замененным на Mg 2+ ) может придать структуре глины чистый отрицательный заряд. Этот заряд не включает депротонирование и, следовательно, не зависит от pH и называется постоянным зарядом. Кроме того, края этих листов обнажают множество кислотных гидроксильных групп, которые депротонируются, оставляя отрицательные заряды на уровне pH во многих почвах. Органическое вещество также вносит очень значительный вклад в катионный обмен из-за большого количества заряженных функциональных групп . ЕКО обычно выше у поверхности почвы, где содержание органических веществ наиболее высоко, и снижается с глубиной. ЕКО органического вещества сильно зависит от pH.

Катионы адсорбируются на поверхности почвы за счет электростатического взаимодействия между их положительным зарядом и отрицательным зарядом поверхности, но они сохраняют оболочку из молекул воды и не образуют прямых химических связей с поверхностью. Таким образом, обменные катионы образуют часть диффузного слоя над заряженной поверхностью. Связывание относительно слабое, и катион может легко вытесняться с поверхности другими катионами из окружающего раствора.

PH почвы

Количество отрицательного заряда от депротонирования гидроксильных групп глины или органического вещества зависит от pH окружающего раствора. Увеличение pH (т.е. уменьшение концентрации катионов H + ) увеличивает этот переменный заряд и, следовательно, также увеличивает катионообменную емкость.

Измерение

Катионообменная емкость измеряется путем замещения всех связанных катионов концентрированным раствором другого катиона, а затем измерения либо вытесненных катионов, либо количества оставшегося добавленного катиона. Барий (Ba 2+ ) и аммоний (NH ₄ + ) часто используются в качестве катионов обменника, хотя доступны многие другие методы.

Измерения CEC зависят от pH и поэтому часто проводятся с использованием буферного раствора с определенным значением pH. Если этот pH отличается от естественного pH почвы, измерение не будет отражать истинное значение CEC при нормальных условиях. Такие измерения CEC называют «потенциальным CEC». В качестве альтернативы измерение pH естественной почвы называется «эффективным CEC», что более точно отражает реальное значение, но может затруднить прямое сравнение между почвами.

Типичные значения

Катионообменная способность почвы определяется составляющими ее материалами, которые могут сильно различаться в зависимости от их индивидуальных значений CEC. Таким образом, CEC зависит от исходных материалов, из которых образовалась почва, и от условий, в которых она развивалась. Эти факторы также важны для определения pH почвы, который имеет большое влияние на CEC.

Базовая насыщенность

Насыщение основанием выражает процент потенциальной ЕКО, занятой катионами Ca 2+ , Mg 2+ , K + или Na + . Их традиционно называют «катионами оснований», потому что они не являются кислотными, хотя они не являются основаниями в обычном химическом смысле. Насыщение основаниями является показателем выветривания почвы и отражает доступность для растений катионных питательных веществ, способных к обмену.

Анионообменная емкость

Положительные заряды почвенных минералов могут удерживать анионы по тому же принципу, что и катионный обмен. Поверхности каолинита, аллофана, оксидов железа и алюминия часто несут положительный заряд. В большинстве почв катионообменная емкость намного больше, чем анионообменная емкость, но обратное может происходить в сильно выветренных почвах, таких как ферралсоли ( оксизоли ).

Рекомендации

Общие ссылки

Ramos, FT; Dores EFGC; Вебер OLS; Бебер DC; Кампело младший JH; Maia JCS (2018) «Органическое вещество почвы удваивает катионообменную способность тропической почвы при нулевой обработке почвы в Бразилии». J Sci Food Agric. 10.1002 / jsfa.8881

Источник