Обменные катионы улучшающие структурное состояние почвы

К насыщенным основаниями относят почвы, в ППК которых преобладают ионы Са 2+ и Mg 2+ и отсутствуют ионы Н + и Al 3+ . Такие почвы обладают водопрочной структурой, имеют слабокислую или нейтральную среду и благоприятные водно-физические свойства (черноземы, каштановые почвы). К ненасыщенным основаниями относят почвы, которые в поглощаемом состоянии наряду с ионами Са 2+ и Mg 2+ содержат ионы Н + и Al +++ . Структура таких почв неводопрочная, они склонны к заплыванию и образованию почвенной корки, обладают кислотностью (подзолистые, красноземы).

Доля участия в ППК поглощенных Н + и Al +++ определяет степень насыщенности почв основаниями.

Степень насыщенности почв основаниями – это количество поглощенных оснований (S), выраженное в % от емкости поглощения (Е), вычисляемая по формуле:

или

где Е- емкость поглощения, у кислых почв она равна S+H_гк.

Степень насыщенности основаниями показывает, какая часть от емкости поглощения приходится на обменные основания, и в различных типах почв колеблется от 5 до 100%, и позволяет в определенной степени судить о нуждаемости почв в известковании.

Источник

1.6 Обменные ионы в грунтах и влияние их на микростроение и свойства грунтов

Высокодисперсные минеральные частицы грунтов при взаимодей­ствии с водой приобретают строение, характерное для коллоидных мицелл. Ионы, входящие в состав мицеллы, участвуют в обменных ре­акциях с ионами водных растворов.

Общее количество ионов в грунте, способных к обмену в данных условиях, называют емкостью поглощения, или емкостью обмена грун­та. Емкость поглощения выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г абсолютно сухого грунта и определяется в нейтральной среде, т. е. при рН=7. Величина емкости поглощения грунтов обычно не пре­вышает 100 мг-экв на 100 г навески. И лишь у минералов группы монт­мориллонита достигает 150 мг-экв на 100 г.

Среди обменных ионов резко преобладают катионы. Поэтому обыч­но рассматривается механизм катионного обмена. Исследования природы обменных реакций показывают, что обмен ионов может происходить как на внешних поверхностях кристаллов слоистых силикатов, так и в межслоевом пространстве этих минералов (рис. 6). Механизм катионного обмена во многом зависит от характера

кристаллических решеток минералов. Выше указывалось, что частицы каолинита имеют жесткую кристаллическую решетку; доступ находя­щихся в растворе ионов в межслоевые пространства исключен. Поэтому обменные реакции у частиц каолинита протекают только на внешних поверхностях кристаллов (по их боковым сколам). Отсюда емкость по­глощения каолинита небольшая—3—15 мг-экв на 100 г.

Гидрослюды имеют также жесткую кристаллическую решетку, но их базальные поверхности несут значительный отрицательный заряд, который возникает благодаря нескомпенсированности зарядов внутри кристаллической решетки при замещении на Si 4+ , а А1 3+ ионами более низкой валентности. Вследствие этого ионный обмен у гидрослюд происходит не только по сколам, но и по все площади базальных плоскостей. Емкость поглощения гидрослюд значительно превышает емкость поглощения каолинита; величина ее составляет 10—40 мг-экв. на 100 г. В обоих рассмотренных случаях обмен происходит на внеш­ней поверхности частиц.

У монтмориллонита изоморфные замещения происходят в меньшей степени, чем у гидрослюд, поэтому его базальные поверхности имеют несколько меньший отрицательный заряд, чем базальная поверхность гидрослюд, но вследствие подвижного характера кристаллической ре­шетки для обменных реакций оказываются доступными не только внешняя, но и все внутренние поверхности структурных слоев. Вели­чина емкости обмена в этом случае наибольшая, для монтмориллонита она составляет 80—150 мг-экв на 100 г.

Состав обменных катионов определяется минеральным составом грунтов и составом поровой воды. Чаще всего среди обменных катионов находятся Са 2 +, Мg 2 +, Nа+, К + , Н+.

Образование рыхлосвязанной воды происходит в диффузном слое ионов, с мощностью которого непосредственно связано ее количество. Чем больше мощность диффузного слоя ионов, тем больше образуется вокруг грунтовой частицы рыхлосвязанной воды. Мощность диффузного слоя ионов при прочих равных условиях возрастает с уменьшением валентности ионов и следовательно, количество рыхлосвязанной воды, образующейся при гидратации грунтовых частиц, будет изменяться в зависимости от состава обменных катионов по следующему ряду:

катион + >катион 2+ > катион 3+. Эта же зависимость справедлива и для общего количества связанной воды, так как рыхлосвязанной воды всегда содержится больше, чем прочносвязанной.

Образование мощных оболочек связанной воды вокруг грунтовых частиц обусловливает распад микроагрегатов. Уменьшение оболочек связанной воды вокруг грунтовых частиц способствует обратному яв­лению — процессу коагуляции частиц, образованию микроагрегатов.

В природных грунтах наибольшее значение в качестве диспергатора имеет Na+, коагулятора — Са 2+ . При этом выход частиц глинис­той фракции в процессе гранулометрического анализа при замене Са 2+ на Nа+ увеличивается до 8 раз, а коллоидных частиц иногда даже до 25 раз. Естественно, что при этом изменяется микростроение дис­персных грунтов. Это хорошо видно на фотографиях, сделанных на сканирующем электронном микроскопе (рис. 7). Во всех случаях Nа- и Са-глины имеют разное микростроение, что обусловлено диспергирую­щими и коагулирующими свойствами этих катионов.

Влияние обменных катионов на содержание в грунтах связанной воды, на характер микроструктуры и микротекстуры и свойства грун­тов значительно больше в том случае, когда в глинистой фракции со­держится монтмориллонит. При содержании в глинистой фракции каолинита роль обменных катионов в указанном отношении становится второстепенной.

Источник

ОБМЕННЫЕ КАТИОНЫ ПОЧВ

Состав обменных катионов почв является одним из важнейших по­казателей, используемых при диагностике и классификации почв. Так, например, в зависимости от содержания катионов Н + и А1 3+ все почвы можно разделить на две группы: почвы, насыщенные основаниями (не содержат Н + и А1 3+ ), и почвы, не насыщенные основаниями (содержат Н + и А1 3+ ).

Степень насыщения почв основаниями определяется по фор­муле:

V = · 100 (%), где

V — степень насыщения почв основаниями в % от ЕКО;

S — сум­ма концентраций обменных оснований (сумма концентраций катио­нов Са 2+ , Mg 2+ , Na + , K + );

ЕКО — стандартная емкость катионного обмена.

Почвы, не насыщенные основаниями, содержат некоторые коли­чества обменных катионов Н + и А1 3+ , и для них всегда S + . К ним относятся солонцева­тые почвы, солонцы, многие солончаки. Повышенное содержание обменного катиона натрия в солонцах, например, приводит к по­явлению таких отрицательных свойств почв, как высокая щелоч­ность, плотная слеживаемость в сухом состоянии, сильная трещиноватость мощной почвенной корки, что вызывает разрыв корневой системы растений и гибель всходов. Во влажном состоянии такие почвы отличаются плохими водно-физическими свойствами (вяз­кость, заплывание и липкость почвенной массы). Существуют три основные возможности засоления почвенной толщи: путем капиллярного поднятия солей с влагой снизу; по­верхностными водами; первичное засоление, обусловленное мор­ским генезисом почвообразующей породы. Первые два пути свя­заны с ошибками в сельскохозяйственном использовании земель, которые приводят к нарушению сложившихся в естественных усло­виях соотношений обменных катионов. Наибольшее влияние на со­став обменных катионов в почвах, используемых для сельского хо­зяйства, оказывает внесение минеральных удобрений, орошение и осушение полей, поскольку эти агротехнические мероприятия спо­собны вызвать изменение состава почвенных растворов.

Помимо состава почвенного раствора на количественный и ка­чественный состав обменных катионов значительное влияние ока­зывает природа почвенно-поглощающего комплекса (ППК). Почвы обладают различной способностью селективно поглощать катионы одного рода в ущерб катионам другого рода. Коэффициент селек­тивности катионного обмена K_S, количественно характеризующий это явление, может быть определен по формуле:

K_S = ,

где Mj и Mj — концентрации обменных катионов i-го и j-ro видов в ППК; Zi и Zj — их заряды; а_i и а_j— — активности соответствующих катионов в равновесном растворе.

Значение коэффициента селективности зависит от свойств кати­онов и химических особенностей компонентов ППК.В общем случае предпочтительнее связываются катионы с более высоким зарядом, а при равных зарядах — катионы с большей атомной массой.

Коэффициент селективности для пары обменных катионов, на­пример Ca 2+ -Na + , по данным различных авторов колеблется от 4 до 16. Однако, несмотря на способность почв преимущественно свя­зывать катионы кальция, при орошении почв в них возможно на­копление Na + . Это объясняется тем, что воды рек и водохранилищ, используемые для орошения в засушливых районах, содержат замет­ные количества натриевых солей. Доля Na + в составе растворенных солей по мере удаления по оросительным каналам от водохранилища постоянно повышается. При попадании в почву эти воды способны сместить установившееся равновесие в составе обменных катионов и способствовать возрастанию доли катионов Na + в почвенно-поглощающем комплексе.

В качестве одной из характеристик природных и сточных вод,применяемых для орошения, принято использовать показа­тель адсорбируемости натрия (в англоязычном варианте – sodium adsorption ratio – SAR), который позволяет оценить опасность за­соления и осолонцевания почв:

SAR = 1,41·,

где[Na + ], [Ca 2+ ], [Mg 2+ ] — концентрации соответствующих катио­нов в воде (мэкв/л).

Оценка опасности засоления и осолонцевания почв носит пока эмпирический характер и зависит от общей минерализации воды и величины SAR.

Источник