Сорбционные свойства почвы это

Сорбционные функции почв

Процессы сорбции играют важную роль в процессе почвообразования. Они определяют направление процесса почвообразования, оказывают влияние на химические и физические свойства почв, определяют уровень почвенного плодородия.

Анализ распределения подвижных форм химических веществ в почвенном профиле показывает наличие двух пиков аккумуляции; в гумусовом и иллювиальном горизонтах. Эти горизонты характеризуются повышенным содержанием минеральных и органических коллоидов для которых характерны высокие сорбционные свойства.

Величина сорбционной способности, в первую очередь, зависит от состава и свойств твердых фаз почв. Основным показателем сорбционных свойств почв является емкость катионного обмена (ЕКО). Величина емкости катионного обмена является интегральным показателем, отражающим содержание в почве центров сорбции, и напрямую зависит от размеров почвенных частиц и содержания органического вещества, т.е. содержания минеральных, органических и органо-минеральных коллоидов, имеющих максимальную величину поверхностного заряда.

Максимальные значения емкости катионного обмена характерны для болотных почв (до 100 ммоль(экв)/100г) и для минеральных почв травянистых экосистем с высоким содержанием органического вещества: черноземов и дерново-карбонатных (до 75 ммоль(экв)/100г), а также иллювиальных горизонтов солонцов до 60 ммоль(экв)/100г). Наименьшие — для почв малогумусных, легкого гранулометрического состава, например, бурых пустынно-степных (до 5—10 ммоль(экв)/100г).

В характеристике сорбционных свойств почв, кроме ЕКО, был использован также показатель мощности гумусового горизонта (А). Для оценки суммарного влияния этих двух параметров, имеющих разные единицы измерения, использована экспертная балльная шкала. Для каждой почвы из легенды почвенной карты*, на основе которой составлена карта сорбционных функций почв, были определены значения показателей, проведено их ранжирование, и полученным группам присвоен определенный балл. Сумму баллов ЕКО и мощности горизонта А использовали в качестве оценки сорбционной функции почв.

Полученная оценка сорбционных функций почв на территории России (2—8 баллов) поделена на 6 градаций — от очень низкой до очень высокой.

Анализ пространственного распределения почв с разной сорбционной функцией позволил провести территориальную дифференциацию наземных экосистем по их потенциальной способности к накоплению веществ. Анализ пространственного распределения почв с разной сорбционной функцией позволил провести территориальную дифференциацию наземных экосистем по их потенциальной способности к накоплению веществ. Анализ пространственного распределения почв с разной сорбционной функцией позволил провести территориальную дифференциацию наземных экосистем по их потенциальной способности к накоплению веществ.

Хорошо гумусированные почвы с высокой емкостью катионного обмена и мощным органическим или органо-минеральным горизонтом (7—8 баллов), расположены на юге европейской территории России и Западной Сибири, а также в Средней Сибири. Максимальной сорбционной способностью обладают обыкновенные и южные черноземы, лугово-черноземные почвы. Высокой способностью характеризуются дерново-карбонатные, перегнойно-карбонатные, торфяные и торфяно-глеевые болотные переходные и низинные почвы. Доля этих почв от площади почвенного покрова Российской Федерации составляет до 8,8%.

Как правило, почвы, имеющие высокие сорбционные показатели, формируются в подчиненных позициях рельефа, что увеличивает вероятность снижения скорости самоочищения от загрязняющих веществ (лугово-черноземные и лугово-болотные, торфяные и торфяно-глеевые болотные переходные и низинные и т.д.).

Почвы с высокой емкостью катионного обмена, но маломощным гумусовым профилем, по своим сорбционным свойствам занимают промежуточное положение, что характеризуется интегральным баллом 5—6 таблицы оценки сорбционных свойств. Доля этих почв в общей площади почв России составляет до 28% от всех исследуемых почв.

Минимальной способностью к закреплению загрязняющих веществ (2—3 балла) обладают почвы гумидной зоны с небольшой мощностью гумусового горизонта легкого гранулометрического состава. В эту группу входят подзолы, таежные мерзлотные почвы и подбуры тундровые, на долю которых в сумме приходится больше половины площади группы, занимающей около 35% от почвенного покрова России. Такая же очень низкая сорбционная способность отличает глееземы таежные, палевые, буро-таежные, таежные глее-мерзлотные, подзолистые и другие почвы, распространенные, главным образом, на севере европейской части страны, в Сибири и на Дальнем Востоке.

Среди почв, для которых характерен низкий уровень сорбционной способности 4 балла, наибольшую площадь имеют подбуры таежные и сухоторфянистые, дерново-подзолистые и аллювиальные почвы. На них приходится 18 из 28% площади, занимаемой этой группой почв на территории России.

В целом, на почвы с низкими и очень низкими сорбционными функциями приходится более 60% площади почвенного покрова страны.

П.П. Кречетов, И.О. Алябина

• Сорбционная способность почв, масштаб 1:30 000 000

Источник

«Сорбционные свойства почв. Адсорбция. Катионный обмен Москва 2009 2 ББК Рецензенты: доктор биологических наук профессор С.Н.Чуков доктор биологических наук профессор Д.Л.Пинский . »

Соколова Т.А., Трофимов С.Я.

Сорбционные свойства почв.

Адсорбция. Катионный обмен

доктор биологических наук профессор С.Н.Чуков

доктор биологических наук профессор Д.Л.Пинский

Рекомендовано Учебно-методической комиссией факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 020701и направлению 020700 – «Почвоведение»

Соколова Т.А., Трофимов С.Я.

Сорбционные свойства почв. Адсорбция. Катионный обмен: учебное пособие по некоторым главам химии почв. – Тула: Гриф и К, 2009. – 172с.

В учебном пособии рассматривается природа сорбционных центров на поверхности органических и минеральных компонентов твердой фазы почв, строение поверхности раздела твердая фаза почвы почвенный раствор, механизмы поглощения почвами различных соединений, в том числе соединений элементов питания и загрязняющих веществ; дан вывод математических уравнений, используемых при описании процессов адсорбции и катионного обмена.

Указана необходимая литература.

ББК Соколова Т.А., Трофимов С.Я., Оглавление Стр.

Глава 1. Краткий очерк развития представлений о сорбционных свойствах почв. Основные понятия и термины ……………………………………………………………. 1.1. Краткий очерк развития представлений о сорбционных свойствах почв………………………………………………….. 1.2. Понятия и термины, используемые при исследованиях сорбционных свойств почв……………………………………. 1.3. Емкость катионного обмена в почвах зонального ряда………………………………………………. Глава 2. Некоторые общие понятия. Функциональные группы на поверхности минеральных и органических компонентов почв…………………………………………………… 2.1. Некоторые общие понятия……………………………….. 2.2. Функциональные группы на поверхности минеральных частиц………………………………………….. 2.3. Функциональные группы на поверхности органических частиц………………………………………….. Глава 3. Современные представления о строении поверхности раздела между твердой фазой почвы и почвенным раствором…………………………………………… 3.1. Типы поверхностных комплексов………………………. 3.2. Строение поверхности раздела между твердыми частицами почвы и почвенным раствором. Заряд поверхности твердых частиц………………………………… 3.3. Точка нулевого заряда и другие электрохимические характеристики почв…………………………………………. 3.4. Строение поверхности раздела между твердыми частицами почвы и почвенным раствором в понятиях и терминах коллоидной химии……………………………… Глава 4. Адсорбция и сорбция……………………………… 4.1. Общие положения………………………………………. 4.2. Типы и уравнения изотерм адсорбции………………… 4.3. Сорбция с участием специфических и неспецифических органических соединений……………… 4.4. Адсорбция катионов……………………………………. 4.5. Адсорбция анионов…………………………………….. Глава 5. Катионный обмен………………………………..

5.1. Общие положения………………………………………. 5.2. Изотермы обмена……………………………………….. 5.3. Уравнения для расчета коэффициентов селективности при бинарном обмене……………………… 5.4. Изменение коэффициента селективности в зависимости от доли катиона в ППК. Расчет термодинамической константы обмена……………………. Приложения………………………………………………….

Список основной литературы……………………………..

Учение о сорбционных свойствах почв к настоящему времени сформировалось как один из основных и динамично развивающихся разделов химии почв.

Развивая концепцию экологических функций почв и почвенного покрова, академик Г.В.Добровольский (Добровольский, 2005, Добровольский, Никитин, 1990) отмечает, что сорбционная способность играет важную роль в проявлении почвами общепланетарных и биосферных функций и выделяет самостоятельные «сорбционные функции» почвы.

Б.Г.Розанов (1988) вводит понятие о почве как о «…планетарной геомембране, способной избирательно отражать, поглощать, либо пропускать и трансформировать энергетические и вещественные потоки между внутренними и внешними оболочками Земли …».

Обладая большой удельной поверхностью, измеряемой десятками квадратных метров на грамм, что соответствует триллионам квадратных километров в масштабе нашей Планеты, почва способна задерживать как твердые частицы, так и коллоидные, и истинно растворенные соединения. Именно поэтому в почвах с промывным водным режимом не происходит быстрого выноса элементов питания из почвенного профиля, и они в том или ином количестве остаются в почве, обеспечивая нормальное функционирование экосистемы. Без преувеличения можно сказать, что поведение в почвах всех элементов питания и их доступность для растений в очень большой степени зависят от сорбционных свойств почвы.

Исследование сорбционных функций почв приобрело особенно большое значение в XX-ом столетии, когда человечество столкнулось с проблемой техногенного загрязнения экосистем, и когда была осознана роль ключевая роль почвы как регулятора потоков большинства загрязняющих веществ в биосфере.

Многочисленными исследованиями было установлено, что сорбционные свойства почвы определяют поведение и в почве, и в ландшафте практически всех химических элементов, включая тяжелые металлы, Al, Mn, радионуклиды и другие соединения, которые в повышенных концентрациях в растворе оказывают токсичное влияние на биоту. От сорбционных свойств почв зависит количество поллютантов, которое может попасть в грунтовые и поверхностные воды и в пищевые цепи. Именно поэтому изучению сорбционных почвенных характеристик уделяется в настоящее время столь большое внимание.

Данное учебное пособие представляет собой расширенный фрагмент курса химии почв, который читается на факультете почвоведения МГУ и в других университетах страны. В учебном пособии авторы на основании анализа отечественной и зарубежной литературы постарались изложить современные представления о сорбционных свойствах почв, причем наибольшее внимание было уделено процессам адсорбции и катионного обмена.

Глава 1. Краткий очерк развития представлений о сорбционных свойствах почв. Основные понятия 1.1. Краткий очерк развития представлений о сорбционных Способность почв поглощать и удерживать различные соединения была известна людям с давних времен. Еще в трудах Аристотеля (IV век д.н.э.) упоминаются сведения об опреснении морской воды в результате пропускания ее через почву. Об этом явлении в поэтической форме пишет древнеримский философ Тит Лукреций Кар (I век д.н.э.):

«Влага морская становится сладкой и пресной по вкусу Там, где сквозь толщу земли проникает она в водоемы, Там под землей свои горькие части вода оставляет».

В конце XV века английский естествоиспытатель Бэкон провел специальные лабораторные опыты по опреснению морской воды путем пропускания ее через почву – вероятно, это было первое экспериментальное исследование поглотительной способности почв (Крупеников, 1981).

Систематическое изучение ионообменной способности почв началось в середины XIX века с опытов британского фермера Томпсона и британского химика Уэя, которые пришли к следующим выводам. (1) При поглощении почвой из раствора К+, Na+, NH4+ в раствор выделяются эквивалентные количества Са; (2) почвы неспособны поглощать Cl-, NO3-, SO42-; (3) поглощение катионов происходит практически мгновенно; (4) почвы способны поглощать гидроксиды и карбонаты без выделения в раствор катионов или анионов; (5) количество поглощенных ионов возрастает при увеличении концентрации солей в растворе; (6) в процессах ионного обмена в почвах важную роль играет глинистая фракция; (7) на поглощение солей существенное влияние оказывают температура и присутствие кислот; (8) фосфаты поглощаются почвами необратимо.

Таким образом, в работах Томпсона и Уэя были сформулированы основные закономерности катионного обмена – эквивалентность обмена и высокая скорость протекающих реакций, что впоследствии было подтверждено многочисленными исследованиями.

Американский исследователь Джонсон в 1859 ввел в употребление термин «обменные основания» (цит. по Пинский, 1997). Этим термином широко пользуются и сейчас, понимая под ним обменные Ca2+, Mg2+, K+, Na+.

В России одним из первых исследователей поглотительной способности почв был А.Н.Сабанин – заведующий кафедрой агрономии Московского Государственного Университета. В его работах начала XX века было предложено выделять химическое, физическое и физико-химическое поглощение почвами различных соединений (цит. по Орлов, 1992).

Целая эпоха в развитии представлений о поглотительной способности почв связана с именем нашего выдающегося соотечественника – академика К.К.Гедройца, который в 1922 году опубликовал книгу «Учение о поглотительной способности почв». К.К.Гедройц выделил 5 видов поглотительной способности почв (Гедройц, 1955).

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы задерживать взмученные в фильтрующейся через почву воде частицы, если они превышают определенный размер.

Физическая поглотительная способность обусловлена значительной поверхностной энергией тонкодисперсных частиц, в результате чего на поверхности раздела твердая фаза почвы раствор изменяется концентрация находящихся в растворе молекул различных веществ вследствие развития сил отталкивания или притяжения между этими молекулами и поверхностью.

Физико-химическую или обменную поглотительную способность почв определяют, как способность почв обменивать некоторую часть находящихся на поверхности частиц катионов на эквивалентное количество катионов, находящихся в растворе. Между катионами твердой фазы почвы и катионами раствора устанавливается равновесие.

Химическая поглотительная способность почв заключается в том, что из катионов и анионов почвенного раствора образуются труднорастворимые соли, они осаждаются из раствора и переходят в твердую фазу почвы.

Биологическая поглотительная способность почв связана с поглощением различных веществ из раствора растениями и микроорганизмами.

Наиболее детально К.К.Гедройцем была изучена физико-химическая или обменная поглотительная способность почв. Он сформулировал понятие о почвенном поглощающем комплексе как о совокупности нерастворимых в воде минеральных и органических соединений, находящихся в высокодисперсном состоянии и являющихся носителем поглотительной способности.

К.К.Гедройцем введено представление о важнейшей почвенной характеристике – емкости поглощения, как сумме всех поглощенных (или обменных) катионов, которые могут быть вытеснены из данной почвы, причем эта величина рассматривается как постоянная для данной почвы.

К.К.Гедройц был одним из первых исследователей, обративших внимание на разную энергию связи обменных катионов с почвенным поглощающим комплексом. Он установил, что энергия поглощения для катионов возрастает с увеличением их валентности, а при равной валентности – с возрастанием атомной массы.

В монографии К.К.Гедройца приведены величины емкости поглощения и состав обменных катионов в ряде почв, наиболее широко распространенных на территории нашей страны – подзолистых, черноземных, солонцах и некоторых других. Особое внимание уделено развитию в солонцах неблагоприятных водно-физических свойств под влиянием обменного натрия.

Основные положения, разработанные К.К.Гедройцем в области изучения поглотительной способности почв, полностью сохранили свое научное и практическое значение в настоящее время.

К 30-40 годам прошлого века относятся работы известного шведского ученого С.Э.Маттсона, который впервые сформулировал представления о наличии среди почвенных коллоидов частиц с постоянным положительным, постоянным отрицательным зарядом и с переменным зарядом, который может изменяться в зависимости от рН окружающего раствора. Частицы с переменным зарядом С.Э.Маттсон назвал амфолитоидами.

Примерно в те же годы в СССР известными исследователями в области изучения катионного обмена Б.П.Никольским и Е.Н.Гапоном были предложены оригинальные уравнения для расчета коэффициента селективности в реакциях бинарного обмена. Уравнение коэффициента селективности обмена Гапона для пары CaNa до сих пор широко используется в разных странах мира в целях оценки и прогноза развития в почвах солонцеватости в зависимости от соотношения активностей этих катионов в растворе или в поливной воде. Еще одно широко применяемое до настоящего времени уравнение для расчета коэффициента селективности было предложено американским исследователем Вэнслоу в 1932 году.

В 40-50 годах прошлого столетия глубокие экспериментальные работы по изучению реакций катионного обмена были выполнены нашим соотечественником И.Н.Антиповым-Каратаевым. Им была экспериментально показана гетерогенность обменных позиций на образцах почв и монтмориллонитовых глин, которая по-разному проявлялась в отношении разных катионов.

В 1947г. вышла в свет монография В.А.Чернова «О природе почвенной кислотности», которая на многие десятилетия определила развитие этой области знаний в большинстве стран мира. В.А.Чернов экспериментально доказал, что в минеральных почвенных горизонтах основным источником обменной кислотности является обменный алюминий, и что в почвенном поглощающем комплексе алюминий может быть представлен не только катионом Al3+, но и гидроксокомплексами разной основности и с разной величиной заряда.

К концу 50-ых годов прошлого века относятся работы профессора Московского Государственного Университета Н.П.Ремезова, в которых он рассмотрел закономерные изменения состава обменных катионов и величин емкости катионного обмена в профилях почв зонального ряда. Для почв зонального ряда им были также получены кривые непрерывного потенциометрического титрования почвенных суспензий. Эти кривые проанализированы с точки зрения присутствия в них коллоидных частиц с положительным и отрицательным зарядами (Ремезов, 1989).

В 1957г. американскими исследователями Гейнсом и Томасом было предложено уравнение для расчета коэффициента селективности, которое широко используется и в настоящее время.

Во второй половине прошлого столетия и в начале XXI-ого века учение о сорбционных свойствах почв и их поглотительной способности во многих странах мира стало ведущим разделом химии почв. Это было связано с резко усилившимся техногенным влиянием на почву, которое в ряде регионов земного шара привело к загрязнению почв тяжелыми металлами, мышьяком, радионуклидами, различными компонентами кислотной и оснoвной природы, нефтепродуктами. Еще одним стимулом к развитию этой области знаний стал переход в экономически развитых странах к интенсивным системам ведения сельского хозяйства, позволяющим получать очень высокие урожаи сельскохозяйственных культур, но одновременно требующим внесения высоких доз удобрений, мелиорантов, стимуляторов роста и пестицидов. В результате во многих регионах возникла проблема загрязнения почв мышьяком, хлор-органическими и другими химическими соединениями.

Для прогноза, миграции, трансформации и аккумуляции в почвах и ландшафтах различных соединений, которые, начиная с определенного уровня концентрации, способны оказывать негативное влияние на биоту, необходимо было получение возможно более полной информации о сорбционных свойствах почв.

В связи с этим началось углубленное изучение природы сорбционных центров, приуроченных к наиболее химически активным функциональным группам на органическом веществе почвы и на глинистых минералах. Из фундаментальных исследований по структуре и сорбционным свойствам органического вещества почв, проведенных в нашей стране, широкую известность и международное признание получили работы И.В.Тюрина (1937), М.М.Кононовой (1963), Л.Н.Александровой (1980) и Д.С.Орлова (1974, и др.). Исследования сорбционных свойств глинистых минералов в почвах связаны с именами Н.И.Горбунова (1963, 1974, 1978), Э.А.Корнблюма (1972, 1978 и др.), Б.П.Градусова (1976 и др.), Н.П.Чижиковой (1991 и др.).

За рубежом авторами экспериментальных исследований и обобщений существующих знаний о сорбционных свойствах органических веществ были Шнитцер (Schnitzer, 1978), Стефенсон (Stevenson, 1994) и другие исследователи. Наиболее известные работы второй половины прошлого века по сорбционным свойствам глинистых минералов в почвах принадлежат американскому исследователю Джексону (Jackson, 1965, 1968 и др.). Обобщение существующей информации по этой проблеме можно найти в вышедшей в году в США монографии «Soil Mineralogy with Environmental Application»

под редакцией Диксона и Шульце (Dixon, Schultze, 2002).

В последние десятилетия особенное внимание уделялось исследованию реакций и проходящих на границе раздела твердой, жидкой и газообразной фаз почв.

Фундаментальные теоретические разработки в этой области знаний были выполнены американскими исследователями – профессором университета Беркли в штате Калифорния Гаррисоном Спозито, профессором университета в штате Делавер Доналдом Спарксом, и профессором Цюрихского университета Вернером Штаммом.

В работах Гаррисона Спозито (Sposito, 1984, 1989, 1996 и др.) в наиболее полной форме изложены представления о различных типах функциональных групп на поверхности органических и минеральных компонентов почв и широко использованы достижения коллоидной химии, в частности – теория двойного слоя для описания и количественной характеристики процессов, проходящих на поверхности раздела твердая фаза почвы почвенный раствор. С позиций химии координационных соединений уточнен ряд понятий, связанных с электрохимическими свойствами почв, такими, как точка нулевого заряда, точка нулевого чистого протонного заряда, точка нулевого солевого эффекта и др.

Доналд Спаркс (Sparks, 1989, 1999 и др.) известен как автор обобщающей монографии по кинетике почвенно-химических процессов, причем объектом его экспериментальных исследований были процессы поглощения и десорбции различных соединений на почвенных образцах. В его работах последних десятилетий можно найти удачные примеры применения в химии почв наиболее современных методов исследования – синхротронной техники в различных вариантах – микрофлюоресценции, микродифракции, анализа рентгеновских спектров вблизи края полосы поглощения, расширенного анализа тонкой структуры спектров поглощения. Использование этих методов дает возможность получить наиболее полную информацию о строении различных комплексных соединений, образующихся на поверхности твердых частиц почв.

Работы Вернера Штамма (Stumm, Morgan, 1981, Stumm, 1992 и др.) базируются на теории химии координационных соединений. Процессы адсорбции и катионного обмена в его работах рассматриваются как реакции образования комплексов на поверхности твердых частиц. Штаммом создана стройная теория, касающаяся механизма и кинетики растворения минералов в процессе выветривания и почвообразования под влиянием двух основных факторов – протона и ряда органических лигандов. На примере процессов растворения оксидов металлов экспериментально доказано, что скорость растворения зависит от концентрации на поверхности минерала протонированных комплексов и/или комплексов с органическими лигандами.

Еще одним направлением в исследовании сорбционных свойств почв и процессов, происходящих на поверхности раздела твердая фаза почвы почвенный раствор, которое быстро и динамично развивается в последние десятилетия, является математическое моделирование этих процессов. Хорошо известны различные версии таких почвенно-геохимических моделей, как GEOCHEM, MINTEQ и ряда других, которые дают возможность количественно описать участие отдельных компонентов почвенного раствора в процессах осаждения-растворения, адсорбции-десорбции и обмена при взаимодействии с твердой фазой почвы. Многочисленные примеры такого рода моделей можно найти в работах Спозито, Спаркса, Штамма и других авторов.

В нашей стране первые математических модели, описывающих систему твердая фаза почвы раствор, адаптированные преимущественно для засоленных почв, были созданы Е.В.Мироненко (Мироненко и др., 1981) и Я.А.Пачепским (1990). В настоящее время это направление успешно развивается на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ под руководством профессора Е.В.Шеина.

1.2. Понятия и термины, используемые при исследованиях Из предыдущего раздела следует, что уже к 30-ым годам прошлого столетия в разделе науки о сорбционных свойствах почв сформировался определенный понятийно-терминологический аппарат, которым мы пользуемся и в настоящее время, хотя некоторые понятия были дополнены и уточнены в ходе последующих исследований (см. главы 3 и 4).

Были также разработаны методы определения главных сорбционных почвенных характеристик. Несмотря на то, что принципы, лежащие в основе этих методов, в целом единообразны, конкретные методики, используемые представителями разных школ в разных странах мира, могут существенно различаться.

Под почвенным поглощающим комплексом (ППК) понимают всю совокупность органических, минеральных и органо-минеральных почвенных компонентов, которые представлены тонкодисперсными частицами и являются носителями поглотительной способности. В соответствии с определением в ППК входят также обменные катионы, находящиеся на сорбционных центрах носителей. Главными составными частями ППК являются органическое вещество, глинистые минералы и органо-минеральные соединения, представленные илистой фракцией, т.е. частицами 1 мкм по принятой в нашей стране шкале Н.А.Качинского и 2 мкм по шкале Аттерберга, принятой в большинстве зарубежных стран (Шеин, 2005).

Обменные (поглощенные) катионы – это катионы, которые могут быть вытеснены из ППК в эквивалентном количестве катионом нейтральной соли.

Обменными основаниями называют обменные Ca2+, Mg2+, Na+, K+. К обменным катионам, кроме обменных оснований, относят, прежде всего, также обменные H+, Al3+, аквагидроксокомплексы Al разной основности и Mn2+.

Важнейшей характеристикой ППК является емкость катионного обмена (ЕКО) или емкость поглощения. В предыдущем разделе отмечалось, что К.К.Гедройц рассматривал эту характеристику как общую сумму обменных катионов, которые можно вытеснить из данной почвы, и считал, что каждый почвенный образец характеризуется постоянной величиной ЕКО. В последующие годы было показано, что ЕКО в общем случае не является постоянной величиной, она зависит от рН, ионной силы раствора и вытесняющего катиона. Поэтому это понятие было уточнено, и под ЕКО в настоящее время мы понимаем общее количество катионов, которое может быть вытеснено в раствор из единицы массы почвы катионом соли определенного состава в стандартных условиях. ЕКО выражают в миллимолях эквивалентов, т.е. в миллимолях заряда на единицу массы почвы (Воробьева, 1998).

Различают несколько видов ЕКО.

ЕКО стандартную определяют при заданном стандартном значении рН вытесняющего раствора, равном 6,5 (Воробьева, 1998). В качестве катиона-вытеснителя при определении стандартной и других видов ЕКО используют Ва2+, обрабатывая почву раствором BaCl2, забуференным до рН 6,5. Такой прием определения ЕКО позволяет сравнивать результаты, полученные для разных почв, горизонтов, вариантов опыта и т.д., но далеко не всегда дает истинные величины ЕКО, свойственные данной почве в реальных природных условиях.

ЕКО реальную (эффективную) определяют при обработке почвы небуферными растворами солей или, с некоторым приближением, по сумме вытесненных из ППК обменных катионов или по сумме обменных оснований и обменной кислотности. Наиболее точные результаты можно получить, вытесняя обменные катионы барием из раствора BaCl2, предварительно забуференного до значения рН, свойственного данной почве.

ЕКО дифференциальную определяют следующим образом. Раствор соли, содержащей вытесняющий катион, забуферивают до рН 6,5 и до рН 8,2 и определяют ЕКО при обоих значениях рН вытесняющего раствора. После этого вычитают из величины ЕКО, определенной при рН 8,2, значение ЕКО, определенное при рН 6,5, и полученную разность делят на разницу в величинах рН, т.е. на 1,7. В зависимости от целей исследования, можно подобрать и другие значения рН раствора соли, содержащего вытесняющий катион, но в любом случае значения ЕКО, определенные в условиях более щелочной среды, будут выше, чем определенные при более низких значениях рН. Эта разница объясняется тем, что в условиях более кислой реакции бoльшая часть функциональных групп на органическом веществе и на глинистых минералах находится в протонированном состоянии и не участвует в реакциях катионного обмена.

В зарубежных странах часто определяют как самостоятельный показатель полную ЕКО при рН 8,2. Эта величина рН свойственна равновесной жидкой фазе водной суспензии почвы, полностью насыщенной кальцием и содержащей СаСО3 в твердой фазе.

1.3. Емкость катионного обмена в почвах зонального ряда Многочисленными экспериментальными исследованиями показано, что ЕКО почв зависит от содержания в них органического вещества и от содержания и минералогического состава илистой фракции. Хорошо известно, что из почвенных компонентов самыми высокими значениями ЕКО обладают гумусовые вещества, но на их сорбционные свойства большое влияние оказывают условия среды: эта величина возрастает от 40-120 ммоль экв/100 г при рН 2,5 до 150-370 ммоль экв/100 г при рН 8 (Орлов, 1992). В целом ЕКО органических веществ в несколько раз выше, чем минеральных компонентов, поэтому в почвах, богатых гумусом, именно органическое вещество определяет величину ЕКО. Только в кислых почвах, насыщенных Al, эта закономерность может нарушаться, т.к. Al дает с органическим веществом прочные комплексы, из которых он далеко не полностью вытесняется ионом Ва2+ при обработке образца раствором BaCl2.

В целом ЕКО глинистых минералов ниже, чем ЕКО органических веществ и варьирует в довольно широких пределах: наиболее высокие значения свойственным минералам группы вермикулита и монтмориллонита – соответственно 120-180 и 80-120 ммоль экв/100г, самые низкие значения присущи каолиниту – единицы ммоль экв/100 г минерала. Иллиты и хлориты занимают промежуточное положение – их ЕКО не превышает первых десятков ммоль экв/100 г (Горбунов, 1978, Соколова и др., 2005).

Довольно высокой величиной ЕКО характеризуются тонкодисперсные гидроксиды Fe и Al, но эти соединения являются амфолитоидами, поэтому их ЕКО практически целиком зависит от рН, а в условиях кислой среды поверхность частиц гидроксидов Fe и Al приобретает положительный заряд и, соответственно, способность к поглощению анионов.

Гумусовые вещества и аморфные соединения Fe и Al могут формировать пленки на поверхности глинистых минералов и агрегатов, частично блокируя сорбционные центры и снижая ЕКО, поэтому емкость катионного обмена каждого почвенного образца в общем случае нельзя рассматривать как сумму величин ЕКО отдельных почвенных компонентов. При прочих равных условиях ЕКО возрастает с увеличением рН, содержания гумуса и с увеличением количества илистой фракции и монтмориллонитовых и вермикулитовых минералов в ее составе.

Таблица 1.1. Емкость катионного обмена в различных почвах (составлено по следующим литературным источникам: «Почвы европейского …», 1989, «Почвы сосновых лесов…», 1978, «Черноземы…», 1978, Попова, 1990, Зверева и Игнатенко, 1983, Ремезов, 1989, Минкин и др., 1986) Тундровая глеевая суглинистая, остров Вайгач AO (6-12) 46, Слабодерново-подзолистая суглинистая, респуб- О (0-4) 35, Подзол иллювиально-железистый на песке, Каре- О1 (0-2) 64, Серая лесная суглинистая, Воронежская область О (0-2) 154, Чернозем типичный на лессовидном суглинке, А р са (0-20) 34, Каштановая легкосуглинистая, Минусинск, Крас- А1са (0-10) 17, Солонец лугово-степной тяжелосуглинистый, Рос- АЕ са (0-10) 19, Эти закономерности иллюстрирует табл. 1.1, в которой приведены значения эффективной ЕКО для некоторых почв, имеющих широкое распространение на территории России и других стран. Значения ЕКО рассчитывали как сумму обменных катионов.

Из табл. 1.1 видно, что в тундровых, подзолистых и серых лесных почвах максимальные значения эффективной ЕКО свойственны поверхностным органогенным горизонтам – подстилкам. Следует иметь в виду, что термины «обменные катионы» и «емкость катионного обмена» в отношении подстилок используется несколько условно, т.к. в этих горизонтах значительная часть органического вещества представлена плохо разложившимся материалом. При воздействии на такой материал раствора соли, содержащей вытесняющий катион, происходит переход в раствор не только собственно обменных катионов, но и катионов из растительных тканей.

В минеральных горизонтах слабо дифференцированной по содержанию ила тундровой глеевой почвы эффективная ЕКО в целом мало изменяется по профилю, несколько снижаясь от горизонта ABg к горизонту Ghx2 параллельно снижению содержания гумуса. В минеральной толще суглинистой подзолистой почвы вслед за ростом содержания илистой фракции, представленной почти целиком глинистым материалом, происходит постепенное увеличение ЕКО от элювиального горизонта Е к горизонту В2t. Песчаный иллювиально-железистый подзол во всех минеральных горизонтах характеризуется более низкими значениями ЕКО по сравнению с суглинистыми подзолистыми почвами вследствие значительно более низкого содержания илистой фракции. В суглинистой серой лесной почве минимальные значения ЕКО свойственны горизонту АЕ, в котором меньше органического вещества, чем в вышележащем горизонте А1, и меньше глинистого материала, чем в нижележащем горизонте В1. В недифференцированных по содержанию ила черноземах и каштановых почвах значения эффективной ЕКО снижаются с глубиной параллельно уменьшению количества гумуса. В резко дифференцированном по илу профиле солонца максимальная величина ЕКО свойственна горизонту В1tса с наибольшим количеством ила и уменьшается в несколько раз в вышележащем горизонте АЕса, обедненном илистой фракцией.

Самые высокие величины эффективной ЕКО во всех горизонтах профиля наблюдаются в слитой почве, что связано с тяжелыми гранулометрическим составом и с преобладанием минералов монтмориллонитовой группы составом илистой фракции.

Функциональные группы на поверхности минеральных и органических компонентов В почве непрерывно происходят процессы взаимодействия и обмена веществом и энергией между твердой, жидкой, газообразной и живой фазами. При этом на поверхности твердых частиц осуществляются реакции сорбции, десорбции и обмена различных классов соединений – ионных, неионных, полярных (гидрофильных) и неполярных (гидрофобных).

Эти реакции, как правило, локализованы: они приурочены к функциональным группам – отдельным участкам поверхности твердых частиц, обладающих определенным составом и наибольшей химической активностью.

Главными носителями функциональных групп в почве являются: (1) глинистые минералы в строгом смысле слова – т.е. тонкодисперсные слоистые силикаты, (2) минералы оксидов и гидроксидов Fe, Al и Mn, (3) специфические и неспецифические органические вещества и (4) органоминеральные соединения. Все эти компоненты представлены в почвах преимущественно наиболее тонкодисперсным материалом, находящимся в составе илистой ( 1 мкм) или даже коллоидной ( 0,1 мкм) фракций. На поверхности частиц, имеющих более крупные размеры, функциональные группы также присутствуют, но их роль в межфазных взаимодействиях не столь велика, как тонкодисперсного материала, вследствие меньшей поверхности более крупных частиц.

При взаимодействии различных классов соединений с поверхностью твердых почвенных частиц большую роль играют такие характеристики, как кислотные и оснвные свойства взаимодействующих компонентов по Льюису и величины электроотрицательности химических элементов, участвующих в реакциях.

Поэтому настоящая глава начинается с обсуждения этих важных понятий. Далее рассматриваются основные типы функциональных групп, свойственные поверхностям минеральных и органических почвенных компонентов.

Что касается органо-минеральных соединений, то на их поверхности присутствуют функциональные группы, присущие как минеральным, так и органическим компонентам, но свойства этих групп могут существенно изменяться в результате взаимодействия этих компонентов друг с другом.

«Твердые» и «мягкие» кислоты и основания по Льюису. В соответствии с электронной теорией Льюиса кислота – это вещество, которое может использовать неподеленную пару электронов атома другой молекулы для образования устойчивой электронной группировки одного из своих атомов.

Основание по Льюису – это вещество, обладающее неподеленной парой электронов, которая может быть использована для формирования устойчивой электронной группировки другого атома.

В образовании донорно-акцепторной связи между кислотами и основаниями принимает участие наиболее высокая в энергетическом отношении граничная молекулярная орбиталь основания и наиболее низкая молекулярная орбиталь кислоты. При этом любое основание может вступать во взаимодействие с любой кислотой. Одно и то же соединение в зависимости от партнера может выступать в качестве кислоты или основания.

На основании электронной теории Льюиса Пирсоном (Pearson, 1963, 1968) был сформулирован принцип «твердых» и «мягких» кислот и оснований (ТМКО). «Твердые» кислоты – это акцепторы с низкой поляризуемостью, высокой степенью окисленности, низкой энергией свободных граничных орбиталей, высокой плотностью положительного заряда. «Мягкие» кислоты – акцепторы с высокой поляризуемостью, низкой электроотрицательностью, высокой энергией свободных граничных орбиталей.

«Твердые» основания – это доноры электронов с низкой поляризуемостью, высокой электроотрицательностью, низкой энергией занятых граничных орбиталей, высокой плотностью отрицательного заряда. «Мягкие» основания – это доноры с высокой поляризуемостью, низкой электроотрицательностью, высокой энергией занятых граничных орбиталей, низкими потенциалами ионизации и низкой плотностью заряда.

В таблице 2.1 приведены группы кислот и оснований, которые можно отнести к «твердым», «мягким» или промежуточным в соответствии с принципом ТМКО (Химическая энциклопедия, т. 2, 1990).

Табл. 2.1. «Твердые», «мягкие» и промежуточные кислоты и основания по Льюису (составлено по «Химическая энциклопедия» том 2, 1990 и Essington, 2004) H+, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, CH3Hg+, Cu+, Ag+, Au+, Hg+, Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Mn2+, Pb2+, Sn2+, NO+, R3C+, C6H5+ Pt2+, Pt4+, BH3, Ga(CH3)3, R+, RCO, CO F, OH, H2O, NH3, RNH2, C6H5NH2, C5H5N, N3, NO2-, C2H4, C6H6, R3P, (RO3)P, Для количественной оценки степени «твердости» или «мягкости» кислоты были предложены 2 показателя. Пирсон (Pearson, 1963, 1968) и Парр и Пирсон (Parr and Pearson, 1983) абсолютную величину «твердости» Н предлагали рассчитывать по уравнению:

где IA – ионный потенциал, АА – сродство к электрону.

Мизоно (Misono et al., 1967) предложил рассчитывать показатель «мягкости» кислоты по уравнению:

где ХM – электроотрицательность, In – энергия ионизации.

Для понимания и прогноза проходящих в почвах реакций необходимо принимать во внимание, что при сходстве ионной силы раствора твердые кислоты по Льюису чаще дают комплексы с твердыми основаниями, а мягкие кислоты – с мягкими основаниями. При этом твердые кислоты и основания дают менее прочные внешнесферные комплексы с формированием преимущественно ионных (электростатических) связей. Мягкие кислоты и основания дают главным образом внутрисферные комплексы с участием более прочных ковалентных связей.

В почвенных растворах преобладают твердые кислоты (Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Al3+ и продукты гидролиза) и твердые основания (Н2О, оксианионы СО32-, НСО3-, NO3-, SO42-, НРО42-, Н2РО4-).

Электроотрицательность – это величина, характеризующая способность атома к поляризации ковалентных связей или к присоединению электронов. Если в двухатомной молекуле А-В образующие связь электроны притягиваются к атому В сильнее, чем к атому А, то атом В считается более электроотрицательным, чем А.

При формировании химических связей между двумя атомами роль ковалентных связей будет тем меньше, чем больше разница в величинах электроотрицательности взаимодействующих атомов. Чисто ковалентные связи могут иметь место только при взаимодействии одинаковых атомов. Наиболее электроотрицателен самый легкий из галогенов – F-, наименьшая величина электроотрицательности свойственна тяжелым щелочным металлам.

2.2. Функциональные группы на поверхности Глинистые минералы – источники постоянного и переменного заряда. Глинистые минералы в точном смысле слова, т.е. тонкодисперсные слоистые силикаты, могут быть источником как постоянного, так и переменного поверхностного заряда.

Постоянный заряд свойственен преимущественно трехслойным и четырехслойным глинистым силикатам и связан с проявлением гетеровалентного изоморфизма в кристаллической решетке – изоморфным замещением Si на Al в тетраэдрической сетке и (или) изоморфным замещением Al на Mg в октаэдрах. Поскольку в обоих случаях катион с большей валентностью замещается катионом с меньшей валентностью, возникает дефицит положительного заряда, и возникающий заряд всегда имеет знак (–). Величина постоянного заряда в расчете на элементарную ячейку снижается от 1 в слюдах до 0,8-0,9 в иллитах, 0,7-0,6 в вермикулитах и 0,3-0,5 в минералах группы монтмориллонита (Соколова и др., 2005, Dixon, Weed, 1989, Dixon Schulze, 2002).

При гетеровалентном изоморфизме в октаэдрических позициях заряд слабее и распространяется на 18 кислородов силоксановой поверхности двух тетраэдрических сеток, входящих в состав трехслойного пакета (рис. 2.1.а).

Силоксановой поверхностью называется плоскость, проведенная через кислороды, лежащие в основании тетраэдров, формирующих дитригональную тетраэдрическую сетку.

При наличии изоморфного замещения в тетраэдрах заряд локализован на силоксановой поверхности и распространяется на 3 ближайшие кислорода (рис. 2.1.б).

При отсутствии изоморфного замещения в кристаллической решетке, например, в каолините, кислороды силоксановой поверхности несут слабый заряд благодаря полярности кислорода, действуя как мягкое основание по Льюису. В результате на силоксановой поверхности могут сорбироваться диполярные молекулы воды и некоторых нейтральных органических веществ.

Глинистые минералы могут быть также источником переменного (зависимого от рН) заряда, который локализован на боковых сколах глинистых кристаллитов. Находящиеся на боковых сколах глинистых кристаллитов гидроксильные группы способны к реакциям протонирования-депротонирования в зависимости от величины рН окружающего раствора.

Максимальной способностью быть источником зависимого от рН заряда обладают минералы группы каолинита, т.к. гидроксильные группы находятся в вершинах октаэдров, а число октаэдрических сеток на одну сетку тетраэдров в каолините вдвое больше, чем в трехслойных силикатах (1 и 0,5 соответственно).

В условиях сильнокислой реакции на боковых сколах каолинита протонируются не только гидроксильные группы, но и кислороды тетраэдрической сетки, в результате чего формируется положительный заряд, и возрастает способность минерала к электростатической сорбции анионов. В условиях сильнощелочной реакции все возможные позиции оказывается депротонированы, боковые сколы каолинита приобретают отрицательный заряд, и наблюдается максимальная способность к поглощению катионов (рис. 2.2).

Повышенной способностью к формированию зависимого от рН заряда характеризуются не только каолиниты, но и хлориты, и почвенные хлориты, у которых на боковых сколах количество ОН-групп больше, чем у трехслойных силикатов.

Минералы оксидов и гидроксидов Fe, Al, Mn, Si – источники переменного (зависимого от рН) заряда. Группа минералов оксидов и гидроксидов Fe, Al, Mn, Si представлена в почвах разнообразным набором индивидуальных минералов, среди которых наиболее широкое распространение имеет кварц – SiO2. Но этот минерал в почвах и рыхлых почвообразующих породах встречается преимущественно в виде довольно крупных частиц песчаного и пылеватого размера, поэтому химическая активность кварца меньше, чем других оксидов и гидроксидов.

Из минералов гидроксидов Al чаще других в почвах встречается гиббсит – Al(OH)3, этот минерал приурочен к ферраллитным почвам и латеритным образованиям экваториального пояса (Зонн, Травлеев, 1992). Из минералов оксидов Al в почвах на различных породах в небольших количествах присутствует корунд (-Al2O3).

Из минералов гидроксидов Fe наибольшее распространение в почвах имеет гетит (-FeOOH), лепидокрокит (-FeOOH), фероксигит (-FeOOH), ферригидрит Fe2O32FeOOH2,5Н2О. Оксиды Fe представлены гематитом (Fe2O3), магнетитом (Fe3O4) и маггемитом (-Fe2O3) (Зонн, 1982, Водяницкий, 2003). Из минералов оксидов Mn чаще других встречается вернадит (MnO2).

Минералы оксидов и гидроксидов Fe, Al, Mn и Si сравнительно редко бывают источниками постоянного заряда, связанного с гетеровалентным изоморфизмом, причем этот заряд может иметь знак (+). В частности, описаны случаи изоморфного замещения Fe3+ на Ti4+ в минералах оксидов Fe с образованием изоморфного ряда гематит Fe2O3 – ильменит FeTiO3 (Водяницкий, Добровольский, 1998, Tessens, Zanyah, 1982).

Вместе с тем, эта группа минералов, наряду с аллофанами, имоголитом и органическим веществом, является основным носителем зависимого от рН заряда благодаря наличию на поверхности частиц гидроксильных групп. В минералах гидроксидов Fe, Al и Mn на поверхность выходят структурные гидроксилы, формирующие вместе с металлом и, в некоторых случаях, вместе с кислородом, кристаллическую решетку. В минералах оксидов Fe, Al, Si и Mn на поверхность выходят структурные кислороды, но в водной среде они частично протонированы, т.е. превращены в ОН-группы.

Именно находящиеся на поверхности гидроксильные группы являются наиболее химически активными функциональными группами, участвующими в реакциях протонирования-депротонирования и определяющими, поэтому, зависимый от рН заряд поверхности. В схематичной форме механизм формирования заряда можно представить себе следующим образом:

Из схемы видно, что в условиях кислой среды поверхность оксидов и гидроксидов протонирована и имеет заряд (+), в условиях щелочной среды гидроксильные группы депротонированы, и поверхность приобретает отрицательный заряд. При определенном значении рН поверхность не имеет заряда (см. раздел 3.2). Свойство отдельных компонентов твердой фазы почв изменять заряд поверхности в зависимости от рН внешнего раствора впервые было описано Маттсоном (1934) и называется амфотерностью или амфолитоидностью. Плотность способных к реакциям протонированиядепротонирования гидроксильных групп на поверхности минералов оксидов и гидроксидов металлов измеряется единицами и первыми десятками на нм (табл. 2.2).

Табл. 2.2. Плотность поверхностных гидроксильных групп для некоторых минералов оксидов и гидроксидов металлов (составлено по Sparks, 1999) Не все поверхностные гидроксильные группы минералов оксидов и гидроксидов обладают равной способностью к присоединению и отдаче протона. Из рис. 2.3 видно, что на поверхности гетита имеется 3 типа гидроксильных групп: группы типа А (терминальные) – координированные с одним ионом Fe3+, группы типа В – координированы с тремя ионами металла и группы типа С – координированы с двумя ионами Fe3+. Группы типа В и С при реальных значениях рН почвенного раствора обычно не вступают в реакцию депротонирования.

При оценке кислотной силы терминальных гидроксильных групп используют два методологических подхода (Essington, 2004). В соответствии с первым подходом для описания реакций протонирования-депротонирования функциональных групп минеральных поверхностей используют метод двух констант. Он основан на предположении, что положительный и отрицательный заряды возникают в результате двух реакций протолиза:

Реакция (2.3) описывается константой устойчивости (К+), равной 106,2, которая представляет собой величину, обратную константе диссоциации (К+ = 1/Кs,1). Это значит, что при рН 6,2 количество FeOH2+ равно FeOH (значком обозначается поверхность твердой фазы).

Вторая реакция, в результате которой на поверхности развивается отрицательный заряд, характеризуется константой K- = 1/Ks,2 = 10-11,8. Это значит, что при рН 11,8 количество FeO- равно FeOH0.

В соответствии со вторым методологическим подходом используют метод одной константы, при этом реакцию записывают как:

В этом случае Кs,H = 10-8,5, т.е. при рН 8,5 количество FeOH2+0,5 равно количеству FeOH-0,5.

Значения pKS,1, pKS,2 и pKS,H для минералов оксидов и гидроксидов Si, Fe, Al и Mn зависят от валентности катиона, с которым ОН-группа координирована, т.е. кислотность ОН-групп зависит от силы связи катион – кислород (SM-O), от электроотрицательности катиона и расстояния М-ОН (табл.

2.3). При прочих равных условиях кислотность ОН-групп повышается (значения констант снижаются) с увеличением валентности катиона, с повышением электроотрицательности (ENM), твердости по Льюису и силы связи катион-кислород.

Таблица 2.3. Значения pKS,1, pKS,2 и pKS,H для некоторых минералов оксидов Si, Al и Mn (составлено по Essington, 2004) Например, у кварца сила связи металла с кислородом выше, чем у корунда, связь более ковалентная, и бoльшая величина S/rM-OH (сила связи, деленная на расстояние M-OH и бoльшая твердость (M). Поэтому атом Si более прочно удерживает электроны, поляризуя в большей степени атомы кислорода, и группа SiOH0 обладает более сильнокислотными свойствами по сравнению с группой Al(OH)2+0,5. Функциональная группа SiOH2+, которая теоретически обладала бы еще более сильнокислотными свойствами, в природе не существует.

В протонированных терминальных поверхностных функциональных группах, таких как AlOH2+0,5 и FeOН2+0,5, структурный катион фактически связан с молекулами воды, и эти группы могут быть записаны как Al+0,5–ОН и Fe+0,5–ОН2, причем молекулы воды могут быть вытеснены другими лигандами, присутствующими в растворе. Например, в условиях кислой среды сульфат замещает молекулу воды с поверхности положительно заряженной частицы по схеме:

2.3. Функциональные группы на поверхности Среди присутствующих в почвах органических соединений выделяют неспецифические органические соединения и специфические гуминовые вещества. И те, и другие содержат разнообразные функциональные группы разной кислотной силы и поэтому обеспечивают, наряду с другими компонентами, полифункциональность твердой фазы почвы и почвенного раствора (Орлов, 1990, 1992, Stevenson, 1982, Perdue, 1985, Hayes, 1986, Sposito, 1989 и др.).

В группу неспецифических органических соединений входят хорошо известные в биохимии вещества, поступающие в почву с разлагающимися растительными и животными остатками и являющиеся преимущественно продуктами функционирования почвенной микробиоты и корневых систем растений. Неспецифические органические вещества представлены широким спектром различных соединений, среди которых в качестве преобладающих компонентов можно назвать лигнин, полисахариды, моносахариды, алифатические и ароматические кислоты и аминокислоты.

В молекулах лигнина преобладающими типами функциональных групп являются метокисльные группы –ОСН3, в меньших количествах присутствуют карбоксильные группы –СООН и фенольные гидроксилы –ОН (рис. 2.4).

Молекулы целлюлозы также имеют в своем составе ОН-группы (рис. 2.5).

Среди растворимых алифатических неспецифических низкомолекулярных органических кислот в почвах преобладающими являются кислоты:

муравьиная (НСООН, рКа = 3,8), уксусная (СН3СООН, рКа = 4,8), щавелевая (НООС-СООН, рКа1 = 1.3), винная (НООС-СН(ОН)-СН(ОН)СООН, рКа1 = 2,89), лимонная (НООС-СН2- С -СН2СООН, рКа1 = 3,1) и другие; все они содержат карбоксильные группы СООН, способные к диссоциации.

В почвах присутствуют многочисленные ароматические кислоты, содержащие бензольное кольцо, к которому присоединены карбоксильные группы и (или) гидроксилы.

Еще одна группа неспецифических органических соединений в почвах представлена аминокислотами с общей формулой R C COOH. НаибольNH шее распространение имеют:

аспарагин: HOOC –CH2- CH -COOH Из приведенных формул следует, что все аминокислоты содержат в своем составе два типа функциональных групп – аминогруппу NH2 и карбоксильную группу. В составе твердой фазы аминокислоты находятся в форме диполярных цвиттер-ионов, поскольку аминогруппа, имеющая оснвные свойства, может связывать протон карбоксильной группы. В растворе аминокислоты могут быть нейтральными (глицин, аланин) – когда протон, образующийся при диссоциации карбоксильной группы, присоединяется к NH2группе, кислыми (аспарагин, глютамин) – содержащими больше карбоксильных групп, чем аминогрупп, и оснoвными (аргинин, лизин) – содержащими больше аминогрупп, чем карбоксильных.

Специфические гумусовые вещества – это азотсодержащие высокомолекулярные соединения, представленные преимущественно гумусовыми кислотами – гуминовыми и фульвокислотами – и гумином. Характерными свойствами гумусовых веществ являются их полидисперсность, полифункциональность, анионный характер макромолекул, структурная лабильность.

Последняя проявляется в способности молекул образовывать ассоциаты и менять свою конфигурационное и конформационное состояние в ответ на изменение кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, ионной силы раствора и других условий.

Наиболее важные функциональные группы в составе гумусовых веществ представлены карбоксильными, карбонильными, метоксильными, аминогруппами, имидазолом (ароматическое кольцо — NH), фенольными гидроксилами (ароматическое кольцо — ОН), спиртовыми ОН-группами, сульфгидрильными SH-группами, причем преобладающими являются карбоксильные группы и фенольные гидроксилы (рис. 2.6). Меньшую роль играют хиноидные (C=О), и кетонные (С=О) группы (Орлов, 1990, Stevenson, 1994).

Значительная часть функциональных групп обладает полярностью и гидрофильностью за счет образования водородных связей с молекулами воды (Sposito, 1989).

Как видно из таблицы 2.4, содержание различных типов функциональных групп в препаратах гуминовых и фульвокислот варьирует в очень широких пределах, что можно объяснить не только различием в свойствах почв, из которых выделялись препараты гумусовых кислот, но и отсутствием единообразной методики их выделения и очистки. В среднем фульвокислоты по сравнению с гуминовыми кислотами характеризуются бльшим содержанием карбоксильных групп и спиртовых ОН-групп и, в связи с этим, – бльшим общим содержанием функциональных групп.

Табл. 2.4. Содержание (в смоль/кг) некоторых функциональных групп в гуминовых и фульвокислотах из различных почвенных типов (составлено по Stevenson, 1994) Различные функциональные группы гумусовых веществ обладают очень разной кислотной силой и, соответственно, – титруются в широком диапазоне значений рН. Одни и те же функциональные группы гумусовых веществ могут быть носителями положительного или отрицательного заряда – в зависимости от рН окружающего раствора, как это видно из схемы на рис.

Рис. 2.6. Функциональные группы органических веществ – источник зависимого от рН заряда (составлено по Essington, 2004) Точное определение констант диссоциации отдельных типов функциональных групп встречает ряд трудностей, связанных не только с разнообразием и полифункциональностью гумусовых соединений. При определении констант по результатам потенциометрического титрования в процессе титрования может изменяться конфигурационное и конформационное состояние гумусовых кислот в связи с изменением рН и ионной силы раствора. Кроме того, полученные величины констант зависят от числа функциональных групп в молекуле, от их электростатического взаимодействия друг с другом, от наличия ионов Al на функциональных группах и от других факторов (Орлов, 1990, Sposito, Holtsclaw, 1977 и др.).

Обобщение массового литературного материала по константам диссоциации преобладающих в гумусовых веществах типах функциональных групп (Орлов, 1990, Perdue, 1985, Hayes, 1987, Senesi, Loffredo, 1998) позволяет заключить, что основная часть карбоксильных групп характеризуется значениями рКа 4-5, а основная часть фенольных гидроксилов – значениями рКа от 10 до 11.

Построенные гистограммы частот встречаемости значений констант диссоциации обнаруживают распределение, близкое к Гауссовскому, но, вместе с тем, показывают, что в отдельных случаях константы обеих типов функциональных групп могут варьировать в очень широких пределах. В частности, гидроксилы в замещенных фенолах могут обладать значительно более сильнокислотными свойствами, и значения их рКа опускаются до 8 и ниже в зависимости от состава и положения замещающих компонентов.

Влияние различных функциональных групп на сорбционные свойства органического вещества почв во многом определяется их сродством к протону. Карбоксильные группы характеризуются относительно низким сродством к протону, поэтому они часто имеют отрицательный заряд и способны к поглощению катионов. Фенольные гидроксилы, сульфгидрильные группы, амино-, и имидогруппы имеют высокое сродство к протону и поэтому проявляют способность к поглощению анионов. Карбонильная группа, как правило, не ионизируется и слабо взаимодействует с компонентами раствора.

Реакции катионного обмена на функциональных группах гумусовых веществ обычно записывают двумя разными способами:

где обозначения (s) и (aq) относятся соответственно к соединениям в твердой и жидкой фазах. В процессе такого рода взаимодействий одновременно происходит много конкурирующих реакций на отдельных фрагментах молекул гумусовых кислот. Поэтому при моделировании реакций катионного обмена оба уравнения применимы только в самом усредненном смысле, т.к. в действительности SH2 (s) и SCa (s) представляют собой гетерогенную смесь, и ни один из способов записи реакций обмена не отражает особенностей молекулярной структуры гумусовых веществ и валентность аниона (Sposito, 1989).

Глава 3. Строение поверхности раздела между твердой фазой почвы и почвенным раствором В различных средах Земли, том числе и в почвах, за счет высокой степени дисперсности материала, площадь поверхностей раздела между твердой, жидкой и газообразной фазами в масштабе нашей Планеты измеряется триллионами квадратных километров (Stumm, 1992). Наиболее химически активными компонентами этой огромной поверхности являются функциональные группы минеральных, органических и органоминеральных соединений, рассмотренные в главе 2.

Поверхность раздела между твердыми частицами почвы и почвенным раствором («интерфейс») представляет собой не просто плоскость, это – трехмерное пространство, специфическая область, непохожая по своим составу и свойствам ни на твердую частицу, ни на окружающий раствор. Поскольку поверхность частиц почти всегда имеет заряд, на поверхности и вблизи поверхности в пределах этой области в растворе концентрируются ионы металлов и лиганды, принимающие участие в нейтрализации заряда.

Современные представления о строении поверхности раздела между твердыми частицами почвы и почвенным раствором и о механизмах взаимодействия твердой и жидкой фаз почвы базируются на двух методологических подходах.

Первый из них основан на теоретических принципах химии координационных соединений, которые вначале были разработаны для реакций, происходящих в растворах, но в настоящее время широко применяются для описания реакций взаимодействия поверхности твердых частиц с компонентами раствора. При использовании этого подхода реакции взаимодействия твердых частиц почвы с компонентами раствора рассматриваются как процессы образования поверхностных комплексов. Второй подход использует принципы и концепции коллоидной химии, лежащие в основе теории двойного электрического слоя.

Указанные подходы не являются альтернативными: они тесно взаимосвязаны, и при интерпретации экспериментальных данных по взаимодействию твердой и жидкой фаз почвы наилучшие результаты получаются при совместном использовании достижений химии координационных соединений и коллоидной химии.

При взаимодействии функциональных групп на поверхности твердых частиц почвы с компонентами почвенного раствора формируются комплексы двух типов – внешнесферные и внутрисферные (рис. 3.1).

При образовании внешнесферных комплексов между поверхностью сорбата и поглощаемым ионом находятся молекулы растворителя, в частности воды, которые препятствуют развитию ковалентных связей. Поэтому ион удерживается на поверхности относительно слабыми электростатическими силами. Такой тип взаимодействия иногда определяют как неспецифическую адсорбцию, к нему же относят значительную часть реакций ионного обмена.

Внешнесферные поверхностные комплексы чаще всего образуют катионы, относящиеся к «твердым» кислотам по Льюису, но не вступающие в реакцию гидролиза в диапазоне значений рН, свойственном большинству почв (например, Na+, Ca2+, Mg2+), а также некоторые анионы – «твердые» основания по Льюису (например, Cl-, NO3-).

На рис. 3.1 внешнесферные комплексы на поверхности гидроксида металла представлены ионами Na+ и Cl-, которые в окружении гидратных оболочек присутствуют вблизи находящихся на поверхности ионов противоположного знака.

При образовании внутрисферных комплексов между центральным ионом и лигандом нет молекул растворителя (воды), что определяет возможность развития прочных ковалентных связей. Образование поверхностных внутрисферных комплексов часто определяется как специфическая адсорбция.

Прочность связи возрастает при развитии полидентатных и полиядерных комплексов. Когда формируется полидентатный комплекс, осуществляется связь центрального атома с несколькими функциональными группами лиганда. При образовании полиядерных комплексов несколько структурных ионов металлов вовлекается в образование связей с одним лигандом. При прочих равных условиях монодетатные комплексы образуются при невысокой степени покрытия поверхности адсорбента, а при увеличении степени покрытия начинают преобладать бидентатные комплексы.

На рис. 3.1 внутрисферный бидентатный биядерный комплекс на поверхности гидроксида металла представлен адсорбированным фосфат-ионом;

внутрисферные моноядерные монодентатные комплексы представлены адсорбированным ионом Cu+, который заместил протон гидроксильной группы, и адсорбированным ионом F-, который вытеснил поверхностную гидроксильную группу по типу лигандного обмена.

Образование монодентатных комплексов происходит быстро, бидентатных – медленно. Внутрисферные комплексы достаточно устойчивы, и их разложение осуществляется медленно за счет высокой энергии активации. В качестве самой общей закономерности можно отметить, что в образовании внутрисферных комплексов принимают участие металлы, относящиеся к преимущественно к «промежуточным» (например, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+), и «мягким» (например, Hg2+, Cd2+) кислоты по Льюису (Essington, 2004).

Из этого правила есть некоторые исключения – например, ионы K+ и Cs+ относятся к твердым кислотам по Льюису, но на силоксановой поверхности высокозарядных монтмориллонитов и вермикулитов они образуют внутрисферные комплексы. Эта особенность объясняется невысокой плотностью заряда на поверхности этих ионов и близостью диаметра ионов размеру дитригональной пустоты тетраэдрической сетки.

В соответствии с современными представлениями, основанными на принципах химии координационных соединений, главные реакции, протекающие на поверхности частиц в системе твердая фаза раствор, приводящие к образованию поверхностных комплексов, могут быть разделены на группы. В схематической форме эти группы выглядят следующим образом (составлено по Stumm, 1992, обозначение S относится к твердой поверхности, на ней находится функциональная гидроксильная группа ОН ):

(1) Кислотно-основные равновесия:

(2) Реакции связывания металлов:

2S–OH + MZ+ (S–O)2M(z-2)+ + 2H+ S–OH + MZ+ + H2O S–OMOH(z-2)+ + 2H+ (3) Реакции лигандного обмена:

(4) Реакции образования тройных комплексов с участием металла и лиганда S–OH + L- + MZ+ S–L–MZ+ + OHS–OH + L- + MZ+ S–OM–L (Z-2)+ + H+ Все рассмотренные группы реакции относятся к образованию внутрисферных комплексов, т.к. ни в одной из реакции нет молекул воды между твердой поверхностью и металлом или лигандом. Каждая из реакций может быть охарактеризована своей собственной константой равновесия.

Из приведенных схем ясно, что образование поверхностных комплексов может приводить к изменению заряда поверхности и значения рН окружающего раствора.

3.2. Строение поверхности раздела между твердыми Современные теоретические представления о строении поверхности раздела между твердыми частицами почвы и почвенным раствором были разработаны преимущественно для систем, в которых твердые частицы представлены минералами оксидов и гидроксидов металлов и собственно глинистыми минералами – т.е. тонкодисперсными слоистыми силикатами (Sposito, 1989, Stumm, 1992, Sparks, 1998, Essington, 2004). Можно полагать, что основные положения этой теории справедливы и для систем с участием других минералов, а с некоторыми дополнениями – также для систем с участием органических и органо-минеральных соединений.

Область раздела между поверхностью минерала, имеющего на поверхности гидроксильные группы, и раствором условно можно представить себе как сочетание параллельных плоскостей, расположенных на разном расстоянии от твердой частицы и разделяющих всю область на несколько частей с различными источниками, знаками и величиной зарядов (рис. 3.2).

Постоянный заряд, обусловленный изоморфным замещением в кристаллической решетке. Кристаллическая решетка многих минералов, прежде всего – трехслойных глинистых минералов, является источником постоянного заряда, связанного с изоморфными замещениями в решетке (см. раздел 2.1, глава 2). Этот заряд не зависит от рН, чаще всего имеет знак (–) и обозначается 0. Плотность заряда выражают в кулонах на единицу поверхности и соответственно рассчитывают как:

где ЕКО – емкость катионного обмена в молях заряда на кг почвы, F – константа Фарадея (96485 кулонов/моль), S – удельная поверхности в м2/кг.

Например, если ЕКО вермикулита составляет 140 смольс/кг, и удельная поверхность минерала равна 650 000 м2/кг, получаем:

Хотя указанная схема расчета является широко распространенной, она содержит некоторую неопределенность, даже в отношении одного отдельно взятого глинистого минерала. В действительности, при определении ЕКО любым из принятых методов получают величину, которая определяется не только постоянным зарядом, но и некоторым количеством зависимых от рН зарядов за счет участия гидроксильных групп на боковых сколах глинистых кристаллитов. Поэтому в подобных расчетах следует использовать величину ЕКО, определенную при рНТНЗ (см. раздел 3.3).

Зависимый от рН заряд, обусловленный наличием на поверхности протонов и гидроксильных групп. Плоскость, обозначенная на рисунке 3.2 как Sплоскость, проходит через находящиеся на минеральной поверхности гидроксильные группы – источники зависимого от рН заряда, которые могут быть в разной степени депротонированы или протонированы в зависимости от рН окружающего раствора (см. раздел 2.1, глава 2). Поэтому заряд поверхности на плоскости s, который называют чистым протонным зарядом и обозначают как Н, может быть нулевым, отрицательным или положительным.

Пользуясь понятиями и терминами коллоидной химии, протоны и гидроксильные группы, находящиеся на плоскости s, называют потенциалопределяющими.

Поверхности – носители чистого протонного зависящего от рН заряда – рассматриваются как поверхности с постоянным потенциалом, поскольку количество способных к реакциям протонирования-депротонирования функциональных групп для данного минерала с известной удельной поверхностью является фиксированным.

Очевидно, что плотность зависимого от рН заряда на плоскости S может быть описана уравнением:

где qH+ и qOH_ – плотность протонов и гидроксильных групп соответственно, S – удельная поверхность. Величину зависимого от рН заряда при различных значениях рН и величины констант кислотности поверхностных протонированных (депротонированных) комплексов определяют по результатом кислотно-основного титрования.

Ниже приведен взятый из монографии Штамма (Stumm, 1992) пример таких расчетов для суспензии гетита -FeOOH в растворе фонового инертного электролита (10-1 М NaClO4), плотность суспензии 6 г/л, удельная поверхность гетита 120 м 2/г, общее количество поверхностных функциональных групп, обозначенное как FeOHTOT, составляет 210-4 М/г (значок здесь и далее относится к находящимся на поверхности соединениям).

Титрование проводили растворами HCl и NaOH, величины СА и СВ – соответственно количество кислоты и основания в М/л, добавляемое в систему при каждом шаге титрования.

Реакции депротонирования по первой и второй ступеням поверхностных гидроксильных групп можно записать следующим образом :

Находящиеся на поверхности группы FeOH2+, FeOH и FeO- рассматриваются как поверхностные комплексы, причем первые два комплекса, по аналогии с комплексами в растворе, могут быть охарактеризованы соответствующими константами кислотности.

В уравнениях (3.3) и (3.4) в фигурных скобках показаны активности поверхностных комплексов, в квадратных скобках – активности ионов в растворе. В рамках эксперимента, проведенного при постоянной ионной силе раствора, принимали, что коэффициент активности одновалентных ионов был равен 1.

Для каждого шага титрования в соответствии с правилом электронейтральности системы справедливо равенство:

где СА и СВ – количество добавленных кислоты и основания, выраженное в молях на литр; в квадратных скобках показаны концентрации ионов Н+ и ОН- в растворе и концентрации комплексов FeOH2+ и FeO- на поверхности частиц, выраженные в молях на единицу объема раствора. Если необходимо пересчитать результаты в молях на единицу массы, левую часть уравнения делят на навеску минерала, взятую для титрования. По результатам титрования кислотой и основанием можно рассчитать зависимость заряда от рН для каждой точки титрования. На рис. 3.3 показаны кривая титрования (рис.3.3.а) и рассчитанная на основе результатов титрования зависимость от рН чистого протонного заряда Q, выраженного в молях на грамм (рис. 3.3.б).

Из рисунка видно, что при значении рН 7,9 заряд равен 0, т.е. соблюдается равенство:

Это значение рН соответствует точке нулевого чистого протонного заряда (это понятие обсуждается также в следующем разделе главы 3) и сокращенно обозначается рНтнчпз (английская аббревиатура pHPZNCP).

При известной величине удельной поверхности s для каждого данного значения рН несложно рассчитать плотность чистого протонного заряда в кулонах на квадратный метр:

где Q – заряд в молях на единицу массы, F – число Фарадея, s – удельная поверхность.

Значения констант кислотности поверхностных комплексов рассчитывают, принимая следующие допущения:

Q при рН рНтнчпз; Q при рН рНтнчпз При этом общее количество поверхностных функциональных групп можно представить себе в виде суммы:

FeOHTOT = (FeOH2+ + FeOH + FeO-) Тогда уравнения (3.3) и (3.4) превращаются в:

Рис.3.3. Кривая титрования суспензии гетита кислотой и основанием (а), титрования (б) и константы кислотности (в), рассчитанные по уравнениям (3.6) и (3.7). Составлено по Stumm, По уравнениям (3.6) и (3.7) были рассчитаны условные константы кислотности для каждой точки титрования. Из рис. 3.3.в видно, что значения констант меняются в ходе титрования, поскольку при этом изменяется заряд поверхности, что влияет на кислотность окружающих функциональных групп. Истинные значения констант кислотности могут быть получены только в отсутствии заряда на поверхности, и их можно определить графически путем интерполяции прямой зависимости величин рК от заряда до пересечения с ординатой. Полученные таким способом истинные значения рКа1s и pKa2 s cоставили 6,4 и 9,2 соответственно.

Истинное значение рН можно найти путем несложных вычислений, логарифтнчпз мируя уравнения (3.3) и (3.4), и складывая, после логарифмирования, правые и левые части этих уравнений:

= lg + lg[H+] – lg +lg + lg [H+] – lg С учетом того, что при значении рН, соответствующем точке нулевого чистого протонного заряда = , получаем:

По результатам данного опыта для исследованного гетита:

Значения констант кислотности при диссоциации протонов по первой и второй ступеням для некоторых минералов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Значения отрицательного логарифма констант кислотности для некоторых минералов, присутствующих в почвах и почвообразующих породах Сумма плотности постоянного заряда и плотности зависимого от рН чистого протонного заряда при фиксированном значении рН на поверхности частицы (0 + Н) является функцией степени изоморфного замещения в решетке и количества функциональных групп, способных давать поверхностные комплексы с Н+ и ОН-. Обе характеристики – это свойства, присущие данному минералу, вне зависимости от состава окружающего раствора. Поэтому сумму постоянного заряда и зависимого от рН чистого протонного заряда часто определяют как истинный поверхностный заряд частицы.

В нейтрализации заряда частицы принимают участие внутрисферные комплексы, внешнесферные комплексы и ионы, находящиеся в диффузном слое. Эта часть области раздела является в значительной степени функцией состава окружающего раствора.

Заряд, связанный с наличием внутрисферных комплексов is, находится в плоскости, обозначенной как is-плоскость на рисунке 3.2. Этот заряд может быть положительным, отрицательным или нулевым. Например, при замещении гидроксильной группы фосфат-ионом поверхность приобретает дополнительный отрицательный заряд, а при замещении протона гидроксильной группы двухвалентным металлом — дополнительный положительный заряд (см. рис. 3.1). Очевидно, что в обоих случаях на поверхности образуются внутрисферные комплексы, т.е. осуществляется специфическая адсорбция.

Заряд, связанный с наличием внешнесферных комплексов os, локализован в плоскости, обозначенной как os-плоскость на рис. 3.2. Этот заряд также может иметь разный знак и величину. Примерами внешнесферных комплексов являются, например, находящиеся на os-плоскости гидратированные катионы Ca2+, Na+, Mg2+, а также некоторые анионы. Внешнесферные комплексы отделены от поверхности собственно твердой частицы слоем молекул воды толщиной

Таким образом, суммарная плотность заряда поверхности частицы p складывается из суммы всех рассмотренных выше компонентов:

Заряд, связанный с наличием ионов в диффузном слое, находятся на внешней стороне плоскости, обозначенной как d-плоскость на рис. 3.2. Эти ионы могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд и обладают значительно большей подвижностью, чем ионы, формирующие внутри- и внешнесферные комплексы. Вместе с тем, они принимают участие в компенсации заряда поверхности. Ионы в диффузном слое отделены от поверхности частицы слоем молекул воды толщиной 0,6 нм.

Ионы диффузного слоя полностью компенсируют заряд поверхности, сформированный всеми другими слагающими заряд частицы компонентами, и поэтому, в соответствии с правилом электронейтральности: p + d = 3.3. Точка нулевого заряда и другие электрохимические На основе представлений, изложенных в разделе 3.2, поверхность твердой частицы может быть охарактеризована не одной, а несколькими значениями рН точки нулевого заряда, соответствующими отсутствию заряда на той или иной плоскости, показанных на рис. 3.2 (Sposito, 1981, 1984, 1989, Essington, 2004).

Собственно точка нулевого заряда рНТНЗ (английская аббревиатура pHZPC) – это значение рН, при котором общий чистый заряд поверхности частицы равен 0, т.е. p = 0, и соответственно – плотность заряда в диффузном слое тоже равна 0. Для некоторых минералов, широко распространенных в почвах и почвообразующих породах, значения рНТНЗ приведены в табл. 3.2.

Табл. 3.2. Значения рНТНЗ некоторых минералов почв и почвообразующих пород (составлено по Sverjensky and Sahai, 1996 и Sahai and Sverjensky, 1997) Значение рН точки нулевого заряда – важнейшая электрохимическая характеристика минералов. Очевидно, что при значении рН окружающего раствора, превышающем рНТНЗ, минерал будет способен к преимущественному поглощению катионов, и что поверхность таких минералов, как гетит и гиббсит (с высокими значениями рНТНЗ), будет поглощать анионы в широком диапазоне значений рН. Напротив, если значение рН раствора ниже рНТНЗ, минерал поглощает преимущественно анионы, и такие минералы, как кварц и аморфный SiO2 n H2O (с низкими значениями рНТНЗ) проявляют способность к поглощению катионов в широком интервале значений рН.

В связи с этим, наличие в составе твердой фазы почвы минералов с разными значениями рНТНЗ существенно влияет на процессы поглощения и десорбции химических элементов, присутствующих в почвенных растворах в катионной и анионной формах. В полной мере это положение относится к ионным формам элементов питания и к ионам, присутствующим в токсичных для биоты концентрациях.

Точка нулевого чистого протонного заряда рНТНЧПЗ (английская аббревиатура – pHPZNPC) – это значение рН, при котором отсутствует заряд на sплоскости, поскольку равны плотности зарядов протонов и гидроксильных групп, т.е. qH = qOH и, соответственно, qH – qOH = 0. Величина pHТНЧПЗ уже была охарактеризована в предыдущем разделе. Очевидно, что рНтнчпз = рНтнз при отсутствии на поверхности частиц внутри- и внешнесферных комплексов.

Изоэлектрическая точка рНИЭТ (английская аббревиатура рНIEP) – это значение рН, при котором заряд отсутствует как в кристаллической решетке, так и всех плоскостях, отмеченных на рис. 3.2. Это значит, что при рНИЭТ Точка нулевого чистого заряда рНТНЧЗ (английская аббревиатура pHPZNC) – это значение рН, при котором равны емкости катионного и анионного обмена, т.е. ЕКО – ЕАО = 0, и, соответственно, отсутствуют неспецифически поглощенные ионы, включая ионы внешнесферных комплексов и ионы в диффузном слое, т.е. os + d = 0. При наличии на поверхности внутрисферных комплексов условие, соответствующее рНтнчз, формулируется как is + os + d = 0. Очевидно, что рНТНЧЗ = рНТНЗ при os = Точка нулевого солевого эффекта рНТНСЭ (английская аббревиатура pHPZSE) не является в строгом смысле слова точкой нулевого заряда, она представляет собой величину рН, при которой чистый протонный заряд не зависит от ионной силы раствора, т.е. dH/dI = 0. Параметр рНТНСЭ соответствует точке пересечения кривых кислотно-основного титрования исследуемого вещества при проведении титрования на фоне растворов электролита разных концентраций (рис. 3.4). На этом принципе основан наиболее широко распространенный метод определения рНТНЧПЗ, который используется, если величина рНТНСЭ совпадает со значением рНТНЧПЗ (этот вопрос дополнительно обсуждается в разделе 3.4. данной главы).

Физический смысл зависимости, изображенной на рис. 3.4, заключается в следующем. Если на поверхности частицы присутствует положительный или отрицательный чистый протонный заряд, величина которого определяется величиной рН раствора, из раствора электролита преимущественно поглощаются анионы или катионы соответственно. При этом, чем больше величина заряда, тем больше будет разница между количеством ионов с противоположными знаками, удерживаемых на поверхности электростатическими силами. Очевидно также, что эта разница будет увеличиваться по мере роста концентрации электролита, которая определяет общее количество положительно и отрицательно заряженных ионов. Поэтому кривые титрования расположены на графике 3.4 таким образом, что при одном и том же значении рН более высокий заряд поверхности соответствует более высокой концентрации электролита во всем диапазоне значений рН, кроме значения рН, равного рНТНЧПЗ.

Если же чистый протонный заряд на поверхности частицы равен 0 при рН = рНТНЧПЗ, и электролит является индифферентным (его катион и анион обладают примерно равным сродством с поверхностью частицы и не образуют внутрисферные комплексы на поверхности частиц), число удерживаемых на поверхности катионов будет приблизительно равно количеству удерживаемых анионов, вне зависимости от их абсолютного количества в растворе, т.е. от концентрации электролита. Поэтому кривые титрования, построенные для растворов электролитов разных концентраций, пересекутся в одной точке, которая соответствует значению рНТНЧПЗ. При этом величины рНТНЧПЗ и рНТНСЭ будут совпадать.

Совпадение (или несовпадение) этих величин зависит от состава жидкой и твердой фаз в конкретной системе, в частности – от способности катиона или аниона электролита давать внутрисферные комплексы, а также от наличия в составе твердой фазы почвы носителей постоянного заряда.

Представим себе две системы, в которых одинаковые навески исследуемого компонента почвы находятся в равновесии с двумя растворами одного и того же электролита с разной произвольно выбранной ионной силой I и I2, и что в обеих системах установилось одинаковое значение рН, соответствующее рНТНЗ (Sposito, 1981).

Тогда равенство превращается в:

поскольку значения 01 = 02 (в двух системах были взяты равные количества одного и того же вещества) и d1 = d2 (по условию задачи в обеих системах значение рН соответствует рНТНЗ).

Очевидно, что равенство чистых протонных зарядов в двух системах теоретически может быть достигнуто только при полном отсутствии как внешне-, так и внутрисферных поверхностных комплексов. В реальных системах при помещении любого из компонентов почвы в раствор электролита полное отсутствие поверхностных комплексов невозможно. Вместе с тем, при соответствующем подборе электролита достигается равенство:

При этом электролит, который определяют как индифферентный, как отмечалось выше, должен отвечать следующим условиям: 1)он не должен содержать ионы, образующие внутрисферные поверхностные комплексы с исследуемым веществом; 2) входящие в состав электролита катионы и анионы должны обладать близким химическим сродством с сорбционными центрами поверхности, одинаковой валентностью и близкими ионными радиусами в гидратированном состоянии. Таким требованиям в наибольшей степени удовлетворяют растворы NaCl и NaNO3, при использовании которых можно обеспечить независимость плотности заряда внешнесферных комплексов от концентрации электролита – т.е. от ионной силы раствора. Очевидно, что при этом будут соблюдаться равенства os1 = os2 и, соответственно, H1 = H2, и кривые титрования пересекутся в одной точке, соответствующей точке нулевого чистого протонного заряда и точке нулевого заряда, т.е. р1 = р2 (рис. 3.5А), т.е. в этом случае рНТНСЭ = рНТНЧПЗ = рНТНЗ.

Если в растворе фонового электролита содержатся ионы, дающие внутрисферные комплексы с поверхностью исследуемого вещества, равенство (H + os)1 = (H + os)2 не обеспечивается, поскольку плотность заряда внутрисферных комплексов всегда зависит от ионной силы раствора. В этом случае кривые титрования, полученные при разных ионных силах фонового электролита, пересекаются в точке, расположенной ниже линии нулевого заряда, и рНТНСЭ рНТНЧПЗ рНТНЗ (рис. 3.5Б).

Образование поверхностных внутрисферных комплексов, т.е. специфическая адсорбция катионов и анионов, оказывает существенное влияние на значение рНТНЗ. При специфической адсорбции двухвалентных катионов, замещающих протон гидроксильных групп, часть сорбционных центров теряет способность к поглощению протона, приобретая положительный заряд по схеме:

МеОН0 + Cu2+ MeOCu+ + H+ Поэтому нулевой баланс протонов и гидроксильных групп на поверхности достигается при более низкой активности протона в растворе, и значение рНТНЗ смещается в область более высоких величин.

При специфическом поглощении анионов, т.е. при вытеснении гидроксильных групп по типу некомпенсированного лигандного обмена на поверхности появляются дополнительные отрицательные заряды по схеме:

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ” ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И ЭКОЛОГИИ (КУРЧАТОВСКИЙ РНЦ) МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) В. Г. Багров, В. В. Белов, А. Ю. Трифонов МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Асимптотические методы в релятивистской квантовой механике Допущено Учебно-методическим. »

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Брестский политехнический институт МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ФИЗИКЕ Брест 2000 Методические указания и контрольные работы по физике для слушателей факультета довузовской подготовки. Брест, БрПИ, 2000. Составители: Г.С.Кандилян, ст. преподаватель И.Н.Прокопеня, инженер-программист Н.И.Чопчиц, доцент Л.Н.Яромская, ассистент © Брестский политехнический институт 2000 ПРЕДИСЛОВИЕ Цель настоящего пособия — оказать помощь слушателям. »

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА Часть I Методические указания и контрольные задания Пенза 2002 УДК 531.3 (075) И85 Методические указания предназначены для студентов специальности 180200 Электрические и электронные аппараты и других специальностей очного и заочного обучения и содержат контрольные задания для самостоятельной работы студентов по темам Растяжение и сжатие, Статически неопределимые системы, Геометрические. »

«Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет) В.С.СОЛОВЬЕВ, А.С.СМОРОДИН СТАЦИОНАРНЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ Учебное пособие САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2002 1 УДК 681.63 + 621.65:622.012.2(075.80) ББК 39,9 С602 Изложены теория, физические основы работы, эксплуатации, выбора и проектирования шахтных вентиляторных, водоотливных и пневматических установок. Приведены классификация, принципы действия, устройство и. »

«СМОЛЕНСКИЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Городниченко Эдуард Александрович ФИЗИОЛОГИЯ ПИТАНИЯ Учебно-методическое пособие (для студентов заочной формы обучения, обучающихся по специальности 260501.65 Технология продуктов общественного питания) Смоленск, 2008 1. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Тема 1. Основы физиологии человека Лекция 1. Онтогенетические закономерности формирования организма человека. Механизмы регуляции физиологических функций. Обмен веществ и энергии – основа жизнедеятельности. »

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Петербургский государственный университет путей сообщения Кафедра Основания и фундаменты МЕХАНИКА ГРУНТОВ, ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ Методические указания по выполнению курсовой работы РАСЧЁТ ПОДПОРНОЙ СТЕНЫ с использованием программного обеспечения для студентов специальности СЖД, МТ САНКТ – ПЕТЕРБУРГ 2012 2 В настоящих методических указаниях даны рекомендации по. »

«МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА Учебное пособие Табаков С.В. Раздел I. Введение. Общие сведения о механизации и автоматизации строительства Современное строительство является одной из наиболее механизированных сфер человеческой деятельности. Строительные машины используются на всех этапах строительного производства, а именно: 1- в карьерной добыче строительных материалов (песка, гравия, глины, мела и т.д.); 2- в изготовлении железобетонных, металлических, деревянных и других. »

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет Факультет дистанционных образовательных технологий Университетская физическая школа А.А. Чакак ФИЗИКА Выпуск 1 Кинематика механического движения Рекомендовано к изданию Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования. »

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ _ В.Н.Васильев, Л.В.Капилевич ФИЗИОЛОГИЯ Рекомендовано УМО по специальностям педагогического образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 050720.65 – физическая кульутра Издательство Томского политехнического университета Томск 2010 ББК 28.073.я.73 УДК 612(075.8) В 191 Васильев. »

«№п/п Название источника УДК 001 НАУКА И ЗНАНИЕ В ЦЕЛОМ 001 О-75 1. Спец. номер (методичка) : 4314 Основы научных исследований и инновационной деятельности: программа и организационно-методические указания для студентов специальности 1-36 20 04 Вакуумная и компрессорная техника/кол. авт. Белорусский национальный технический университет, Кафедра Вакуумная и компрессорная техника, сост. Федорцев В.А., сост. Иванов И.А., сост. Бабук В.В. — Минск: БНТУ, 2012. — 38 с.: ил. руб. 1764.00 УДК 004. »

«УЧЕБНОЕ НАГЛЯДНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ШКОЛЬНИКОВ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, КУЛЬТУРЫ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЛМЫКИЯ МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РЕСПУБЛИКИ КАЛМЫКИЯ БОУ ДОД РК ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР УЧАЩИХСЯ РЕДКИЕ ПТИЦЫ КАЛМЫКИИ И ИХ ОХРАНА учебное наглядное пособие для школьников г. ЭЛИСТА 2012 Издание поддержано проектом ПРООН/ГЭФ/Минприроды России Совершенствование системы и механизмов управления ООПТ в степном биоме России, Министерством природных ресурсов и охраны. »

«И.С. Загузов, В.Н. Головинский, В.Н Калабухов ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ (МЕХАНИКА) ЧАСТЬ I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА И АЭРОГИДРОМЕХАНИКА Самара 2002 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра математического моделирования в механике И.С. Загузов, В.Н. Головинский, В.Н Калабухов ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ (МЕХАНИКА) ЧАСТЬ I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА И АЭРОГИДРОМЕХАНИКА Учебное пособие для студентов механико-математического факультета специальностей. »

«Курасов В.С., Трубилин Е.И., Тлишев А.И. ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Краснодар 2011 УДК 631.372 Курасов В.С., Трубилин Е.И., Тлишев А.И. Тракторы и автомобили, применяемые в сельском хозяйстве: Учебное пособие. Краснодар: Кубанский ГАУ, 2011. – 132 с.: ил. В учебном пособии рассмотрены: классификация и общее устройство тракторов и автомобилей, устройство автотракторных двигателей внутреннего сгорания, работа механизмов и систем двигателей, устройство трансмиссии. »

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО ПОСВЯЩАЕТСЯ 100-ЛЕТИЮ САРАТОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО А.П. Кривенько, Л.Н. Астахова РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В АРЕНАХ Учебное пособие для студентов химических специальностей университетов (второе издание, переработанное и дополненное) ИЗДАТЕЛЬСТВО НАУЧНАЯ КНИГА -2УДК 547 (075.8) ББК 24.2 я К Кривенько А.П., Астахова Л.Н. К 82 Реакции. »

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ Государственное научное учреждение ИНСТИТУТ ОБРАЗОВАНИЯ ВЗРОСЛЫХ РАО КНИГА 1. СОВРЕМЕННЫЕ АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ ОБРАЗОВАНИЯ ВЗРОСЛЫХ ПОД РЕДАКЦИЕЙ В.И.ПОДОБЕДА, А.Е.МАРОНА С А Н К Т-ПЕ Т Е РБУРГ 2004 1 УДК 370.1 Печатается по решению Редакционно-издательского совета ГНУ ИОВ РАО Практическая андрагогика. Методическое пособие. Книга 1. Современные адаптивные системы и технологии образования взрослых / Под ред. д.п.н., проф. В.И.Подобеда, д.п.н., проф. »

«Министерство образования и науки Российской Федерации Казанский (Приволжский) федеральный университет кафедра физики твердого тела А.М. Салахов Введение в материаловедение конструкционных материалов Учебное пособие Казань 2014 УДК 66.017; 67.017; 620.22 Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГАОУВО Казанский (Приволжский) Федеральный Университет методической комиссии Института Физики Протокол № 1 от 24 января 2014 г. заседания кафедры физики твердого тела Протокол № 6 от 26. »

«РОССИЙСКОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ АГЕНТСТВО Е.Д. Самотесов, Г.П. Тощева, Н.Г. Рыбальский, Ю.Ю. Галкин МЕТОДОЛОГИЯ И ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ОБЩЕСТВЕННОГО УЧАСТИЯ В ПРОЦЕССЕ ПРИНЯТИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЗНАЧИМЫХ РЕШЕНИЙ (Учебное пособие) Под редакцией д.б.н., проф. Н.Г. Рыбальского и д.ф.н., проф. Ю.Ю. Галкина РЭФИА Москва – 2001 Самотесов Е.Д., Тощева Г.П., Рыбальский Н.Г., Галкин Ю.Ю. Методология и основы организации общественного участия в процессе принятия экологически значимых решений. »

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет Отдел аспирантуры Методическое пособие по преподаванию курса История и философия науки для аспирантов и соискателей Ухта 2006 ББК 74.58 Методическое пособие по преподаванию курса История и философия науки для аспирантов и соискателей / Составитель И. А. Иванова. – Ухта: УГТУ, 2006. – 108 с. Настоящее пособие содержит. »

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет Факультет дистанционных образовательных технологий Университетская физическая школа А.А. Чакак ФИЗИКА Выпуск 3 Работа. Мощность. Энергия. Законы сохранения механической энергии и импульса Рекомендовано к изданию Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения. »

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В.А. Панин, Э.Г. Галкин АHАТОМИЯ ЧЕЛОВЕКА (БИОДИHАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОПОРHО-ДВИГАТЕЛЬHОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА) Калинингpад 1995 ГОСУДАPСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕPАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБPАЗОВАНИЮ КАЛИНИНГPАДСКИЙ ГОСУДАPСТВЕННЫЙ УНИВЕPСИТЕТ В.А. Панин, Э.Г. Галкин АHАТОМИЯ ЧЕЛОВЕКА (БИОДИHАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОПОРHО-ДВИГАТЕЛЬHОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА) УЧЕБНОЕ. »

© 2013 www.diss.seluk.ru — «Бесплатная электронная библиотека — Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.

Источник