Топырақ коллоидтары және топырақтың сіңіру сиымдылығы

Дәрістің мақсаты: топырақ коллоидтарымен танысу және олардың құрлысымен білу, топырақтың сіңіру сиымдылығын рөлін, маңызын және түрлерін анықтау

Кілтті сөздер: коллоидтар, тұнба, ұю, коагуляция, пептизация, сіңіру сиымдылығы, катиондар

Сұрақтар:

1. Топырақ коллоидтары, олардың құрлысы

2. Топырақтың сіңіру сиымдылығы және түрлері

Топырақ коллоидтары, олардың құрлысы. Топырақжаралу процесінің дамуы топырақта өсімдіктердің күлді элементтерімен азот, т.б. коректік заттардың жиналуымен қабаттас жүреді. Өсімдіктерге қажет коректік элементтердің жиналуы топырақтың сініру қабілетімен (ТСҚ) тығыз байланысты. ТСҚ деп, оның өзінде ерітінді және судағы лайлы қатты заттарды, газдарды ұстап қалуын айтады. Осы қабілет аркылы топырақта өсімдіктерге керекті коректік элементтер жиналады. Бұл саладағы ілімді дамытқандар - К. Гедройц, Д. Прянишников, А. Соколовский, И. Антипов-Каратаев, В. Чернов, Н. Горбунов, т.б. орыс ғалымдары.

Сіңіру қабілет әр топырақтарда әр дәрежеде қалыптасқан. Ол көбнесе топырақтағы тым майда (дисперсті) - бөлшектенген түиірлерге-коллоидті бөлшектерге байланысты. Топырақта коллоидті бөлшектер көбейген сайын, онын сіңіру қабілеті де жоғарылайды.

Топырақ коллоидтерін диаметрі шамамен микронмен есептелетін әртекті заттар бөлшектері құрайды. (1 микрон 0,001 миллиметрге тең, 0,001 микронды миллимикрон дейді). Коллоидті - шектердің ірілігі 0,1 микроннан 1 миллимикронға дейін ауытқиды.

В. Оствальд схемасы бойынша коллоидтердің екі жаралу жолы бар: 1) бытырау арқылы, яғни бытырандылардан бөлшектеніп шығу, 2) конденсация арқылы, яғни бытырандылардан бөлшектеніп шығу. Топырақ коллоидтерінің бір минералдардан физикалық бұзылу арқылы бытырап, тозаңданып түзіледі де, екіншісі конденсациялык, әдіспен органикалық қалдықтардан өзгеріп, химиялық бұзылу нәтижесінде жаралады.

Коллоидтер топырақта золь (коллоидтік ерітінді) және гель (коллоидті қоймалжың тұнба) күйлерінде кездеседі. Коллоидтер бір күйінен екіншісіне көше береді. Коллоидтердің ерітіндіден тұнбаға көшуін коагуляция (жиырылу, ұю), керісінше тұнбадан ерітіндіге көшуін пептизация (бытырау) дейді. Тұнбадан ерітіндіге көшу қайталанбалы немесе қайталанбайтын болады. Топырақ жаралуында коллоидтар коагуляциясының зор маңызы бар: коллоидтар топырақта тек золь (ерітінді) күйінде жылжып, жиыла алады да, гель (тұнба) күйінде топырақта бекіп қалады. Коллоидтар топырақта жоғарғы және төменгі температурада қызғанда, көпкенде немесе тоңазығанда да коагуляцияланады. Бірақ коагуляцияның басты жағдайына электролиттердің (тұздардың, қышқылдардың, я негіздердің) әсері жатады (электролит деп суға ерігенде оң немесе теріс зарядты иондарға бөлінетін заттарды айтады - NаСІ->Na⁺+ СІ^-). Коагуляция электролиттердің ең аз ңкоагуляция босағасың деп аталатын концентрациясында (қоюлануында) өтеді.

Жоғары бытыраңқы болғандықтан коллоидті бөлшектердің электр заряды бар. Көбінесе топырақ коллоидтері теріс зарядты. Тек алюминий мен темір гидраттары оң зарядты. Коагуляция процесі коллоидтердің зарядтарын жоғалтуына байланысты. Теріс зарядты коллоидтер оң зарядты катиондармен, ал темір мен алюминий коллоидтері теріс зарядты аниондармен кездескенде коагуляцияланады.

Коагуляциялау қабілеті катиондардың валенттілігіне және атомдық салмағына байланысты. Белсенді жылдам коагулянттарға үш валентті (АІ мен Fе), содан кейін екі валентті (Са мен Мg) катиондар жатады. Бір валентті катиондар (К, NH₄, әсіресе Na) сәл коагуляциялайды, тіпті қарама-қарсы топырақ коллоидтерін бытыратады (пептизациялайды). Тек Н катионы коагуляциялау қабілетімен соңғылардан оқшау тұрады да, екі валентті катиондарға жақындайды, себебі оның жарғақсу қабығы өте жұқа. Коллоидтер коагуляциясында топырақта көп тараған кальций катионы зор рөл атқарады. Ол коллоидтерді кайталанбайтындай берік коагуляциялайды.

Табиғатта коллоидтердің шығатын екі көзі бар: 1) тау жыныстары, 2) органикалық заттар. Осыған байланысты топырақтың коллоид бөлігінің құрамына органикалық және минералдық заттар кіреді; біріншісі - топырақ карашіріндісі, екіншісі - балшық құрамындағылар. Топырақтағы коллоидтер болмысы - көбінесе тұрақты тұнба - гель күйі. Ол топырақта катиондардың және басқа коагуляция жағдайларының ылғи болуына байланысты. Коллоидтердің золь (ерітінді) күйі - уақытша, тұрқсыз болмыс. Коллоидтерді гель түрінен зольге айналдыру үшін, оларды байланыстырып тұратын катиондарды басқа тұздармен ығыстыру керек. К. Гедройц топыраққа сіңірілген катиондарды ас тұзының натрий катионымен жуып ығыстыруды ұсынған. Сіңірілген катиондар ығыстырылғанда, топырақ коллоидтері ыдырап (пептизацияланып), ерітінді күйіне айналады.

Коллоидтер құрылысы. Жоғарыда айтылғандай, коллоидтерге бытыранды күйіндегі заттар жатады. Оның әр бөлшегі көп молекула жинағы болып есептеледі. Қазіргі көзқарастар (профессор Н. Горбунов) бойынша коллоидті бөлшектің немесе мицелланың күрделі құрылысы бар. Әр мицелла 4 құрамды қабаттан тұрады: 1) коллоидті жағдайдағы заттың ішкі өзегі (ядросы); 2) ішкі өзекке тығыз байланып тұратын, сәл коллоидті бөлшектің зарядың анықтайтын, ионды немесе ішкі қос қабатша; 3) сыртқы қарама-карсы зарядты иондар қабатшасы; 4) диффузиялы иондар қабатшасы. Сонымен коллойдтер заряды деген түсінік түгел мицеллаға жатпайды, тек оның диффузиялық қабатшасыз бөлігін сипаттайды. Мысалы, кремний қышқылы мицелласының өзегі SіO₂ молекулаларының агрегаттары - заряд анықтайтын иондардан SіO₃ тұрады. Коллоидті бөлшектің заряды теріс болса, оның сыртында оң зарядты теңгеру ниондары орналасады.

Жоғарыда айтылғандай, топырақ коллоидтерінің заряды негізінен теріс болады. Теріс зарядты, диффузия қабатында Н иондары бар, коллоидтерді ацидоидтер дейді (гумин қышқылы - СОО, кремний қышқылы – SіO₃). Оң зарядты диффузия қабатында ОН иондары бар коллоидтерді базоидтер дейді. (АІ және Fe тотықтарының гидраттары АІ (ОН)₃, Fе(ОН)з.

Топырақтың сіңіру сиымдылығы және түрлері. Коллоидтердің диффузиялы қабатындағы иондар көбінесе алмаспалы реакциялар арқылы топырақ ерітіндісінен ұсталады. Ал коллоидтер көбінесе теріс зарядты болғандықтан, олар негізінен катиондарды сіңіреді. Сіңірілген катиондар коллоидті бөлшектердің сыртында үлкен энергиямен берік ұсталып тұрады да, тек басқа катиондармен ығыстырылады. Сондықтан топырақтың иондар сіңіруі негізінен катиондар алмасу процесі болып саналады. Мысалы, қара топырақты ас тұзының ерітіндісімен араластырсақ, оның натрий катиондары топырақтағы кальций катиондарын ерітіндіге ығыстырып шығарады:

 

[топырақ] 4Са + 8NаС1 = [топырақ] 8 Nа + 4СаСІ₂

К. Гедройц және басқа зерттеушілердің тәжірибесіне қарағанда, топырақта катиондар алмасуы эквиваленттік тең мөлшерде өтеді: ығыстырылған бір екі валентті кальций катионы орнына 2 бір валентті натрий сіңіріледі.

Топырақтың ерітіндідегі тұздар катиондарын сіңіріп, алмаспалы ерітіндіге катиондар ығыстыруын физика-химиялық алмаспалы сіңіру дейді. Бұл топырақтың сіңіру сиымдылығының басты түрі. Оның негізінде біріншіден физикалық сырт энергия арқылы сіңіру (адсорбция) бар да, екіншіден, өзара алмаспалы химиялық реакциялар жатыр.

Сіңірілген катионды басқа катион қайтадан ерітіндіге ығыстыра алады. Сондықтан топырақта сіңірілген катиондарды алмаспалы негіздер дейді. Алмаспалы сіңіру сиымдылығы топырақтың тек тым уақ коллоидті бөлшектеріне тан.

Топырақтың майда, бытыранды катиондар алмастыра алатын бөлігін топырақтың сіңіргіштік кешені дейді. Топырақтың бұл коллоидты бөлігі, органикалық қарашірінді және минералдық (шаң, тозан), химиялық қосындылардан құралады. Сондықтан, оны кешенді (жинақты) деп атайды. Ал сіңіргіш деп коллоидті бөлшектердің сыртқы энергиясымен ерітіндіден иондарды сіңіре алатын қабілетін айтады. Топырақтардың сіңіргіштігі әр мөлшерлі: топырақ неғұрлым балшықты, құмбалшықты және онда қарашіріндісі көп болса, сәл ғұрлым оның сіңіру қабілеті жоғары, ал карашіріндісі аз құм топырақтың сіңіру кабілеті төмен болады. Топырақтың сіңіре алатын жалпы катиондар жиынтығын сіңіру сыйымы дейді. Оның мөлшерін кальций катионының милиэквивалентімен (мың рет кішірейтілген санмен) бейнелейді. Алмаспалы сіңірілген негіздерге Са, Мg, Na, Н, К және NН₄, Fе, АІ катиондары жатады. Құрамында сіңірілген металл катиондары (Na, Мg, Са, Fе) бар топырақтарды негіздерге қанық (бай), ал құрамында Н және АІ катиондары бар топырақтарды негіздерге тапшы топырақтар дейді.

Сіңірілген катиондар топырақ касиеттеріне тікелей әсер етеді. Кальций катионы қара топырақтарда жақсы су, ауа және қорек режимін калыптастырады, берік түйіртпектілік, бейтарап (рН-7) орта жасайды. Сіңіру кешенінде Н катионы басым күлгін топырақтар түйіртпексіз болады, оларға нашар су, ауа және қорек режимі (құбылым) мен қышқыл орта реакциясы тән. Ал сіңірілген натрий катионы басым (сортаң, кебір) топырақтардың су, ауа және қорек режимі өте нашар, олар түйіртпексіз болады, сондықтан су тисе соңғысы батпаққа айналады, кепсе тас болып қатады да, өндеуге жарамайды, топырақ ерітіндісінің ортасы өте сілтілі болады (рН-8-9).

Топырақтың физика-химиялық немесе алмаспалы сіңіру қабілетінің зор маңызы бар. Сол арқылы топырақтарда өсімдіктердін қоректік заттары (элементтер) берік ұсталады. Екіншіден, минералдық тыңайтқыштарды қолдану топырақтың алмаспалы қабілетіне негізделген. К. Гедройц топырақтың алмаспалы сіңіру (физика-химиялық) қабілетінен басқа механикалық, физикалық, химиялық және биологиялық сіңіру қабілеттерін бөлген.

Механикалық сіңіру қабілеті деп топырақтың, басқа қуыс денелер сияқты, өзінен өткен лай, құм, тағы басқа қатты заттарды өткізбей ұстап қалатындығын айтады. Бұл қабілет топырақтың механикалық құрамына, түйіртпектілігіне байланысты. Балшық құмбалшық, түйіртпекті топырақтардың механикалық сіңіру қабілеті, құм, құмайт топырақтарға қарағанда, жоғары болады.

Физикалық сіңіру қабілет немесе молекулалық адсорбция деп, топырақ бөлшектерінің сыртқы молекулалық күшпен газды және ерітінді заттарды сіңіріп, ұстап қалу қабі.летін айтады. Мысалы, молекулалы су буларының, жарғақты сулардың, ерітінді бояу (сия) және иісті заттардың сіңірілуі.

Химиялық сіңірудің мәні - топыраққа енген тұздар мен оның ерітіндісіндегі тұздардың өзара химиялық алмаспалы реакцияға түсіп, топырақта тұрақты ерімейтін қосындылар түзуінде. Химиялық сіңіру нәтижесінде топырақта түрлі қоспалар шоғырланады және олар сумен шайылмайды. Сондықтан топырақта өсімдіктер қорегіне керекті заттар - катиондар мен аниондар сіңіріліп ұсталады (үш кальцийлі фосфаттар мен СаСОз).

Ұсталған тұздар топырақ ерітіндісінің ортасы өзгеруіне қарай қайтадан жылжымалы түріне айналады да, оларды өсімдіктер қажетіне жаратады. Тез еритін заттар топырақтағы басқа қосындылармен реакцияға түсіп, ерімейтін қосылыстар түзеді. Олар химиялық жолмен сіңірілетін қосындыларға жатады (фосфаттар, карбонаттар).

Мысалы:

СаСl₂ + Na₂СО₃ = СаСО₃ + 2NаСl;

3СаСl₂ + 2Na₂НРО₄ = Са₃(РО₄)₂ + 4NаС1 + 2НСl

Химиялық жолмен сіңірілмейтін қосындыларға азот тұздары жатады. Олар топырақтағы барлық катиондармен әрекеттесіп, суға тез еритін жылжымалы тұздар құрайды да, топырақтан шайылып кетуі мүмкін.

Биологиялық сіңіру. Топырақта қоректік заттарды сіңіріп, ұстап, шайылудан сақтап қалуда бұл сіңіру түрінің рөлі өте зор. Биологиялык, сіңіруі ғылыми тұрғыдан негіздеген - академик В. Вильямс. Бұл сіңіру топырақтардағы өсімдіктердің тамырлары мен кішіжандылардың тіршілігіне байланысты. Олар топырақтың жылжымалы қоректік заттарын сіңіріп, өз денелерін құруға, ерімейтін, күрделі органикалық қосындылардың құралуына жұмсайды. Мысалы, азот тұздары биологиялық сіңіру арқасында өсімдік пен кішіжандылар денелеріндегі ақуыз құрамында бекіп қалады. Өсімдіктер азот тұздарын топырақтан алатын болса, бактериялар азотты ауадан тікелей ұстап, жұта алады. Оларды азот тұтушылар деп атайды. Өсімдіктер тек өздеріне керекті қоректік элементтерді таңдамалы сіңіреді. Өсімдік қорегіне өте қажетті элементтерге С, Н, О, N. К, S, Са, Мg, Fе, т.б. жатады. Өсімдіктер массасы құрағанда денелеріндегі қоректік заттар ыдырап (минералданып), топыраққа қайтып оралады.