Właściwości chemiczne gleby. Do koloidów glebowych zalicza się cząstki, o średnicy mniejszej od (0.002) mm.

Transkrypt

1 Właściwości chemiczne gleby Najważniejsze właściwości koloidów warunkuje ich ładunek elektryczny występujący na powierzchni cząsteczek koloidalnych. Większość koloidów glebowych jest ujemnie naładowana. Wartość ładunku elektrycznego zależy od budowy jądra (miceli) koloidu a źródłem tego ładunku są: nienasycone wartościowości występujące na krawędziach warstw krzemowo - glinowych, na zewnętrznych powierzchniach płaszczyzn minerałów na cząstkach próchnicy. wewnątrz - warstwowa wymiana w kryształach minerałów. Do koloidów glebowych zalicza się cząstki, o średnicy mniejszej od (0.002) mm. W zależności od ładunku koloidy glebowe dzielimy na: Cząstka koloidalna czyli micela składa się z 3 elementów: - polimolekularnego jądra (ultramikron) wewnętrznej powłoki jonowej decydującej o ładunku jądra zewnętrznej powłoki jonowej o ładunku przeciwnym do ładunku powłoki wewnętrznej Jądro powłoka wewnętrzna = granula Granula warstwa kompensacyjnych jonów = cząstka koloidalna powłoka dyfuzyjna = micela naładowane ujemnie próchnica koloidalna krzemionka silnie rozdrobnione minerały pierwotne minerały ilaste związki manganu naładowane dodatnio wodorotlenki żelaza wodorotlenki glinu fosforan trójwapniowy białka glebowe Cząsteczka koloidalna W zależności od zachowania się koloidów glebowych w wodzie dzielą się na: Warstwa kompensacyjna - - jądro Wewnętrzna powłoka jonowa. hydrofilowe H 2 O hydrofobowe koloidy hydrofilowe mają duże powinowactwo do rozpuszczalnika (wody), dzięki czemu cząstki koloidalne otaczają się cząsteczkami rozpuszczalnika, co nadaje im trwałość. koloidy hydrofobowe posiadające małe powinowactwo do rozpuszczalnika (wody) na swojej powierzchni gromadzące ładunek elektryczny 1

2 Ze względu na skład chemiczny koloidy glebowe dzielą się na: Proces humifikacji przebiega w 2 fazach: rozkładu i resyntezy nieorganiczne wtórne minerały ilaste minerały pierwotne o dużym stopniu rozdrobnienia wodorotlenki glinu, żelaza i manganu, fosforan trójwapniowy organiczne białka glebowe celuloza i lignina próchnica kompleksowe organiczno-mineralne I faza - wielkocząsteczkowe związki organiczne (lignina, błonnik, garbniki) ulegają rozkładowi pod wpływem enzymów wydzielanych przez mikroorganizmy glebowe na związki o charakterze monomerów. Pod wpływem tlenu i oksydaz monomery te ulegają utlenieniu do kwasów fenolokarbonowych, aminokwasów, kwasów tłuszczowych. Dzięki tym przemianom ilość grup funkcyjnych wzrasta. II faza - następuje synteza nowych związków, które ulegają procesowi kondensacji i polimeryzacji do związków humusowych. Rola mikroorganizmów w tej fazie jest mniejsza. Decydujące znaczenie mają procesy fizyko-chemiczne. Materia organiczna Teoria polifenoli materia żywa (edafon) materia martwa nieshumifikowana shumifikowana Przemiana materii organicznej w glebie przebiega na drodze 2 procesów: mineralizacji i humifikacji. PRÓCHNICA (HUMUS) JEST BEZPOSTACIOWYM (AMORFICZNYM) KOMPLEKSEM ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH, TWORZĄCYCH SIĘ Z RESZTEK ROŚLINNYCH I ZWIERZĘCYCH W PROCESIE HUMIFIKACJI. Mineralizacja przebiegająca w pełnych warunkach tlenowych (aerobowych) prowadzi do powstania prostych związków mineralnych (CO 2, SO 2, H 2 O, NO itd.), przy ograniczonym dostępie tlenu ma charakter procesu butwienia, a przebiegająca w warunkach beztlenowych (anaerobowych) to proces gnicia materii organicznej. Proces humifikacji jest jednym z najbardziej złożonych procesów zachodzących w glebie. Przebiega w specyficznych warunkach wilgotnościowych, temperatury, przy udziale specyficznych mikroorganizmów. PRÓCHNICA JEST JEDNĄ Z NAJBARDZIEJ ZŁOŻONYCH SUBSTANCJI ZNAJDUJĄCYCH SIĘ W GLEBIE. 2

3 Skład próchnicy (pierwiastkowy) 58% węgiel 5% azot 3-6 % wodór 30 % tlen Ponad to: siarka, fosfor, wapń, magnez, potas, sód, żelazo, mangan. Próchnica dzieli się: 1. Próchnicę właściwą (amorficzną) całkowicie shumifikowaną 2. Próchnicę torfową Ze względu na ujemny ładunek próchnicy może ona być wysycona różnymi kationami: - próchnica wysycona kationami H, Al 3 to próchnica kwaśna (nienasycona) - próchnica wysycona kationami zasadowymi - próchnica zasadowa (nasycona) Ca 2, Mg 2 Na, K "słodka" "słona" Nie każda próchnica ulega rozkładowi w jednakowy sposób. Ze względu na tempo rozkładu wyróżniamy: - próchnicę trwałą - próchnicę pokarmową Podział związków próchnicznych opiera się na ich rozpuszczalności: Ekstrahowane z gleby przy użyciu zimnego r-ru 0,5% NaOH Wytrącające się od kwasów i nierozpuszczalne w alkoholu - kwasy huminowe (brunatne i szare) Wytrącające się od kwasów i rozpuszczalne w alkoholu - kwasy hymatomelanowe Niewytrącające się od kwasów fulwokwasy (kwasy fulwowe) Ekstrahowane z gleby przy użyciu gorącego r-ru 0,5% NaOH - huminy Nierozpuszczajace się w gorącym r-rze 0,5% NaOH - węgiel humusowy ZAWARTOŚĆ PRÓCHNICY W GLEBACH POLSKI MIEŚCI SIĘ W ZAKRESIE 0.6% (GL.PIASZCZYSTE) DO 6% I WIĘCEJ (MADY PRÓCHNICZNE I CZARNOZIEMY). Swoiste substancje próchniczne Wycena gleb pod względem zawartości materii organicznej (%) Kwasy fulwowe Kwasy huminowe Huminy Gleby Lekkie Ciężkie Typ/rodzaj Ubogie <1 <3 Bielicowe/pias zczyste Słabo próchniczne Gliniaste Próchniczne Brunatne Silnie próchniczne Czarnoziemy, mady 3

4 WPŁYW PRÓCHNICY NA WŁAŚCIWOŚCI GLEBY: Skleja agregaty glebowe tworząc strukturę gruzełkowatą, tym samym reguluje stosunki wodno-powietrzne. Dzięki ciemnej barwie wpływa na ogrzewanie gleby. Bierze udział w procesach sorpcyjnych zachodzących w glebie. Ulegając procesowi mineralizacji dostarcza składników pokarmowych w formie łatwo dostępnej dla roślin. Zwiększa żyzność gleby. Niektóre substancje występujące w próchnicy wpływają na wiązanie azotu atmosferycznego i rozwój bakterii żyjących w symbiozie z roślinami motylkowatymi. Wpływa na aktywność biologiczną gleby (liczebność drobnoustrojów, ich strukturę oraz aktywność enzymatyczną). K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 2H 2 O = H 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 2KOH ortoklaz kw. 6-cioglino- wodorotlenek krzemowy potasu [ AlO 6 ] K H OH - = [AlO 6 ] H K OH - W wyniku zastąpienia K przez H (mniejsze objętościowo) siatka krystaliczna minerałów ulega rozluźnieniu, zniszczeniu i rozpada się on na krzemionkę i tlenek glinu. H 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 H 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 Tlenek glinu i krzemionka przechodzą do roztworu w formie koloidalnych zoli. Tlenek glinu ma ładunek dodatni, a krzemionka ujemny. Nie mogą one więc przebywać obok siebie i przyciągają się. Następnie wytrącają się w postaci żeli, o różnym stosunku tlenku glinu do krzemionki. Początkowo pozostają w formie bezpostaciowej, a po pewnym czasie tworzą siatki nowych, wtórnych minerałów zwanych minerałami ilastymi. Minerały ilaste są najistotniejszym składnikiem frakcji ilastej gleby. Od ich ilości i jakości zależą właściwości fizyczne i chemiczne gleby tj: pojemność sorpcyjna, zdolności zatrzymywania składników pokarmowych, zdolności buforowe. BUDOWA MINERAŁÓW ILASTYCH: Przeciętna zawartość węgla (C) w materii organicznej wynosi 58%. %-wą zawartość materii organicznej w glebach oblicza się: %C * 1,724 Minerały ilaste są zbudowane warstwowo. Poszczególne warstwy składają się z połączeń tlenowo-krzemowych (tetraedry czworościany) albo tlenowo-hydroksylowo-glinowych (oktaedry ośmiościany), w których jony glinu, magnezu, żelaza i inne kationy są otoczone przez tlen i grupy hydroksylowe. Czasem w tetraedrach część krzemu zostaje zastąpiona glinem, a w oktaedrach glin lub inne kationy zastępują się wzajemnie. Jeżeli jon o wyższej wartościowości zostanie podstawiony przez jon o niższej wartościowości, w siatce krystalicznej minerału pozostają wolne ujemne ładunki elektryczne, co odgrywa ważną rolę w procesie wiązania wody i wymiennej sorpcji jonów w glebie. MINERAŁY ILASTE Tetraedry- czworościany SiO -4 (rysunek wyżej) Oktaedry- ośmiościany AlOH -6 Są to minerały wtórne tzn., że nie występują w skałach pierwotnych skorupy ziemskiej lecz tworzą się w trakcie procesu wietrzenia, w wyniku reakcji chemicznych, z minerałów pierwotnych tj. glinokrzemiany (ortoklaz, muskowit, biotyt). W skład minerałów ilastych wchodzą przede wszystkim jony krzemu, tlenu, glinu, grupa hydroksylowa oraz jony żelaza, magnezu, potasu, wapnia i sodu. 4

5 W zależności od ułożenia warstw oktaedrowych i tetraedrowych minerały ilaste dzieli się: - dwuwarstwowe (1:1) - trójwarstwowe (2:1) Minerały dwuwarstwowe Warstwa czworościanów i ośmiościanów stanowi jeden pakiet. Pakiety ułożone są jeden nad drugim. Należą do niej minerały: kaolinit. Kaolinit - odległości między pakietami są małe (0.28nm) odznacza się małą plastycznością i rozciągliwością. Ma minimalną powierzchnię wewnętrzną i małe zdolności sorpcyjne. Minerały trójwarstwowe Minerały, których siatki składają się z pakietów trójwarstwowych. Każdy pakiet składa się z 2-ch warstw czworościanów krzemowych i umieszczonej między nimi warstwy ośmiościanów glinowych. Montmoryllonit - odległości między pakietami duże nm. Łatwo nasiąka wodą, ma dużą pojemność sorpcyjną. Wadą jest to, że po wyschnięciu zmniejsza swoją objętość i pęka. Illit - budowa podobna do montmoryllonitu, z tą różnicą, że przestrzenie między pakietowe wypełnione są potasem Odległości międzypakietowe 0.35 nm. Chloryt. Symbol 2 : 1 1. Nie jest elastyczny (podobnie jak kaolinit). Budowa minerałów tego typu charakteryzuje się tym, że między dwoma pakietami typu 2 : 1 (min. trójwarstwowe) znajduje się warstwa ośmiościanów magnezowo-tlenowe. Typu 1:1 zbudowane z jednego tetraedru i jednego oktaedru (np. kaolinit). Typu 1:2 zbudowane z dwóch tetraedrów i jednego oktaedru (illit, montmorylonit-smektyt). Kaolinit Kaolinit jest głównym minerałem ilastym gleb klimatu tropikalnego, silnie wypłukanych z zasad. Tworzeniu się kaolinitu podczas wietrzenia glinkokrzemianów, sprzyja umiarkowany kwaśny odczyn. Gleby naszego klimatu charakteryzują się niewielką jego zawartością. Montmorylonit Dobrze pochłania wodę (ośmiokrotna objętość), odbarwia się 5

6 Sorpcja jest to zdolność gleby do zatrzymywania, przez jej fazę stałą, jonów, gazów, cieczy, ciał stałych i drobnoustrojów (z chemiczno rolnego punktu widzenia - składników pokarmowych). Mechanizm zatrzymywania składników pokarmowych jest różny i dlatego wyróżniamy kilka rodzajów sorpcji: 1. Mechaniczna 2. Fizyczna 3. Biologiczna 4. Chemiczna 5. Fizyko-chemiczna (wymienna) Sorpcja wymienna Elementy gleby, które mają zdolność zatrzymywania składników na tej drodze nazywamy kompleksem sorpcyjnym gleby (KS). Jest to równoważna wymiana jonów pomiędzy glebowym kompleksem sorpcyjnym i roztworem glebowym. Czynniki wpływające na proces wymiany jonowej:.właściwości jonów Energia wiązania jonu.koncentacja jonów w roztworze.właściwości sorbenta Energia wiązania jonu z KS zależy od wartościowości jonu i jego masy atomowej oraz stopnia hydratacji. Silniej są wiązane jony o wyższej wartościowości (wyjątek H ) i masie atomowej, a także jony o mniejszej hydratacji. Szereg sorpcyjny kationów Na < NH 4 = K < Mg 2 < Ca 2 < Al 3 < Fe 3 < H Odwrotnie kształtuje się szereg desorpcyjny. 6

7 Koloidy glebowe występujące w glebach Polski w większości mają ładunek ujemny W minerałach ilastych ładunek ujemny jest wynikiem istnienia niewysyconych wartościowości na krawędziach tetraedrów i oktaedrów oraz oddysocjowania wodoru z grup OH, a także izomorficznego podstawienia jonu centralnego Si 4 przez Al 3 w tetraedrze lub Al 3 przez Mg 2 w oktaedrze. Związki próchniczne mają ładunek ujemny dzięki możliwości oddysocjowania H z grup funkcyjnych (karboksylowych i hydroksylowych). Sorpcja chemiczna Polega na reakcjach czysto chemicznych, w wyniku których ze związków lub jonów łatwo rozpuszczalnych w roztworze glebowym (a tym samym łatwo dostępnym dla roślin) tworzą się związki chemiczne trudno- lub nierozpuszczalne. Sorpcja chemiczna dotyczy anionów: fosforanowego, siarczanowego, węglanowego i molibdenianowego. Nie podlegają jej aniony: chlorkowy i azotanowy. Sorpcja chemiczna fosforu = uwstecznianie Rodzaj powstających fosforanów należy od odczynu gleby. Kwaśna Gleba Zasadowa Fosforany Fe, Al., Mn Fosforany Ca, Mg Sorpcja biologiczna Polega na wbudowywaniu związków mineralnych w organizmy glebowe. Związki te będąc w stadium substancji organicznej są unieruchamiane w glebie lub na jej powierzchni. W wyniku procesu mineralizacji materii organicznej powracają do środowiska glebowego w postaci mineralnej. Sorpcja fizyczna Polega na zatrzymywaniu związków chemicznych przez ich zagęszczenie na granicy fazy płynnej i stałej gleby. Zagęszczanie jest wynikiem dążenia do zmniejszenia napięcia powierzchniowego i zmniejszenia stopnia rozproszenia. Sorpcja mechaniczna Polega na zatrzymywaniu par, gazów i jonów na zasadzie sita. Zachodzi dzięki porowatości gleby. Zatrzymuje wszystkie cząsteczki przesiąkającej zawiesiny o średnicy większej niż pory glebowe. Ładunki dodatnie mają koloidalne związki żelaza i glinu. W glebach Polski mają one znikomy udział. Występują w glebach klimatu zwrotnikowego i równikowego. Dlatego też sorpcja anionów w glebach Polski jest znacznie słabsza niż kationów. 7