 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
Механізм катіонного обміну
Вбирна здатність ґрунту Дослідженням вбирної здатності ґрунту активно займався К. К. Гедройц (впродовж 1908-1932 рр.). Результати були опубліковані у працях "Вчення про вбирну здатність ґрунту" (1922 р.) і "Ґрунтовий вбирний комплекс і ґрунтові вбирні катіони, як основа генетичної класифікації ґрунтів" (1925 р.). Крім того, вчення про вбирну здатність ґрунту розроблено у працях Г. Вігнера, С. Маттсона, М. І. Горбунова, О. Н. Соколовського. Вбирною здатністю грунту називають його властивість обмінно або необмінно поглинати з довкілля різні тверді, рідкі та газоподібні речовини, збільшувати їхню концентрацію на поверхні ґрунтових колоїдних часток. Сукупність компонентів ґрунту, що беруть участь у процесах вбирання, К. К. Гедройц назвавґрунтовим вбирним комплексом (ҐВК). Це сума всіх колоїдів, які відіграють важливу роль у явищах вбирання та обмінних реакціях. Явище вбирання відбувається переважно на поверхні колоїдних частинок, оскільки вони мають значну питому поверхню. Завдяки наявності на поверхні вільної енергії, вона є ареною різноманітних фізичних та хімічних явищ, що проявляється у вбирній здатності ґрунту. К. К. Гедройц виділив такі види вбирної здатності ґрунтів: механічну, фізичну, хімічну, фізико-хімічну та біологічну. Найбільш істотним у ґрунтових процесах є фізико- хімічне вбирання, яке проявляється у здатності обмінювати катіони ҐВК на еквівалентну кількість катіонів ґрунтового розчину. Катіони, що беруть участь у процесі такого обміну, називаються ввібраними або обмінними катіонами. Сума всіх увібраних (обмінних) катіонів, які можуть бути витиснені з ґрунту, для цього ґрунту є величиною здебільшого постійною. Цю суму виражають у мг-екв на 100 г ґрунту. За пропозицією К. К. Гедройца вона називаєтьсяємністю вбирання. Еквівалентна концентрація - це величина, яка показує кількість грамів- еквівалентів розчиненої речовини, що міститься в літрі розчину (г-екв/л). Грам- еквівалентом речовини називають кількість її грамів, хімічно еквівалентних г-атому гідрогену у цій хімічній реакції. Загальна кількість катіонів у ґрунті, які здатні до обміну в даних умовах, називають ємністю вбирання або ємністю обміну ґрунту. Ємність вбирання залежить від вмісту у ґрунті колоїдів, будови їх поверхні, природи ҐВК, реакції середовища: а) при збільшенні ступеня дисперсності частинок ємність вбирання підвищується; б) органічна частина володіє значно більшою ємністю вбирання, ніж мінеральна; в) монтморилонітова група глин володіє дуже високою ємністю вбирання; г) з підвищенням рН збільшується ємність вбирання. Тобто ємність вбирання залежить від таких характеристик ґрунту: гранулометричного складу, рН, вмісту гумусу (тобто вмісту колоїдів), мінералогічного складу. Сума всіх увібраних катіонів-основ (Са, Mg, Na, К), здатних до обміну, називається сумою обмінних основ, або сумою ввібраних основ. Крім цих катіонів, до складу ҐВК можуть також входити Н і АІ, але до ввібраних основ вони не відносяться, оскільки викликають формування кислотності ґрунтів. Величина ємності вбирання ґрунтів переважно не перевищує 100 мг-екв на 100 г наважки. І лише у мінералів групи монтморилоніту досягає 150 мг-екв на 100 г. Так як більшість мінеральних і органічних частинок у воді одержують від'ємний заряд, то у обміні беруть участь головним чином катіони. Тому слід говорити про механізм катіонного обміну. Механізм катіонного обміну За Гедройцем, катіони, які беруть участь у реакціях обміну (обмінні катіони), знаходяться у хімічному зв'язку з поверхневими молекулами ґрунтових частинок. Можливості цього хімічного зв'язку "зумовлюються, з одної сторони, наявністю поверхневої енергії, а з другої тим, що ґрунтові колоїднодисперсні частинки, будучи зарядженими від'ємними зарядами, притягують до своєї поверхні катіони електролітів ґрунтового розчину, де ці катіони і вступають в реакцію обміну з аніонами молекул, розміщених на поверхні частинок". Разом з тим причину вбирання катіонів Гедройц вважав у поверхневій енергії і наявності у частинок електричного заряду. Дослідження природи обмінних реакцій, проведені в останні роки, показують, що обмін іонів відбувається як у дифузному і адсорбційному шарах міцел, так і кристалічній решітці самих частинок. Механізм катіонного обміну багато в чому залежить від характеру кристалічної решітки мінералів. Частинки каолініту мають жорстку кристалічну решітку, доступ іонів розчину у міжпакетний простір виключений. Базальні поверхні частинок каолініту електронейтральні. Тому обмінні реакції у частинок каолініту протікають тільки по зломах кристалічної решітки. Звідси ємність вбирання каолініту невелика, 3-15 мг-екв на 100 г. Гідрослюди мають також жорстку кристалічну решітку, але їхні базальні поверхні несуть значний від'ємний заряд, який виникає завдяки некомпенсованості зарядів всередині кристалічної решітки при заміщенні Sі4+ на АІ3+ або АІ3+ іонами більш низької валентності, переважно Мg2+. У результаті цього іонний обмін у гідрослюд проходить не тільки по зломах, але і по всій площі базальних поверхонь. Ємність вбирання гідрослюд значно перевищує ємність вбирання каолініту, величина її складає 10-40 мг-екв на 100 г. У обох розглянутих випадках обмін проходить на зовнішній поверхні частинок. Обмінні іони також можуть проникати у міжпакетний простір рухомої кристалічної решітки мінералів. Такий випадок характерний для монтморилоніту. У монтморилоніту ізоморфні заміщення проходять у меншій мірі, ніж у гідрослюд, тому його базальні поверхні мають дещо менший від'ємний заряд, ніж базальна поверхня гідрослюд. Але в результаті рухомого характеру кристалічної решітки для обмінних реакцій є доступними не лише зовнішня, але і внутрішня поверхня частинок. Величина ємності вбирання при поєднанні зовнішнього і внутрішнього обміну найбільша, для монтморилоніту вона складає 80-150 мг-екв на 100 г. При насиченні ґрунтів різними катіонами спостерігається неоднакове вбирання їх у процесі обмінних реакцій. Одні катіони енергійно витісняють іони, які знаходяться у ввібраному стані, і самі, бувши ввібраними ґрунтом, важко переходять у розчин; другі - менш активно беруть участь у обмінних реакціях і легко переходять із ввібраного стану у вільний. Це положення було добре проілюстровано Гедройцем на зразках ґрунту, штучно насичених Ва2+ і Са2+ (табл. 7.1). Таблиця 7.1
Поиск по сайту: |