Transcript Koloidy glebowe

5
25
25
50
UKŁADY DYSPERSYJNE GLEB
KOLOIDY GLEBOWE
Faza stała – związki mineralne, minerały pierwotne
- minerały wtórne
Faza płynna – wodne roztwory rzeczywiste i koloidalne o
zmiennym składzie jakościowym i ilościowym
Faza gazowa – składająca się z powietrza atmosferycznego, CO2 i
pary wodnej
Układ dyspersyjny – taki dwufazowy układ w którym cząstki ciała
(np. ił) są rozproszone w innym ciele np. wodzie, która odgrywa rolę
ośrodka dyspersyjnego.
Właściwości układów dyspersyjnych zależą od właściwości ciała
rozproszonego oraz właściwości ośrodka dyspersyjnego.
W zależności od stopnia rozdrobnienia cząstek zawieszonych
wyróżniamy:
1. Zawiesiny- układy zawierające cząstki >0,1mm widoczne w
zwykłym mikroskopie, cząstki nie dyfundują, nie dializują,
pozostając na sączkach zwykłej bibuły.
2. Dyspersoidy- roztwory koloidalne – układy dyspersyjne
zawierające cząstki o średnicy 0,1-0,001mm. Dyspersoidy słabo
dyfundują, nie dializują, nie przechodzą przez ultrafiltry.
3. Roztwory rzeczywiste – zawierają cząstki <0,001mm. Roztwory
rzeczywiste dyfundują, dializują, przechodzą przez ultrafiltry.
Koloidy glebowe w gleboznawstwie to takie układy, które zawierają
w ośrodku dyspersyjnym cząstki o średnicy <1mm lub 2mm.
Cechy układów dyspersyjnych:
Powierzchnia graniczna układów dyspersyjnych – najbardziej
charakterystyczna wielkość układów dyspersyjnych. Określa
wielkość powierzchni między fazą rozproszoną a ośrodkiem
dyspersyjnym.
Stopień rozdrobnienia układu dyspersyjnego charakteryzuje
jednostkowa powierzchnia właściwa
D =S/V [cm-1]
gdzie S-całkowita powierzchnia fazy rozproszonej, V-objętość fazy
rozproszonej
Schemat budowy miceli (wg. Gorbunowa)
wewnętrzna powłoka
jonowa
jądro
warstwa
nieruchomych,
kompensacyjnych
jonów
warstwa dyfuzyjna
cząstka
koloidalna
micela
Jony zewnętrznej warstwy miceli są związane przez siły
elektrostatyczne znajdujące się w bezpośredniej odległości tworzą
warstwę nieruchliwych kompensujących jonów. Granula z tą
warstwą jonów nosi nazwę cząstki koloidalnej obdarzonej
określonym ładunkiem elektrycznym.
Reszta kompensujących jonów zewnętrznej warstwy nazywa się
warstwą dyfuzyjną
hydratacja cząstek koloidalnych – polega na przyciąganiu z
ośrodka dyspersyjnego molekuł wody, tworzących wokół
cząstek warstewkę tzw. wody hydratacyjnej
H
H
H
H
O
O
O
H
H
O
O
H
H
H
Dipole indukowane
H
Potencjał elektrokinetyczny cząstki koloidalnej
gdzie: E – elektrokinetyczny potencjał cząstki
E=(ne/Dr2)d
ne – ładunek cząstki
d – średnia odległość między warstwami jonów
D – stała dielektryczna
r – promień jądra cząstki
Potencjał Zeta koloidów
Jeśli jony warstwy dyfuzyjnej są kationami wówczas cząstki
koloidalne sorbują z roztworów wymiennie aniony,
jeśli są anionami sorbują kationy. Jony utrzymywane przez
koloidy glebowe można uszeregować wg. wartościowości
Al+++>H+>Ca++>Mg++>K+>Na+
KOAGULACJA I PEPTYZACJA
Koagulacja – obniżenie potencjału kinetycznego cząstki
prowadzące do połączenia się pojedynczych cząstek koloidalnych w
agregaty. W glebach „sorpcyjnie nasyconych” koagulatorami są
Ca++ oraz Mg++. W glebie koagulacja zachodzi często podczas jej
wysychania i niskiej temperatury. Ważne znaczenie z tego względu
odgrywa orka przedzimowa.
Mimo dyspergującego działania OH- gleby zasobne w wyżej
wymienione jony nie tracą w stanie wilgotnym swej naturalnej
budowy gruzełkowatej.
Pochodzenie ładunków elektrycznych koloidów glebowych
niezależne od pH
O2- Al3+ OHbrak
O2- Si4+ O2O2- Mg2+ OHO2- Al3+ O2-
(nadmiar jednego ładunku)
- ładunki nietrwałe zależne od pH
SiOH i AlOH na krawędziach kryształu
Al
Si -O - .....H+ luźno związany wodór przy pH>6 jest wymieniany
przez Ca i Mg
Drugim źródłem ładunków ujemnych są grupy karboksylowe
(COOH) i fenolowe
OH koloidów próchnicznych
Peptyzacja – zjawisko zwiększenia stanu rozdrobnienia
zawiesin pod wpływem zwiększenia elektrokinetycznego
potencjału cząstek.
Peptyzację żeli powodują H+ oraz OHUkład ujemnie naładowany peptyzuje pod wpływem jonów
OH- które wnikają w wewnętrzne powłoki jonowej
zwiększając jej ładunek. Szczególnie podatne na dyspersję są
gleby słone które zawierają większe ilości jonów Na+
Na2CO3+HOH=NaOH+NaHCO3
Prędkość peptyzacji zależy od stężenia substancji
peptyzujących i temperatury.
Podział koloidów glebowych:
ze względu na ładunek:
Ujemnie naładowane koloidy- humus, krzemionka, silnie
rozdrobnione minerały pierwotne, minerały ilaste, związki manganu
Dodatnio naładowane koloidy- Fe(OH)3, Al(OH)3, części składowe
humusu tzw. kompleks ligninowo-proteinowy
W zależności od właściwości kwasowych, zasadowych czy
obojętnych koloidów o różnym ładunku wydzielamy:
koloidy nieorganiczne- glinokrzemiany silnie rozdrobnione,
minerały wtórne ilaste, krzemionka, Fe(OH)3, Al(OH)3,
Ca3(PO4)2, CaCO3, MgO i inne.
koloidy organiczne- koloidy próchniczne i żywe bakterie
koloidy hydrofilowe- koloidy uwodnione (duże powinowactwo w
stosunku do wody) – otaczają się dużą ilością powłok wodnych.
Należą tu krzemionka, humus, minerały ilaste. Posiadają charakter
hydrofilny uzależniony od kationów wymiennych w warstwie
powierzchniowej cząstek koloidalnych.
koloidy hydrofobowe dają koagulaty, które trudno z powrotem
peptyzują – koloidy nieodwracalne.
Koloidy hydrofilowe koagulują odwracalnie dlatego nazywamy je
odwracalnymi.
koloidy ochronne- hydrofilowe koloidy, których obecność
zapobiega lub utrudnia koagulację koloidów hydrofobowych,
mają one znaczenie w procesach tworzenia się gleb. Do koloidów
tych zaliczana jest kwaśna próchnica, próchnica słona.
•Zole – zawieszone w ośrodku dyspersyjnym oddzielone
pojedyncze cząstki koloidalne.
Dehydratacja zolu powoduje powstanie galaretowatego skupienia
czyli żelu.
układ żel
zol jest układem odwracalnym
Koloidy glebowe występują głównie w postaci żeli.
Charakterystyka głównych koloidów glebowych
Stanowią najbardziej aktywną część gleby.
Koloidy dzięki zdolności wiązania wody oraz zdolności pęcznienia
i kurczenia wywierają wpływ na właściwości fizyczne, stosunki
wodne, stosunki cieplne.
W glebach zawierających skoagulowane wapniem cząstki
koloidalne - głównie próchniczne - mają dobrą trwałą gruzełkowatą
strukturę.
Koloidy są magazynem odżywczym dla roślin.
Budowa próchnicy koloidalnej (wg. Buckmana i
Brady’ego
-OCOO-Ojednostka
COO-
podstawowa
koloidu
próchnicznego
-OCOO-OCOO-O-
Ca++
Mg++
K+
H+
NH4+
Na+
tetraedr
oktaedr
Minerały ilaste dwuwarstwowe typu 1:1
minerały ilaste trójwarstwowe typu 2:1
Sorpcja kationów przez minerały ilaste w zależności od rodzaju klimatu
Klimat
suchy
Ca++ Mg++
Klimat wilgotny
Na+ K+ H+
H+ Ca++ Mg++
Na+ K+
Grupy minerałów ilastych
Grupa kaolinitu – kaolinit, haloizyt, dikit. Sieć krystaliczna 1:1,
odstępy pomiędzy warstwami są małe a sieć jest sztywna i nie ulega
rozszerzeniu pod wpływem wilgoci. Posiadają niewielką zdolność
pęcznienia i kurczenia się i wykazują małą plastyczność. W
przestrzenie międzypakietowe nie przenika woda ani kationy.
Dlatego posiada niewielką pojemność sorpcyjną.
Grupa montmorylonitu – montmorylonit, bejdelit, nontronit,
saponit. Sieć krystaliczna typu 2:1. W czasie zwilżania wodą
minerałów następuje rozszerzanie się odstępów między pakietami.
Mogą wnikać w przestrzenie woda i jony. Silnie sorbują na
powierzchni wewnętrznej. Wykazują dużą plastyczność, lepkość,
pęcznienie oraz kurczliwość, gleby zawierające ten minerał łatwo
tracą swą strukturę.
Grupa illitowa- illit. Budowa przestrzenna typu 2:1, jednak
warstwy silniej powiązane niż w grupie montmorylonitu.
Przyczyną tego jest potas występujący w przestrzeniach
międzypakietowych. Powszechne minerały w glinach
zwałowych i lessach.
Grupa wermikulitu i chlorytu – wermikulit, chloryt, układ
przestrzenny typu 2:1, zawierają w siatce przestrzennej
magnez, posiadają słabe właściwości pęczniejące
Kaolinit
Illit (mika)
Wermikulit
Tlenki i wodorotlenki żelaza i glinu –w środowisku kwaśnym
posiadają ładunek dodatni a w zasadowym ujemny, koagulują
łatwo pod wpływem zoli krzemionki i próchnicy. Są często
spotykane w glebach brunatnych, bielicoziemnych i
czerwonoziemnych.
Koloidalna krzemionka- powstaje w wyniku wietrzenia
krzemianów i glinokrzemianów, struktura krystaliczna lub
amorficzna, posiada właściwości hydrofilowe, ładunek ujemny.
Alofany- zbudowane z krzemionki i półtoratlenków, spotykane
najliczniej w glebach wytworzonych z popiołów wulkanicznych.
Posiadają wysoką pojemność w stosunku do kationów i anionów.
Koloidalny węglan wapnia, tlenek manganu, fosforan
trójwapniowy jako koloidy wykazują właściwości hydrofobowe.
Zastosowanie minerałów ilastych
• Zastosowanie wermikulitu
•
•
•
•
•
•
WERMIKULIT JAKO ELEMENT PODŁOŻA DO AKWARIÓW,
WERMIKULIT JAKO PODŁOŻE DLA INKUBACJI JAJ WĘŻY
(utrzymywanie wody, sterylność)
ZASTOSOWANIE WERMIKULITU W OGRODNICTWIE (lekki,
substancje odżywcze)
HYDROPONICZNA UPRAWA ROŚLIN
FERMY DROBIU (pochłanianie zanieczyszczeń)
STOWARZYSZENIE WERMIKULITU (TVA - The Vermiculite
Association) założone w 1948 r.
Identyfikacja minerałów ilastych
•
•
•
•
•
•
•
Derywatograf Q-1500D
(firmy MOM Budapeszt)
umożliwia pomiar zmiany
masy (TG), analiza
termiczna
prędkości zmiany masy
(DTG) –
zmiany pojemności
cieplnej (DTA) różnicowa
analiza termiczna -w
funkcji temperatury (T) i
czasu.
Zakres temperatury
pomiarów od 200C do
10000C.
Zaletą tego aparatu jest
możliwość jednoczesnej
rejestracji zmian masy
próbki (TG i DTG) oraz
jej energii (DTA) w
funkcji
temperatury/czasu.
•
Analiza barwnikowa – służy do orientacyjnego jakościowego oznaczania
minerałów ilastych. Polega na zbadaniu zdolności adsorbowania na
powierzchni cząstek minerałów ilastych niektórych barwników organicznych.
Cechą diagnostyczną tej metody jest zabarwienie zawiesiny, stopień
zaadsorbowania barwnika, rozdział barwnika między roztworem a minerałem
oraz intensywność zabarwienia.
•
Analiza elektromikroskopowa – służy do obserwacji minerałów ilastych za
pomocą mikroskopu elektronowego który umożliwia powiększenie od kilku do
kilkunastu tysięcy razy. W tej metodzie wykorzystuje się fakt, że cząstki
minerałów ilastych różnią się między sobą wieloma cechami morfologicznymi.
Identyfikacji dokonuje się na podstawie bezpośrednich obserwacji oraz
porównań do minerałów wzorcowych.