Transcript Environmental Chemistry

Chapter 4
토양화학
Environmental
1
토양의 구성 및 구조
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토양
토양은 암석이 풍화작용을 받아 오랜 세월을 두고 지형, 물리화학적 변화를
겪어 이루어짐
토양의 구성
토양은 (고상, 액상, 기상)3상으로 구성
토양의 구성: 기상조건, 토성, 구조, 퇴적양식, 깊이 등
이러한 비율은 식물뿌리의 신장, 수분과 산소의 공급 등
식물에게 영향
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토양의 구성 및 구조
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토양구조
토양은 기후, 생물, 지형, 시간, 모암 등에 따라서 변화
그에 따른 토양은 층상구조
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토양의 구성 및 구조
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1)O층(O horizon)
제일 상층으로서, 유기물층.
구성 :낙엽, 동물 분비물, 균류, 그 밖의 다양한 유기물
층의 토양색 : 보통 갈색, 검정색
2)A층(A horizon)
유기물이 퇴적되어 있는 O층 바로 밑 층, 광물질이 풍부하며 하부에 있는 층보다 색깔이
짙은 것이 특징. O층과 A층의 구분은 토양유기물의 원형질이 그대로 보존되어 있느냐
그렇지 않느냐에 따라 구분.
3)B층(B horizon)
풍화작용이 가장 활발하게 진행되고 있는 층. 토양의 구조가 뚜렷하게 구분되는 것
이 특징. B층은 A층으로부터 흘러 내려온 규산염점토와 철, 알루미늄 등의 산화물 및
유기물의 일부가 집적되는 층 (집적층)
4)C층(C horizon)
생물체의 활동이 거의 일어나지 않는 영역, 풍화작용을 거의 받지 않는 부분 (모래층)
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토양 물질
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토양무기물
점토의 정의
점토는 2차 광물로 일반적으로 입경 0.002 mm이하의 입자. 점토의 주성분이 층상 결정 구조를
가진 규산염 광물 (점토광물)
점토의 특징
1) 미립이며 단위 중량당의 표면적이 크고 콜로이드적인 움직임.
환경의 변화에 민감 (변하기 쉬움)
2) 동일 점토 광물 중에서 광물학적 성질의 변동이 큼, 결정이 불규칙성이고 화학 성분도 이상식
에서 크게 벗어나는 경우도 있음.
3) 둘 또는 그 이상의 다른 층상 규산염 광물 사이에 각각의 고아물의 단위 구조층이 겹쳐서 혼합
층 광물로 불리어지는 일종의 중간적인 성질을 가진 광물이 형성.
4) 물이 중요한 성분으로 OH또는 H2O의 형태로 포함되어 결정구조 및 물리화학적 성질상 중요한
역할.
5) 화학적 활성으로 부를 수도 있는 이온 교환능, 팽윤성, 유기물 그 외의 복합체 형성능 .
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토양 물질
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토양물질은 암석의 풍화작용에 의한 무기물과 생물체를 포함한 유기물로 구성되어진
고체상태의 물질
암석 : 광물이라는 작은 알갱이로 이루어짐 조암광물이라고 일컬어짐(석영, 장석, 흑
운모, 감섬석, 휘석, 감람석 등) 이들 6대 조암광물은 화학적 조성에 있어 SiO2를 공
통적으로 함유한다. 총칭하여 규산염 광물이라고 함.
규산염광물의 4면체 8면체 기본구조
1차광물 : 암석에서 분리된 광물로서 그 후 그다지 큰 변화가 없었던 것.
2차광물 : 1차광물이 풍화되어 토양이 발단되는 도중에 재합성된 광물.
ex)석회암이 풍화되어 공기중이 CO2를 흡수하여 탄삼염이 됨.
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점토광물의 3가지 유형별 특성
점토광물의 유형
(4면체 층 : 8면체 층)
층 구조
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대표적 광물
카오리나이트
(Kaolinite)
1 : 1 형 광물
CEC
(cmol/kg)
비표면적
(m2/g)
5~15
15
25
80
80~100
800
10~40
80
Kaolinite의 기본 단위층
일라이트
(Illite)
2 : 1 형 광물
몬모릴나이트
(Monotmorillonite)
2 : 2 형 광물
크로라이트
(Chlorite)
Chlorite 층 구조
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1) 1:1형 광물
1:1형 광물이란 Si4면체와 Al8면체가 교대로 한 층씩 겹쳐서 이루어진 광물
Ex) 카오리나이트(kaolinite), 헬로이사이트(halloysite), 딕카이트(dickite), 내화 점
토광물, 아녹사이트(anauxite), 사문석 등
카오리나이트의 함량이 높은 토양은 통수 및 통기성이 좋음. 물 분자가 카오리나이
트의 격자 층들 사이로 쉽게 스며들지 못하므로 다른 규산염 광물에 비하여 건조와
수화에 의한 응축성과 팽윤성이 약함
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2) 2:1형 광물
한 층이 Al 8면체를 Si 4면체가 양쪽에서 샌드위치처럼 싸서 3층 구조.
Ex) 베이델라이트(beidellite), 논트로나이트(nontronite), 일라이트
(illite), 스멕타이트(smecite), 버미큘라이트(vermiculite), 몬모릴로나이
트(montmorillonite)등
이러한 3층 구조의 2:1형 광물은 인접 단위층들 간의 수소결합이 형성되지
않을 뿐만 아니라 오히려 상호반발력이 작용. 그 결과 인접 단위층간에 물분
자가 쉽게 스며들게 되므로 몬모릴로나이트 입자는 쉽게 팽윤 또는 응축하
여 그 입자의 크기도 카오리나이트에 비하여 작음.
이 점토를 다량 함유하는 토양은 탄성이 크며, 영양염에 대한 흡착능이나
수분함유량의 정도가 큼.
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3) 2:2형 광물
대표적인 광물로 크로라이트(chlorite)로서 규칙적인 혼충형 광물. 이 기본구조는 Si
4면체, Al 8면체, Si 4면체 및 Al이 Mg로 치환된 Mg 8면체에서 4층이 규칙적으로 겹
쳐있음. Mg 8면체층은 브루사이트(brucite) 층이라고 하며, Mg의 일부가 Al과 동형
치환되어 양전하를 띠고 있으며, 2:1형 단위층의 음전하와는 서로 중화
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토양의 유기물
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역할
토양에 존재하는 유기물은 대부분이 동식물의 유체와 배설물. 유기
물에서 가장중요한 것은 부식질로, 유기물이 썩을 때 만들어진 잔존
물로서 갈색 또는 암갈색의 새로운 형태가 일정하지 않은 교질상의
혼합물.
부식질
토양의 함수량을 증진시키고, 유기산의 성질을 가지고 있어 암석의
풍화작용을 도움. 흡착성이 강해 토양생물에게 중요한 필수 영양염
류들을 많이 포함하여 식물과 미생물들에게 있어 에너지 공급원.
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부식토(humus)
생물체의 분해로 생겨난 복잡한 구조의 토양유기물이며 검은색. 부
식토는 분해가 잘 안되며 콜로이드성을 나타내므로 전하를 띤 표면
에 물, 이온, 점토 등을 끌어당기는데, 점토보다 물이나 양분 함유능
력이 더 우수.
비부식질( nonhumic substances)
분해가 용이한 탄수화물, 지방, 단백질등으로 구성
부식질 (humic substances)
분해가 용이하지 않은 리그닌 같은 물질등.
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2.2 토양물질
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부식질의 기능
토양의 물리화학적 성질과 토양 미생물의 활동 등 토양의 중요한
여러 가지 성질에 관계함
1) 치환성 염기와 암모니아를 흡착하는 능력, 즉 염기치환용량이 큼
2) 물을 흡수하는 힘이 큼
3) 양성적 성질을 보유함
4) 구리(Cu)와 같은 중금속 이온의 유해작용을 감소시킴
5) 토립을 연결시켜 안정한 입단구조를 형성시켜 토양의 물리적 성질 개선
6) 토양을 갈색~암갈색으로 물들이므로 온도를 상승시킴
7) 토양미생물의 활동을 활발하게 하므로 유용한 화학반응을 촉진시킴
8) 질소, 인산, 규산, 황 등 식물양분을 보유함
9) 토양 중 유효 인산의 고정을 억제함
10) 호르몬과 각종 비타민을 함유하고 있어 고등식물과 토양미생물의 생육에 큰 도움이 됨
11) 유기물의 무기화 및 부식화 작용에 의해 생성되는 이산화탄소, 유기산, 무기산 등은 식
물에 필요한 양분의 원천이 됨.
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2.2 토양물질
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산과 알칼리에 대한 용해도 차이에 따른 부식질의 분류(그림)
부식질(humic substances)
용해성 유기물
Humic acid
㉠
㉡
㉢
㉣
㉤
㉥
비용해성 유기물 : humin
Fulvic acid
알칼리리에 의한 용해도 : 휴민(humin), 부식산류로 나뉨
휴민은 알칼리에 용해하지 않는 유기물
알칼리에서 용해된 부식물질
산성용액에서 다시 휴믹산(bumic acid), 펄빅산(fulvic acid)로 나뉨.
산처리에 의해 침전한 유기물을 휴믹산
용해된 부분이 펄빅산
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휴믹산 Humic acid
중간 내기 고분자의 산성물질. 무정형, 황갈색 또는 흑갈색. 휴믹산은 방향족 화합물
인 벤젠핵과 나프탈렌, 피리딘, 안트라센 등과 공여 이중결합을 많이 소유.
또한 휴믹산은 양이온 치환용량이 매우 높으며 1가의 양이온과 결합한 염은 수용성
이지만 그 외의 다가 이온과 결합한 염은 물에 용해되기 어려움.
펄빅산 Fulvic acid
저분자의 부식산과 비부식물질이 결합된 것. 휴믹산에 비해 탄소의 함량은 적고, 산
소의 함량은 많음. 또한 칼슘이온, 마그네슘이온, 철이온, 알루미늄이온 등과 결합하
여 물에 잘 용해되는 염을 생성.
부식화합물은 단일 또는 축함된 방향족 이형환(heterocyclic)과 키논환 등이 탄소탄소, 에테르, 아미노, 아조 결합으로 연결 또는 교차 연결.
관능기의 종류 : 카르복시기, 페놀성 수산기, 카르보닐기 .
→이러한 부식질은 스펀지와 같은 3차원 구조를 이루고 있어 물이온과 유기분자들
을 쉽게 흡수하며, 활성적 관능기에 부착 할 수 있는 물질을 화학적으로 결합.
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토양수
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대부분 빗물이 주요 공급원
토양수는 여러 가지 이온을 많이 함유하고 있어 식물을 비롯한 모든
토양생물에게 필요한 여러 가지 영양분을 제공하는 공급원.
토양내의 흡착과 이온교환 등에 관여하여 완충능력을 통해 토양내
pH를 유지.
토양수분장력
물은 극성분자로서 일종의 리간드 형태. 그러한 이유로 물 분자끼리
는 수소결합이 형성되고 그 결합력의 집합은 응집력으로 나타남.
이러한 물은 토양내에서 자신보다 극성이 더욱 강한 분자들고 구성
된 물질, 즉 유리나, 점토 등의 물질과 접촉하는 경우 계면의 물분자
들은 접촉면의 방향으로 더욱 큰 인력을 받음.
이때 물 방울은 계면의 분자수를 늘려서 안정상태가 되려고 하는데
그 힘이 흡착력.
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이러한 토양 내에서의 수분의 형태와 이동의 원동력은 토양입자와 물분자
사이에 작용하는 흡착력과 응집력.
흡착력 + 응집력 = 토양수분장력
흡착력 : 토양입자와 고체-액체 계면의 물분자간에 작용.
응집력 : 고체-액체 계면의 물분자와 계면에서 더 떨어진 물분자들 간에 작용
토양수분장력 : 토양입자와 이를 둘러싼 수막의 최외층 물분자간의 장력을 말함.
이는 토양이 수분을 보유하는 능력과 직결.
pF = log H (H : 물기둥의 높이)
→ 물의 막이 두꺼워짐에 따라 토양수분장력이 약해지므로 막의 외부에 있
는 수분은 중력의 작용이나 다른 힘에 의하여 입자로부터 떨어져 이동하기
쉬움.
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토양수의 종류
①결합수(combined water) : 토양입자와 화학적으로 결합되어 있는 수분으로
서 pF는 7.0이상이며, 100~110 ℃로 가열해도 증발, 분리되지 않음. 결합
수는 또한 화합물의 성질에 영향을 주며, 식물이 성장하는데 직접 이용할 수
없음.
②흡습수(hydroscopic water) : 상대습도가 높은 공기 중에 풍건 토양을 방치
하면 토양 입자의 표면에 물이 흡착되는 데 이 물을 흡습수라고 함. 흡습수
는 pF4.5이상으로 강하게 흡착되어 있으므로 식물이 직접 이용할 수 없음.
100~110 ℃에서 8~10시간 가열하면 쉽게 제거할 수 있음.
③모세관수(capillary water) : 모세관수는 표면장력과 중력이 평형을 유지하여
흡습수 외부에 존재하는 물로서 pF2.54~4.5범위에 있음. 모세관수는 식물
에 의해서 이용되는 수분으로 유효수분이라고도 함.
④중력수(gravitational water) : 중력에 의하여 토양입자로부터 유리되어 토양
입자 사이를 이동하거나 지하로 침투하는 물을 중력수라고 하며, pF는 2.54
이하임. 이것은 모세관수에 포화 이상의 수분이 가해져 중력에 의하여 이동
할 때 생김.
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토양 공기
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토양공기의 조성은 대기에 비하여 이산화탄소 및 수증기의 함량이 높으며, 산소는 낮
은 편으로 변동이 심함.
토양 깊이에 따라 감소하며 토양내의 대부분의 산소는 식물의 뿌리와 토양미생물의
호흡에 의하여 소모된다. 그 결과 이산화탄소가 생성되고, 토양수에 녹은 후 pH를 낮
춤.
토양공기에서 이산화탄소의 함량이 높고 산소의 함량이 낮은 이유
①대기 중 이산화탄소는 산소나 질소보다도 비중이 크기 때문에 소량이나마 토양 중에
삼투도 이다. 토양의 하층은 상층보다 공기의 경신이 좋지 않아서 이산화탄소의 함량
이 많음.
②탄산염과 중탄산염의 염기가 흡수됨으로써 탄산이 유리됨. 자연 상태에서는 대규모로
이루어지지 않으나 석회 분말을 사용하였을 때에는 상당량의 이산화탄소가 유리됨.
③생물적인 것으로는 세균 및 식물뿌리의 호흡작용에 의한 이산화탄소 방출, 식물뿌리의
탄산 분비 등을 들 수 있음.
④토양 유기물이 분해 될 때 이산화탄소가 발생됨. 유기물의 분해 최종 산물을 물과 이산
화탄소임. 그러므로 유기물을 사용한 곳의 이산화탄소의 양이 그렇지 않은 곳보다 많
게 됨.
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토양 공기의 조성비율에 영향을 주는 것
대기와 토양공기 사이의 가스교환 : 온도, 기압, 수분의 이동 등에 의하여 대
기와 교환이 일어나나 대부분이 공기 자체의 확산에 의함. 따라서 공기와 대
기를 구성하는 기체의 분압차에 의해 토양중의 이산화탄소는 대기 중으로
확산 이동하고, 산소는 토양 중으로 이동.
토양 속에서 일어나는 생물화학적 반응 : 토양 중의 산소는 호기성 미생물이
나 식물뿌리의 호흡원이 되고 호흡의 결과로 이산화탄소가 방출. 이산화탄
소는 호흡에 의해서 뿐만 아니라 유기물이 분해되는 과정을 통해서 방출. 이
러한 이산화탄소는 물에 녹아 토양수의 pH를 감소시키고 이러한 pH감소는
토양수 내에 있는 화합물을 용탈시켜 식물이나 미생물이 흡수할 수 있는 이
온 형태로 만듬.
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토양의 화학적 기능
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이온교환반응
점토광물의 음전하 생성 이유
1)동형치환(Isomorphous substiution)
형태상의 변화를 가져오지 않은 채 어떤 형태 내부의 이온들이 다른 외부의 이온과
치환되는 현상. 즉, 규산 4면체의 Si+4나 알루미늄 8면체 내의 Al3+이 외부에 존재하
는 Al3+. Mg2+, Fe3+, Ca2+, Cr3+, 등과 4면체나 8면체의 구조의 변동없이 치환되는
현상.
2)변두리 전하(Edge charge)
1:1격자형 광물에도 그 양은 적지만 음전하가 존재함. 이런 광물에서 음전하는 판상
결정형의 임의위치에서 연결이 끊어질 때 유리 됨. 이렇게 유리된 전하는 점토광물의
변두리에서만 생성되기 변두리 전하라 함. 점토광물을 분쇄하여 그 분말도를 크게 할
수록 음전하의 생성량이 많고, CFD가 증대 됨.
3)잠시적 전하(Temporary charge)
동형치환이나 분말도가 증가함에 따라 생성되는 영구적 전하와는 달리 점토광물이
주위의 환경이 달라짐에 따라 변동을 가져오는
전하임. pH의 변화에 따라 생성.
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→이온 교환이 일어나는 주체인 토양교질물질을 교환체 또는 흡착제라 하는
데, 이온이 서로 교환되는 것은 교환체의 성질과 여러 가지 환경적 요인에
의해 지배.
요인 : 토양 용액 이온의 상대적 농도, 이온의 전하수, 각 이온의 활동도
이온의 활동도는 이온의 크기와 연관된다. 이온 자체의 크기보다는 수화상
태에서의 크기에 좌우. 이온반경이 클수록 수화반경은 작아지게 되어 토양
표면과의 결합력이 강한 것이 이유.
양이온들의 교환효율 : Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > K+ > Na+ >
Li+
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양이온 치환용량(CEC : cation exchange capacity)
토양을 구성하는 주된 요소인 광물질의 표면은 음전하를 띠고 있어 양이온의 교환이
일어나게 되는데 이의 척도로서 양이온 치환용량을 사용.
건조토양 100g이 가지는 교환성 양이온의 총량을 mg당량으로 표시.
이러한 양이온 치환용량이 정확한 측정은 토양의 모든 이온교환 부위를 한 종류의 양
이온(NH4+사용)으로 포화시킨 뒤 흡착된 이온량을 측정하여 계산.
토양용액의 전기전도도(EC : electric conductivity)
토양용약의 전기전도도는 토양 중 염류 총량의 평가방법으로 사용.
건토 : 증류수의 징량비를 1:5로 혼합하여 이 혼합용액을 백금전극으로 측정하는 것
이 일반적이다.
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수소이온농도(pH)
토양 시료에 물 또는 염기 용액을 첨가하여 잘 혼합하고 1 : 2.5 현탄액으로서 측정한
pH를 토양의 pH.
토양의 pH는 보통 3.5~10이다. 토양 중에서는 기상의 이산화탄소농도가 대기 중보
다 높기 때문에 용액중의 용존 탄소량이 많다. 이러기 때문에 pH를 감소.
산화환원전위
토양 중에서는 전자의 교환이 활발한 철, 망간, 유황, 질소, 유기화합물이 있기 때문에
토양 용액 중에서 백금 전극을 담그면 용액 간에 전위차가 생김. 이 전위차를 산화환
원전위.
Eh = E0 + RT/nF lnα0/αR
R : 기체정수
T : 절대온도
n : 이동하는 전자수
F : 페러데이 정수
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