ХИМИЯ ПОЧВЫ

Влияние поглощенных катионов на потенциал почвенных коллоидов. Коагуляция и пептизация в почве

Электрокинетический потенциал обусловлен наличием двойного слоя ионов на поверхности коллоидных частиц. Изменения в компенсирующем слое, происходящие под влиянием обмена ионов, вызывают изменения дзета-потенциала коллоидов. Потенциал коллоидной частицы тем выше, чем больше насыщена ионами ее поверхность и чем больше степень ее диссоциации.

Диссоциация мицеллы- у отрицательных коллоидов падает с повышением валентности катионов внешнего слоя. Двухвалентные катионы создают меньший потенциал, чем одновалентные. В пределах одной и той же валентности влияние катионов на потенциал зависит от величины их гидратационных оболочек.

Одна и та же глина в зависимости от того, каким катионом она была насыщена, обладала следующими величинами электрокинетического потенциала: глина, насыщенная натрием — 62,1 мв, калием — 61,5 мв, кальцием — 30,6 мв, барием — 22,5 мв (Маттсон, 1938).

Многовалентные катионы, насыщая поверхность коллоидных частиц, могут снизить потенциал отрицательных коллоидов до нуля.

Почвенные коллоиды, у которых среди обменных ионов превалируют двухвалентные (Са2+ и Mg2+), имеют потенциал ниже критического и образуют прочные гели (как в черноземах). В случае присутствия на поверхности одновалентного катиона Na+ коллоиды при влажном состоянии почвы имеют высокий потенциал и образуют золи (солонцы). Присутствие Н+ (Н30+) во внешнем слое коллоидов такого высокого потенциала не создает.

Исследования показали, что диссоциация почвенных коллоидов значительно меньше, чем диссоциация солей. Как мы видели выше, электрокинетический потенциал коллоидных частиц равен нескольким десяткам милливольт. Если бы диссоциация их была такой же, как и диссоциация солей, электрокинетический потенциал их равнялся бы примерно 20 вольтам.

Исследования, проведенные разными авторами и разными методами (электродиализ, электропроводность, на основании теории равновесия Доннана), показали, что степень диссоциации коллоидных частиц (т. е. процент диссоциированных катионов от общего количества обменных катионов) не превышает нескольких процентов (Н. И. Горбунов, 1948). Основная масса катионов компенсирующего слоя, следовательно, входит в состав неподвижной его части. Благодаря наличию диссоциированных катионов возможен обмен их на катионы внешнего раствора, в который вовлекаются и постепенно диссоциирующие катионы неподвижного слоя.

Кроме катионов внешнего слоя, на величину потенциала коллоидов влияют электролиты почвенного раствора. Чем выше концентрация электролитов почвенного раствора, тем сильнее снижается потенциал коллоидных частиц. Если почва имеет в поглощенном состоянии Na, то высокая концентрация NaCl в почвенном растворе по закону действия масс подавляет диссоциацию двойного слоя, и потенциал понижается.

Этим объясняется низкий потенциал солончаковых почв с высокой концентрацией солей в почвенном растворе. Коллоиды таких почв хорошо скоагулированы.

Коагулирующая способность электролитов различна в зависимости от их состава. Здесь играет роль и катион, и анион электролита, причем катион является для отрицательных коллоидов коагулятором, а анион, напротив, действует диспергирующим образом. При одном и том же анионе коагулирующая способность электролита тем выше, чем больше валентность катиона и меньше его гидратация.

Порог коагуляции, т. е. наименьшая концентрация, вызывающая свертывание золя, снижается в ряду солей с катионами: Na+ > К+ > Mg2+ > Са2+ > А13+.

Так, в условиях одного опыта были определены следующие пороги свертывания для ряда хлоридов (Шеффер и Шахтшабель, 1952).

Соль   Порог свертывания в нормальностях

NaCl   0,0529

КС1     0,0486

MgCl2 0,0009

СаС12 0,0008

А1С13 0,00009

Следует отметить, что вышеприведенные концентрации, соответствующие порогам свертывания, имеют примерно одинаковый коэффициент активности.

Коагулирующая способность Н+ (Н30+) выше, чем других одновалентных катионов, и приближается к коагулирующей способности Са2+. Обратное вытеснение Н+ в нейтральной среде затруднено, а в кислой он конкурирует с другими катионами.

Если почвенный раствор приобретает щелочную реакцию, т. е. в нем появляются ионы ОН", потенциал коллоидов повышается. Это явление можно объяснить внедрением иона ОН- в потенциал- определяющий слой, a Na+ в компенсирующий слой коллоидных частиц. При этом общее число ионов на поверхности увеличивается, что и служит причиной повышения потенциала. Е. Н. Гапон (1937) называл такую адсорбцию гидроксильного иона «специфической» и считал, что специфическая адсорбция гидроксильных ионов в случае поденных коллоидов связана с наличием координационно-ненасыщенных атомов алюминия на поверхности мицелл. На диспергирование почвы благодаря присутствию соды (Na2C03) указывал К- К. Гедройц (1915). Однако повышение потенциала происходит лишь при малых количествах щелочей: высокие концентрации их производят такое же подавление диссоциации двойного слоя и, следовательно, понижение потенциала, как и другие электролиты.

Мы видим, таким образом, что в почве могут очень разнообразно складываться условия, определяющие потенциал почвенных коллоидов.

Изменения величины злектрокннетического потенциала, связанные с изменениями агрегатного состояния коллоидов, оказывают большое влияние на процессы почвообразования, определяя подвижность почвенных коллоидов: прочное закрепление их в горизонтах образования при низких величинах потенциала и перемещение высокодисперсных частиц в нижележащие горизонты при повышенных значениях потенциала. Ряд физических свойств почв также связан с характером диссоциации коллоидов и, следовательно, с величиной их потенциала (набухание, заплывание, водопроницаемость).

Величину дзета-потенциала необходимо принимать во внимание при выделении из почвы коллоидной фракции. При механическом анализе почвы, который основан на принципе фракционированного отмучивания из водных суспензий (частицы разного размера имеют различную скорость падения), коллоидная фракция из почвы, не подвергавшейся предварительной подготовке, может быть выделена лишь в том (редком) случае, если коллоиды имеют высокий потенциал и представляют собой золи. При низком значении потенциала (ниже критического) коллоидные частицы агрегированы и при механическом анализе могут попасть в более крупные фракции. Для того чтобы избежать это, почву подвергают предварительной подготовке с целью дезагрегирования почвенных коллоидов.

Существует несколько способов такой подготовки: а) промывание слабым раствором кислоты для удаления обменных ионов Са и Mg с последующим кипячением, б) обработка растворами NaOH или NH4OH; в) разминание почвы, увлажненной до состояния густой массы; г) воздействие ультразвуковых колебаний.

Наиболее благоприятной в агрономическом смысле надо считать ту среднюю величину потенциала, которая создается двухвалентными катионами (Са, Mg). Эта величина ниже критической, коллоиды находятся в состоянии геля, не вымываются из почвы, создают прочную структуру; в то же время они еще достаточно активны. Не исключена возможность, что для отдельных почв в зависимости от характера их коллоидов выгодным окажется присутствие на их поверхнссти некоторого количества одновалентных катионов для повышения активности коллоидов.-