ХИМИЯ ПОЧВЫ. ТВЕРДЫЕ ФАЗЫ ПОЧВЫ

Методы изучения высокодисперсных почвенных минералов

Если исследования минералов крупных фракций почвы успешно ведутся при помощи оптического микроскопа, то достижения в изучении высокодисперсных почвенных минералов сделались возможными лишь в последнее время в связи с огромными успехами физики, физико-химии и приборостроения.

Выше уже отмечалось, что современные представления о составе и структуре высокодисперсных вторичных минералов сформировались в результате применения таких методов изучения, разработанных в последние десятилетия, как термический, рентгенографический, электроннографический, электронномикроскопический, инфракрасной спектрометрии, применения радиоактивных изотопов наряду с химическим методом изучения, неизменно сохраняющим свое значение. Роль этих методов в изучении наиболее высокодисперсных почвенных частиц важна по двум причинам: 1) эта фракция почвы, в основном состоящая из вторичных минералов, была наименее изучена до последнего .времени и сведения о ней носили в большой степени умозрительный характер и 2) эта фракция имеет особенно большое значение в определении свойств почвы.

Кратко изложим основные принципы наиболее широко используемых методов Детально методы изучения высокодисперсных минералов изложены Н. И. Горбуновым (1963), Р. Е. Гримом (1959).

Термический анализ

При нагревании минералов происходит удаление рыхлосвязанной и кристаллизационной воды, разрушение кристаллов, образование новых минералов. Эти реакции сопровождаются поглощением или выделением тепла. Температурные изменения фиксируются при помощи термопары и записываются на фотобумаге лучом света, отраженным от зеркального гальванометра. Полученные кривые линии называются термограммами или кривыми нагревания. Прибор настраивают так, что при эндотермических реакциях, протекающих с поглощением тепла, кривая отклоняется вниз, а при экзотермических реакциях (с выделением тепла) — вверх от нулевой или нормальной линии. Амплитуда отклонения кривой нагревания от нормальной линии отражает разницу температур образца и печи и является показателем интенсивности реакции.

Для получения кривых нагревания в одно из отделений двухкамерного тигля набивают 2—3 г высокодисперсной фракции почвы или минерала (частицы < 0,001 мм), а в другое отделение — инертное вещество (А1203), которое не изменяется при нагревании. Один спай дифференциальной платино-платинородиевой термопары помещается в центр исследуемого образца, а другой — в центр инертного вещества. Тигель с термопарой помещается в печь, которая нагревается с равномерной скоростью.

Температура инертного вещества равномерно повышается так же, как и температура исследуемого образца. Но как только в образце произойдет термическая реакция, его температура станет выше или ниже температуры инертного материала, в зависимости от того, произошла ли экзотермическая или эндотермическая реакция. Разница температур сохранится до конца реакции, после чего температура образца сделается снова равной температуре инертного материала.

В те промежутки времени, когда температура одного спая термопары отличается от температуры другого спая, в цепи возникает электродвижущая сила, причем направление тока зависит от того, выше или ниже температура образца, чем температура инертного вещества. Соответственно в ту или иную сторону отклоняется зеркальце гальванометра, соединенного с Термопарой. Пучок падающего на -зеркальце света отражается на фотобумаге, прикрепленной к медленно вращающемуся барабану. На ту же бумагу наносится и регистрация температуры инертного вещества. После проявления фотобумаги на ней обнаруживаются две линии: дифференциальная кривая нагревания (термограмма) и нормальная линия (температура инертного вещества).

Для каждого минерала существует характерная кривая ( 10). Так, термограмма каолинита имеет два характерных термических эффекта: один — эндотермический при температуре ~ 550° С (соответствует обезвоживанию и разрушению каолинита); другой —экзотермический эффект при температуре ~1000°С; выделение тепла в этом случае связано с образованием нового минерала из продуктов разрушения каолинита. Термограмма галлуазита в основном отличается от термограммы каолинита наличием небольшой эндотермическойостановки при 100° С, соответствующей удалению рыхлосвязанной воды, которой нет у каолинита. На термограмме монтмориллонита видны три эндотермические остановки: при 100—120° С (удаление гигроскопической воды); при 600° и 900° С (разрушение кристаллической решетки минерала). Четвертая остановка — экзотермическая — при температуре + 1000° С связана с образованием нового вещества. Все отклонения на термограмме монтмориллонита имеют тупую вершину.

В почве обычно присутствуют одновременно несколько минералов и кривые нагревания отражают особенности каждого из них ( 11).

Термографический метод оказал большую помощь в изучении минералогического состава почв. В настоящее время сконструированы экспресс-аппараты, которые позволяют проводить анализ в течение 10—15 мин на десятых-сотых долях грамма образца.

Рентгенографический метод определения состава высокодисперсных почвенных минералов основан на явлении дифракции рентгеновских лучей от плоскостей кристаллов и их интерференции, происходящих согласно определенным законам. Отраженные лучи направляются на фотобумагу и образуют симметрично расположенные дуги разной степени потемнения ( 12). О том, какой минерал находится в исследуемом образце, судят по расстоянию между дугами, степени их потемнения, диффузности и некоторым другим признакам.

На рентгенограмме каолинита () первое кольцо соответствует межплоскостному расстоянию 7,15 А. Характерными являются также расстояния 3,58; 2,52; 2,32; 2,28; 1,65 — 1,68 А. Все линии интенсивны и мало диффузны. На рентгенограмме монтмориллонита близ центра видно кольцо диаметром 8—9 мм, что соответствует межплоскостному расстоянию 14—16 А, характерному для минералов группы монтмориллонита. Используются также другие линии рентгенограммы: 4,46—4,48; 2,55—2,59; 1,49 А и др. Почти все линии диффузны в отличие от линий рентгенограммы каолинита, что указывает на более высокую степень дисперсности монтмориллонита.

Сравнивая рентгенограммы высокодисперсных частиц почвы с рентгенограммами известных глинных минералов, можно определить, из каких минералов состоят эти частицы.

Чем выше дисперсность минералов, тем труднее расшифровка рентгенограмм. По мере увеличения дисперсности возрастает диф- Фузность отражения, изменяются межплоскостные расстояния и даже наблюдается полное исчезновение линий на рентгенограмме: минерал становится рентгеноаморфным.

Кроме рентгенографического метода, для изучения структуры минералов применяется электроннографический метод, в котором используется поток электронов с длиной волны ~ 0,05 Л, что значительно меньше длины волны рентгеновских лучей Более

короткие волны электронов позволяют изучить структуру более высокодисперсных частиц, чем при использовании рентгеновских лучей. «Рентге- ноаморфные» вещества при электроннографическом исследовании могут обнаружить кристаллическое строение.

Применение электронного микроскопа дает возможность судить о форме и размерах частиц высокодисперсных почвенных минералов.

Разрешающая способность светового микроскопа зависит от длины волны света и апертуры  . Наименьшее расстояние между предметами, при котором они видны раздельно (d), определяется формулой

В электронной микроскопии формирование изображения связано с рассеянием электронов при прохождении электронного пучка через исследуемый образец. Источником электронов служит вольфрамовая нить, накаленная до 2400". Длина волны электронов, как уже отмечалось выше, — 0,05 А, а апертурный угол в электронном микроскопе равен 0,6е. Благодаря этому электронный микроскоп увеличивает изображение в 50—100 раз больше, чем оптический микроскоп. В практике работы с почвенными минералами применяется увеличение в 5—15 тыс. раз. Получаемое изображение может быть увеличено еще в 3—5 раз фотографическим путем.