Химични свойства на почвите

Химични свойства на почвите – поглъщателна способност и реакция на почвите

Поглъщателна способност на почвите

Почвите притежават свойството да поглъщат в своята твър­да фаза някои разтворени вещества. Те са използвали това свой­ство за практически цели като са обезсолявали морската вода чрез пропускането й през пласт от почва. Обяснение на това явление дава английският учен Д. Т Уей, който установява, че когато почвата се обработва с разтвор от неутрални соли, катионите на тези соли се задържат в твърдата фаза, при което от твърдата фаза излизат и постъпват в разтвора еквива­лентно количество други катиони. Това свойство на почвите да поглъщат и обменят йони между твърдата фаза и почвения разтвор е наречено поглъщателна способност на почвата, т.е. т.нар. йонообмена адсорбция. По-късно холандския изследовател Якоб Мартин ван Бемелен установява, че носител на това поглъщане са почвените колоиди, а причина за обмяната е наличието на електричен заряд на колоидите и, че по същество явлението има химична природа. След това по този въпрос работят редица други учени - Г. Вигнер, А. Соколовски, Н. Горбунов и др.
Основна причина за проявление на обменната адсорбция е наличието на определен електричен заряд при почвените колоиди - отрицателен или положителен.
Възникване на електричен заряд при различните почвени колоиди става при:
1. При някои от алумосиликатните глинести минерали свободни електрични заряди възникват в резултат от протичането на.т.нар. изоморфно заместване на йони в тетраедрите и октаедрите на кристалната решетка на тези минерали.
Това изоморфно заместване може да стане едновременно при един глинест минерал и в двата слоя на пакета - тетраедрения и октаедрения, но количествено да бъде различно. Така при монтморилонита повече алуминиеви катиони се заместват с магнезиеви в октаедрите, а при илита и вермикулита повече силициеви катиони се заместват с алуминиеви в тетраедрите. Този на­чин на възникване на свободни електрични заряди е преобладаващ при трислойните глинести минерали, наречени постоянни заряди.
 2. При всички алумосиликатни глинести минерали допълни­телно може да възникнат свободни отрицателни електрични за­ряди по повърхността на кристалната ре­шетка, там където се намират хидроксилни групи - SiOH³­ и AlOH². Групата SiOH  e слаба киселина - рН 5,5-6,0 водородния йон се дисоцира и там остава един свободен отрицателен заряд, a групата А1ОН - слаба основа с понижаване на рН и става отдисоциране на хидроксилнит йон и на негово място възниква един положителен електричен заряд. Количеството на  възникналите свободни електрични заряди по пътя на дисоциацията при алумосиликатните глинести минерали не е постоянно, то варира в зависимост от степента на промяната на pH на средата-наречени варцационни заряди.
3. При аморфните гели и кристалните хидроокиси на желязото и алуминия свободните електрични заряди възникват по пътя на дисоциацията, по различен начин в кисела и алкална среда.
Глинестите минерали при кисела реакция имат положителен заряд, а при неутрална и слабо алкална -отрицателен.
4. При хумусните колоиди свободни отрицателни електрични заряди възникват също по пътя на дисоциа­цията на карбоксилните (СООН) и фенолните (ОН) групи.
Дисоциацията е при различно pH, силно кисела реакция - pH 4.5, при неутрална реакция- pH 7 и третата и четвъртата при алкална - pH 9-12.

І. Катионообменна поглъщателна способност на почвите
1. Същност и характер на явлението Това е поглъщането от твърдата фаза на почвите на катиони и тяхната обмяна с други катиони от почвения разтвор. Явлението се характеризира с:
а)      Обменният процес протича с голяма скорост -
равновесието се установява моментално;
б)      Обмяната на катиони се извършва винаги в еквивалентно отношение;
 в)     Обменния процес е обратим - всеки погълнат катион
от почвения колоид може да бъде изместен от друг катион и да
постъпи в почвения разтвор;
г)       По своя характер обменната абсорбция на йони е
химично явление - двойно химично заместване между йони
2. Капацитет на катионообменната адсорбция Той отразява количеството на обменните катиони, което дадена почва може да има в своята твърда фаза. Изразява се в милиграмеквиваленти на 100 % почва и се означава с буквата Т. Големината на сорбцион­ния капацитет, зависи основно от количеството на почвения поглъщателен комплекс, от състава на почвения поглъщателен комплекс и от реакцията на почвите. Колкото е по-голямо общото количество на адсорбента  толкова по-голям е сорбционния капацитет на дадена почва. Колкото по-голямо е количеството на почвените колоиди имащи висока сорбционна способност, толкова по-голям ще бъде и общият сорбционен капацитет на определена почва. С увеличаване стойностите на pH на средата се увеличава и големината на сорбционния капацитет на съответната почва. При монтморилонитовите глинести минерали вариационните заряди са 5%, при илитовите около 40%, при каолиновите около 75%, при хидроокисите на желязото и алуминия и хумуса 100%.
Прието е пълният сорбционен капацитет на почвите да се определя чрез обработка на. Почвата с буфериран изместителен разтвор при pH 8,2.
3. Енергия на катионообменната адсорбция По отношение на енергията на поглъщане на катионите могат да се установят някои закономерности:
1.) Енергията на поглъщане на катионите зависи от валентността им. Колкото е по-висока тя, толкова с по-голяма, енергия се поглъща катионът.
2.) При катионите от една и съща валенция енергията на поглъщането им се обуславя от атомното тегло - с увеличаване на атомното тегло на катиона се повишава и енергията, с която той се поглъща.
3.) Енергията, с която се поглъщат отделните катиони зависи и от състава на поглъщателния комплекс.
4) Енергията, с която се поглъщат различните катиони, се влияе и от концентрацията на съответния катион в разтвора, с който почвата взаимодейства и от обема на този разтвор.
5) Енергията, с която се поглъщат определени катиони от една и съща почва не е постоянна, а се мени в зависимост от концентрацията на катионите в разтвора и обема на разтвора с, който взаимодейства почвата.
Подвижност на обменните катиони
Катионите на даден елемент, адсорбирани в поглъщателния комплекс на почвата, заемат различни места; Едни се намират по повърхността на кристалната решетка, а други вътре в междупакетните пространства.
Под подвижност на адсорбираните обменни катиони се разбира лекотата и бързината, с която те се изместват от поглъщателния комплекс при определени условия.
Подвижността на обменните катиони, може да бъде изразена като абсолютна или като относителна. Абсолютната подвижност се изразява в mequ /100 g почва изместени катиони от съответния елемент с първата порция изместителен разтвор, а относителната стойност се изразява в %.,спрямо цялото количество адсорбирани калциеви катиони.
Количествено подвижността на обменните катиони намалява с намаляване степента на наситеност на поглъщателния комплекс със съответния катион.
Състав на обменните катиони в почвите
Като обменни катиони в почвите най-често се явяват катионите на калция, магнезия, калия, натрия, водорода и алуминия, които обикновено се съдържат в почвите в по-голямо количество. При почвите, образувани под тревиста растителност, както и под горска растителност, но върху богато карбонатни почвообразуващи материали в поглъщателния комплекс преобладават калциевите катиони. При почвите, формирани под горска растителност с  влажен климат и върху безкарбонатни почвообразуващи материали, където от разлагането на растител­ните остатъци се получават много киселини, в поглъщателния комплекс преобладават водородните катиони. В сухите области, при близки подпочвени води, съдържащи разтворени натриеви соли, се образуват засолени почви, солончаци и солници, в поглъщателния комплекс, на които се съдържа голямо количество обменен натрий.
При обработваемите почви съотношението на обменните, катиони в поглъщателния им комплекс се влияе и от човешката дейност главно чрез допълнително внасяне на различни катиони с някои химически съединения - торове, препарати и др.
Степен на наситеност на почвите с бази
Голямо практическо значение има по-голямата или по-малката степен на наситеност на поглъща­телния комплекс с базични катиони .
За наситени с бази почви се приемат тези, при които сумата от базичните обменни катиони е близка до тази на сорбционния капацитет - над 75% от Т, а за ненаситени - тези, при които сумата на базичните катиони е под 75% от Т.
Значение на катионообменната адсорбция
Чрез нея в почвата се запазват от измиване много от хранителните елементи, които се използуват от растенията и въз основа на нея се прилага пра­вилно минералното торене; от нея зависят физичните, химичните и биологичните свойства на почвите и в крайна сметка тяхното плодородие.
Голямо значение за храненето на растенията има поддържането на динамичното равновесие между концентрацията на адсорбираните катиони и концентрацията на катионите в почвения разтвор. То се осъществява от поглъщателния комплекс и обменната адсорбция.
Погълнатите катиони, според използваните им от растенията, се разделят условно на две групи: биогенни, които растенията използват главно като хранителни елементи - Ca, Mg, K, NH₄ и някои микроелементи и небиогенни, които растенията не използват като основни хранителни елементи - H и Al.
За усвояване на адсорбираните катиони като хранителни елементи е важно доколко те са достъпни за растенията. Достъп­ността им пък зависи от тяхното количество в поглъщателния комплекс, от кой глинест минерал са адсорбирани и от съдър­жанието на други катиони в поглъщателния комплекс. Колкото даден катион се съдържа повече в поглъщателния комплекс, толкова по-голяма част от него е достъпна за растенията.                  Влиянието на обменните катиони върху почвените свойства накратко се изразява в следното:
- Калциевият катион придава на почвите благоприятни физични свойства. Той участва в образуването на ценната структура на почвите. Поради това почвите, чийто поглъщателен комплекс е наситен с обменен калций, се отличават с висока обща и некапилярна порьозност, когато са сухи са рохкави, не се къртят на буци, след дъжд, не се приплескват и не образуват кора, имат добра водопропускливост, голяма влагоемност, във влажно състояние не набъбват силно, а в сухо - не образуват широки и дълбоки пукнатини, сравнително леко се обработват..
- Магнезцевият катион влияе по начин, сходен с
калциевия.
- Натриевият катион обуславя неблагоприятни физич­ни свойства на почвите. Обуславя диспергирането на почвените колоиди и улеснява разрушаване на почвената структура. Почвите, чийто поглъщателен комплекс е наситен с обменен натрий, при намокряне силно набъбват, проявяват голяма пластичност и лепливост, имат много ниска водопропускливост, малка обща порьозност, след дъжд се приплескват, при изсъхване образуват слята твърда маса и при обработката се къртят на големи твърди буци.
- Калиевият катион влияе подобно на натриевият катион, но неговото отрицателно влияние както върху физичните, така и върху химичните свойства на почвите е многократно по-слабо, в сравнение с натриевия катион.
- Водородният катион обуславя също в голяма степен неблагоприятни физични свойства на почвите. Почвите, чийто поглъщателен комплекс е наситен с обменен водород, не могат да образуват добра структура, остават безструктурни. След дъжд такива почви се приплескват, при изсъхване се сбиват и образуват кора, при обработка се къртят на едри твърди буци, трудно се обработват и във влажно и сухо състояние имат малка обща порьозност, слаба водопропускливост, малка влагоемност, бързо изпаряват водата и изобщо не предоставят добри физични условия за развитието на растенията.
- Алуминиевият катион влияе върху свойствата на почвите подоб­но на водородния. Алуминиевите катиони, действат токсично на растенията.
Подобряване сорбционната способност на почвите и съотношението на обменните катиони в тях. Малката сорбционна способност на песъчливите почви може да се увеличи чрез внасяне в тях на материали, съдържащи колоидни вещества – хумусни вещества под форма на органични торове и глина. При почвите, които имат песъчлива орница, но под нея лежи глинест хорозонт, обогатяването на орницата с глина може да стане чрез по-дълбока оран, при която част от глинестия хоризонт се размесва с орницата.

II. Избирателно поглъщане на катиони от почвите.

Осъществява се от трислойните глинести минерали с разширяваща се кристална решетка. Същността на процеса е в това, че когато почвеният поглъщателен комплекс е съставен от трислойни глинести минерали с разширяваща се кристална решетка и в почвения разтвор постъпят в по - големи количества различни катиони, то избирателно се поглъщат тези катиони, чийто размери съответстват на размерите на хексагоналните празнини, които се образуват при подреждането на кислородните йони на базалните повърхности на тетраедрените слоеве. Трислойният глинест минерал с разширяваща се кристална решетка се превръща в трислоен глинест минерал с неразширяваща се решетка. Така катионите необменни, поради което и този вид адсорбция у нас се означава като необменно поглъщане или фиксиране на катиони.



ІІІ. Анионообменна поглъщателна способност  на почвите

Това е поглъщането от твърдата фаза на почвите на аниони и тяхната обмяна с други аниони от почвения разтвор. То е възможно, когато почвения поглъщателен комплекс е зареден положително.
Същността и характерът на явлението са същите както при катионообменната адсорбция.
1. Капацитетът на анионообменната адсорбция се изразява също в mequ/100g почва и зависи от състава и строежа на почвените колоиди.
Монтморилонитовите минерали имат анионообменен капацитет от 3-4 mequ на 100g, а при каолинитовите - той е по-голям – 6 - 12 mequ на 100g. При аморфните гели и хидроокисите и окисите на желязото и алуминия този капацитет е доста по-висок (гипсит - 16.5, лимонит - 15.6, гетит - 11.8, боксит - 5.9 и хематит - 4.5 mequ на 100g).     
2.  Енергията на поглъщане на отделните аниони зависи преди всичко от валентността на анионите. Тя е най-малка при едновалентните и по-голяма при дву и три валентните аниони.
Енергията на поглъщане зависи и от концентрацията на аниона в почвения разтвор. Успоредно с увеличаване концентрацията на даден анион в почвения разтвор нараства и енергията на поглъщането му. Поради това и с увеличаване на водата в почвата намалява енергията на поглъщане на анионите и обратно - с намаляване на водата се увеличава енергията на поглъщане.
Върху енергията на поглъщане на различните аниони влияе и температурата. Така например с увеличение на температурата нараства енергията на поглъщане на фосфатния анион, а намалява енергията на поглъщане на сулфатния анион.

IV. Поглъщане на други вещества от почвите

Известният руски учен К. К. Героиц, е установил, че освен йонообменното поглъщане, което той нари­ча физико-химична погльщателна способност на почвите, те притежават способност да поглъщат и други вещества по други механизми. Според механизма на поглъщането на тези вещества той е предложил да се различават други четири вида поглъщателна способност на почвите. Механична, физична, химична и биологична:

а) Механична поглъщателна способност на почвите
Способността на почвите да поглъщат в своята маса твърди частици от колоидните разтвори и суспензиите се нарича механична поглъщателна способност. Наречено е меха­нично поглъщане, понеже задържането става само по механичен път, други сили нямат проявление. В случая, понеже почвата е порьозно тяло, тя действува само като филтър, през който се прецеждат размътените във водата твърди частици. Поради това всички частици с по-големи размери от диаметъра на почвените пори не могат да преминат и остават в почвата. Отчасти се задържат и по-дребни частици, когато те попаднат в криви или затворени пори. Този вид поглъщане зависи преди всичко от механичния състав на почвите, който обуславя обема и характера на почвената порьозност;

б) Физична поглъщателна способност на почвите
Способ­ността на почвите да поглъщат цели молекули от вода, разтворени съединения и газове, както и микроорганизми, по пътя на физични процеси се нарича физична поглъщателна способност. Носител на тази поглъщателна способност е най-фино раздробената част от твърдата фаза на почвата. Твърдото агрегатно състояние на вещест­вата се запазва, понеже между молекулите им съществуват сили на привличане. Колкото твърдата част на почвата е по-ситно раздробена, толкова по-голяма ще бъде нейната относителна повърхност, повече молекули ще се намират на повърхността на частичките, повече молекулни сили ще останат ненаситени, по-голяма ще бъде свободната повърхностна енергия, повече молекули от други вещества ще се привличат, т.е. толкова по-голяма ще бъде молекулната адсорбция. В зависимост от това, с каква среда влиза в контакт почвената частичка - водна, течен разтвор или газообразна - може да се поглъщат молекули от вода, молекули от разтворено вещество или молекули от газове.
Поглъщане на молекули от вода Когато твърдата почвена частичка влезе в контакт с водни пари или течна вода, тя привлича водни молекули, с които насища своята свободна повърхностна енергия.
Поглъщане на молекули от разтворени вещества в почвения разтвор Когато твърдата почвена частичка влезе в контакт с разтворени вещества, тогава за насищане на свободната й повърхностна енергия може да се привличат и молекули от разтворените вещества.
Поглъщане на молекули от газове Когато твърдата почвена частичка е заобиколена от газообразна среда, тогава за насищане на свободната и повърхностна енергия може да се поглъщат и молекули от газове;
в) Химична поглъщателна способност  на почвите
Същността на тази адсорбция е в това, че задържането на веществата става в резултат на химични реакции, вследствие на което се образуват нови неразтворими съединения, които се утайват и смесват с почвата.
Възникването на утаечни химични реакции в почвите може да стане в два случая:
Когато в почвения разтвор присъстват две съединения, които могат химически да реагират помежду си и когато в почвения разтвор има съединение, което може да реагира хими­чески с някои от йоните.
Химичната адсорбция има голямо значение за храненето на растенията, тъй като всички съединения, които химично се адсорбират се превръщат в неразтворима форма и хранителните еле­менти преминават в неусвоима форма, т. е. повече не могат да се използуват от растенията;

г) Биологична поглъщателна способност на почвите
Същността на биологичното поглъщане се състои в това, че през своя живот почвените организми - растения, микроорганизми и животни усвояват редица минерални съединения под формата на хранителни елементи, включват ги в синтезираното от тях органично вещество, което е неразтворимо и по този начин ги запазват за почвата.
Без биологичното поглъщане не е възможно формирането на каквато и да е почва.
Реакция на почвите

1. Общи понятия , формиране и стойности на почвената реакция.

Когато реакцията се определя в солев извлек, тогава допълнително във филтрата постъпват и обменните водородни и алуминиеви катиониг - тази реакция пък условно може да се нарече потенциална.

Почвената реакция силно зависи от:
- Почвообразуващите скали предопределят насоката на почво-образувателния процес и формиране на различни почви. Върху карбонатни скали с наличие на свободни карбонати се образуват карбонатни почви с наличие на свободни карбонатни, което обуславя слабоалкалната реакция на, тези почви. Върху ултрабазични и базични почвообразуващи скали се образуват силно наситени с бази почви, поради което имат неутрална реакция. Върху засолени с алкални натриеви соли почвообразуващи материали се образуват солонци и солонцовати почви, които имат силно алкална реакция.
- Климатът влияе главно с определяне типа на водния режим на почвите. В хладните и влажни климатични зони се уста­новява промивен тип воден режим на почвите. Почвите в тези зони обикновено имат кисела реакция.
- Растителността влияе съвместно с климата. В хладните и влажни зони се развива предимно иглолистна дървесна растител­ност, остатъците от която се разлагат от определени нисши гъби, при което се образуват много органични киселини. Почвите, образувани под тази горска рас­тителност, имат обикновено кисела реакция.
- Релефът, който обуславя вертикалната зоналност на климата, растителността и почвите също определя образуването на почви с кисела или алкална реакция.
- Съставът на почвените колоиди определя в голяма степен поч­вената реакция. Установено е, че при еднаква степен на наситеност с бази реакцията на почвите може да бъде различна.
- Степента на наситеност с бази също има значително участие при формиране на почвената реакция. Установено е, че колкото, една почва е по-слабо наситена с бази, толкова нейната реакция ще бъде по-кисела.
- Съставът на базичните катиони също влияе значително на почве­ната реакция. Поч­вите, в които преобладават обменните калциеви и магнезиеви ка­тиони, ще имат неутрална реакция, тези в които преобладават водо­родните и алуминиевите катиони, ще имат кисела реакция и тези, в които преобладават обменните натриеви катиони ще имат ал­кална реакция.
Значение на почвената реакция. То се състои в следнотo.

Класификация на почвите според реакцията им:

Група	pH в H2O	pH в 1n KCI	Реакция
1	под 3.0	-	екстремно кисела
2	3.0 – 4.0	под 4.0	много силно кисела
3	4.1 – 5.0	4.0 - 4.5	силно кисела
4	5.1 – 6.0	4.6 - 5.0	средно кисела
5	6.1 – 6.9	5.1 – 5.6	слабо кисела
6	7.0	над 5.6	неутрална
7	7.1 -7.5	-	много слабо алкална
8	7.6 – 8.0 (8.2)	-	слабо алкална
9	8.2 – 8.6	-	средно алкална
10	8.7 – 8.9	-	алкална
11	9.0 – 10.0	-	силно алкална
12	10.1 – 11.0	-	много силно алкална

Таблица 1

1.      Различните растения могат нормално да се развиват при определени стойности на pH.
2.      От реакцията на почвата зависи от видовото разнообразие и активността на почвените микроорганизми.
3.      Почвената реакция обуславя характера на миграция и акумулация на различните вещества по почвения профил.
4.      От почвената реакция зависи и достъпността за растенията на отделните хранителни елементи.
5.      Реакцията на почвата може да служи и като индикатор за състава на обменните катиони.

Използвана литература - източник : Интернет