FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI GLEB

1. FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI GLEB

2. ODCZYN GLEB Odczyn jest określany przez stosunek jonów wodorowych, H+, do jonów wodorotlenowych OH-, na które dysocjuje woda: H2O = H+ + OH- W wodzie destylowanej [H+] = [OH-] = 10-7 mol/dm3. Odpowiada to odczynowi obojętnemu. Wzrost stężenia jonów [H+] (spadek [OH-]) powoduje, że roztwór staje się kwaśny. Wzrost stężenia jonów [OH-] (spadek [H+]) powoduje, że roztwór staje się zasadowy. Odczyn gleby wyraża się wartością pH pH = -log [H+] roztwory kwaśne – pH < 7 roztwory obojętne – pH = 7 roztwory zasadowe – pH > 7

3. Zakres pH spotykany w większości gleb mineralnych

4. ODCZYN GLEB – cd. W Polsce przeważają gleby o odczynie kwaśnym; gleby kwaśne i bardzo kwaśne zajmują 50% powierzchni kraju, gleby słabo kwaśne – 30%, gleby obojętne i zasadowe – 20%.

5. KWASOWOŚĆ I ZASADOWOŚĆ GLEB • Kwasowość – stan gleby, w którym jej odczyn jest kwaśny • 1. Kwasowość czynna – pochodzi od jonów H+ roztworu glebowego • 2. Kwasowość potencjalna – pochodzi od jonów H+ i Al3+ zaadsorbowanych przez koloidy glebowe • kwasowość wymienna – ujawnia się w glebach po potraktowaniu ich roztworami soli obojętnych - KCl • kwasowość hydrolityczna - ujawnia się w glebach po potraktowaniu ich roztworami soli hydrolizujących zasadowo – (CH3COO)2Ca

6. KWASOWOŚĆ I ZASADOWOŚĆ GLEB – cd. K+ Al3+ K+ K+ Al3+ K+ + 8KCl Gleba +2AlCl3 + 2HCl Gleba K+ H+ K+ H+ K+ K+ H+ + (CH3COO)2Ca Ca2+ Gleba + 2CH3COOH Gleba H+

7. BUFOROWE WŁAŚCIWOŚCI GLEBY Właściwości buforowe gleby - zdolność gleby do przeciwstawiania się zmianie odczynu

8. SORPCYJNE WŁAŚCIWOŚCI GLEB Sorpcja – powierzchnia ciała stałego (gleby) przyciąga i zatrzymuje warstwę jonów, atomów lub molekuł. • Za zdolności sorpcyjne gleby odpowiada kompleks sorpcyjny zbudowany z koloidów glebowych: • minerały ilaste (smektyty, wermikulit, illit, kaolinit) • krystaliczne i amorficzne tlenki żelaza i glinu • minerały bezpostaciowe • próchnica • kompleksy ilasto-próchnicze

9. Dzięki właściwościom sorpcyjnym gleby możliwe jest: • regulacja w nich odczynu • magazynowanie dostarczanych w nawozach składników pokarmowych roślin • neutralizacja szkodliwych dla organizmów żywych substancji, które dostają się do gleby

10. Rodzaje sorpcji w glebie: Wymiana jonowa – jon z roztworu wymienia (zastępuje) jon z powierzchni lub struktury ciała stałego Sorpcja chemiczna – powstawanie na powierzchni gleby trwałych wiązań chemicznych (kompleksów) między sorbentem a sorbatem Sorpcja fizyczna – zagęszczanie na powierzchni cząstek gleby molekuł innych ciał (cieczy, gazów) wskutek działania sił van der Waalsa Sorpcja biologiczna – pobieranie i zatrzymywanie jonów z roztworu przez organizmy żywe

11. Przyczyną wymiany jonowej i sorpcji chemicznejsą nie skompensowane ładunki elektryczne występujące na powierzchni koloidów glebowych. Źródłem tych ładunków są: • Niewysycone wiązania (wartościowości) występujące na krawędziach i zewnętrznych płaszczyznach minerałów ilastych (pakietów) oraz cząstkach próchnicy. Są to ładunki zmienne ponieważ ich wielkość zmienia się wraz z odczynem gleby. • Wewnątrzwarstwowa wymiana w kryształach minerałów ilastych. Są to ładunki trwałe ponieważ ich wielkość nie zależy od pH. • Zmienne pH roztworów glebowych (pHZPC) – w przypadku koloidów glebowych z grupy wodorotlenków Fe i Al

12. Ładunki zmienne – minerały ilaste Ładunki trwałe – minerały ilaste

13. Ładunki zmienne – próchnica

14. pHZPC

15. Jednym z najważniejszych rodzajów sorpcji na koloidach glebowych jest wymiana jonowa. Polega ona na tym, że jon z roztworu glebowego wymienia (zastępuje) jon z powierz-chni lub struktury koloidu glebowego. Wymianie jonowej ulegają przede wszystkim kationy – sorpcja wymienna kationów (cation exchange) a zdecydowanie w mniejszym stopniu aniony – sorpcja wymienna anionów (anion exchange). Najczęściej spotykanymi kationami w glebach są: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+ - kationy o charakterze zasadowym H+, Al3+ - kationy o charakterze kwasowym

16. SORPCJA WYMIENNA KATIONÓW Kationy wymienne Ca+2 Ca+2 - - - - - - - - - - - - - - - - - Ca+2 Ca+2 K+ Ca+2 H+ K O LO I D H+ Ca+2 Al+3 Mg+2 Mg+2 Mg+2 Ca+2 K+ K+ K+ H+ Mg+2 Ca+2 Ca+2 Al+3 H+ Al+3

17. Miarą pojemności wymiany kationów (CEC) i anionów (AEC) jestmM/kg Inne, stosowane, jednostki pojemności wymiany jonów: cmol(+)/kg = 0,01 M/kg = 10mM/kg mval/kg = mM/kgwartościowość pierwiastka

18. Rozmiary wymiany kationów w glebiezależą od: • składu mineralnego sorbentu i wielkości jego ziaren, • rodzaju sorbowanego kationu i jego stężenia, • rodzaju towarzyszącego anionu, • pH roztworu, • temperatury,

19. Wpływ składu mineralnego gleby na wielkość jej pojemności sorpcyjnej Pojemność sorpcyjna niektórych składników gleb [cmol(+)/kg]

20. Wpływ rodzaju kationu na sorpcję wymienną zależy od wartościowości, wielkości i stopnia uwodnienia kationów Wraz ze wzrostem wartościowości kationów wzrasta ich zdolność wymienna. Generalnie zgodnie ze schematem: Li+ < Na+ < NH4+ = K+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+ < Fe3+ < H+ Zdolność wymienna jonów o tej samej wartościowości zależy od wielkości ich średnic. Kation tym chętniej wchodzi do kompleksu sorpcyjnego, im większa jest jego średnica. Im większa jest średnica jonów, tym słabsze jest pole elektryczne przez nie wytwarzane - mniejszy stopień ich uwodnienia. Wraz ze wzrostem średnicy jonów uwodnionych mniej chętnie wchodzą one do kompleksu sorpcyjnego gleby.

21. Wpływ rodzaju towarzyszącego anionu na wielkość wymiany kationu Sorpcja niektórych kationów wielowartościowych może zależeć od rodzaju towarzyszących anionów. Kationy te zachowują się jak jednowartościowe, przy czym nad-miar ładunku jest neutralizowany przez towarzyszące aniony, takie jak: OH-, Cl- i NO3-. W ten sposób są sorbowane kationy: CuCl+, ZnCl+, FeOH2+, Fe(OH)2 i Al(OH2)2+.

22. Wpływ pH na wielkość sorpcji Cr(III) Sorpcja Cr(III) [%] pH

23. Pojemność sorpcyjną gleby (CEC) oblicza się wyznaczając sumę kationów metali o charakterze zasadowym (Ca, Mg, Na, K) i jonów wodoru znajdujących się w kompleksie sorpcyjnym gleby. Dokonuje się tego poprzez potraktowanie próbki gleby roztworem zawierającym 1M NH4+ i oznaczenie w roztworze po reakcji zawartości Ca, Mg, Na i K oraz pH, które jest miarą zawartości jonów H+. Wyznaczona w ten sposób wartość CEC nazywana jest pojemnością całkowitą. Pojemność potencjalnąwyznacza siętraktując próbkę na przykład roztworem zawierającym 1M Mg2+ w celu wysycenia wszystkich potencjalnych pozycji wymiennych a następnie desorbuje się magnez roztworem zawierającym 1M Ba2+ lub 1M NH4+.

26. Przykłady wartości CEC Bielica Gleba brunatna Rędzina 50 mM / kg 120 mM / kg 240 mM / kg