2.11. Химия почв.

2.11.1. Почвенные коллоиды, их строение и свойства

Способность почвы поглощать жидкости, газы, солевые рас­творы и удерживать твердые частицы называется поглотительной способностью почвы. Она обусловливает удерживание почвой раз­личных растворимых соединений, в том числе биологически важ­ных для жизни растений и микроорганизмов элементов питания.

Решающее значение в явлениях поглотительной способности почв принадлежит тонкодисперсным частицам размером менее 0,2 мкм (0,0002 мм), так называемым коллоидам. При раздробле­нии (диспергировании) частиц нерастворимого вещества почвы резко возрастает их удельная поверхность. Так, у почвенных кол­лоидов удельная поверхность достигает 10—50 м² и более на 1 г вещества. Этим, в частности, и объясняется высокая активность почвенных коллоидов при поглощении и других физико-химических процессах, происходящих в почве.

По составу почвенные коллоиды делят на минеральные, орга­нические и органоминеральные. Минеральные коллоиды представ­лены преимущественно вторичными минералами (гидроокисями железа, алюминия, кремния, а также тонкодисперсной фракцией первичных минералов (кварц, слюда)). Органические коллоиды состоят из различных перегнойных веществ и имеют высокую сте­пень дисперсности. Органоминеральные коллоиды возникают при взаимодействии перегнойных веществ со вторичными минералами.

Всю совокупность коллоидов, обусловливающих поглотительную способность почв, называют почвенным поглощающим комплексом. Высокая дисперсность и большая поверхностная энергия кол-лоидов обусловливают их определенное строение. Отдельная структурная единица коллоида называется коллоидной мицеллой (рцс. 6.3).

Рис. 6.3. Схема строения коллоидной мицеллы (по Горбунову).

Внутри нее находится ядро — агрегаты недиссоциированных молекул основного вещества. Вокруг ядра расположен внутренний слой ионов, который называют слоем потенциалопределяющих ионов. Эти ионы, несущие электрический заряд, прочно удерживаются ядром и не могут быть отдиссоциированы. Ядро со слоем потенциалопределяющих ионов называют гранулой. К. по­верхности ее примыкает неподвижный слой компенсирующих ионов (противоионов), который прочно удерживается электростатиче­скими силами. Этот слой, имеющий противоположный по знаку и обычно меньший по величине заряд, чем слой потенциалопре­деляющих ионов, вместе с гранулой образует коллоидную частицу. Коллоидную частицу окружает внешний слой компенсирующих ионов, который образует диффузный слой. Диффузный слой вместе с коллоидной частицей образует мицеллу. Заряд коллоидной ми­целлы определяют ионы, находящиеся у поверхности ядра.

Между неподвижным слоем жидкости, примыкающим к ядру частицы, и диффузным слоем возникает разность потенциалов, называемая электрокинетическим потенциалом, или дзета-потен­циалом.

Коллоиды подразделяют на ацидоиды, имеющие отрицательный заряд, и базоиды, заряд которых положительный.

Большинство почвенных коллоидов являются ацидоидами. К ним относятся гумусовые кислоты, глинистые минералы и кремнекислота в свободном состоянии. Они содержат в диффузном слое различные катионы и способны отдиссоциировать в раствор ионы Н+, Nа+, К⁺, Са²+, Мg²+ и др.

Базоиды в почве представлены преимущественно гидратами окиси алюминия, железа и белковыми веществами. Они способны отдиссоциировать в раствор анионы ОН^- и содержат в диффузном слое различные анионы (С1^-, SО₄^2-, NО₃^- , РO₄^3- и др.).

Некоторые коллоиды при изменении реакции среды меняют знак заряда. Такие коллоиды называют амфолитоидами.

Почвенные коллоиды, как и ионы растворимых веществ, могут гидратироваться, удерживая вокруг себя слои ориентированных молекул воды. Эта водная оболочка предохраняет коллоид от слипания, придает устойчивость их растворам.

Способность к гидратации у разных коллоидов выражена не­одинаково. Органические коллоиды, в том числе и гумусовые кис­лоты, как правило, сильно гидратируются и набухают в воде. Они называются гидрофильными. Многие минеральные коллоиды слабо набухают в воде, способны быстро выпадать в осадок. Они назы­ваются гидрофобными.

Коллоиды могут находиться в почве в форме коллоидного рас­твора (золь) или хлопьевидного осадка (гель). Состояние золя коллоиды сохраняют, в частности, при высокой степени гидрата­ции или при наличии у них электрического заряда. При определен­ных условиях коллоидные частицы могут потерять водную обо­лочку или заряд, тогда первоначальная степень их дисперсности нарушается и они свертываются. Процесс агрегации коллоидов с образованием аморфного осадка называется коагуляцией.

Коагуляция почвенных коллоидов происходит при их «старе­нии», обезвоживании (иссушении, вымораживании) и взаимном притяжении разноименно заряженных частиц. Однако наибольшее коагулирующее влияние на коллоиды оказывают электролиты (растворы кислот, щелочей, солей). Различают коагуляцию необратимую и обратимую. При обратимой коагуляции образовав­шийся гель в определенных условиях способен вновь перейти в коллоидный раствор. Этот процесс, противо­положный коагуляции, называется пептизацией. Обратимая коагуляция может наблюдаться, когда осаждение коллоидов про­исходит при участии одновалентных катионов (Nа⁺, К⁺, Н⁺, NН₄⁺). В данном случае удаление из почвы избытка этих катионов сопровождается диспергированием (рассеиванием) почвенных коллоидов. Следо­вательно, процесс коагуляции почвенных коллоидов под воздей­ствием одновалентных катионов обратим и не может обеспечить создания водопрочной структуры почвы. Необратимая коагуляция происходит только под влиянием двухвалентных (Са²⁺, Мg²⁺) и трехвалентных (А1³⁺, Fе³⁺) катионов.

Пептизация почвенных коллоидов приводит к разрушению структуры почвы, обеднению ее гумусом и коллоидами.