5.1: Колоїди грунту

Цілі навчання

• Виміряйте вплив різних катіонів на колоїдні властивості.
• Визначте компоненти ґрунту, що контролюють іонний обмін.
• Визначте катіонообмінну здатність обраних горизонтів ґрунту.

Колоїди складаються з глинистих мінералів та органічних речовин і відіграють вирішальну роль у хімічних, фізичних та біологічних властивостях ґрунту. Колоїди мають дуже невеликі розміри. Більшість зарядів у ґрунті надходить з колоїдів, що робить їх важливими для ємності катіонного обміну, буферної здатності та утримання поживних речовин, таких як Ca ²⁺, K ^{+, Mg 2+} тощо Крім того, невеликий розмір колоїдів призводить до дуже високих поверхневих площ, що полегшує хімічних реакцій і забезпечує середовище проживання мікробів. Деякі глини розширюються і стискаються зі зміною вологості грунту. Сила від керамзитобетонних глин може бути значною, і зазвичай спричиняють структурні збої в фундаментах будинків і стін підвалу, доріг і мостів та інших техногенних споруд. Інші глини не розширюються, а роблять ідеальними речовинами для глиняних керамічних виробів, або черепичних дахів. Фракція органічних речовин колоїдів важлива для розвитку структури ґрунту або як джерела їжі для ґрунтових організмів. Властивості ґрунту, що приписуються колоїдам, численні, і вони будуть зосереджені на наступних лабораторних заходах.

Матеріали

• Чашки Петрі
• мензурки
• Шпателі
• Чистий каолініт
• Чистий бентоніт
• Штангенциркуль
• 6V акумулятор
• Суцільні мідні дроти, всього 2, довжиною 25 см
• Алігаторні затискачі для проводів
• Паперові рушники
• пробірки
• Колби
• Бюретки
• Набір дозаторів на вершині пляшки для дозування 10 мл
• Фенолфталеїн індикаторний розчин
• Розчин хлориду алюмінію, 1 М
• Розчин хлористого калію, 1 М
• Розчин хлориду натрію, 1 М
• Розчин хлориду кальцію, 1 М
• Розчин гідроксиду натрію, 0,01 М
• Модельовані ґрунтові екстрактні розчини ЦВК
• Норфолк Е горизонт, 0.002 M HCl
• 10 мл екстракту являє собою 1 г грунту
• Норфолк Бт горизонт, 0.005 M HCl
• 10 мл екстракту являє собою 1 г грунту
• Сесіль Ап горизонт, 0,010 М HCl
• 10 мл екстракту являє собою 1 г грунту
• Сесіл Бт Горизонт, 0.007 M HCl
• 10 мл екстракту являє собою 1 г грунту
• Біле сховище Bt горизонт, 0,015 M HCl
• 10 мл екстракту становить 0,5 г грунту

Рекомендоване читання

• Вступ до сорбції хімічних складових у ґрунтах (Томпсон і Гойн, 2012)
• Ємність катіонного обміну та насичення основи (Sonon et al., 2017)

Призначення передлабораторії

Використовуючи рекомендовані показання та введення в цю лабораторію, розглянемо питання, перераховані нижче. Ці визначення/питання нададуть стислий виклад основних концепцій, які будуть розглянуті в лабораторії. Вони також послужать основою для післялабораторної вікторини та є корисними навчальними записками до іспитів.

1. Визначте термін «грунт колоїдний». Які основні види грунтових колоїдів?
2. Охарактеризуйте джерела зарядів на грунтових колоїдах.
3. Визначте ємність катіонного обміну.
4. Які одиниці використовуються для вираження ємності катіонного обміну?
5. Перерахуйте загальну кількість катіонообмінних потужностей, внесених каолінітом, монтмориллонітом (смектітом) та гумусом.
6. Визначте відсоток насиченості бази. Які катіони зазвичай вважаються катіонами основи? Технічно кажучи, вони не є підставами. Чому їх називають катіонами основи?

Вступ

Надзвичайно дрібні колоїдні частинки (менше 0,001 мм) глини і гумусу контролюють багато важливих хімічних і фізичних властивостей ґрунту. Цю ділянку грунту часто називають «активною фракцією». Невеликий розмір колоїдів призводить до великої площі поверхні на одиницю ваги, а їх іонна структура призводить до чистого електричного заряду. Тип, кількість та мінералогія колоїдів будуть сильно впливати на більшість рішень з землеустрою. Наприклад, ґрунт, який становить 40% глини, що складається в основному з смектиту (глина з усадкою 2:1), може мати обмеження для будівництва доріг або будівництва фундаментів через зміщення ґрунту, коли ґрунт змочується та висихає. Такий ґрунт може бути високопродуктивним для міжрядкового землеробства, хоча, завдяки високій кількості заряду, що полегшує утримання поживних речовин, таких як Ca ²⁺, K ^{+, Mg 2+} тощо Навпаки, грунт, такий як оксизол, який містить 80% глини, має колоїди, які в першу чергу оксиди алюмінію і заліза, які не дають усадки і не набухають, а також мають низьку кількість заряду. Таким чином, грунт буде добре підходити для будівництва фундаментів. Однак висока здатність фіксації фосфору та обмежена здатність утримувати катіони основи обмежують продуктивність ґрунту для міжрядкового землеробства.

Іонообмін є однією з найбільш значущих особливостей глинистої і гумусової фракцій. Здатність частинок притягувати або адсорбувати катіони називається катіонообмінною здатністю. Ця здатність дозволяє ґрунту служити джерелом поживних речовин рослин, таких як калій, кальцій та магній. Ця реактивна обмінна здатність також дозволяє ґрунту служити фільтром або обробним середовищем для наземного застосування відходів.

Визначення ємності катіонного обміну

Ємність катіонообміну (кількість катіонів, які ґрунт може адсорбувати на одиницю ваги, ЦВК) може бути визначена за допомогою простого процесу переміщення (рис. 13.1). На кроці 1 зразок ґрунту спочатку насичується простим катіоном, таким як NH ₄ ⁺, тому всі ділянки негативного заряду зайняті NH ₄ ⁺. На етапі 2 надлишок NH ₄ ⁺ (тобто не на обмінних майданчиках) видаляється шляхом вилуговування етиловим спиртом. На кроці 3 для витіснення всіх NH ₄ ^{+ використовується інший катіон, такий як Ba 2+}. NH ₄ ⁺ збирають у фільтрат і вимірюють. Кількість NH ^₄₊, зібраних із зразка, - це кількість катіонів, які може утримувати ґрунт, тобто ЦВК.

Багато катіонів можуть бути використані на етапі 1 методу переміщення. Грунтові лабораторії часто використовують іон амонію. Однак у цій діяльності H ₊ буде використовуватися як насичуючий катіон. Тому визначимо кількість витягнутого Н ⁺ в фільтраті. Потім, використовуючи цю суму, ви розрахуєте ЦВК для кожного зразка ґрунту.

Розрахунок ЦВК використовує поняття молів заряду. У хімії один моль елемента - це кількість елемента з вагою в грамах, чисельно рівним його атомній вазі. Наприклад, атомна маса К дорівнює 39,1, тому один моль К важить 39,1 м Один моль будь-якого елемента містить 6,02 х 10 ²³ атома елемента. Аналогічно один моль заряду дорівнює 6,02 х 10 ²³ зарядів. Якщо K існує як катіон у розчині (K ⁺), то розчин, що містить моль K, містив би 6,02 х 10 ²³ позитивних заряду.

Кількість позитивних зарядів у фільтраті при цьому дорівнює числу негативних зарядів на обмінних майданчиках в пробі грунту. Тому ваше завдання - визначити кількість зарядів в фільтраті. Кожен іон Н ⁺ має один позитивний заряд, тому, визначивши кількість Н ⁺ в фільтраті, можна визначити кількість позитивних зарядів у фільтраті і по розширенню кількість негативних зарядів на місцях обміну в пробі грунту.

Малюнок 13.1. Серія хімічних екстракцій для визначення ЦВК. Діаграма люб'язно надано King et al. (2003).

Діяльність 1: Демонстрація характеристик термоусадочного набряку

У попередній лабораторії ви заповнили дві чашки Петрі суспензіями бентоніту та каолініту та відклали їх для висихання. Отримайте ці чашки Петрі та виконайте наступні дії:

Виміряйте висоту і радіус дисків з бентоніту і каолініту, і запишіть результати в табл. 13.1.

Обчисліть обсяг кожного диска, і запишіть результати в таблиці 13.1.

Обчисліть і запишіть процентну зміну об'єму в кожному зразку щодо вихідного об'єму (внутрішній об'єм порожньої чашки Петрі).

Таблиця 13.1. Вимірювання термоусадочного набухання та зміни обсягу

Зразок	Радіус (см)	Висота (см)	Обсяг (см ^ 3)	% Зміна гучності
Порожня чашка Петрі				Н/Д
Каолініт
Бентоніт

Якби ви будували будинок з підвалом, ви б вважали за краще домінуючим глинистим мінералом грунту на вашій ділянці, щоб бути каолініт або бентоніт? Поясніть.

Діяльність 2. Демонстрації колоїдного заряду

Використовуючи залишки суспензії з активності 1, ваш інструктор продемонструє колоїдний заряд класу. У цій демонстрації два дроти з алігаторними затискачами прикріплені до акумулятора 6В: один провід до плюсової клеми, а інший - до мінусової клеми. Потім два дроти вставляють в суспензію і дають реагувати приблизно 15 хвилин.

Опишіть, що ви спостерігаєте при видаленні проводів з суспензії, і поясніть явище, яке викликає це.

Діяльність 3: Демонстрація флокуляції та диспергування

Як ви тепер знаєте, більшість грунтових глин мають негативний заряд, який нейтралізується в різному ступені адсорбованими катіонами. Флокуляти або агрегати утворюються найбільш швидко і найбільш стійкі, коли ґрунтовий колоїд найбільш повністю нейтралізується адсорбованим катіоном. Кількість нейтралізації пов'язана з розміром іонів, валентністю та концентрацією. Проведіть наступний експеримент, щоб перевірити вплив різних іонів на флокуляцію дисперсної грунтової глини.

1. Наповніть 5 пробірки до 1/2 повної дисперсної глиняної суспензії. Пробірка 5, що містить оригінальну глиняну суспензію, буде зарезервована для використання в якості чека.
2. Додайте 10 крапель 1 М AlCl ₃ в пробірку №1.
3. Додайте 10 крапель 1 M KCl в пробірку 2.
4. Додайте 10 крапель 1 М NaCl в пробірку 3.
5. Додайте 10 крапель 1 M CaCl ₂ в пробірку 4.
6. Кожну суспензію ретельно струсіть.
7. Спостерігайте і записуйте час, коли починається флокуляція в кожній трубці.
8. Продовжуйте спостерігати протягом усього періоду класу і відзначте відносний розмір і швидкість осідання флокул.

Запишіть свої спостереження в таблиці 13.2.

Таблиця 13.2. Вплив катіонів на флокуляцію глиняної суспензії.

Додано катіон	Відносний розмір та швидкість осідання флокули
К+
На+
Са2+
Ал3+
Перевірити

Діяльність 4. Визначення ЦВК шляхом заміни адсорбованих катіонів.

У цій діяльності ви будете титрувати фільтрат 0,01 молярним розчином NaOH, використовуючи фенолфталеїн як індикатор. Фенолфталеїн змінюється від безбарвного до слабко-рожевого, коли кількість OH ^— іонів, що додаються через NaOH, дорівнює кількості іонів Н ⁺ в розчині (тобто при підвищенні рН до 7). Для цієї діяльності припустимо, що зразки ґрунту були витягнуті, і фільтрати тепер доступні для аналізу.

1. Помістіть по 10 мл кожного фільтрату в окремі колби об'ємом 125 мл. Ця кількість 10 мл - це кількість фільтрату з 1,0 грама грунту.
2. Додайте 10 крапель індикатора фенолфталеїну.
3. Титруйте екстракт розчином NaOH до слабкої рожевої кінцевої точки. Титрування потрібно робити дуже обережно, щоб отримати значущі результати. Якщо ви поклали занадто багато NaOH в колбу і придбаєте яскраво-рожевий колір, відмовтеся від розчину і повторіть процес. У наведеній нижче таблиці запишіть мілілітри розчину NaOH, що використовується для досягнення кінцевої точки.

Розрахуйте ЦВК і запишіть свої дані в таблицю 13.3.

Ось приклад того, як розрахувати ЦВК, припускаючи, що для досягнення кінцевої точки було потрібно 2,5 мл NaOH. Реакція, що виникає при титруванні, є

\[\text{NaOH}+\text{H}^{+}\rightarrow\text{Na}^{+}+\text{H}_2\text{O} \nonumber\]

Таким чином, один моль NaOH вступає в реакцію з одним молем Н ⁺. Тому в кінцевій точці фенолфталеїну родимки NaOH додають = молі Н+ в розчині.

_{Розчин 0,01 молярного NaOH містить 1 смоль заряду на літр (1 смоль с/л).} Тому 2,5 мл NaOH містить

\[\text{cmol}_\text{c}\text{ of NaOH}=2.5\text{ mL NaOH}\times\frac{1\text{ L}}{1000\text{ mL}}\times\frac{0.01\text{ mol NaOH}}{1\text{ L}}\times\frac{1\text{ mol}_\text{c}}{1\text{ mol NaOH}}\times \frac{100\text{ cmol}_\text{c}}{1\text{ mol}_\text{c}}= 0.0025\text{ mol}_\text{c}\text{ NaOH} \nonumber\]

Таким чином, ЦВК є

\[\frac{\text{cmol}_\text{c}}{\text{kg soil}}= \frac{0.0025\text{ cmol}_\text{c}}{1\text{ g soil}}\times\frac{1000\text{ g soil}}{1\text{ kg soil}}= \frac{2.5cmolc}{\text{kg soil}} \nonumber\]

Таблиця 13.3. Розрахунки ЦВК.

Виписка	Молярність NaOH	Мілілітри використовуються NaOH	Мас. грунту	ЦВК	% Глина
Норфолк E	0,01		1 г		9
Норфолк Бт	0,01		1 г		37
Сесіл Ап	0,01		1 г		13
Сесіл Бет	0,01		1 г		51
Білий магазин Bt	0,01		0,5 г		57

Використовуючи дані з таблиці 13.3, побудуйте графік на малюнку 13.2 з відсотками глини на осі X і ЦВК на осі Y. Позначте осі і побудуйте всі дані. Проведіть лінію через точки на графіку для Норфолк Е, Норфолк Бт і Сесіл Бт, і дайте відповідь на наступні питання:

Малюнок 13.2. Взаємозв'язок між вмістом глини та ЦВК.

З чотирьох основних факторів, що впливають на ґрунт ЦВК (кількість глини, тип глини, кількість гумусу, рН), який відповідає за це лінійне збільшення ЦВК?

Ухил лінії являє собою зміну ЦВК, поділену на зміну змісту глини. Висловлюючи вміст глини у вигляді фракції (наприклад, 30% глини = 0,30 кг глини/кг грунту), ухил стає

\[\text{Slope}=\frac{\Delta\frac{\text{ cmol}_\text{c}}{\text{kg soil}}}{\Delta\frac{\text{kg clay}}{\text{kg soil}}}=\frac{\text{max CEC}-\text{min CEC}}{\text{max clay}-\text{min clay}}=\text{______}\frac{\text{ cmol}_\text{c}}{\text{kg clay}} \nonumber\]

Розрахунковий ухил - ЦВК на глиняній основі. Використовуючи цей схил (cmol _c/kg глини), використовуйте рис. 13.2 для визначення типу глини в грунтах Норфолк і Сесіл.

Намальована вами лінія не проходить через початок, вказуючи на те, що ґрунт без глини все ще матиме ЦВК. Як це могло бути можливим?

Зразок горизонту Сесіла Ап падає трохи вище лінії, яку ви намалювали в питанні #1, але обидва зразки Сесіла були взяті з одного профілю. Чим можна пояснити цю різницю в ЦВК?

ЦВК для горизонту White Store Bt також не потрапляє на лінію для грунту Норфолк і Сесіл. Поясніть, чим можуть відрізнятися колоїди в грунті White Store Bt.

Приклад розрахунків ємності катіонного обміну

_{Припустимо, що ґрунт має ЦВК 1,0 смоль с/кг.} Скільки кг Са ²⁺ можна адсорбувати в гектарі грунту на глибину 20 см? Припустимо насипну щільність 1,4 мг/м ³.

Обсяг ґрунту = глибина ділянки:

\[\text{Soil volume}=10,000\text{ m}^2\times0.2\text{ m}=2,000\text{ m}^3 \nonumber\]

Вага ґрунту = об'єм щільності:

\[\text{Soil weight}=1.4\frac{\text{Mg}}{\text{m}^3}×2,000\text{ m}^3=2,800\text{ Mg}=2,800,000\text{ kg} \nonumber\]

Оскільки Са має валентність 2, один моль Са має 2 молі заряду:

\[\frac{2\text{ mol}_\text{c}}{1\text{ mol Ca}|^{2+}} \nonumber\]

Грунт може адсорбувати 1,0 _смоль с/кг. Кількість Са, необхідна для постачання цієї кількості заряду, становить

\[\frac{1\text{ cmol}_\text{c}}{\text{kg soil}}\times\frac{1\text{ cmol Ca}^{2+}}{2\text{ cmol}_\text{c}}=\frac{0.5\text{ cmol Ca}^{2+}}{\text{kg soil}} \nonumber\]

Атомна вага Са становить 40.078, тому грунт може адсорбувати

\[\frac{0.5\text{ cmol Ca}^{2+}}{\text{kg soil}}\times\frac{1\text{ mol Ca}^{2+}}{100\text{ cmol Ca}^{2+}}\times\frac{40.078\text{g Ca}^{2+}}{1\text{mol Ca}^{2+}}=\frac{0.20\text{ g Ca}^{2+}}{\text{kg soil}} \nonumber\]

Кількість адсорбованого Ca в загальному обсязі ґрунту становить

\[\frac{0.20\text{ g Ca}^{2+}}{\text{ kg soil}}\times\frac{2,800,000\text{ kg soil}}{1\text{ ha}}\times\frac{1\times\text{ kg Ca}^{2+}}{1000\text{ g Ca}^{2+}}=\frac{560\text{ kg Ca}^{2+}}{ha} \nonumber\]

У наведеній вище проблемі, скільки Al ³⁺ може адсорбуватися ґрунтом?

Оскільки валентність Al дорівнює 3, один моль Al має 3 молі заряду. Таким чином, грунт, який має 1 смоль _с/кг, може адсорбувати

\[\frac{1\text{ cmol}_\text{c}}{\text{kg soil}}× \frac{1\text{cmol Al}^{3+}}{3\text{ cmol}_\text{c}}=\frac{0.33\text{ cmol Al}^{3+}}{\text{kg soil}} \nonumber\]

Атомна маса Al становить 26.981538, тому грунт може адсорбувати

\[\frac{0.33\text{ cmol Al}^{3+}}{\text{kg soil}}\times\frac{1\text{ mol Al}^{3+}}{100\text{ cmol Al}^{3+}}\times\frac{26.982\text{ g Al}^{3+}}{1\text{ mol Al}^{3+}}=\frac{0.09\text{ g Al}^{3+}}{\text{kg soil}} \nonumber\]

Кількість адсорбованого Al в загальному обсязі ґрунту становить

\[\frac{0.09\text{ g Al}^{3+}}{\text{ kg soil}}\times\frac{2,800,000\text{ kg soil}}{1\text{ ha}}\times\frac{1\times\text{ kg Al}^{3+}}{1000\text{ g Al}^{3+}}=\frac{252\text{ kg Al}^{3+}}{ha} \nonumber\]

Розрахунки ємності катіонного обміну

_{Розрахуйте, скільки кг/га наступних катіонів цей грунт (при ЦВК 1 смоль с/кг) міг адсорбувати.}

Mg ²⁺, при атомній масі 24,305:

Na ⁺, з атомною масою 22,990:

H ⁺, при атомній масі 1,008:

К ⁺, при атомній масі 39,098:

Розрахунки насиченості бази

Ca ²⁺, Mg ²⁺, K ⁺ та Na ⁺ називаються основними катіонами, оскільки, коли вони знаходяться в розчині, рішення є основним. На відміну від них, H ⁺ і Al ³⁺ вважаються кислими катіонами, оскільки вони знижують рН розчину.

Тому насиченість бази є

\[\text{Percent base saturation}=\frac{\text{ cmol}_\text{c}\text{ of base cations}}{\text{total CEC of the soil}}\times100\text{%} \nonumber\]

Лужний ґрунт, виявлений у напівпосушливому регіоні, може мати такі характеристики катіонного обміну (на кг ґрунту):

• 9,0 см см _см Ca ²⁺
• 2,5 _см мл мг ²⁺
• 0,5 смол _с К ⁺
• 2,0 см _см Ал ³⁺
• 2,0 см _см х H ⁺

Якщо ці катіони єдині на обмінних ділянках цього грунту, що таке відсоткове насичення основи?

Діяльність 5. Розрахунок в порівнянні з оцінкою ЦВК

Розрахувати ЦВК можна двома способами: метод суми катіонів і метод мінералогії.

Метод підсумовування катіонів

Якщо у вас є аналіз ґрунту, де перераховані кількості всіх катіонів у ґрунті, просто підсумовуючи всі ці обмінні кількості, дасть ЦВК, яку ви виявили в попередніх проблемах.

Метод «Мінералогія»

Як ви знаєте з вашого читання та обговорення на заняттях, глинисті мінерали мають ряд значень для ЦВК. Якщо відома мінералогія глинистої фракції (тобто вид і кількість кожного глинистого мінералу), то ЦВК можна наблизити.

Щоб полегшити ці розрахунки, таблиця 13.4 містить репрезентативні значення, які ЦВК слід використовувати у всіх розрахунках для цього класу, якщо не вказано інше. Однак у природі ці грунтові колоїди матимуть діапазон значень.

Таблиця 13.4. Типовий ЦВК різних колоїдів грунту.

Мінеральний або колоїдний тип	ЦВК чистого колоїду
	смоль/кг
каолініт	10
іліт	30
монтморилоніт/смектит	100
вермикуліт	150
перегній	200

Як приклад цього мінералогічного підходу до розрахунків ЦВК розглянемо ґрунт із 100% глиною, де глина 100% - каолініт. _{ЦВК тоді становитиме 10 смоль с/кг.} Якщо ґрунт містить лише 10% каолініту (або 10 кг глини в 100 кг ґрунту), ця глина сприятиме

\[\text{Total CEC of the soil}=\frac{10\text{ cmol}_\text{c}}{\text{kg clay}}\times\frac{10\text{ kg clay}}{100\text{ kg soil}}=\frac{1.0\text{ cmol}_\text{c}}{\text{kg soil}} \nonumber\]

Грунт прерії містить 30% глини. Ця глиниста фракція переважає монтмориллоніт. Грунт також містить 5% перегною (органіки).

Використовуючи метод мінералогії, яка ємність катіоніту (ЦВК) сприяє глина?

Яка розрахункова ємність катіонного обміну (ЦВК) сприяє гумус?

Яка загальна розрахункова ЦВК цього ґрунту?

Нижче наведені фактичні лабораторні дані для грунту в прикладі:

Таблиця 13.5. Змінні дані катіонів

Змінна кислотність	Змінні бази	Змінні бази	Змінні бази	Змінні бази
Н+ Ал3+	Са2+	Мг2+	К+	На+
—смоль/кг—	—смоль/кг—	—смоль/кг—	—смоль/кг—	—смоль/кг—
14,0	29	10	5.5	1.5

Обчисліть ЦВК за даними таблиці методом суми катіонів.

Що таке відсоткове насичення основи?

Якби ви хотіли замінити Na ⁺ на Ca ²⁺, скільки кілограмів Ca ²⁺ на 2 800 000 кг грунту вам знадобиться?

Завдання: Онлайн-вікторина

Вікторина для цієї лабораторії буде доступна в Інтернеті. Будь ласка, перейдіть до нього відповідно до вказівок вашого інструктора.