شیمی خاک [بایگانی] - سایت علمی نخبگان جوان

توجه ! این یک نسخه آرشیو شده میباشد و در این حالت شما عکسی را مشاهده نمیکنید برای مشاهده کامل متن و عکسها بر روی لینک مقابل کلیک کنید : شیمی خاک

*FATIMA*

26th November 2010, 02:30 AM

فصل دوم : پدیده تبادل کاتیونی در خاک
قدرت جذب خاک
کلوئیدهای الکترونگاتیو (با بار منفی) مانند کلوئیدهای رسی و هوموسی در اطراف مولکولهای خود عده ای از کاتیون ها را جذب میکند که همراه با خود مولکول در حرکت میباشند . این کاتیونها یا از یون H+ یا از کاتیونهای معدنی از جمله Ca2+ , Mg2+ , K+ , Na+ تشکیل شده اند . تمام این یونها را یونهای تبادلی میگویند ، زیرا میتوانند در تبادل و جانشینی یون های مثبت دیگر که در محلول خاک صورت میگیرد ، شرکت کنند . تبادل بین یون های جذب شده به وسیله کمپلکس جذب کننده و یونهای محلول خاک تا زمانی که از نظر کمی مقدارشان تغییر نکند ، پیوسته و مداوم است . در خاکهای خنثی کلوئیدها اساساً از یونهای قلیایی و در خاکهای اسیدی از یونهای هیدروژن و آلومینیوم احاطه شده اند و در اثر آهک دهی در خاکهای اسیدی یونهای هیدروژن و آلومینیم به وسیله یونهای کلسیم جانشین میشوند .
هنگامی که عناصر معدنی در خاک تخریب میشوند ، کاتیونهای معدنی آنها آزاد شده ، جذب کمپلکس جذب کننده ی خاک شده و منبع اصلی عناصر معدنی قابل جذب گیاه را تشکیل میدهند . این کاتیون ها خواه در اثر تبادل مستقیم با ریشه ها جذب آن شده یا داخل محلول خاک شده و کم کم جانشین کاتیون های جذب شده به وسیله گیاه گردیده و مورد استفاده قرار میگیرند . از طرفی بعضی یون های تبادلی مانند آمونیم و پتاسیم در برخی حالات خاصیت تبادلی را از دست داده و داخل ورقه های رس قرار میگیرند و به صورت غیر قابل جذب درمی آیند (پدیده رتروگراداسیون) .
اطراف مولکولهای جذب کننده خاک عده ای از ماتیونها جذب شده است و اطرافشان را نیز قشر آبی احاطه کرده که مجموعاً محلول داخلی (محلول اطراف مولکول) نامیده میشود . این محلول برعکس محلول خارجی (محلول داخل خاک) آزاد نمیباشد .
غلظت هر یک از یون ها در دو محلول داخلی و خارجی متفاوت است ، ولی تعادلی بین آن دو وجود دارد . هر گونه تغییرات نسبی که در غلظت یک یون بین دومحلول انجام شود ، موجب جابجایی آنها میگردد . تحرک یونها در محلول خارجی آزاد است ، ولی در محلول داخلی در اثر یونهای مجاور محدود میباشد . عموماً در محلول داخلی دو لایه یون وجود دارد : لایه داخلی که در مجاورت بارهای منفی کلوئید بوده و به سختی به وسیله آنها نگهداری میشود و لایه خارجی که براحتی قابل تبادل و جابجا شدن است و در تغذیه گیاهان نقش بسیار مهمی دارد . اگر یون محلول به خاک اضافه شود ، غلظت آن در محلول خارجی زیاد شده ، تمایل به جذب شدن در محلول داخلی پیدا میکند . این عمل جذب به تدریج که به تعادل نزدیک میشود ، بیش از بیش کند میشود و هرگز کامل نخواهد شد . تعادل عموماً در یک درصد معین از یونهای اضافه شده به دست می آید . مثلاً اگر به یک مونت موریونیت اشباع شده از آمونیم یک نمک منیزیم اضافه کنیم ، تعادل وقتی برقرار میشود که فقط 80% منیزیم اضافه شده جذب گردد ، ولی اگر به جای آن یک نمک سدیم اضافه شود ، تعادل وقتی برقرار میگردد که فقط 60% آن جذب شده باشد ، پس تمام یون ها به یک شدت جذب نمیشوند . این امر به چند عامل بستگی دارد مانند آبگیری ، ظرفیت الکترونی یون و ... .قدرت جذب یونها به ترتیب
Li+ < Na+< H+ < NH4+ < Mg2+ < Ca2+ < Ba2+
قانون گاپون
قانون گاپون تعادل موجود بین محلول داخلی و خارجی را برحسب فعالیت یون های موجود در این دو محلول تعیین میکند . در این تعادل غلظت نسبی یونها و ضریب فعالیت آنها (که درجه تحرک آنها را در محلول نشان میدهد) تأثیر دارد .
f ضریب فعالیت × C غلظت = A فعالیت یونی
فعالیت یونی به طور معکوس متناسب با غلظت است ، اما به درجه آبگیری و ظرفیت یونی نیز بستگی دارد . در محلولهای خیلی رقیق فعالیت یونی ماکزیمم و خیلی نزدیک به غلظت بوده و در نتیجه ضریب فعالیت نزدیک به یک است . اگر غلظت اضافه گردد ، فعالیت یونی کم میشود . کاهش فعالیت یونی برای یونهای دو ظرفیتی بیشتر از یونهای یک ظرفیتی و برای یونهای کم هیدراته شدیدتر از یون های خیلی هیدراته است .
مقدار ضریب گاپون اگرچه در غلظت خیلی کم با غلظت زیاد تفاوت فاحش دارد ، ولی در غلظت هایی که در خاک دیده میشود ، معمولاً ثابت است . از فرمول فوق میتوان نتایج زیر را به دست آورد :
1/ تأثیر جذب نسبی دو یون با غلظت های مختلف در محلول خارجی : فعالیت یون ها با رفت محلول آنها افزوده میشود ، یون های بیشتر رقیق شده نسبت به یون های غلیظ بهتر جذب میشود .
2/ تأثیر آبگیری یونها : اگر برای دو یون در محلول خارجی ، ظرفیت و غلظت مساوی باشد ، یون های کم هیدراته با ارجحیت بیشتری جذب میشوند ، مثلاً پتاسیم بیشتر از سدیم و کلسیم بیشتر از منیزیم قدرت جذب دارد .
3/ تأثیر ظرفیت : طبق فرمول گاپون فعالیت های یون های دو ظرفیتی به نسبت جذر آنهاست . پس میتوان نتیجه گرفت که یون های دو ظرفیتی نسبت به یون های یک ظرفیتی یه طور قویتری جذب شده اند . البته این اثر در غلظت های خیلی زیاد محلول خارجی کم میشود .
اثر عوامل مختلف در تغییرات تعادل
اثر تغییرات غلظت محلول خاک :
وقتی که محلول خاک در فصل بارندگی رقیق میشود ، فعالیت کاتیون های دو ظرفیتی نسبت به یک ظرفیتی ها افزایش یافته ، در نتیجه جذب آنها را به وسیله کلوئیدهای خاک آسان میسازد . لذا در مناطق مرطوب یک ظرفیتی ها و در مناطق خشک دوظرفیتی ها جذب گیاه میشوند . گیاهان در فصل مرطوب یون های یک ظرفیتی (سدیم و پتاسیم) و در فصل خشک یون های دو ظرفیتی (کلسیم و منیزیم) را جذب میکنند .
در آب و هوای مرطوب آبشویی یون های یک ظرفیتی نسبت به یون های دو ظرفیتی مساعدتر میباشد ، زیرا در فصل بارندگی یون های یک ظرفیتی در محلول خاک قرار میگیرند و از طرف دیگر زهکشی نیز در این فصل شدیدتر است و در نتیجه آبشویی آنها خیلی شدید میباشد . برعکس در فصل خشک از طرفی محلول خاک از یون های دو ظرفیتی غنی است و از طرف دیگر در این فصل آبشویی وجود ندارد .
اثر ظرفیت تبادلی :
ظرفیت تبادلی در جذب انتخابی یونها نقش مهمی را بازی میکند . در محیط های هوموسی یون های هیدروژن و سپس کلسیم به مقدار بیشتری جذب شده اند ، در حالی که در خاکهای حاوی رس ایلیت ، یون های هیدروژن ، پتاسیم و آمونیم با نیروی زیادی جذب میشوند ، زیرا ابعاد کوچک آنها نفوذشان را در داخل لایه های رس آسان میسازد .
* کمپلکس های مونت موریونیت – هوموس ، عموماً از کلسیم و منیزیم اشباع میباشند .
* خاکهای حاوی رس ایلیت ، دارای خاصیت اسیدیته کم و فقیر از هوموس به وسیله کلسیم ، پتاسیم و آمونیم اشباع میباشند .
* خاکهای حاوی رس ایلیت و اسیدی به وسیله یونهای Al3+ اشباع میباشند .
اثر یونهای اضافی :
هر یک از یونهای جذب شده بر دیگری اثر میگذارد و این عمل در قابلیت جذب یون ها به وسیله گیاهان تأثیر بسزایی دارد . مثلاً ازدیاد یون هیدروژن در یک محیط اسیدی ، نیروی نگهداری یونهای دیگر را به وسیله کلوئیدها کم کرده و در نتیجه قابلیت جذب آنها را کم میکند . در این گونه محیط ها یون هیدروژن قشر خارجی محلول داخلی را تشکیل داده و یون های دیگر در قشر داخلی قرار میگیرند و در نتیجه کمتر قابل جابجا شدن هستند .
ورود یونهایی که با نیروی بیشتری تثبیت میشوند ، موجب بالا رفتن قابلیت تبادل یونهایی که با نیروی کمتری جذب شده اند ، میگردد . مثلاً افزایش کلسیم (آهک دهی) در خاکهای اسیدی ، قابلیت جذب یون پتاسیم را بهبود میبخشد . این عمل در حاصلخیزی خاکها و احیاء گونه های جنگلی که دچار کمبود پتاسیم در خاکهای اسیدی هستند ، نقش اساسی بازی میکند .
اثر تبادلهای متوالی :
طبق فرمول زیر ، بسته به آنکه واکنش در یک خاک اشباع شده از کلسیم رخ دهد یا در یک خاک اشباع شده از آمونیم جهت پیشرفت واکنش متفاوت است . اگر خاک از یک رس آهکی تشکیل شده باشد ، کلسیم قرار گرفته در محلول در اثر مجاورت CLNH4 خیلی ضعیف خواهد بود ، زیرا یونهایی که در ابتدا تثبیت میشوند ، نسبت به یون های بعدی با نیروی بیشتری نگهداری میگردند ، در حالی که یون هایی که بعداً تثبیت شده اند به سهولت قابل تبادل بوده ، بیشتر قابلیت جذب گیاهی را دارند . روی همین اصل است که یون افزوده شده به وسیله کودهای شیمیایی همیشه بیشتر از یونی که قبلاً تثبیت شده است ، قابلیت جذب گیاهی را دارد ، حتی اگر خاک غنی از این عنصر باشد .
کلرو کلسیم + رس آمونیم ↔ کلرو آمونیم + رس کلسیم
حالت کمپلکس جذب کننده در خاک
شاخص هایی که حالت کمپلکس جذب کننده خاک را تعیین مینمایند ، عبارتند از :
1/ ظرفیت کل تبادل کاتیونی : که آن را با T یا C. E. C (Cation Exchangeable Capacity) نشان داده و برحسب میلی اکی والان در صد گرم خاک خشک تعیین مینمایند و عبارت است از حداکثر کاتیون های فلزی که خاک میتواند به صورت تبادلی در خود نگه دارد.
2/ کل کاتیون های تبادلی یا کل بازهای تبادلی : که آن را با S یا T.E.B (Total Exchangeable Bases ) نشان داده و برحسب میلی اکی والان در صد گرم خاک خشک تعیین میشود و عبارت است از مقدار کل کاتیون های قلیایی خاکی یا قلیایی که خاک در وضع موجود به صورت تبادلی در خود نگه میدارد (مجموع کاتیون های سدیم ، پتاسیم ، منیزیم ، کلسیم) .
اختلاف ظرفیت کل تبادل کاتیونی و کل بازهای تبادلی (T-S ) عبارت است از مجموع یون های تبادلی مولد اسیدیته خاک که ممکن است از هیدروژن تبادلی یا از یون آلومینیم تبادلی تشکیل شده باشد .
3/ درصد اشباع کمپلکس جذب کننده یا درصد اشباع بازی : که آن را به V یا B.S.P (Basic Saturation Percentage ) نشان داده و عبارت است از : V= (S|T)100
ظرفیت کل تبادل کاتیونی که بسته به مقدار کلوئیدهای خاک متفاوت است ، متغیری باارزش در تفسیر وضع شیمیایی خاک میباشد ، زیرا مقدار آن در هر خاک در PH معین تا وقتی که تغییری در میزان کلوئیدهای آن خاک داده نشده است ، ثابت و پایدار میماند .
خاکهای حاوی آهک فعال (راندزین ها) همیشه دارای درصد اشباع بازی نزدیک به 100 هستند ، در حالی که خاکهای فقیر از آهک فعال دارای اشباع متغیر میباشند .
خاکهای معدنی را میتوان بر حسب درجه اشباع و طبیعت یون های جذب شده به شرح زیر طبقه بندی نمود :
1/ خاکهای با کمپلکس جذب کننده تقریباً اشباع :
اشباع از یونهای Ca2+ , Mg2+ مانند راندزین ها و چرنوزوم ها .
اشباع از یون Na+ مانند خاکهای شور سولونتز
2/ خاکهای با کمپلکس غیر اشباع :
دارای ظرفیت تبادلی ضعیف ، انهدام جزئی کمپلکس جذب کننده در افق های سطحی و اشباع از یونهای H+ , Al3+ مانند پدزول ها
دارای ظرفیت تبادلی خیلی ضعیف و انهدام تقریباً کلی کمپلکس جذب کننده مانند خاکهای فرالیتیک
به طور کلی هرچه مقدار رس و هوموس خاک بیشتر باشد ، ظرفیت کل تبادل کاتیونی خاک زیادتر است و با آن رابطه مستقیم دارد .
اصول اندازه گیری ظرفیت تبادل کاتیونی و کل کاتیونهای تبادلی خاک
برای اندازه گیری ظرفیت تبادلی و کاتیون های تبادلی امروزه از روش اشباع نمودن کمپلکس جذب کننده به طریق تبادل استفاده میشود . یعنی با عبور کند و تدریجی محلول استات آمونیم نرمال با PH=7 از روی مقدار معینی خاک این عمل را انجام میدهند . ولی باید خاطر نشان ساخت که اندازه گیری دقیق میزان ظرفیت کل تبادلی دشوار است ، زیرا بسته به نوع کاتیونی که برای اشباع خاک به کار برده میشود ، حتی برحسب غلظت خاک یا PH محلول تبادلی ، مقدار رس فرق میکند . میزان آن در PH=8/2 بیشتر از PH=7 است .
برای اندازه گیری دقیق ظرفیت کل تبادلی (T) برحسب نوع خاک با استفاده از محلولهای مختلف عمل میشود .
1/ خاکهای هوموسی : در این خاکها پس از استخراج کاتیون های تبادلی از روش استات آمونیم نرمال و شستن خاک به وسیله محلول 1/0 نرمال کلروکلسیم و آب از محلول نرمال کلرور سدیم استفاده میشود .
2/ خاکهای غیرهوموسی : در این خاکها پس از استخراج کاتیون های تبادلی از روش استات آمونیم نرمال و شستن خاک با الکل 95 درجه از محلول 5/0 نرمال کلرور سدیم استفاده میشود.
عوامل مؤثر در تغییر ظرفیت تبادلی کاتیونی خاک (T)
عوامل عمده ای که در تغییر میزان ظرفیت تبادل کاتیونی خاک مؤثر میباشند ، عبارتند از :
1/ ریزی و درشتی رس : یکی از منابع بار منفی در ساختمان رسها (که تأمین کننده ظرفیت تبادل کاتیونی میباشد ) اتصالات کناری آنهاست . پس هرچه سطح خارجی یا سطح تماس ذرات رس در واحد حجم بیشتر باشد (یعنی ذرات ریزتر باشند) ، تعداد این بارهای منفی نیز بیشتر است ، در نتیجه کاتیون های بیشتری را در اطراف خود جذب میکنند ، پس میزان ظرفیت تبادلی را بالا میبرد .
2/ اثر غلظت یون هیدروژن یا PH محلول خاک : میزان ظرفیت تبادل کاتیونی در PH های مختلف متفاوت است . طبق آزمایش های انجام شده در روی نمونه های مشابه از یک خاک با محلول استات آمونیم در PH های مختلف نشان داده میشود که ظرفیت تبادل کاتیونی تا PH=5 ثابت و از PH 5 تا 9 تدریجاً زیاد میگردد و سپس سریعاً کم میشود . مقدار افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی بین PH 5 تا 9 برای هر واحد PH بین 5/0 تا 3 میلی اکی والان در صد گرم خاک است . این تغییر مستقل از نوع رس و خاک بوده و درصد اشباع بازی خاک در آن نقشی ندارد .
3/ اثر کاتیون های تبادلی : کاتیون های تبادلی نسبت به نوعشان با نیروی متفاوتی جذب سطحی رسها میشوند . برخی کاتیونها در برخی از شرایط به صورت غیر قابل تبادل بر روی رس تثبیت میشوند و به این ترتیب مقدار واقعی ظرفیت تبادل کاتیونی آن را کاهش میدهد .
4/ اثر آنیونها : آنیون ها نیز سبب افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی میشوند . این ازدیاد ظرفیت به نوع آنیون های تبادلی بستگی دارد و مربوط به تشکیل کمپلکهای جدید از واکنشهای شیمیایی بین یونهای محلول ایجاد شده به محیط و یونهای محلول موجود در محیط که میتوانند نمک های نامحلول بدهند ، اضافه میشوند . به علاوه واکنش های بین هیدروکسیدهای Fe , Al یا تعویض آنیون های اضافه شده با یون های OH- موجود درسطح رسها نیز میتواند منشأ تشکیل کمپلکس های جدید شده و موجب افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی شود .
5/ محدودیت های انجام تبادل : محدودیت تبادل کاتیونی در خاک میتواند ناشی از موارد زیر باشد :
اسیدیته زیاد : وقتی محیط به حد کافی اسیدی شد ، یون های Al3+ از لایه آلومین خارج شده و بارهای منفی سطح رسها را خنثی میکنند و نمیگذارند مکان های تبادلی به وسیله سایر کاتیون ها اشغال شود و در نتیجه ظرفیت تبادل کاتیونی توسط Al کم میشود .
تثبیت برخی یون ها در لایه های رس : تثبیت K+ و NH4+ در رسهای ایلیت سبب فشرده شدن لایه های رس میشود و این فشردگی موقعیت های تبادل کاتیونی موجود بین لایه های رس را محبوس نموده و سبب کاهش ظرفیت تبادل کاتیونی میشود .
رسوب هیدرواکسیدها در بین لایه های رس : این پدیده نیز میتواند موقعیت های تبادل کاتیونی بین لایه های رس را محبوس نماید و موجب کاهش ظرفیت تبادل کاتیونی شود .
بزرگی یونهای آلی :یونهای بزرگ آلی وقتی جذب سطحی لایه های رس میگردند ، میتوانند موقعیت های تبادل کاتیونی رو بپوشانند . یعنی بارهای منفی که باید به وسیله کاتیونها جذب شوند ، در زیر آنها محبوس میگردد و در نتیجه میزان ظرفیت تبادل کاتیونی خاک کم میشود .
ادامه دارد ...