UKŁADY DYSPERSYJNE GLEBKOLOIDY GLEBOWE
Faza stała – związki mineralne, minerały pierwotne - minerały wtórne Faza płynna – wodne roztwory rzeczywiste i koloidalne o zmiennym składzie jakościowym i ilościowymFaza gazowa – składająca się z powietrza atmosferycznego, CO2 i pary wodnej
25
2550
5
Układ dyspersyjny – taki dwufazowy układ w którym cząstki ciała (np. ił) są rozproszone w innym ciele np. wodzie, która odgrywa rolę ośrodka dyspersyjnego. Właściwości układów dyspersyjnych zależą od właściwości ciała rozproszonego oraz właściwości ośrodka dyspersyjnego.Układ monodyspersyjny – faza rozproszona posiada jednakowe wymiary Układ polidyspersyjny – cząstki rozproszone mają różne wymiary.W zależności od stopnia rozdrobnienia cząstek zawieszonych wyróżniamy:1. Zawiesiny- układy zawierające cząstki >0,1µm widoczne w zwykłym mikroskopie, cząstki nie dyfundują, nie dializują, pozostając na sączkach zwykłej bibuły.2. Dyspersoidy- roztwory koloidalne – układy dyspersyjne zawierające cząstki o średnicy 0,1-0,001µm. Dyspersoidy słabo dyfundują, nie dializują, nie przechodzą przez ultrafiltry.
3. Roztwory rzeczywiste – zawierają cząstki <0,001µm. Roztwory rzeczywiste dyfundują, dializują, przechodzą przez ultrafiltry.
Koloidy glebowe w gleboznawstwie to takie układy, które zawierają w ośrodku dyspersyjnym cząstki o średnicy <1µm lub 2µm.
Cechy układów dyspersyjnych:Powierzchnia graniczna układów dyspersyjnych – najbardziej charakterystyczna wielkość układów dyspersyjnych. Określa wielkość powierzchni między fazą rozproszoną a ośrodkiem dyspersyjnym.Stopień rozdrobnienia układu dyspersyjnego charakteryzuje jednostkowa powierzchnia właściwaD =S/V [cm-1]gdzie S-całkowita powierzchnia fazy rozproszonej, V-objętość fazy rozproszonej
Układy koloidalne powstają pod wpływem:- wietrzenia- lodowców- wody- wiatru- utleniania- hydrolizy
Właściwości roztworów koloidalnychruchy Brouna – (cząstki <3µm)zjawisko Tyndala – (roztwory opalizują)
hydratacja cząstek koloidalnych – polega na przyciąganiu z ośrodka dyspersyjnego molekuł wody, tworzących wokół cząstek warstewkę tzw. wody hydratacyjnej
O O
OO
O
Dipole indukowane
HH
HH
H
H
H
H
HH
Schemat budowy miceli (wg. Gorbunowa)
jądro
wewnętrzna powłoka jonowa
warstwa nieruchomych, kompensacyjnych jonów
warstwa dyfuzyjna
cząstka koloidalna
micela
Potencjał elektrokinetyczny cząstki koloidalnejgdzie: E – elektrokinetyczny potencjał cząstki
ne – ładunek cząstki
d – średnia odległość między warstwami jonów
D – stała dielektryczna
r – promień jądra cząstki
E=(ne/Dr2)d
Jeśli jony warstwy dyfuzyjnej są kationami wówczas cząstki koloidalne sorbują z roztworów wymiennie kationy, jeśli są anionami sorbują aniony.Jony utrzymywane przez koloidy glebowe można uszeregować wg. wartościowościAl+++>H+>Ca++>Mg++>K+>Na+
Micela jest zawsze elektroneutralna.
Elektrokinetyczny potencjał cząstki koloidalnej zależy od grubości zewnętrznej warstwy kompleksujących jonów Im P> tym układ koloidalny jest trwalszy
Micela tego samego koloidu glebowego wysycana sodem będzie pochłaniała osmotycznie bardziej H2O niż micela wysycana CaKationy Ca++ i Mg++ słabiej dysocjują z miceli niż Na+
KOAGULACJA I PEPTYZACJAKoagulacja – obniżenie potencjału kinetycznego cząstki prowadzące do połączenia się pojedynczych cząstek koloidalnych w agregaty. W glebach „sorpcyjnie nasyconych” koagulatorami są Ca+
+ oraz Mg++. W glebie koagulacja zachodzi często podczas jej wysychania i niskiej temperatury. Ważne znaczenie z tego względu odgrywa orka przedzimowa.Mimo dyspergującego działania OH- gleby zasobne w wyżej wymienione jony nie tracą w stanie wilgotnym swej naturalnej budowy gruzełkowatej.
Pochodzenie ładunków elektrycznych koloidów glebowychniezależne od pHO2- Al3+ OH-
O2- Si4+ O2- brak
O2- Mg2+ OH-
O2- Al3+ O2- (nadmiar jednego ładunku)
- ładunki nietrwałe zależne od pHSiOH i AlOH na krawędziach kryształu
AlSi -O - .....H+ luźno związany wodór przy pH>6 jest wymieniany przez Ca i Mg
Drugim źródłem ładunków ujemnych są grupy karboksylowe (COOH) i fenolowe OH koloidów próchnicznych
Wzajemne wytrącanie się koloidów różnoimiennie naładowanych (wg. A. Musierowicza)
+
+
+
+
-
-
- -
Fe(OH)3-zol humus - zol
+
-
bez ładunku
agregt o ładunku:
+
+
++
--
-
-
Peptyzacja – zjawisko zwiększenia stanu rozdrobnienia zawiesin pod wpływem zwiększenia elektrokinetycznego potencjału cząstek.Peptyzację żeli powodują H+ oraz OH-
Układ ujemnie naładowany peptyzuje pod wpływem jonów OH- które wnikają w wewnętrzne powłoki jonowej zwiększając jej ładunek. Szczególnie podatne na dyspersję są gleby słone które zawierają większe ilości jonów Na+
Na2CO3+HOH=NaOH+NaHCO3
Prędkość peptyzacji zależy od stężenia substancji peptyzujących i temperatury.
Podział koloidów glebowych:
ze względu na ładunek:
Ujemnie naładowane koloidy- humus, krzemionka, silnie rozdrobnione minerały pierwotne, minerały ilaste, związki manganu
Dodatnio naładowane koloidy- Fe(OH)3, Al(OH)3, części składowe humusu tzw. kompleks ligninowo-proteinowy
W zależności od właściwości kwasowych, zasadowych czy obojętnych koloidów o różnym ładunku wydzielamy:
koloidy nieorganiczne- glinokrzemiany silnie rozdrobnione, minerały wtórne ilaste, krzemionka, Fe(OH)3, Al(OH)3, Ca3(PO4)2, CaCO3, MgO i inne.koloidy organiczne- koloidy próchniczne i żywe bakteriekoloidy hydrofilowe- koloidy uwodnione (duże powinowactwo w stosunku do wody) – otaczają się dużą ilością powłok wodnych. Należą tu krzemionka, humus, minerały ilaste. Posiadają charakter hydrofilny uzależniony od kationów wymiennych w warstwie powierzchniowej cząstek koloidalnych. koloidy hydrofobowe dają koagulaty, które trudno z powrotem peptyzują – koloidy nieodwracalne.Koloidy hydrofilowe koagulują odwracalnie dlatego nazywamy je odwracalnymi.koloidy ochronne- hydrofilowe koloidy, których obecność zapobiega lub utrudnia koagulację koloidów hydrofobowych, mają one znaczenie w procesach tworzenia się gleb. Do koloidów tych zaliczana jest kwaśna próchnica, próchnica słona.
•Zole – zawieszone w ośrodku dyspersyjnym oddzielone pojedyncze cząstki koloidalne.Dehydratacja zolu powoduje powstanie galaretowatego skupienia czyli żelu.
układ żel zol jest układem odwracalnymKoloidy glebowe występują głównie w postaci żeli.
Charakterystyka głównych koloidów glebowychStanowią najbardziej aktywną część gleby. Koloidy dzięki zdolności wiązania wody oraz zdolności pęcznienia i kurczenia wywierają wpływ na właściwości fizyczne, stosunki wodne, stosunki cieplne. W glebach zawierających skoagulowane wapniem cząstki koloidalne - głównie próchniczne - mają dobrą trwałą gruzełkowatą strukturę. Koloidy są magazynem odżywczym dla roślin.
Budowa próchnicy koloidalnej (wg. Buckmana i Brady’ego
COO-
COO-
COO-
COO-
-O-
-O-
-O-
-O-
-O-
jednostka
podstawowa
koloidu próchnicznego
Ca++
Mg++
K+
H+
NH4+
Na+
tetraedr oktaedr
Minerały ilaste dwuwarstwowe typu 1:1
minerały ilaste trójwarstwowe typu 2:1
Sorpcja kationów przez minerały ilaste w zależności od rodzaju klimatu
Ca++ Mg++ Na+ K+ H+ H+ Ca++ Mg++ Na+ K+
Klimat wilgotnyKlimat suchy
Grupy minerałów ilastych
Grupa kaolinitu – kaolinit, haloizyt, dikit. Sieć krystaliczna 1:1, odstępy pomiędzy warstwami są małe a sieć jest sztywna i nie ulega rozszerzeniu pod wpływem wilgoci. Posiadają niewielką zdolność pęcznienia i kurczenia się i wykazują małą plastyczność. W przestrzenie międzypakietowe nie przenika woda ani kationy. Dlatego posiada niewielką pojemność sorpcyjną.
Grupa montmorylonitu – montmorylonit, bejdelit, nontronit, saponit. Sieć krystaliczna typu 2:1. W czasie zwilżania wodą minerałów następuje rozszerzanie się odstępów między pakietami. Mogą wnikać w przestrzenie woda i jony. Silnie sorbują na powierzchni wewnętrznej. Wykazują dużą plastyczność, lepkość, pęcznienie oraz kurczliwość, gleby zawierające ten minerał łatwo tracą swą strukturę.
Grupa illitowa- illit. Budowa przestrzenna typu 2:1, jednak warstwy silniej powiązane niż w grupie montmorylonitu. Przyczyną tego jest potas występujący w przestrzeniach międzypakietowych. Powszechne minerały w glinach zwałowych i lessach.
Grupa wermikulitu i chlorytu – wermikulit, chloryt, układ przestrzenny typu 2:1, zawierają w siatce przestrzennej magnez, posiadają słabe właściwości pęczniejące
Tlenki i wodorotlenki żelaza i glinu –w środowisku kwaśnym posiadają ładunek dodatni a w zasadowym ujemny, koagulują łatwo pod wpływem zoli krzemionki i próchnicy. Są często spotykane w glebach brunatnych, bielicoziemnych i czerwonoziemnych.
Koloidalna krzemionka- powstaje w wyniku wietrzenia krzemianów i glinokrzemianów, struktura krystaliczna lub amorficzna, posiada właściwości hydrofilowe, ładunek ujemny.
Alofany- zbudowane z krzemionki i półtoratlenków, spotykane najliczniej w glebach wytworzonych z popiołów wulkanicznych. Posiadają wysoką pojemność w stosunku do kationów i anionów.
Koloidalny węglan wapnia, tlenek manganu, fosforan trójwapniowy jako koloidy wykazują właściwości hydrofobowe.