Лекция Вводная. Предмет «Физико-химические свойства почв»

1. Предмет «Физико-химические свойства почв». Структура курса.

2. Связь дисциплины с другими предметами. Ученые и их вклад в развитие данного вопроса. Литература, необходимая для изучения дисциплины.
1. Предмет «Физико-химические свойства почв». Структура курса.

«Физико-химические свойства почв» - это дисциплина, изучающая физико-химические процессы в почве с помощью почвенных коллоидов, поглотительной способности, буферных, окислительно-восстановительных свойств, почвенных растворов, от которых зависят плодородие почв и выращивание с\х культур. Знания в этой области необходимы для разработки научно-обоснованных систем удобрений, севооборотов, проектов мелиорации земель в каждой конкретной зоне для определенного типа почв с учетом почвозащитных и энергосберегающих технологий.

Данная дисциплина изучается 1 семестр в количестве 62 часов, из которых 54 – аудиторных (18- лекции и 36- лабораторные) и 26 – самостоятельная работа.

Включает в себя 2 модуля:

1. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв.

2. Почвенный раствор. Кислотность, щелочность и буферность почв. Окислительно-восстановительные процессы.

Форма итогового контроля – зачет.

Лабораторные занятия 2-х часовые, один раз в неделю. Проходят в режиме: выполнение анализов, расчеты, выводы, решение практических задач. На основании этого в конце семестра проводится деловая игра, которая оформляется в виде реферата.

Кто хорошо занимается, не имеет пропусков – получают зачет автоматом. Менее 42 баллов – к зачету не допускаются; 43-59 – сдают зачет; более 60 – автомат. Пропуски по лекциям – отчитываются лектору.
2. Связь дисциплины с другими предметами. Ученые и их вклад в развитие данного вопроса. Литература, необходимая для изучения дисциплины.

Изучение курса «Физико-химические свойства почв» базируется на знаниях общей, органической, физической и коллоидной химии, физики, ботаники, физиологии растений, геологии и др. наук. И является основой для успешного освоения таких специальных дисциплин как агрохимия, земледелие, растениеводство, кормопроизводство, с\х мелиорация, ландшафтный дизайн, землеустроительное проектирование, землеустройство, земельный кадастр и др.

В изучении разных разделов принимали участие многие ученые. Так первые представления о почвенных коллоидах появились в 18 веке. Академик Гедройц К.К. одними из первых указал на значение свойств коллоидов в почвообразовании. Также коллоидами занимались Вильямс В.Р., Антипов-Каратаев И.Н., Александрова Л.Н., Тюлин А.Ф., Кононова М.М., Думанский, Борщов, Хан Д.В., Келлерман.В.В., Малькаури, Вигнер, Андреев Б.А., Парфенов А.И., Горбунов Н.И., Данилова Е.А., Синицына Н.Е.

Поглотительной способностью почв занимались англ. Ученый Уей, Маттсон, Гедройц.

Почвенный раствор изучали Высоцкий Г.Н., Шмук А.А., Крюков П.А. и др.

Окислительно-восстановительными процессами занимались Сердобольский И.П., Орлов Д.С., Кауричев И.С.

Литература:

1. 
   Кауричев И.С. Почвоведение
   
2. 
   Муха Д.В. Агропочвоведение
   
3. 
   Возбуцкая А.Е. Химия почв
   
4. 
   Горбунов Н.И. Почвенные коллоиды
   
5. 
   Орлов Д.С. Химия почв
   

1. Понятие о почвенных коллоидах и краткие сведения о них.

2. Минералогический и химический составы почвенных коллоидов.

3. Строение коллоидной мицеллы. Электрокинетические свойства почвенных коллоидов. Гидрофильность и гидрофобность почвенных коллоидов.

4. Коагуляция и пептизация почвенных коллоидов и их значение в почвенном плодородии.

5. Тиксотропное состояние почв и его отрицательное значение в с\х производстве.

6. Роль коллоидов в создании почвенной структуры.
1. Понятие о почвенных коллоидах и краткие сведения о них.

Почва является сложной полидисперсной системой. Она состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз, которые находятся в тесном взаимодействии между собой. Жидкая и газообразная фазы наиболее активны. Твердая фаза инертна, но ей принадлежит огромная роль в питании растений, т.к. она содержит основные элементы питания для растений.

Твердая часть почвы состоит из частиц различного размера. Большая роль в поглотительной способности в почве принадлежит ее тонкодисперсной части и в особенности коллоидам.

Коллоиды – это частицы, размер которых находится в пределах 0,0001-0,02 нм (или 0,001-0,2 мк).

Образование коллоидов в почве происходит 2-мя путями:

1) В результате раздробления крупных частиц, в процессе физического и химического выветривания;

2) Конденсационным путем вследствие химического и физического соединения молекул или ионов.

Коллоиды принимают активное участие в физико-химических процессах. Их отдельно выделяют в почвенно-поглощающий комплекс (ППК).

Вследствие малого размера коллоидные частицы имеют большую общую поверхность и большую поверхностную энергию, благодаря которой обладают способностью поглощения.

Количество коллоидов в почве колеблется от 1-2 до 30-40 % к массе почвы. Содержание их зависит от: 1) содержания гумуса и его качества; 2) гранулометрического состава.

По почвенному профилю коллоиды распределены неодинаково в зависимости от типа почв. В черноземных, каштановых и дерновых почвах коллоиды распределены по профилю равномерно; подзолистых, дерново-подзолистых и серых лесных почвах коллоиды накапливаются в горизонте В.

Так первые представления о почвенных коллоидах появились в 18 веке. Академик Гедройц К.К. одними из первых указал на значение свойств коллоидов в почвообразовании. Также коллоидами занимались Вильямс В.Р., Антипов-Каратаев И.Н., Александрова Л.Н., Тюлин А.Ф., Кононова М.М., Думанский, Борщов, Хан Д.В., Келлерман.В.В., Малькаури, Вигнер, Андреев Б.А., Парфенов А.И., Горбунов Н.И., Данилова Е.А., Синицына Н.Е.
2. Минералогический и химический составы почвенных коллоидов.

Почвенные коллоиды состоят из минеральных, органических и органо-минеральных веществ.

Минеральные коллоиды представлены в основном вторичными минералами: глинистыми минералами (каолинит и монтмориллонит), полуторными окислами железа и алюминия, гидрослюдами.

Из первичных минералов в коллоидной фракции встречается в небольших количествах кварц и слюды. Кварц обладает значительной стойкостью и сохраняется даже при высокой степени выветривания, в отличие от других первичных минералов, таких, как полевые шпаты, которые в измельченном состоянии легко поддаются выветриванию и поэтому практически отсутствуют в мелких фракциях.

Чаще всего встречаются в почвах глинистые минералы (алюмосиликаты), которые обладают высокой емкостью поглощения, особенно монтмориллонит (Е – 80-120 мг-экв\100 г почвы), у каолинита Е = 10 - 20 мг-экв\100 г почвы.

Глинистые минералы играют особое значение в плодородии почв.

Монтмориллонитовая группа встречается в основном в рыхлых почвах, имеет 3-х слойную кристаллическую решетку, состоящую из 2-х тетраэдров и 1 октаэдра. За счет этого строения связь химических элементов слабая, проникновение воды хорошее, что усиливает набухание, липкость, связность почв и их распыленность.

Каолинитовая группа состоит из 2-х слойной кристаллической решетки (октаэдра и тетраэдра). Это более прочная связь, вода проникает труднее и такие почвы не набухают. Глинистые минералы способны к коагуляции при воздействии с 2-х и 3-х валентными катионами и легко пептизируются при подщелачивании (натрий и калий).

Кремниевые кислоты – образуются за счет гидролиза силикатных минералов и при взаимодействии с кальцием и магнием образуют прочные соединения, которые обуславливают в почве цементирующее действие.

Характерной особенностью органических коллоидов является высокая емкость поглощения 100-200 мг-экв\100 г почвы. Органические коллоиды находятся в тесной связи с минеральными коллоидами и небольшая часть находится в свободном состоянии.

Чтобы понять свойства почвенных коллоидов, необходимо ознакомиться с их строением.

Коллоидная частица, вместе с находящимся на ее поверхности слоями ионов и молекул воды, называется коллоидной мицеллой ( по Вигнеру Г.).

Во влажном состоянии мицеллы могут быть (хотя и не всегда) отделены друг от друга раствором, который называется межмицеллярным или интермицеллярным раствором. Внутренняя часть мицеллы называется ядром, которое представляет собой агрегат недиссоциированных молекул какого-либо вещества (глинистые минералы, гуминовые кислоты, кремнезем, гидроксид алюминия и др.). На границе с дисперсной средой в результате диссоциации внешних молекул ядра или поглощения ионов из дисперсионной среды, на поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов (ионогенный слой). Внутренние, т.е. находящиеся на ядре, ионы называются потенциалопределяющими, а внешние – компенсирующие противоположнозаряженные. Потенциалопределяющие ионы обычно имеют отрицательный заряд, а компенсирующие – положительный. Компенсирующие ионы в почвоведении называют обменными или поглощенными катионами. Сумма этих катионов составляет емкость поглощения почв. Значительная часть поглощенных катионов расположена рядом с потенциалопределяющими ионами и образует неподвижный слой ионов. Над ним лежит диффузный слой ионов, постепенно сливающийся с интермицеллярным раствором. Ядро мицеллы вместе с потенциалопределяющими ионами называется гранулой. Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называется частицей.

Схема строения коллоидной мицеллы

Таблица
В результате диффузии внешнего слоя между потенциалопределяющим и диффузным слоями возникает разность потенциала, которая обуславливает заряд коллоидной частицы и называется электрокинетическим или дзета-потенциалом. Величина его в разных почвах колеблется от 0 до 40-70 мВ в зависимости от природы коллоидов, поглощенных катионов, состава и концентрации солей в почвенном растворе. Когда электрокинетический потенциал равен 0, коллоид находится в электронейтральном или изоэлектрическом состоянии, называемом изоэлектрической точкой коллоида.

Величина потенциала имеет большое значение для свойств почвенных коллоидов. При высоком потенциале 60-70 мВ, когда силы электрического отталкивания между частицами велики, коллоиды при достаточной влажности почвы представлены золями. И такие почвы расплываются, вязкие и липкие. При низких значениях (30-40 мВ) потенциала силы притяжения между частицами выше и коллоиды представлены гелями.

В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое коллоиды могут иметь отрицательный, положительный или переменный заряд:

1) Ацидоиды – поверхность частиц заряжена отрицательно, обменными ионами являются катионами. К ним относятся минеральные, органические и органо-минеральные коллоиды, представленные гумусовыми кислотами, кремнекислотами, глинистыми минералами. Преобладают в черноземах, каштановых, дерновых, серых лесных почвах.

2) Базоиды – поверхность частиц заряжена положительно, обменными ионами являются гидроксильные ионы и другие анионы (гидрат окиси железа).

3) Амфолитоиды – поверхность частиц заряжена положительно или отрицательно в зависимости от рН среды. В кислой и нейтральной среде ведут себя как базоиды, а в щелочной – как ацидоиды. К амфолитоидам принадлежат гидроокиси железа и алюминия и органические коллоиды, представленные белковыми веществами, в основном плазмой микроорганизмов.

Заряд коллоидов легко обнаружить с помощью явлений электроосмоса и электрофореза.

Различное строение коллоидов сказывается на их свойствах и свойствах всей почвы.

По отношению к жидкой фазе почвенные коллоиды делятся на гидрофильные и гидрофобные коллоиды. Частицы первых адсорбируют на своей поверхности молекулы и гидротированные ионы жидкой фазы. Поэтому каждая частица гидрофильного коллоида окружена жидкой оболочкой (ГК, кремнекислота, монтмориллонит).

Частицы гидрофобных коллоидов не адсорбируют молекул жидкой фазы. Поэтому такие почвы характеризуются плохой смачиваемостью (гидроокиси железа и алюминия, каолинит).
4. Коагуляция и пептизация почвенных коллоидов и их значение в почвенном плодородии.

В зависимости от наличия или отсутствия заряда коллоиды могут находится в состоянии золя или геля.

Благодаря наличию одноименных зарядов коллоидные частицы в растворе не могут сближаться, а находятся во взвешенном состоянии. При лишении заряда они сближаются, сталкиваются и слипаются друг с другом. Процесс соединения коллоидных частиц называется коагуляция, следующее за ним осаждение - седиментация. Минимальная концентрация солей, при которой наступает коагуляция коллоидов называется порогом коагуляции.

Обратный процесс коагуляции, т.е. переход из геля в золь называется пептизация. Это связано с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением дзета-потенциала. Не все коллоиды могут легко переходить из состояния геля в золь. Такие коллоиды называют необратимыми. Коллоиды, переходящие из золя в гель и обратно, называют обратимыми.

В природных условиях коагуляция происходит под влиянием периодического высушивания почвы, нагревания, увлажнения, промораживания, изменения реакции среды и других причин. Почвенные коллоиды теряют водную оболочку, электрический заряд, слипаются друг с другом и выпадают в осадок.

При насыщении ППК катионами натрия образуется золь, что приводит к распыленности почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и гидратации. Замещение натрия кальцием способствует переходу из золя в гель и образованию водопрочной структуры.

Коагулирующая способность катионов возрастает с увеличением их валентности и атомного веса:

Li4