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.