План организации СРС по курсу

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА Г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3
УМКД
УМКД 042-16-13.1.07
уровня
/03-2013
УМКД
Учебно-методические
Редакция № 1
материалы по
от .09.2013 г.
дисциплине
«Основы химикопедагогических
исследований»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Основы химико-педагогических исследований»
для специальности 5В011200 – «Химия»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2013
1
Содержание
1.
2.
3.
4.
Глоссарий
Лекции
Лабораторные занятия
Самостоятельная работа студента
4
7
45
47
2
ГЛОССАРИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Адсорбцией называется изменение концентрации вещества на поверхности раздела
двух фаз, обусловленное особыми свойствами поверхностного слоя.
Актуальная реакция почвы – реакция почвенного раствора, которая определяется
активной концентрацией водородных ионов.
Аллотропия – явление существования одного и того же химического элемента
в виде различных простых веществ.
Анион – положительно заряженный ион.
Атом - наименьшая частица химического элемента.
Буферность почвы – способность почвы противостоять изменению реакции.
Вещество простое - форма существования химического элемента в свободном
состоянии (гомоатомное химическое соединение).
Вещество сложное - форма существования химических соединений
(гетероатомное химическое соединение).
Внутрикомплексными или клешневидными соединениями, или хелатами,
называются соединения, состоящие из центрального металлического иона и
окружающих его радикалов органических молекул.
Водородная связь – химическая связь между атомом водорода одной молекулы
(или части молекулы) и сильноэлектроотрицательным атомом элемента другой
молекулы (или части молекулы).
Вторичные минералы образуются из первичных в результате воздействия
физических, химических и биологических факторов.
Выветривание – совокупность процессов физического и химического разрушения
минералов и горных пород на месте их залегания, в результате воздействия на них
колебаний температуры, воды, газов атмосферы и растворенных в воде,
жизнедеятельности организмов и др.
Гидратация представляет собой притяжение молекул воды к поверхности
минералов.
Гидролитической кислотностью называют ту часть почвенной кислотности,
которая определяется при помощи нормального раствора ацетата натрия с рН 8,2.
Гиматомелановые кислоты – не самостоятельная группа гумусовых веществ, а
спирторастворимая фракция гуминовых кислот.
Гуминовые кислоты представляют собой группу веществ, извлекаемых из почвы
щелочами (или другими растворителями) в виде более или менее темноокрашенного
раствора и осаждаемые кислотами в виде аморфного осадка – геля.
Дипольный момент – мера полярности связи.
Длина связи – расстояние между центрами атомов, образующих молекулу
Емкость поглощения почвы – способность почв удерживать то или иное
количество катионов в обменной форме.
Ионная связь – химическая связь между ионами, образуется между типичным
металлом и типичным неметаллом.
Катион – положительно заряженный ион.
3
Ковалентная связь – химическая связь, образующаяся общими электронными
парами.
Комплексные соединения – соединения, образующие при диссоциации сложный
комплексный ион.
Комплексный ион – ион, способный к самостоятельному существованию
состоящий из атома в определенной валентности, связанного с одной или
несколькими молекулами или ионами.
Константа нестойкости – величина, которая характеризует устойчивость
комплексного соединения, отношение произведения концентрации продуктов
распада комплекса к концентрации комплекса.
Константа решетки – наименьшее расстояние между центрами двух соседних
частиц в его элементарной ячейке.
Кристаллизация – процесс перехода вещества в кристаллическое, строго
упорядоченное состояние при затвердевании жидких тел, при испарении
растворителя из насыщенного раствора, при сублимации.
Кристаллическая решетка – пространственный каркас кристалла.
Магматические (массивно-кристаллические) породы образуются при остывании
расплавленной жидкой магмы, составляющей следующую за литосферой
внутреннюю оболочку Земли.
Металлическая связь – химическая связь, которую осуществляют относительно
свободные электроны между атомами и катионами металлов.
Метаморфические породы образуются из осадочных и магматических пород в
результате воздействия на них высокой температуры и давления.
Минерал – более или менее однородный в физическом и химическом отношениях
продукт природных реакций, входящий в состав земной коры.
Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства.
Молекулярная орбиталь – одноэлектронная волновая функция, описывающая
состояние электрона в молекуле.
Мононы – молекулы, из которых состоят мицеллы.
Первичные минералы – минералы, измельченные под влиянием физических
факторов выветривания, эти минералы в том или ином количестве присутствуют в
почве в химически неизмененном виде.
Плодородие – основное и специфическое свойство почвы, отличающее ее от горной
породы.
Полионы - это мицеллы.
Поляризуемость химической связи – способность ее становиться полярной или
более полярной под воздействием внешнего электрического поля.
Полярность химической связи – смещение электронов, осуществляющих
химическую связь в сторону более электроотрицательного атома.
Потенциальная кислотность почвы – способность почвы (ее твердых фаз) проявлять
себя при взаимодействии с растворами как кислота.
Почва – природное тело, образующееся в результате взаимодействия ряда
природных факторов, а также производственной деятельности человека.
Сероземы – почвы сухих субтропиков, образуются в условиях слабого увлажнения
и высоких температур.
4
Сродство к электрону –энергия, которая выделяется при присоединении электрона
к атому.
Степень окисления – условный заряд, который приписывается соединении, исходя
из предположения, что соединение состоит только из ионов.
Фаза – однородная часть системы, которая, обладая определенным комплексом
физических свойств, отделена резкой физической поверхностью от другой
однородной части, обладающей иным комплексом физических свойств.
Фульвокислотами называют гумусовые вещества желтой или красноватой окраски,
которые остаются в растворе после подкисления щелочной вытяжки из почвы и
выпадения в осадок гуминовых кислот.
Функциональные или реактивные группы представляют собой боковые цепи
линейно-полимеризованного
углерода,
которые
определяют
характер
взаимодействия гуминовых кислот с окружающей средой.
Химическая связь – взаимодействие двух или нескольких атомов,
обуславливающее образование химически устойчивой многоатомной системы и
характеризующееся
существенной
перестройкой
электронных
оболочек
связывающихся атомов.
Щелочные почвы – почвы с излишне высокими значениями рН.
Электроотрицательность – способность атома к поляризации химической связи
(притягивать к себе электронную плотность).
Элементный состав почв – набор и количественное соотношение химических
элементов в почвенной массе.
Энергия ионизации – энергия, необходимая для отрыва 1-го электрона от атома.
Энергия связи – энергия, которую нужно затратить для разрыва химичкой связи.
5
КРАТКИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Лекция № 1,2: Введение. Методологические подходы в современных химикопедагогических исследованиях.
Цель: раскрыть предмет, рассмотреть основные задачи и понятия химии почв,
элементный и минеральный состав почв.
Основные вопросы:
1. Современная химия почв, ее содержание и задачи.
2. Особенности элементного состава почв.
3. Материнские породы, их происхождение и состав.
СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЯ ПОЧВ, ЕЕ СОДЕРЖАНИЕ И ЗАДАЧИ.
Современная химия почвы призвана решать задачи, связанные с
происхождением, свойствами и использованием почв. Поэтому в качестве наиболее
общего ее определения можно дать следующее: химия почвы - это раздел
почвоведения, изучающий химические основы почвообразования и плодородия
почв. Основой для решения этих вопросов служит исследование состава, свойств
почв и протекающих в почвах процессов на молекулярном и коллоидном уровнях.
Согласно определению, предметом изучения химии почв является особое
естественноисторическое тело - почва.
Химия почв, как и почвоведение в целом, использует сравнительногеографический и профильно-генетический методы, но не располагает особыми
методами, позволяющими качественно отграничить химию почв от других разделов
почвоведения. Разработаны методы и показатели, характеризующие специфические
свойства почв. К их числу можно отнести показатели поглотительной способности
почв, групповой состав гумуса, профильное распределение элементов,
распределение элементов по группам подвижности и доступности растениям,
нитрификационная способность почв, но все, же эти методы не выводят химию почв
за рамки почвоведения. Неверно было бы рассматривать химию почв и как раздел
химии, поскольку ее главное целевое назначение - решение почвенных задач.
Правильное решение вопроса о месте химии почв в системе наук имеет важное
методологическое значение, так как оно определяет пути развития химии почв, ее
роль в решении народнохозяйственных задач.
Современную химию почв можно подразделить на четыре главных
направления:
 химия почвенной массы,
 химия почвенных процессов,
 химические основы почвенного плодородия,
 аналитическая химия почв.
В каждом из перечисленных направлений можно выделить ряд подразделов;
иногда химию почв сводят к первому (химия почвенной мaccы) и четвертому из
указанных разделов (аналитическая химия почв). Это неоправданно сужает химию
почв и даже отвлекает внимание от ее главных задач - химии почвообразования и
химических основ плодородия. Аналитическая химия почв поставлена в этом
6
перечне на последнее место не случайно. Несмотря на исключительную важность
методов, без которых невозможно решение проблем и задач первых трех
направлений, аналитическая химия выполняет служебную роль, давая
исследователю средства и инструменты для решения основных вопросов. И хотя
методическая работа предшествует собственно эксперименту, не следует забывать,
что метод должен подбираться и разрабатываться применительно к задачам
исследования.
Химия почвенной массы охватывает большой круг вопросов. Среди них
фундаментальное значение имеет учение о химическом составе почв, сведения о
котором лежат в основе практически любых вопросов почвоведения.
Для важнейших биогенных элементов оценены их запасы в почвах. Эти
сведения служат важнейшей фактической основой для решения вопросов генезиса
почв, валовой обеспеченности их элементами питания растений, долгосрочных
прогнозов продуктивности ландшафтов, а также для оценки состояния ландшафтов,
не затронутых влиянием техногенеза или изменяющихся в результате техногенеза.
Менее подробно изучен фазовый, или вещественный, состав почв, хотя для
управления почвенно-химическими процессами необходимы исследования на
молекулярном и надмолекулярном уровнях, первые этапы которых заключаются в
идентификации и количественном определении индивидуальных органических,
минеральных и органо-минеральных веществ, слагающих почвенную массу.
Методы идентификации разработаны для ряда почвенных компонентов:
тонкодисперсных минералов, легкорастворимых солей, групп специфических
гумусовых веществ, некоторых неспецифических органических соединений.
Идентификация индивидуальных соединений различных элементов в нативных
почвах возможна на основе изучения фазовых равновесий или стационарных
состояний. Разработка учения о вещественном (фазовом) составе почв - одна из
главных задач химии почв. Систематическое изучение химии отдельных элементов
в почвах составляет один из перспективных разделов химии почв. Это направление
смыкается с проблемой фазовых равновесий, которая решается в настоящее время
на основе принципов термодинамики; критерием равновесия в системе или
направления процесса служит изменение свободной энергии Гиббса.
В изучении строения и свойств почвенных компонентов главное внимание
почвоведы уделили глинистым минералам и гумусовым веществам.
Учение о почвенном гумусе развивалось в двух направлениях: первое из них
изучает гумусное состояние почв в связи с их генезисом и факторами
почвообразования, второе – исследование структуры и реакционной способности
специфических гумусовых кислот.
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ПОЧВ.
Элементный состав почв - первая и необходимая химическая
характеристика почв, на которой базируется понимание свойств почв, их генезиса и
плодородия. Без знания элементного состава почв глубокие почвенно-химические
исследования невозможны.
7
Элементным составом почв называют набор и количественное соотношение
химических элементов в почвенной массе. В качестве синонима «элементного
состава» иногда употребляют термин «валовой состав почвы», но он менее точен,
поскольку не поясняет, о каком именно составе (химическом, механическом) идет
речь. Слово «валовой» означает «общий», состоящий из всех компонентов. Поэтому
часто говорят о валовом, или общем, содержании элемента в почве, имея в виду все
его количество в почве независимо от форм соединений.
Элементный состав в химии почв и в почвоведении – важнейший показатель
химического состояния почв, их свойств и генезиса. Он используется для оценки
потенциального плодородия почв, а также при выборе и разработке методов
химического анализа почв.
По абсолютному содержанию в почвах все элементы могут быть объединены
в несколько групп. Первая группа включает Si и О, содержание которых составляет
десятки процентов, а в сумме они могут составлять 80-90% (и более) почвенной
массы. Вторая группа включает элементы, содержание которых в почве меняется от
десятых долей до нескольких процентов; это Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C. Первые две
группы - типичные макроэлементы. В третью группу входят Ti, Mg, Р, S, Н; их
количество в почвах выражается сотыми и десятыми долями процента, и по
содержанию они составляют переходную группу к микроэлементам. Микро- и
ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количествах n*10-3-n*10-10%, к ним
относятся Ba, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Cs, Se и другие элементы.
МАТЕРИНСКИЕ ПОРОДЫ, ИХ ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СОСТАВ.
Породы, из которых состоит литосфера (твердая оболочка Земли),
подразделяются по своему происхождению на три группы: магматические,
осадочные и метаморфические.
Магматические (массивно-кристаллические) породы образуются при
остывании расплавленной жидкой магмы, составляющей следующую за литосферой
внутреннюю оболочку Земли. К магматическим породам относятся: граниты,
сиениты, трахиты, порфиры, диабазы, базальты и др. Все эти породы имеют
кристаллическое строение, более или менее выраженное в зависимости от условий
остывания магмы. Если породы образуются в результате медленного охлаждения на
большей или меньшей глубине (интрузивные, или глубинные, породы), они состоят
из крупных хорошо различимых кристаллов (как, например, гранит). Если же магма
достигает дневной поверхности, как это бывает при вулканических извержениях, и
остывает быстро и неравномерно, то образующиеся породы (эффузивные, или
излившиеся, породы) имеют вид плотной массы, иногда включающей отдельные
крупные кристаллы (порфиры).
Классификация магматических пород:
1. Ультракислые (содержание SiO2 >75%)
2. Кислые (содержание SiO2 – 75- 65%)
3. Средние (содержание SiO2 – 65- 52%)
4. Основные (содержание SiO2 – 52- 40%)
5. Ультраосновные (содержание SiO2 – <40%).
8
Кислые породы, помимо большего содержания SiO2 , отличаются от основных
меньшим содержанием полуторных окислов, а также щелочноземельных оснований.
Магматические породы, составляя 95% литосферы, играют, однако, очень
небольшую роль на земной поверхности. Они подвергаются здесь разнообразному
воздействию физических, химических и биологических факторов, которые приводят
первоначальные массивы к разрыхлению и химическому изменению. В дальнейшем
измельченные продукты переносятся водой и ветром в более низкие части рельефа
и в конечном счете осаждаются на суше или на дне морей и других водоемов.
Метаморфические породы образуются из осадочных и магматических пород в
результате воздействия на них высокой температуры и давления. К
метаморфическим породам: принадлежат разнообразные сланцы (глинистые,
слюдяные, кремнистые); гнейсы; мраморы, образующиеся из известняков;
кварциты, образующиеся из песчаников. Большинство этих пород, подобно
магматическим, является древними геологическими образованиями и под влиянием
сложных денудационных процессов в настоящее время покрыто осадочными
породами. Метаморфические породы редко служат материнскими породами для
почв, встречаясь главным образом в горных областях.
Осадочные породы, покрывая большую часть суши, являются главными
почвообразующими породами.
Процессы выветривания магматических и метаморфических пород приводят к
образованию целого ряда продуктов разной степени измельчения и различного
химического состава. Часть их представляет собой результат механического
дробления первооначальных пород или нерастворимые продукты их химических
превращений; сюда относятся: брекчии, конгломераты, щебень, пески, песчаники,
глины, илы и т. д., объединяемые под названием механических или обломочных
пород.
Растворимые продукты выветривания в виде хлоридов, сульфатов, карбонатов,
фосфатов и других простых солей образуют такие породы, как каменная соль, гипс,
известняк, доломит, известковые; кремнистые, железистые туфы, фосфориты; они
возникают путем осаждения из растворов как морских, так и континентальных вод.
Это породы химического происхождения.
Часть осадочных пород имеет органическое происхождение. На дне морей и
других водоемов образуются осадки из скелетов отмерших организмов, состоящие
из кремнекислоты, углекислой извести, фосфорнокислой извести. К таким
органогенным породам относятся многие известняки, мел, трепел (радиоляриевая
земля), кизельгур (диатомовая земля) и, по-видимому, некоторые фосфориты; сюда
же должны быть отнесены торф и сапропели. К органогенным породам относятся
также каменный уголь и нефть.
Глины составляют (по разным авторам) от 65 до 80%, более грубые обломочные
породы - от 30 до 15%, химические и органогенные породы - 5% всех осадочных
пород.
Распределение осадочных материалов на земной поверхности происходит под
влиянием морей, текучих вод, ледников, ветра и несет на себе отражение
9
геологической истории Земли (образование гор и денудация их, образование морей
и поднятие морского дна). Осадочные породы на дневной поверхности
подвергаются дальнейшим процессам выветривания, темп и направление которых в
большой мере зависят от условий рельефа, климата и жизнедеятельности
организмов. Из приведенного выше краткого перечисления осадочных пород видно,
что состав и свойства их весьма разнообразны. Почвообразовательные процессы,
возникающие в породе одновременно с поселением на ней организмов, вносят
существенные изменения в характер материнской породы.
Контрольные вопросы для самоподготовки:
1. Что изучает химия почв?
2. Перечислите основные направления химии почв?
3. Какие породы называются материнскими?
4. Перечислите типы материнских пород?
5. На каких породах формируется почвенный покров?
6. Что такое элементный состав почвы?
7. Какие классификации элементного состава
характеристику?
почв
известны?
Дайте
Литература:
1. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. – М.: ВШ, 1968
2. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы
Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999.
3. Панин М.С. Химическая экология. – Сем-ск, 2002.
4. Перельман А.И. Геохимия. – М.: ВШ, 1979.
5. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985.
6. Ринькис Г.Я. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987.
7. Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и
растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998.
8. Колходжаев М.К. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968.
9. Кауричев И.С. Почвоведение. – М.: Колос, 1982.
10.Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975.
11.Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970.
12.Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.
Лекция № 3-6: Органическая часть почвы.
Цель: изучить природу почвенного гумуса, методы определения гумуса почвы,
значение гумуса почв в сельскохозяйственной практике.
Основные вопросы:
1. Природа почвенного гумуса.
2. Основные группы гумусовых веществ.
3. Образование почвенных гумусовых веществ.
4. Формы связи между органическими и минеральными веществами почвы.
10
ПРИРОДА ПОЧВЕННОГО ГУМУСА.
Органическое вещество почвы может быть разделено на следующие группы:
свежие и неполностью разложившиеся растительные и животные остатки и гумус,
который в свою очередь состоит из: а) собственно гумусовых веществ и б)
продуктов глубокого распада органических остатков и продуктов ресинтеза
микроорганизмов.
Продукты распада и ресинтеза представлены органическими соединениями
индивидуальной
природы, известными в органической химии (белки и
аминокислоты; углеводы и их производные: жиры, воска, смолы, дубильные
вещества, лигнин).
Среди неспецифических веществ почвенного гумуса найдены разнообразные
представители аминокислот; низкомолекулярные органические кислоты (нелетучие
и летучие); полисахариды, в частности, полиуроновые кислоты и их производные aминocaxaра; глюкокозиды; полифенолы; биологически активные вещества, как
ферменты, витамины, антибиотики. Большинство их присутствует в почвах в
чрезвычайно малых, ничтожных количествах и возможность их обнаружения и
определения обязана применению новейших методов исследования (в частности,
методу хроматографии). Однако несмотря на малое содержание в почвах, многие из
этих веществ очевидно, принимают важное участие в почвенных процессах
(выветривание минералов; передвижение некоторых химических элементов по
почвенному профилю; образование почвенной структуры) и в обмене веществ
растений.
В сумме органические соединения индивидуальной природы составляют
примерно 10-15% от общего запаса гумуса в почвах. Основная масса гумуса (8090%) представлена его специфической частью - собственно гумусовыми
веществами.
ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ.
Гумусовые вещества состоят из ряда высокомолекулярных соединений,
имеющих кислотный характер. Большая часть из них находится в различных
формах связи с минеральной частью почвы Выделение их из почвы и разделение
производятся при помощи различных растворителей, разрушающих эти связи;
предварительно почва освобождается от кальция при помощи обработки Н2SO4 декальцируется.
Основными группами гумусовых веществ являются: 1) гуминовые кислоты, 2)
фульвокислоты И 3) гумины. Гиматомелановые кислоты – не самостоятельная
группа гумусовых веществ, а спирторастворимая фракция гуминовых кислот.
Гуминовые кислоты представляют собой группу веществ, извлекаемых из
почвы щелочами (или другими растворителями) в виде более или менее
темноокрашенного раствора (гуматов Na, NH4 или К) и осаждаемые кислотами в
виде аморфного осадка - геля. Гуминовые кислоты, извлеченные из различных почв,
имеют следующий элементарный состав:
Углерод (С) - 50-62%.
11
Водород (Н) - 2,8-6%.
Кислород (О) - 31-40%
Азот (N) - 2-6%
Колебания в элементарном составе гуминовых кислот объясняются тем, что
они представляют собой не химически индивидуальные кислоты определенного
строения, а группу высокомолекулярных химических соединений, сходных по
составу и свойствам. Кроме С, Н, О и N, при анализе гуминовых кислот в золе
обнаруживаются следующие элементы: Р, S, Si, Fe, Аl в количестве 1-10% в
зависимости от степени очищения, но вернее всего эти элементы связаны с
гуминовой кислотой вторичными реакциями присоединения.
Шеффер и Ульрих следующим образом излагают принцип строения
гуминовых кислот: гуминовые кислоты состоят из полионов, полионы из мононов, а
эти последние из микростроительных единиц – ядер, мостиков и функциональных
групп.
Ядрами служат изо- или гетероциклические шести- или пятичленные кольца, а
также конденсированные кольца, например: бензол, нафталин, антрацен, фуран,
пиррол, индол, пиридин.
Ароматическая природа почвенных гумусовых кислот была установлена еще
А. А. Шмуком, находившим в продуктах сплава гуминовой кислоты из чернозема
индол, скатол, пиррол, протокатеховую кислоту. Производные бензола и фенола
находили в продуктах распада гуминовых кислот многочисленные исследователи
при таких реакциях, как сплавление со щелочами, окисление концентрированной
НNОз при давлении, КСl + КСlО4, бромной водой и др.
Большую роль в выяснении характера ароматических групп гуминовых кислот
сыграло применение к их изучению метoдoв рентгенографии и инфракрасной
спектрографии.
Как видно из приведенных выше структурных формул, в состав ядер входит
гетероциклически связанный азот. Эта часть азота, составляющая до 40-50% всего
азота гуминовых кислот, чрезвычайно прочно связана и освобождается лишь при
разрушении ядер.
Отдельные ядра соединены между собой мостиками, которые могут состоять
из одного атома (- О -, - N -) или из групп атомов (- NH -, - СН2 -).
Кислород является мостиком в эфирах между ароматическими или
хиноидными ядрами.
Аминофенолы и аминохинoны имеют склонность к полимеризации с
образованием азотных мостиков. Азот может при этом образовать открытый
мостик.
Свободные гуминовые кислоты и их соли с двухвалентными и
трехвалентными катионами нерастворимы и находятся в состоянии гелей. В почвах,
в которых гуминовые кислоты в основном связаны с Са и Mg и благодаря этому
неспособны к передвижению по почвенному профилю, они накопляются в местах их
образования и в наибольших количествах содержатся в верхних горизонтах.
Гуминовые кислоты представляют собой наиболее ценную часть гумуса: они
обладают большой поглотительной способностью по отношению к катионам и
12
играют важную роль в создании агрономически ценной структуры почв; велико
также значение гуминовых кислот в качестве запасного фонда питательных для
растений веществ, прежде всего азота.
Фульвокuслотамu называют гумусовые вещества желтой или красноватой
окраски, которые остаются в растворе после подкисления щелочной вытяжки из
почвы и выпадения в осадок гуминовых кислот. Название фульвокислоты связано с
их цветом: латинское слово fulvus означает желтый.
Так же, как и гуминовые кислоты, фульвокислоты представляют собой группу
близких между собой по строению высокомолекулярных соединений. Следует
отметить, что, как показал ряд исследований, не все органические вещества,
извлекаемые из почвы щелочами и не осаждаемые кислотами, могут быть отнесены
к фульвокислотам; значительная часть их представлена низкомолекулярными
соединениями. Среди этих исследований должна быть упомянута работа Форсита
(Forsyth, 1947), в которой кислый экстракт, содержащий фульвокислоты, был
фракционирован при помощи адсорбции на угле, и фульвокислоты - специфические
почвенные вещества отделены от примесей методом, исключающим резкие
изменения их химического состава.
Элементарный состав фульвокислот отличается от элементарного состава
гуминовых кислот меньшим содержанием С и N и большим содержанием О и Н, как
это видно из следующих данных:
Углерод (С) - 44--49 %
Водород (Н) - 3,5--5 %
Кислород (О) - 44--49 %
Азот (N) - 2-4 %
Отношение С : Н всегда уже в фульвокислотах, чем в гуминовых кислотах.
Содержание золы в фульвокислотах достигает 7-10%.
Так же, как в гуминовых кислотах, в фульвокислотах имеются ароматические и
алифатические группы, что подтверждено в последние годы методом инфракрасной
спектроскопии. В отличие от гуминовых кислот ароматическая часть молекулы у
фульвокислот выражена менее ярко, что, очевидно, объясняется меньшей
конденсированностью ядра. О меньшей конденсированности ядра фульвокислот
говорит и более светлая их oкpacкa соответствующая более низкой оптической
плотности.
Так как алифатические группы являются носителями гидрофильных свойств (в
отличие от гидрофобных ароматических групп), фульвокислоты с более широким,
чем у гуминовых кислот, отношением алифатических групп к ароматическим
отличаются и большей гидрофильностью.
В числе функциональных групп фульвокислот имеются карбоксильные
(СООН) и фенолгидроксильные (ОН) группы. Выделенные из почвы фульвокислоты
всегда содержат метоксильные группы и притом в значительных количествах (до 57%). Менее ясен вопрос о наличии групп С =О в составе молекул фульвокислот.
Фульвокислоты содержат азот, часть которого переходит в раствор при
кислотном гидролизе. Гидролизат содержит аминокислоты, состав которых близок к
составу аминокислот в гуминовых кислотах.
13
Вопрос о величине молекулярного веса фульвокислот не изучен и решение его
представляет те же трудности, что и для гуминовых кислот.
Фульвокислоты растворимы (вернее, коллоиднорастворимы) в воде. По
данным В. В. Пономаревой (1964), электродиализованные золи фульвокислот с
общей кислотностью - 0,005-0,006 н. (по титрованию 0,02 н. NaOH) имели рН в
пределах 2,6-2,8. Следовательно, фульвокислоты являются довольно сильными
органическими кислотами. (Золь гуминовых кислот примерно одинаковой с
фульвокислотами концентрации имеет рН 3,7.)
Благодаря своей кислотности фульвокислоты разрушающе действуют на
минералы. Соли фульвокислот со щелочными и щелочноземельными металлами
растворимы в воде в почвенных условиях. С железом и алюминием фульвокислоты
образуют комплексные соединения, обладающие большой подвижностью и
выпадающие в осадок лишь в узком диапазоне рН. При этом условия подвижности
(величина отношения R2О3 к фульвокислотам и степень разведения) для
комплексных соединений фульвокислот с гидратом окиси железа значительно шире,
чем условия подвижности комплексов с гидратом окиси алюминия. Подвижностью
соединений фульвокислот с железом определяется усиленное выщелачивание
железа в процессе подзолообразования.
За последние годы накоплен большой материал, показывающий тесную связь
между гуминовыми кислотами и фульвокислотами
Кононова указывает, что фульвокислоты могут рассматриваться как
начальные формы гуминовых кислот или продукты их деструкции. В связи с этим
немецкие исследователи не выделяют особо фульвокислоты, считая их частью
единого комплекса гумусовых веществ, в состав которого входят как гуминовые
кислоты упрощенного строения, так и большое количество промежуточных
продуктов разложения (Шеффер и Ульрих). Однако советские ученые во главе с
И.В.Тюриным считают целесообразным в комплексе гумусовых веществ выделять
две основные группы: темноокрашенные гуминовые кислоты и светлоокрашенные
фульвокислоты - поскольку они существенно различаются по свойствам и роли в
почвообразовании.
В почве имеется еще некоторая часть специфических органических веществ,
которая не извлекается щелочными растворами из декальцированной почвы и
которая названа гуминами. Для изучения гуминов остаток декальцированной почвы
после удаления веществ, растворимых в 0,1 н. NaOH, подвергали окислению
разведенной НNОз, затем обработке HF для разрушения связи гуминов с
силикатами и обработке ацетилбромидом, растворяющим негумифицированные
органические вещества (Тюрин и Гуткина). После этих обработок часть гуминов
была извлечена щелочью. В дальнейших исследованиях (Хан) переменными
обработками кислотой и щелочью гумины извлекались из почв полностью.
Изучение гуминов позволило выяснить, что они представляют собой такой же
комплекс гумусовых веществ, какой извлекается щелочью при непосредственной
обработке декальцированной почвы, т. е. состоят из гуминовых кислот и
фульвокислот. Гуминовые кислоты из гумина отличаются лишь несколько более
14
низким прооцентом С и более высоким процентом Н и О по сравнению с
гуминовыми кислотами, растворимыми в щелочи.
По мнению И. В. Тюрина, в гуминах существует очень прочная связь
гуминовых кислот с фульвокислотами (по типу сложных эфиров и ангидридов) с
потерей значительной части кислотных свойств и при высокой степени
полимеризации и уплотнения, чем и объясняется их устойчивость по отношению к
щелочам. В работах Д.В. Хана и Н.Г.Зырина выявилось также наличие связей
фракции гумина с минеральнoй частью почвы. Таким образом исследования
показали, что особенности поведения гуминов в почве, благодаря которым они
выделены в особую группу гумусовых веществ, определяются не столько их особой
химической природой, сколько характером их связей.
В группу гумусовых веществ, обозначаемых гуминами, входят также углистые
частицы, в том или ином количестве присутствующие во всех почвах. Углистые
частицы образуются в результате карбонизации растительных остатков при
чередовании избыточного увлажнения и высушивания; они представляют собой
инертные включения, не принимающие непосредственного участия в почвенных
процессах.
ОБРАЗОВАНИЕ ПОЧВЕННЫХ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ.
Образование почвенного гумуса происходит в результате превращений
органических остатков под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.
Микроорганизмы принимают участие во всех этапах образования гумуса. Этому
способствует огромная населенность почв микрофлорой.
Основным по количеству материалом для образования гумуса служат остатки
зеленых хлорофиллонoсных растений, отмерших в почве или на ее поверхности.
Превращение растительных материалов под влиянием жизнедеятельности
микроорганизмов идет в почве разными путями:
а) полной минерализации до образования простых соединений СО2, Н2О,
NНз, простых солей (в дальнейшем снова принимающих участие в процессах
питания автотрофных организмов);
б) синтеза новых органических веществ, составляющих микробные тела
(микробный синтез); после автолиза микроорганизмов эти вещества снова
подвергаются превращениям
в) синтеза специфических гумусовых веществ в основном за счет
промежуточных продуктов разложения - гумификации.
Все разнообразные растительные материалы состоят из нескольких групп
соединений, отличающихся между собой по химическому составу: углеводы
(моносахариды, дисахариды, полисахариды), белки, лигнин, дубильные вещества,
жиры, воска, смолы и др. соединения.
Бактерии выделяются по высокому содержанию белков. Среди высших
растений особенно богаты белком бобовые травы; древесина содержит очень мало
белка. Углеводы и лигнин составляют основную массу сухого вещества древесной
растительности и трав. Хвоя отличается повышенным содержанием дубильных
веществ.
15
Отдельные группы химических веществ резко различаются по устойчивости к
разлагающему действию микроорганизмов.
Пути выяснения химизма образования гумусовых веществ весьма
разнообразны; к ним относятся:
а) изучение гумусообразования на модельных веществах, широко
использованное немецкими исследователями;
б) изучение гумификации растительных тканей, при котором наблюдение за
изменением строения тканей под микроскопом сопровождалось химическим
анализом вновь образующихся гумусовых веществ (Кононов);
в) изучение гумусообразования в культурах некоторых микроорганизмов за
счет веществ питательной среды (плесневые грибы: Aspergillus и Penicillium - в
работе Кононовой и Александровой; Spicaria еlеgапs - в работе Лаатш с сотр.;
актиномицеты в работе И. В. Александровой).
Согласно современным данным о природе гумусовых веществ, они
представляют собой сложные полимерные соединения, основными компонентами
которых являются ароматические и азотсодержащие органические соединения. Пути
образования компонентов гумусовых веществ могут быть:
а) продуктами распада отмерших тканей, как вещества ароматического
строения типа полифенолов и хинонов, образующиеся при разложении лигнина и
дубильных веществ
б) продуктами обмена и вторичного синтеза микроорганизмов, использующих
в качестве источника энергии углеводы и белки; к таким продуктам относятся
аминокислоты, белки, аминосахара, ароматические соединения.
ФОРМЫ СВЯЗИ МЕЖДУ ОРГАНИЧЕСКИМИ И МИНЕРАЛЬНЫМИ
ВЕЩЕСТВАМИ ПОЧВЫ.
В свободном состоянии в почве находится лишь небольшая часть гумусовых
веществ; основная часть их связана с минеральными веществами почвы.
Взаимодействие гумусовых веществ с минеральной частью почвы приводит к
образованию различных соединений. В зависимости от подвижности образующихся
соединений происходит аккумуляция гумусовых и связанных с ними минеральных
веществ в верхних горизонтах почвы или миграция продуктов взаимодействия по
почвенному профилю.
К основным видам связи гумусовых веществ с компонентами минеральной
части почв относятся:
а) соединение с одновалентными и двухвалентными катионами,
находящимися в почвенном растворе или на поверхности глинных минералов
(образование гуматов и фульватов Na, NH4, К, Са, Mg);
б) взаимодействие с воднорастворимыми и коллоидальными формами
полуторных окислов (несиликатными формами R2О3)
в) взаимодействие с глинными минералами.
16
Наиболее ясен и хорошо изучен процесс образования гуматов и фульватов за
счет обмена Н функциональных групп (СООН и ОН) на одновалентные и
двухвалентные катионы, который может быть выражен таким уравнением:
R-(COOH)n + Ca2+ (минеральная часть почвы)→ R→(COO)2Ca +2H+(минеральная часть почвы)
→(COOH)n-2
Гуматы одновалентных оснований (Na, NH4, К) растворимы (точнее,
высокодисперсны). В почвах, где гуминовые кислоты связаны с Na, при
достаточном увлажнении происходит передвижение гуматов вниз по профилю
(солонцы). Что же касается соединений с катионами фульвокислот, то фульваты
всех одновалентных и двухвалентных катионов хорошо растворимы и подвижны в
условиях кислой, нейтральной и слабощелочной реакций, имеющих место в почвах.
Алюмо- и железогумусовые соединения образуются в почве также в
результате обменной реакции между несиликатными формами полуторных окислов
и водородом функциональных групп (П. Н. Александрова). Исследования
показывают, что в некоторой части они являются внутрикомплексными
соединениями. Внутрикомплексными или клешневидными соединениями, или
хелатами (от греческого слова «хела)- клешня), называются соединения,
состоящие из центрального металлического иона и окружающих его радикалов
органических молекул. В отличие от обычных комплексных соединений, в которых
каждый радикал соединен только одной координационной связью с центральным
ионом, во внутрикомплексных соединениях радикал органической молекулы
соединен с центральным ионом несколькими координационными связями, причем
образуется кольцевая связь в пределах радикала.
Хелатирующими
свойствами
(способностью
образовывать
хелаты)
отличаются не только гумусовые вещества, но и многие неспецифические
органические соединения; некоторые органические кислоты (особенно
дикарбоновые, уроновые, лишайниковые, аминосахара, амины, полифенолы:
Аналогично гумусовым кислотам они при этом оказывают разрушающее действие
на минералы, но благодаря малому их содержанию в почве роль их в процессе
выветривания невелика по сравнению с ролью гумусовых веществ. Органиические
хелатирующие вещества принимают участие в снабжении pacтений железом и
микроэлементами.
Гумусовые вещества - гуминовые и фульвокислоты - обладают значительной
способностью к образованию комплексных и внутрикомплексных соединений
(хелатов) с железом и алюминием (а также с медью и другими поливалентными
катионами, но не с Са); эта способность в большой мере определяется наличием в
молекулах гумусовых кислот гидрофильных групп, расположенных в боковых
радикалах. Поскольку у фульвокислот отношение
гидрофильных групп к
гидрофобным шире, чем у гуминовых кислот, именно фульвокислоты обладают
большей способностью хелатирования (Коноонова).
17
Взаимодействуя с минералами, гумусовые кислоты извлекают (вырывают) из
них Al, Fe, Мn, Cu и другие элементы и образуют с ними подвижные комплексные и
внутрикомплексные соединения; при этом происходит разрушение минералов.
В алюмо- и железогумусовых соединениях основные комплексные катионы
железа и алюминия не только замещают водород карбоксильных и
фенолгидроксильных групп, но связаны и с другими компонентами гумусовой
частицы. Таким компонентом может быть азот ядра или аминокислотных боковых
цепей.
Подвижность (= растворимость) соединений гуминовых кислот с
полуторными окислами находится в зависимости от состава катионов, замещающих
водород функциональных групп: если этим катионом является Na, алюмо- и
железогуминовые гели легко пептизируются и мигрируют по профилю; при
насыщении Са они представляют собой гели, постепенно дегидратирующиеся.
Контрольные вопросы для самоподготовки:
1. В чем сущность природы почвенного гумуса?
2. Назовите основные вещества, составляющие природу почвенного гумуса?
3. Дайте понятия: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумины?
4. Охарактеризуйте пути образования почвенных гумусовых веществ?
5. Чем отличается элементный состав гуминовых кислот от фульвокислот?
6. Охарактеризуйте формы связи между органическими и минеральными
веществами почвы?
Литература:
1. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. – М.: ВШ, 1968
2. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы
Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999.
3. Панин М.С. Химическая экология. – Сем-ск, 2002.
4. Перельман А.И. Геохимия. – М.: ВШ, 1979.
5. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985.
6. Ринькис Г.Я. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987.
7. Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и
растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998.
8. Колходжаев М.К. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968.
9. Кауричев И.С. Почвоведение. – М.: Колос, 1982.
10.Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975.
11.Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970.
12.Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.
Лекция № 7,8 Почвенные коллоиды.
Цель: изучить значение почвенных коллоидов и их свойств в почвообразовательном
процессе и почвенном плодородии.
18
Основные вопросы:
1. Значение почвенных коллоидов и их свойств в почвообразовательном процессе и
почвенном плодородии.
2. Размеры частиц и агрегатный состав почвенных коллоидов.
3. Химический и минералогический состав почвенных коллоидов.
ЗНАЧЕНИЕ
ПОЧВЕННЫХ
ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОМ
ПЛОДОРОДИИ.
КОЛЛОИДОВ
И
ПРОЦЕССЕ
ИХ
И
СВОЙСТВ
В
ПОЧВЕННОМ
Важнейшую роль в выяснении значения почвенных коллоидов и их свойств в
почвообразовательных процессах и почвенном плодородии сыграли работы
выдающегося советского ученого академика К. К. Гедройца (1872-1932). Работы К.
К. Гедройца, проведенные в первые десятилетия нашего века, были в большей части
посвящены разработке вопроса о поглотительной способности почв - явления,
открытого еще в середине ХIX столетия и привлекавшего внимание многих
исследователей в нашей стране и за рубежом. Под поглотительной способностью
почвы Гедройц понимал способность ее задерживать соединения или части их,
находящиеся в растворенном состоянии, а также коллоидально распыленные
частички минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и
грубые суспензии.
В зависимости от того, каким способом почва поглощает, какой при этом
совершается процесс, Гедройц различал следующие виды поглотительной
способности: 1) механическую; 2) физическую; 3) физико-химическую или
обменную; 4) химическую и 5) биологическую.
Механической поглотительной способностью Гедройц называл «свойство
почвы, как всякого пористого тела, не пропускать через себя, задерживать частицы,
взмученные в фильтрующейся через почву воде, раз эти частицы больше некоторой
величины».
Физическая поглотительная способность почвы, по Гедройцу, связана с
наличием свободной поверхностной энергии на поверхности соприкосновения
твердых частичек почвы с почвенной влагой, которое вызывает притяжение или
отталкивание поверхностью частиц целых молекул, а также основные продукты
гидролитического расщепления солей слабых кислот и сильных оснований.
Физико-химическая, или обменная поглотительная, способность почвы,
которую Гедройц называл поглотительной способностью в тесном смысле слова,
заключается в том, что «почва способна обменивать некоторую часть содержащихся
в твердой ее фазе катионов на эквивалентное количество катионов, находящихся в
соприкасающемся с нею растворе».
Химическая поглотительная
способность почвы, по Гедройцу,
«выражается в том, что те анионы растворенных солей, которые дают с катионами,
находящимися в почвенном растворе, нерастворимые или малорастворимые соли,
будут выпадать из раствора в виде соответствующих солей; выпадающий осадок
будет примешиваться к твердой фазе почвы».
19
Биологическая поглотительная способность почвы «обязана своим
существованием растениям и микроорганизмам, населяющим почвы. Те и другие в
процессах жизнедеятельности поглощают из почвенного раствора различные
вещества; эти вещества исчезают из раствора и перерабатываются в вещества тела
поглощающих их организмов».
Наибольшее внимание К. К. Гедройц уделял исследованию физикохимической, или обменной поглотительной, способности. Совокупность
соединений, проявляющих способность к обменным реакциям, Гедройц назвал
«почвенным поглощающим комплексом», который характеризуется с химической
стороны как комплекс нерастворимых в воде алюмосиликатных, органических и
органоминеральных соединений, а с физической стороны - как «совокупность тех
почвенных соединений, которые находятся в почве в мелкораздробленном
состоянии; это высокодисперсная часть почвы, ультрамеханическая ее часть по всей
вероятности близко совпадает с коллоидальной частью почвы». Акад. Гедройц
исследовал закономерности обмена катионов в почвах и влияние состава обменных
катионов на свойства почв, определяющие условия произрастания растений,
разработал ряд методов изучения обменного поглощения катионов. На основе
исследования состава поглощенных катионов в его работах даны характеристики
основных почвенных типов и выявлена связь между свойствами почв и
особенностями состояния их коллоидальной части; завершением этих исследований
было создание К. К. Гедройцем классификации почв, построенной на коллоиднохимических признаках. Исследования акад. Гедройца были продолжены и развиты в
нашей стране и за рубежом. Они послужили фундаментом для современных
представлений о почвенных коллоидах и их роли в жизни почвы, имеющих
важнейшее значение для почвоведения, агрохимии и смежных с ними наук.
РАЗМЕРЫ
ЧАСТИЦ
И
АГРЕГАТНЫЙ
СОСТАВ
ПОЧВЕННЫХ
КОЛЛОИДОВ
К коллоидальной фракции относят почвенные частицы, имеющие диаметр
меньший, чем 0,2 мк. Эта граница несколько отличается от принятой в коллоидной
химии: обычно за верхнюю границу диаметра коллоидных частиц принимают 0,1
мк. Основанием дли этого изменения служит адсорбционная способность частиц
различного диаметра, которая резко возрастает начиная с 0,2 мк и ниже.
Почвенные коллоиды в основном представлены гелями и только небольшая
часть их находится в почве в виде золей. Почвенные гели в некоторой части связаны
с более крупными частицами почвы, покрывая их поверхность оболочками
(пленками).
ХИМИЧЕСКИЙ И МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВЕННЫХ
КОЛЛОИДОВ
Коллоидная фракция, как почва в целом, состоит из органической и
минеральной части.
Почвенные органические вещества (гуминовые кислоты, фульвокислоты,
гумин) имеют высокую степень дисперсности. Можно считать, что основная часть
20
гумуса входит в состав предколлоидной и коллоидной фракции, т. е. имеет размеры
частиц < 0,001 мм (<1 мк).
Минеральная часть, обычно преобладающая в составе почвенных коллоидов, в
основном состоит из вторичных минералов, имеющих кристаллическое строение,
и из аморфных веществ. Из первичных минералов в коллоидной фракции в
небольших количествах встречаются кварц и слюды. Как уже упоминалось выше,
кварц обладает значительной химической 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.
К вторичным минералам
с кристаллической структурой, часто
встречающимся в составе почвенной коллоидной фракции, принадлежат глинные
минералы группы гидрослюд (иллит, гидробиотит), группы монтмориллонита
(монтмориллонит, бейделит, ноннтронит), группы каолинита (каолинит, галлуазит),
а также неглинные минералы группы полуторных окислов (гетит, гиббсит и др.).
Наибольшей степенью дисперсности из алюмосиликатных минералов отличается
группа монтмориллонита (в том числе бейделлит). В коллоидной фракции
карбонатных почв и материнских пород содержится то или иное количество
карбоната кальция.
Аморфные вещества коллоидной фракции представлены гидрооокисями
железа, алюминия, кремния, а также продуктами их взаимодействия (как аллофаны).
Аморфные образования, в которых развивается кристаллизация, и
разрушающиеся глинные минералы, теряющие свою кристаллическую структуру,
создают промежуточные формы между кристаллическими и аморфными
веществами почвенных коллоидов.
Относительное содержание кристаллических и аморфных веществ в
коллоидной фракции весьма различно для разных почв. Благодаря сложности
определения число таких данных невелико. Лаатш приводит в качестве примера
почву из Саксонской Швейцарии, образованную на базальте и богатую минералами
монтмориллонитовой группы: емкость поглощения катионов ее фракции < 1 мк на
87% определялась кристаллической частью и на 13% - аморфной. По данным
Пальмана и сотрудников (Раllmаnn, Frei и. Hamdi,), среди бурых лесных почв
средней Европы встреечаются почвы, коллоидная фракция которых содержит
больше аморфных гелей, чем кристаллических глинных минералов. На основании
своих исследований А. Ф. Тюлин считает, что более 10% минеральной части
почвенной фракции с частицами менее 0,01 мм составляют некристаллические
коллоиды.
Контрольные вопросы для самоподготовки:
1. Охарактеризуйте значение почвенных коллоидов и их свойств в
почвообразовательном процессе и почвенном плодородии?
2. Назовите и дайте характеристику видам почвенной поглотительной способности?
3. Каковы размеры частиц и агрегатный состав почвенных коллоидов?
4. Охарактеризуйте химический состав почвенных коллоидов?
5. Охарактеризуйте минералогический состав почвенных коллоидов?
21
6. Какие минералы называются первичными? Приведите примеры.
7. Какие минералы называются вторичными? Приведите примеры.
Литература:
1. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. – М.: ВШ, 1968
2. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы
Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999.
3. Панин М.С. Химическая экология. – Сем-ск, 2002.
4. Перельман А.И. Геохимия. – М.: ВШ, 1979.
5. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985.
6. Ринькис Г.Я. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987.
7. Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и
растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998.
8. Колходжаев М.К. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968.
9. Кауричев И.С. Почвоведение. – М.: Колос, 1982.
10.Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975.
11.Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970.
12.Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.
Лекция № 9,10. Поглощение катионов и анионов почвой.
Цель: изучить состав катионов и факторы, влияющие на процессы поглощения
катионов почвой.
Основные вопросы:
1. Поглощение катионов почвой.
2. Емкость обмена катионов.
3. Скорость обмена.
4. Факторы, влияющие на реакцию обмена.
5. Поглощение анионов почвой.
ПОГЛОЩЕНИЕ КАТИОНОВ ПОЧВОЙ.
Поглощение почвой катионов было первым свойством коллоидов,
подмеченным еще ранними исследователями в середине прошлого столетия (Уэй,
Ван Беммелен). С тех пор изучение катионного обмена быстро развивалось;
огромное значение в этом направлении имели работы К. К. Гедройца в нашей стране
и Г. Вигнера и его школы за границей. В настоящее время обмен катионов
представляет собой наиболее разработанную часть учения о почвенных коллоидах.
Катионы внешнего раствора, поглощаясь почвой, одновременно вытесняют из слоя
компенсирующих ионов эквивалентное количество катионов, которые переходят в
раствор.
ЕМКОСТЬ ОБМЕНА КАТИОНОВ.
Способность почв удерживать то или иное количество катионов в обменной
форме определяет величину емкости обмена (или поглощения) почвы. Емкость
поглощения выражается в миллиграмм-эквивалентах (мг-экв) на 100 г почвы. Для
определения емкости поглощения все катионы вытесняются одним (Ва2+, NH4+ )
путем многократной обработки почвы раствором соли этого катиона. Избыток соли
22
отмывается, а затем катион-вытеснитель в свою очередь вытесняется другим ионом
(например, водородом соляной кислоты) и аналитически определяется в растворе.
Необходимо отметить, что величина емкости обмена зависит от рН раствора, при
помощи которого она устанавливается.
Величина емкости поглощения определяется рядом факторов: содержанием
высокодисперсных частиц в почве; химическим и минералогическим составом
почвенных коллоидов; реакцией почвы (ее рН).
Почвы, содержащие в большом количестве высокодисперсные частицы
(предколлоидная и коллоидная фракция с диаметром < 0,001 мм), отличаются
высокой емкостью поглощения; емкость поглощения катионов у глинистых почв
выше, чему песчаных. Однако эта простая зависимость осложняется разнообразным
характером коллоидов.
Разные группы почвенных коллоидов резко отличаются между собой по
емкости поглощения. Из глинных минералов наибольшей емкостью поглощения
обладают минералы группы монтмориллонита. Эти минералы отличаются высокой
степенью дисперсности; до 80% их частиц имеют размер < 1 мк (в том числе
коллоидных частиц около 60%). Кроме того, минералы монтмориллонитовой
группы отличаются наличием изоморфных замещений (Si4+ на АI3+, АI3+
на Mg2+, Fe2+ и т. п.). Освобождающиеся при этом валентности компенсируются
обменными катионами, которые располагаются в межпакетныx пространствах.
Интрамицеллярному поглощению катионов способствуют, при этом большие
расстояния между пакетами и их свойство увеличиваться при поглощении воды.
Соответственно этому емкость поглощения катионов у монтмориллонита
сравнительно велика: 60-150 мг-экв/100 г минерала. Иначе дело обстоит с
каолинитом, который отличается малой степенью дисперсности и полным
отсутствием интрамицеллярного поглощения. Межпакетные расстояния его малы
(7,2 А0) и неспособны увеличиваться (раздвигаться). Кроме того, ни в
октаэдрическом, ни в тетраэдрическом слоях каолинита не происходит изоморфных
замещений. Активная поверхность каолинита мала, и соответственно мала его
емкость поглощения катионов, составляя 3-15 мг-экв/100 г минерала.
Высокой емкостью поглощения отличается вермикулит, у которого обменные
катионы (в основном Mg2+) располагаются в межпакетных пространствах.
Размол глинных минералов, увеличивая их активную поверхность, повышает
и поглотительную способность. Но особенности отдельных минералов явственно
сказываются и после растирания: емкость поглощения каолинита, резко
увеличиваясь при измельчении, остается более низкой, чем емкость поглощения
монтмориллонита, у которого большое значение имеет интрамицеллярное
поглощение.
Органические почвенные коллоиды – гумусовые вещества – обладают
значительно большей поглотительной способностью по сравнению с минеральными.
Поглощение катионов гумусовыми кислотами происходит в результате
замены катионами водорода карбоксильных групп. Водороды фенольных групп
замещаются катионами лишь при щелочной реакции, а при обычных величинах рН в
почвах (в интервале рН 4-8) не участвуют в обмене катионов.
23
Отличия в емкости обмена катионов гуминовыми кислотами различного
происхождения определяются разным содержанием функциональных групп.
Почвы и почвенные горизонты, богатые органическим веществом, отличаются
высокой поглотительной способностью по отношению к катионам (черноземы,
верхние горизонты всех почв).
Емкость поглощения третьей группы почвенных высокодисперсных частиц аморфных минеральных коллоидов - зависит от отношения в их составе Si02 : R2О3.
Чем шире это отношение, чем больше ацидоидная часть, тем выше и величина
емкости поглощения ими катионов.
Взаимодействие между органической и минеральной частью почвенных
коллоидов может привести к снижению емкости поглощения катионов.
Влияние рН среды на величину емкости обменного поглощения катионов
сказывается в том, что с повышением рН повышается величина емкости
поглощения. Для отрицательных коллоидов (ацидоидов) объяснение этому лежит в
различной замещаемости водорода внешнего слоя коллоидов при различной
реакции среды: чем выше рН, тем в большей части Н+-ионы способны замещаться
основаниями. Ранее уже говорилось о различной замещаемости Н функциональных
групп гуминовых кислот при разных рН. У амфолитоидов, какими являются в почве
полуторные окислы (а возможно и некоторые глинные минералы), с повышением
рН окружающего раствора повышается отрицательный заряд, а вместе с тем и
поглотительная способность по отношению к катионам.
СКОРОСТЬ ОБМЕНА.
При воздействии на коллоидные частицы раствора электролита катионы
раствора вытесняют часть катионов с поверхности коллоидных частичек, занимая
их места. Катионы, вытесненные в раствор; стремятся снова занять место на
поверхности. Этот процесс заканчивается установлением равновесия между
частицами и раствором.
Процесс обмена - установление равновесия - происходит очень быстро
(мгновенно) во всех тех случаях, когда катионы расположены на внешних
поверхностях частиц, т. е. при экстрамицеллярном поглощении. Если же катионы
поглощены интрамицеллярно в межпакетные пространства глинных минералов или
на поверхности частичек, собранных в плотные агрегаты, то для установления
равновесия реакции обмена требуется время, иногда довольно значительное
(несколько суток). Следует также добавить, что большая скорость обмена катионов
между коллоидами и paствором наблюдается в лабораторных условиях при
широких отношениях между почвой и раствором, когда количество раствора в
несколько раз превышает количество почвы. В естественных условиях влажности,
когда раствора меньше, чем твердой фазы, реакция протекает гораздо медленнее;
здесь играет большую роль скорость диффузии ионов, на которую влияет ряд
факторов, в том числе температура.
24
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РЕАКЦИЮ ОБМЕНА
При равновесии на поверхности частиц и в окружающем их растворе
присутствуют одни и те же ионы, но в разных количествах. Чем больше объем
внешнего раствора и его концентрация, тем - по закону действия масс - больше
катионов этого раствора будет поглощено коллоидными частицами в обмен на
катионы коллоидов.
В естественных почвах коллоиды содержат в поглощенном состоянии целый
ряд катионов, основными из которых являются: Са2+, Mg2+, Na+, К+, NH4+, Н+, A13+.
Состав поглощенных катионов находится в равновесии с составом катионов
почвенного раствора, окружающего коллоидные частицы. Если под влиянием
разнообразных биологических и физико-химических процессов, происходящих в
почве, состав почвенного раствора и его концентрация претерпевают изменения, то
равновесие нарушается и некоторые изменения происходят и в составе
поглощенных катионов.
Равновесие между катионами внешнего слоя коллоидов и окружающего их
раствора определяется сложной зависимостью, основными факторами которой
являются: свойства катионов, свойства адсорбентов и свойства растворов.
а) Свойства катионов. Уже в ранних исследованиях выяснилось, что чем
выше валентность катиона, тем больше его способность поглощаться, внедряться в
компенсирующий слой отрицательных коллоидов. В одинаковых условиях
одновалентные катионы внедряются в меньших количествах, чем двухвалентные, а
последние в меньших количествах, чем трехвалентные: М+ < М2+ < М3+.
Итак, чем выше валентность, тем больше способность катиона к внедрению.
Связь между валентностью и способностью к внедрению может быть объяснена тем,
что многовалентные (двух- и трехвалентные) ионы образуют с анионами,
преобладающими в потенциалопределяющем слое (ОН-, СОО-, SiO32-, АlO2-),
соединения менее диссоциированные, чем одновалентные катионы, а реакция идет в
сторону образования менее диссоциированных соединений.
Г. Вигнер и его сотрудники (Иенни, 1927) установили закономерную связь
между способностью к поглощению разных катионов одной и той же валентности и
размерами их гидратационных оболочек.
Выше указывалось уже, что молекулы воды, представляя собой диполи, у
которых положительный заряд смещен к одному концу, а отрицательный к другому,
притягиваются к ионам, как к заряженным частичкам, образуя вокруг них
гидратационную оболочку. У ионов одинаковой валентности, несущих одинаковый
заряд, плотность электрического напряжения у поверхности тем больше, чем
меньше ион. Поэтому ионы с малыми радиусами притягивают большее число
диполей воды и имеют большую гидратационную оболочку, чем ионы с большими
радиусами. Маленький ион вместе с окружающей его водной оболочкой имеет
больший размер, чем большой ион с его меньшей водной оболочкой.
Наличие большой гидратационной оболочки ослабляет адсорбционную
способность катиона. Способность к поглощению у одновалентных катионов
возрастает в ряду Li < Na < К < NH4, у двухвалентных катионов - Mg < Са.
25
Водородный ион занимает особое положение как по своей гидратации, так и
по способности к внедрению. Свободный ион Н+, т. е. протон, не существует в
водных растворах; присоединяя одну молекулу воды, он образует ион гидроксония –
Н3О+, имеющий диаметр 1,35 А0. Благодаря этому маленькому размеру (по
сравнению с другими гидратированными ионами) он внедряется сильнее всех
одновалентных и в некоторых случаях сильнее двухвалентных катионов.
Отметим тут же, что описанный характер гидратации катионов имеет место в
разбавленных водных растворах. При повышении концентрации отношения
изменяются.
При реакции обмена внедрение катионов из раствора во внешний слой
коллоидных частиц сопровождается одновременным вытеснением эквивалентного
количества катионов из компенсирующего слоя в раствор. Способность быть
вытесненным так же, как и способность к внедрению, различна у разных катионов.
Общее правило следующее: чем легче катион внедряется, тем с большим трудом он
вытесняется. Одновалентные ионы могут быть легче вытеснены из поглощенного
состояния, чем двухвалентные, а последние - легче, чем трехвалентные.
Так же, как и в случае внедрения, связь между валентностью ионов и их
способностью выхода из поглощенного состояния может быть объяснена степенью
диссоциации соединений, образуемых ионами двойного слоя, которая тем ниже, чем
выше валентность катионов.
Кроме валентности ионов здесь, как и в случае внедрения, играет роль
величина гидратационной оболочки ионов. Чем больше величина гидратационной
оболочки катиона, тем легче он может быть вытеснен.
Способность вытесняться у одновалентных ионов падает в ряду
Li > Na > NH4 > К> Н;
у двухвалентных ионов: Mg> Са.
Основная роль кальция среди поглощенных катионов большинства почв
объясняется не только его большим содержанием в земной коре, но и его высокой
способностью к внедрению и слабой способностью к вытеснению по сравнению с
Mg и одновалентными катионами. Только благодаря своей исключительно большой
способности к внедрению ион Н+(Н3О+) может накопляться в некоторых почвах,
несмотря на чрезвычайно малые концентрации этого иона в почвенном растворе.
Другой одновалентный ион - Na+ - должен присутствовать в почвенном растворе в
значительных количествах, чтобы отвоевать себе место на поверхности коллоидной
частицы, так как его способность к внедрению мала, а вытеснить его легко. Понятно
также, что Na+, легко вымываясь из почв, в больших количествах накапливается в
воде морей и океанов.
Важные катионы удобрений – NH4+ и К+ - имеют сравнительно большую
способность к внедрению, чем Na+.
Судя по большой адсорбционной способности трехвалентных ионов (Аl и Fe),
можно было бы ждать большого удельного веса их среди почвенных поглощенных
катионов. Однако это не так. Растворимость солей Аl3+ и FеЗ+ при тех реакциях
среды, которые обычны для почвенного раствора (в интервале рН 4,5-7,5, чаще
всего 5,5-6,5), ничтожна. В связи с этим окислы алюминия и железа входят в состав
26
гранул минеральных коллоидов, в их кристаллическую решетку, составляя,
основную массу их.
б) Свойства адсорбентов. Сказанное выше о способности к обмену
отдельных ионов и установленных в связи с этим закономерностях заставляет
предполагать, что свойства катионов (их валентность, их объем и гидратация)
являются решающими в их относительной поглощаемости. Фактически дело
обстоит иначе. Большое значение в поглощаемости ионов имеет химическая
природа и структура адсорбентов. Разнообразие почвенных коллоидов создает и
особенности поглощения ими катионов.
Установлено, что одновалентные катионы К и Н поглощаются слюдами
лучше, чем Са и Mg; слюды отличаются этим от монтмориллонита и каолинита.
Рационального объяснения особенностей поглотительных свойств отдельных
адсорбентов, связанного с их химическим составом и структурой, пока не
существует.
В верхних горизонтах почв, особенно черноземных поглотительная
способность в большой части определяется органическими коллоидами, для
которых в основном сохраняется указанный выше ряд замещаемости:
Na < NH4<K < Mg < Са;
в связи с этим для верхних горизонтов почв, богатых гумусом, этот ряд также
имеет силу.
в) Значение объема и концентрации растворов. Характер обменной реакции,
протекающей между коллоидными частицами и внешним раствором, как само собой
понятно, в большой мере зависит от объема, состава и концентрации этого раствора.
В почвенных условиях постоянно происходят изменения в количестве
почвенного раствора (в результате увлажнения или высушивания) и в его составе.
Концентрация тех или иных ионов может увеличиваться под влиянием процессов
растворения или минерализации или при внесении удобрений, а также и
уменьшаться в результате их усвоения растениями и микробами или благодаря
вымыванию нисходящим током воды.
Выяснение зависимости между количеством катионов, вытесненных с
поверхности адсорбента, и количеством катионов, поглощенных в обмен
поверхностью из соприкасающегося с ней раствора, и концентрацией раствора,другими словами, выяснение количественных закономерностей обменной
адсорбции давно привлекало внимание исследователей. Знание этих
закономерностей позволило бы предвидеть направление процессов и расчетным
путем решать ряд теоретических и практических вопросов, связанных с реакциями
обмена в почвах. К ним относятся: вопросы генезиса почв (связь изменения состава
обменных катионов с изменением состава и концентрации почвенного раствора);
вопросы мелиорации засоленных почв, основанной на их промывании (пределы
благоприятных концентраций солей в промывных водах, а также в водах,
используемых для орошения); вопросы удобрения (поглощение катионов внесенных
удобрений NH4, К, Са в зависимости от количества удобрений и влажности почвы).
27
ПОГЛОЩЕНИЕ АНИОНОВ ПОЧВОЙ
Вопрос об адсорбции анионов почвами еще далеко недостаточно разработан.
Адсорбция анионов в почве зависит от нескольких факторов.
Основные из них следующие: а) особенности самих анионов; б) состав
почвенных коллоидов и их электрокинетические свойства; в) реакция среды (рН).
а) Если расположить анионы по возрастающей способности к адсорбции,
то получим следующий ряд:
CI- =NО3< SO42-< PO43-< ОН-.
Чем больше валентность аниона, тем больше его способность адсорбироваться на
поверхности коллоидов. Исключение составляет только ион ОН-, обладающий
наибольшей активностью, несмотря на малую валентность. Это можно объяснить
тем, что с увеличением валентности аниона уменьшается диссоциация соединения,
образующего двойной слой, а реакция идет в сторону образования наименее
диссоциированных соединений.
Очень слабо диссоциируют и соединения, которые образует ОН- с ионами Fe и
Al, стоящими во внутренней обкладке двойного слоя положительных коллоидов.
б) Состав коллоидов (их гранул) в большой мере влияет на поглощение
анионов; с возрастанием количества полуторных окислов (базоидов) в составе
почвенных коллоидов увеличивается поглотительная способность почвы по
отношению к анионам.
в) Изменение реакции среды влечет за собой изменение потенциала
коллоидов; подщелачивание повышает отрицательный потенциал, подкисление положительный. Отсюда следует, что кислая среда способствует большей
адсорбции анионов, и, наоборот, в щелочной среде адсорбция анионов ослаблена.
Эти закономерности были установлены работами С. Маттсона и в основном
подтверждены рядом дальнейших исследований: И. Н. Антиповым-Каратаевым и А.
И. Рабинерсоном.
Поглощение NО3- и Сl- как одновалентных анионов может происходить в
заметных количествах лишь в редких случаях, когда мы имеем коллоиды с высоким
содержанием полуторных оксидов и при кислой реакции среды (красноземы).
Обычно же хлориды и нитраты почвой не поглощаются. Так как эти анионы не
образуют и труднорастворимых солей, то в почве их ничто не защищает от
вымывания. И если NО3- обычно полностью захватывается растениями в процессе
питания, то судьба С1- в почвах зависит прежде всего от характера водного режима
местности: то или иное накопление С1- в почвах возможно лишь в сухом климате; в
условиях промывного режима С1- вымывается и уносится в моря и океаны.
В практике сельского хозяйства с отсутствием поглощения NО3- и С1необходимо считаться. Так, нитраты (селитры), применяемые в качестве удобрений,
вносят как можно ближе к посеву растений для того, чтобы они не успели вымыться
и могли быть использованы всходами. Хлор обычно маложелательный компонент
удобрения. Поэтому такие удобрения, как калийные соли, содержащие много С1-,
следует вносить в почву заранее. Тогда до посева Сl- успеет отмыться осадками.
28
Ионы SO42- в природных условиях не поглощаются черноземами и
горизонтами А дерново-подзолистых почв. Иллювиальные горизонты подзолистых
почв, а также красноземы способны поглощать сульфат-ионы и при этом в
несколько больших количествах, чем одновалентные ионы. Наличие оболочек
гидроокисей Fe и (особенно) Аl на почвенных частичках способствует поглощению
SO42- , усиливающемуся при подкислении; это экспериментально показано в работе
Чао, Харуорд и Фанг, в которой пленки гидроокисей искусственно создавались в
почве.
Контрольные вопросы для самоподготовки:
1. Охарактеризуйте процесс поглощения катионов почвой?
2. Что такое емкость обмена катионов?
3. Какие факторы влияют на емкость обмена катионов?
4. Что такое скорость обмена?
5. Перечислите факторы, влияющие на реакцию обмена?
6. Назовите основные факторы, влияющие на процесс поглощения катионов
почвой?
7. Охарактеризуйте процесс поглощения анионов почвой?
Литература:
1. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. – М.: ВШ, 1968
2. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы
Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999.
3. Панин М.С. Химическая экология. – Сем-ск, 2002.
4. Перельман А.И. Геохимия. – М.: ВШ, 1979.
5. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985.
6. Ринькис Г.Я. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987.
7. Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и
растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998.
8. Колходжаев М.К. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968.
9. Кауричев И.С. Почвоведение. – М.: Колос, 1982.
10.Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975.
11.Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970.
12.Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.
Лекция № 11,12. Щелочность и кислотность почв, способы их нейтрализации.
Цель: изучить особенности кислотности и щелочности почв, способы их
нейтрализации.
Основные вопросы:
1. Виды почвенной кислотности.
2. Способы регулирования почвенной кислотности.
3. Щелочность почвы и способы ее нейтрализации.
29
ВИДЫ ПОЧВЕННОЙ КИСЛОТНОСТИ.
Кислотность почв проявляется в разных формах и, кроме алюминия, она
вызывается другими элементами и соединениями. В настоящее время различают
следующие формы или виды почвенной кислотности:
 Актуальная кислотность
 Потенциальная кислотность, которая подразделяется на обменную и
гидролитическую кислотность.
Актуальная кислотность – кислотность почвенного раствора, обусловленную
растворимыми в нем компонентами.
Степень кислотности почвенных растворов, вытяжек и суспензий оценивают
величиной рН, количество кислотности – по содержанию титруемых щелочью
веществ, обладающих кислотными свойствами.
Кислотность почвенных растворов обусловлена присутствием свободных
органических кислот или других органических соединений, содержащих кислые
функциональные группы, свободными минеральными кислотами (главным образом
это угольная кислота), а также других компонентов, проявляющих кислотные
свойства.
В числе последних наибольшее влияние оказывают ионы Al3+ и Fe3+, причем
их кислотные свойства соизмеримы с кислотными свойствами таких кислот, как
угольная и уксусная.
Вклад различных компонентов в формирование актуальной кислотности
неодинаков, зависит от степени выраженности кислотных свойств и содержания
каждого компонента почвенного раствора.
В числе важнейших веществ, обусловливающих актуальную кислотность,
следует назвать угольную кислоту.
Потенциальная кислотность проявляется в результате взаимодействия почвы с
растворами солей или оснований. Она влияет и на уровень актуальной кислотности,
но точные функциональные зависимости, позволяющие по потенциальной
кислотности вычислить актуальную не установлены.
В большинстве случаев выявляется прямая зависимость: чем больше
потенциальная кислотность, тем выше кислотность актуальная.
Обменную кислотность определяют путем вытеснения ионов Н+ и Al3+ из ППК
нейтральным раствором нейтральной соли, обычно используют 1 н раствор хлорида
калия.
ПН++KCl→ПK++HCl
ПAl3++3KCl →ПK3++AlCl3
Степень кислотности оценивают по величине рН солевой вытяжки или суспензии.
Для определения количества кислотности солевую вытяжку титруют раствором
щелочи:
HCl+NaOH →NaCl+H2O
AlCl3+3 NaOH→Al(OH)3+3NaCl
30
Вытесненный из ППК ион Al3+ влияет не только на количество кислотности, но и на
степень кислотности, поскольку в водных растворах он образует Al(OH)3, Al(OH)2+,
Al(OH)2+.
Гидролитическую кислотность определяют путем взаимодействия почвы с
гидролитически щелочной солью; с этой целью принято использовать 1 н. раствор
CH3COONa
ПН++ CH3COONa→ПNa++ CH3COOН
При действии ацетата натрия величина кислотности обычно бывает значительно
выше, чем при действии хлорида калия. Многие авторы трактуют гидролитическую
кислотность как следствие более высокого значения рН равновесного раствора. Но
как выяснилось не щелочная среда является причиной превышения
гидролитической кислотности над обменной.
ПН++ CH3COONa→ПNa++ CH3COOН
ПН++KCl→ПK++HCl
Как видно из приведенных реакций в первой реакции образуется слабая уксусная
кислота, а во второй – сильная соляная кислота. Сильная соляная кислота
диссоциирует практически на 100%. Поскольку вытесняемый при первой реакции
Н+-ион связывается в форме слабодиссоциированной кислоты, то реакция протекает
значительно более полно, чем во втором случае. Конечно, повышение рН
увеличивает ЕКО и способствует более полному замещению водорода кислых
функциональных групп, но при определении обменной кислотности изменение рН
раствора KCl от 5,1 до 7,6 практически не влияет на степень кислотности солевых
вытяжек.
СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОЙ КИСЛОТНОСТИ.
Для снижения почвенной кислотности используют в качестве химических
мелиорантов различные материалы. Наиболее употребительны осадочные породы,
состоящие преимущественно из кальцита СаСО3, доломита CaMg(CO3)2,
доломитизированные известняки, мергели, т.е. глинисто-карбонатные осадочные
породы, содержащие 50-70% карбонатов. Кроме того, применяют известковые туфы
и различные промышленные отходы: дефекат (отход свеклосахарного
производства), доменные шлаки и др. В большинстве мелиорантов действующим
веществом является СаСО3.
С химической точки зрения СаСО3 является лучшим средством для снижения
почвенной кислотности. При внесении его в кислую почву происходит реакция:
ПН2++ СаСО3→ПСа2++Н2О+СО2
ПAl23++3 СаСО3+3 Н2О→ПСа32++2Al(OH)3+3СО2
В результате этих реакций создаются наиболее благоприятные условия: почвенный
поглощающий комплекс насыщается кальцием, а в почвенном растворе образуется
слабая угольная кислота, который легко разлагается, поставляя в приземный слой
воздуха СО2, необходимый для фотосинтеза.
Для снижения кислотности пригодны кроме СаСО3 все вещества,
реагирующие с кислой почвой как основание, то есть нейтрализующие кислоты. К
таким веществам относится гашеная известь Са(ОН)2. Едкие щелочи и
31
соответствующие карбонаты, как Na2CO3, для нейтрализации кислотности
непригодны; они дороги, а в результате обменной реакции почва насыщается
ионами натрия и приобретает неблагоприятные физические свойства.
Нельзя применять с этой целью и соли сильных кислот, например гипс
CaSO4*2H2O. Гипс эффективно используется при мелиорации солонцов, но при
внесении в кислые почвы он активно вытесняет ион водорода, в результате реакции
в почве образуется серная кислота.
Таким образом, лучшими мелиорантами кислых почв являются вещества, в
которых катионная часть представлена кальцием, а анионная часть –
гидроксильными ионами или остатками слабых кислот (угольной, кремниевой).
ЩЕЛОЧНОСТЬ ПОЧВЫ И СПОСОБЫ ЕЕ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ.
Неблагоприятной реакцией, помимо кислых почв, отличаются и почвы с
излишне высокими значениями рН - щелочные почвы. К ним относятся почвы,
содержащие Na в поглощенном состоянии.
Появление Na среди обменных оснований связано с засолением почв
натриевыми солями, такими, как NaCl, Na2SO4, Nа2СО3, и образованием почв,
содержащих повышенные количества Na среди поглощенных катионов. При
высоком содержании растворимых солей такие почвы называются солончаками. В
результате удаления избытка растворимых солей в процессе рассоления образуются
солонцеватые почвы и солонцы с характерной для них щелочной реакцией; содовые
солончаки (содержащие соду) имеют щелочную реакцию независимо от рассоления.
В почвенном растворе щелочных почв содержатся Na2CO3, NаНСО3,
благодаря чему его рН превышает 8; такая реакция неблагоприятна для
большинства сельскохозяйственных культур. Образование Nа2СО3 в почвенном
растворе может объясняться реакцией между обменным Na и углекислотой
раствора:
ПNa2++H2CO3→ ПН2++ Nа2СО3
Из различных путей образования соды в природе большое значение имеет
биологический путь. Согласно биологической теории содообразования,
сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливая серрнокислые соли в присутствии
органического вещества, приводят к образованию соды согласно следующим
уравнениям:
Na2SО4 + 2С = 2СО2 + Na2S;
Na2S + СО2+ Н2О = Nа2СО3 + H2S.
Почвы, содержащие обменный Na в значительных количествах (свыше 5% от
емкости поглощения), отличаются отрицательными физическими свойствами,
снижающими их производительность и затрудняющими обработку.
Для исправления отрицательных свойств щелочных почв применяется
гипсование. Реакция между почвой и гипсом такова:
ПNa4+Ca2+ + 2CaSO4→2Na2SO4+ПСа32+
32
Замена Na на Са в компенсирующем слое предотвращает возможность
образования соды, и рН сннжается. К этому же приводит и взаимодействие гипса с
содой почвенного раствора:
Nа2СО3 +CaSO4→ Na2SО4 + СаСО3
Во избежание засоления почв продуктами реакции (Na2S04) гипсование
целесообразно совмещать с мероприятиями, усиливающими промывание
(снегозадержание, дренирование).
Доза гипса, нужная для замещения избыточного количества обменного Na в
почве, вычисляется по следующей формуле:
CaSО4·2H2О (в т/га) = 0,086(Nа - 0,05Т)Нd,
где Na - содержание обменного Na в мг-экв на 100 г почвы;
Т - емкость поглощения в мг-экв на 100 г почвы;
Н - глубина пахотного слоя в см;
d - объемный вес почвы пахотного слоя;
0,086 - 1 мг-экв CaSO4 ·2H2O в граммах.
Как видно из формулы, количество Na, которое должно быть замещено на Са,
при расчете принимается равным содержанию обменного Na в почве,
уменьшенному на 0,05 Т, так как наличие 5% (0,05) Na от емкости поглощения не
сказывается отрицательно на свойствах почвы.
В условиях достаточной обеспеченности влагой CaS04 может быть для
вытеснения Na заменен хлористым кальцием - солью, значительно более
растворимой, чем гипс. В качестве средств химической мелиорации солонцов могут
быть также использованы FeSO4;, отработанная H2SO4.
Снижению щелочности солонцов способствует применение
кислых
минеральных удобрений: суперфосфата, кислого по своему химическому составу, и
физиологически кислого сульфат-аммония, а также навоза и других органических
удобрений, основания которых (Са, Mg и др.) замещают обменный Na.
Контрольные вопросы для самоподготовки:
1. Что называется почвенной кислотностью? В чем сущность данного явления?
2. Опишите виды почвенной кислотности?
3. Чем отличаются виды почвенной кислотности друг от друга?
4. Приведите уравнения химических реакций, характеризующих обменную и
гидролитическую кислотность?
5. Назовите способы регулирования почвенной кислотности?
6. Что такое щелочность почвы?
7. Назовите способы нейтрализации щелочности почвы?
Литература:
1. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. – М.: ВШ, 1968
2. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы
Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999.
3. Панин М.С. Химическая экология. – Сем-ск, 2002.
33
Перельман А.И. Геохимия. – М.: ВШ, 1979.
Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985.
Ринькис Г.Я. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987.
Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и
растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998.
8. Колходжаев М.К. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968.
9. Кауричев И.С. Почвоведение. – М.: Колос, 1982.
10.Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975.
11.Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970.
12.Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.
4.
5.
6.
7.
Лекция № 13. Буферность почв.
Цель: дать понятие буферности почвы и изучить факторы, оказывающие влияние на
буферность почв.
Основные вопросы:
1. Понятие буферности почв.
2. Реакции взаимодействия между почвенными коллоидами и кислотами и
щелочами.
3. Факторы, влияющие на буферность почв.
ПОНЯТИЕ БУФЕРНОСТИ ПОЧВ.
Одним из важнейших свойств почвенного раствора является его реакция,
которая определяется активной концентрацией вoдopодных ионов (рН),- так
называемая актуальная реакция почвы.
Величина актуальной реакции почвы, как и другие свойства почвенного раствора,
находится в тесной связи со свойствами твердых фаз почвы и, прежде всего, со
свойствами ее коллоидной фракции благодаря адсорбционным равновесиям,
устанавливающимся между частицами и раствором. Разные типы почв
соответственно характеру их коллоидов обладают разными величинами рН
почвенного раствора. Так, при наличии ионов Н или Аl среди обменных катионов
рН почвенного раствора имеет низкие значения, присутствие Nа-иона в
компенсирующем слое, наоборот, приводит к повышенным значениям рН. Реакция
почвенного раствора не является постоянной. Целый ряд процеcсов, идущих в почве
(процессы выветривания, жизнедеятельность микрофлоры, микрофауны, корневых
систем высших растений), влечет за собой образование избытка кислот или
оснований. Кроме того, в почву вносят удобрения, которые в результате
неравномерного использования растениями анионов и катионов приводят к
появлению физиологической кислотности или щелочности почвенного раствора.
Известь вносят специально для повышения рН почвы.
При изучении различных почв было замечено, что для некоторых из них
колебания рН невелики, что реакция их раствора более или менее стабильна и не
легко поддается смещению. Другие почвы характеризуются большей легкостью
сдвига реакции. Принято называть буферностью почвы ее способность
противостоять изменению реакции: чем больше почва буферит, тем труднее
34
сместить ее реакцию в кислую или щелочную сторону. Буферность почвы - очень
существенная ее характеристика, которую необходимо принимать во внимание в
ряде случаев, особенно в связи с применением минеральных удобрений.
Буферность почвы в основном определяется свойствами ее твердых фаз и,
главным образом, ее коллоидов. Появляющиеся в растворе кислота или щелочь
тотчас же вступают во взаимодействие с почвенными коллоидами, как наиболее
активной частью твердых фаз. В результате этого взаимодействия часть кислоты
или щелочи исчезает из раствора, нейтрализуется, и, следовательно, сдвиг реакции
ослабляется.
РЕАКЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ПОЧВЕННЫМИ КОЛЛОИДАМИ
И КИСЛОТАМИ И ЩЕЛОЧАМИ.
Рассмотрим возможные реакции взаимодействия между почвенными
коллоидами, с одной стороны и кислотами и щелочами, с другой.
а) Когда мы приводим почву в соприкосновение с кислотой, прежде всего
происходит реакция обмена между обменными катионами почвы и Н+-кислоты:
ПСа2+Na+ +3HCl→ПН3++ СаСl2+ NаСl
(1)
Мы видим, что в результате взаимодействия с почвой кислота исчезает из
раствора (нейтрализуется): ее водородный ион оказывается связанным с твердой
фазой почвы, а в растворе появляются нейтральные соли.
б) При взаимодействии почвы со щелочью Н или Аl компенсирующего слоя
отрицательных коллоидов обмениваются с катионами щелочи:
ПН3++3NaOH→ ПNa3++3H2O
(2)
3+
+
или
ПAl +3NaOH→ ПNa3 + Al(OH)3
(3)
Щелочь нейтрализуется, вместо нее появляется вода или выпадает осадок Al(OH)3.
Кроме того, допустимо предположение, что NaOH или Са(ОН)2 при их
добавлении к почве могут быть поглощены в двойном электрическом слое без
обмена по схеме:
ПNa3++ NaOH→ ПNa4+ОН(4)
Таким образом, возможен целый ряд реакций между почвенными коллоидами
и растворами кислот и щелочей. Чем в большей мере осуществляются эти реакции,
тем полнее происходит нейтрализация, тем меньше сместится реакция почвы и тем,
следовательно, большей буферностью обладает почва.
Помимо почвенных коллоидов, твердые фазы почвы могут содержать и
некоторые другие факторы буферности, а именно: малорастворимые простые соли
основного или кислого характера; эти соли более или менее легко взаимодействуют
с растворами и ослабляют сдвиг реакции. Среди таких солей наибольшее значение
имеет СаСОз и менее распространенный МgСОз, присутствие которых не позволяет
реакции сдвинуться в сторону кислой.
Существует несколько методов определения буферности почв.
Опишем здесь кратко метод, предложенный О. Аррениусом, который заключается в
следующем: в ряд маленьких конических колб вносят навески почвы, по 10 г
35
каждая; затем в часть колб приливают убывающее количество HCI, а в другие возрастающие количества Са(ОН)2; объем жидкости доводится водой до 20 мл в
каждой колбочке.
После встряхивания колбы оставляют стоять до следующего дня, а затем
производится фильтрование и определение рН в фильтратах. Результаты
определений используются для построения графика, причем на оси ординат
откладывают величины рН, а на оси абсцисс - соответствующие им количества
кислоты или щелочи; получается так называемая кривая титрования. Для суждения
о размере буферности почвы на тот же график наносится кривая титрования для
материала, лишенного всякой буферной способности (чистый кварцевый песок).
Чем больше буферит почвы, тем резче ее кривая титрования или кривая буферности
будет отставать от кривой титрования песка.
Для выражения буферности среди других способов предложено определение
буферной площади - площади между кривой титрования для данной почвы и
основной кривой для песка.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА БУФЕРНОСТЬ ПОЧВ.
Рассмотрим теперь, от каких свойств почвы зависит ее буферность и как
она выражена в различных почвах.
а) Влияние количества коллоидов (механического состава почвы). Так как
буферность почвы в основном определяется, как мы видели выше, взаимодействием
кислоты или щелочи с почвенными коллоидами, то совершенно ясно, что в первую
очередь буферность связана с количеством коллоидов, т. е. с механическим
составом почвы. Чем больше коллоидов в почве, тем выше ее буферность. Легкие
песчаные почвы почти не обладают буферностью и приближаются в этом
отношении к песку. Наоборот, в глинистых почвах буферность выражена сильнее.
Малая буферность песчаных почв заставляет быть чрезвычайно осторожным
при применении на них удобрений. Физиологически кислые соли, такие, как
(NH4)2S04, могут значительно снизить их рН. Известь при несоответствующей
буферности дозе слишком резко повышает их рН.
б) Значение состава внутренней части (гранулы) почвенных коллоидов.
Отчетливее всего связь между составом внутренней части почвенных коллоидов
частиц (гранул) и буферностью почвы проявляется для аморфных гелей. При этом
ацидоиды и базоиды обладают совершенно различными буферными свойствами.
Для того чтобы исключить влияние обменных ионов, изучение буферности в
зависимости от состава гранулы проводится с электродиализованнными коллоидами
Маттсон получал кривые титрования для искусственных алюмосиликатов.
Компенсирующий слой чистого электродиализованного геля Аl(ОН)3 состоит из ОНионов. Такой коллоид буферит почти исключительно в кислом интервале. Чистый
электродиализованный ацидоид (Н2SiO3) содержит в диффузном слое только Н+ион и буферит в щелочном интервале. Аморфные алюмосиликаты, представляющие
собой комплексные частички, имеют различные отношения ацидоидов к базоидам
36
(А : В). Их буферные свойства в зависимости от состава гранулы приближаются или
к свойствам ацидоидов, или к свойствам базоидов.
Коллоид, содержащий больше АI2О3 и меньше SiO2(АI2О3 .0,37SiO2), дает
кривую титрования, приближающуюся к кривой чистого геля АI(ОН)3. Второй
коллоид с преобладанием SiO2(АI2О3 х2,8SiO2) по кривой титрования ближе к гелю
SiO2.
в) Значение состава обменных катионов. Решающее влияние на xapaктер
почвенной буферности оказывает состав ионов компенсирующего слоя, причем,
поскольку в почвах преобладают отрицательные коллоиды, нас в первую очередь
интересуют обменные катионы. Из тех схем реакций между почвами и растворами,
которые даны выше, ясно, что наличие большого количества катионов Са, Mg, Na и
др. создает значительную буферность в кислую сторону. С другой стороны, почвы,
имеющие Н+ или Аl3+ на поверхности и способные поглощать щелочь, сильно
буферят в щелочную сторону.
Черноземы, дерновые почвы, солонцы, содержащие на поверхности много
«нейтральных» катионов (или оснований), очень стойки к подкислению: небольшие
количества кислоты сразу нейтрализуюттся ими. Подзолистые почвы, красноземы,
наоборот, легко подкисляются. Вот почему на черноземах вполне допустимо
применение физиологически кислых удобрений, а на подзолистых почвах эти
удобрения требуют осторожности и при систематическом использовании
заставляют известковать почвы для нейтрализации накапливающейся кислотности.
С другой стороны, если мы хотим повысить рН почвы, то количество извести,
нужное для этого, различно в зависимости от буферности почвы в щелочную
сторону. Чем эта буферность больше, тем больше кислотность почвы, тем большие
дозы извести надо применять для нейтрализации почвы.
Контрольные вопросы для самоподготовки:
1. Что называют буферностью почвы?
2. Какие реакции взаимодействия между почвенными коллоидами и кислотами и
щелочами протекают в почвах?
3. Какие свойства почв оказывают влияние на буферность почв?
Литература:
1. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. – М.: ВШ, 1968
2. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы
Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999.
3. Панин М.С. Химическая экология. – Сем-ск, 2002.
4. Перельман А.И. Геохимия. – М.: ВШ, 1979.
5. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985.
6. Ринькис Г.Я. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987.
7. Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и
растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998.
8. Колходжаев М.К. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968.
9. Кауричев И.С. Почвоведение. – М.: Колос, 1982.
10.Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975.
11.Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970.
37
12.Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.
Лекция №14,15. Газовая фаза почвы. Почвенный воздух.
Цель: изучить газовый состав почв.
Основные вопросы:
1. Понятие почвенный воздух.
2. Главные составные части почвенного воздуха.
3. Факторы, способствующие обмену почвенного воздуха с атмосферой.
4. Содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе.
ПОНЯТИЕ ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ.
Почвенный воздух, представляя собой газовую фазу почвы, принимает
активное участие в почвенных процессах. Его количество и состав в большой мере
определяют направление этих процессов (анаэробное или аэробное с преобладанием
восстановительных или окислительных процессов и т.д.) и их интенсивность.
О количестве воздуха в почве судят по объему всех промежутков между
твердыми частицами, не занятых водой. Зная общую скважность почвы и
количество влаги в ней, можно по разности вычислить объем почвенного воздуха.
Из сказанного ясно, что вода и воздух взаимно замещают друг друга в почве: чем
больше воды, тем меньше места остается для воздуха. В периоды большой
влажности в почве создаются анаэробные условия. Колебания почвенной влажности
приводят к изменениям в содержании воздуха в почве.
Структурность почвы, от которой зависят общий объем и размеры почвенных
промежутков, определяет при прочих равных условиях количество почвенного
воздуха. В структурной почве, наряду с влагой, заполняющей капилляры внутри
агрегатов, остается место для воздуха в крупных порах между агрегатами. В
бесструктурной уплотненной почве антагонизм между водой и воздухом выражен
особенно резко.
Помимо структуры на содержание воздуха в почве влияет и плотность ее
сложения: чем более уплотнена почва, тем меньше в ней воздуха; рыхление,
естественно, усиливает аэрацию.
Сельскохозяйственная культура рядом воздействий (обработка, удобрение,
посев растений), ведущих к разрыхлению или уплотнению почвы, к созданию
структуры (а в некоторых случаях, и к ее разрушению) сильно влияет на снабжение
почвы воздухом.
Важным моментом, влияющим на аэрацию почв (т. е. на содержание в них
воздуха), является водопроницаемость слоев почвенного профиля; при хорошей
водопроницаемости полное насыщение почвы водой бывает очень недолго
(например, сразу после таяния снега); влага быстро просачивается вниз и
освободившиеся поры заполняются воздухом. Если же почва близко к поверхности
подстилается водонепроницаемым слоем, вода в ней длительно задерживается,
создаются анаэробные условия, возможно развитие болотного процесса. В таких
38
случаях мелиоративные мероприятия, освобождая почву от излишка воды, могут
улучшить ее снабжение воздухом.
Несмотря на значительные колебания в содержании воздуха в почве в течение
года, связанные с колебаниями температуры и влажности, намечаются известные
закономерности в содержании воздуха в отдельных почвенных типах.
Исследованиями установлено, что в верхнем слое (0-20 см) среднее
содержание воздуха довольно близко для всех изучавшихся почв, составляя 23-28%
от объема почвы. Однако значительные различия наблюдаются в содержании
воздуха в нижних горизонтах: уже в слое 50-100 см дерново-подзолистые почвы
содержат в 3-4 раза меньше воздуха, чем чернозем.
ГЛАВНЫЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА.
Главными составными частями почвенного воздуха, как и свободного
атмосферного, являются азот, кислород, углекислый газ и водяной пар. Но
процентное их соотношение в почве значительно отличается от того, которое мы
находим в надпочвенном воздухе (табл.).
Таблица Содержание основных газов в атмосферном и почвенном воздухе
(в объемных процентах) (по Ремезову)
Газ
Атмосферный воздух
Почвенный воздух
Азот
78
78-80
Кислород
21
0,1-20
Углекислый газ
0,03
0,1-15,0
Состав атмосферного воздуха более или менее постоянен (табл.) и
обнаруживает лишь незначительные колебания, а почвенный воздух непрерывно
изменяется. В различных климатических зонах, в различных почвах под разными
культурами почвенный воздух имеет различный состав.
Наименьшим колебаниям подвержено содержание азота в почвенном воздухе,
наибольшим - кислорода и углекислого газа. При этом обычно в почвенном воздухе
значительно меньше, чем в атмосферном, кислорода и больше углекислого газа.
Основной причиной разницы в составе атмосферного и почвенного воздуха
являются биологические процессы, протекающие в почве. В процессах дыхания,
брожения, гниения происходит поглощение кислорода и выделение СО2. В
некотором количестве СО2 поглощается из почвенного воздуха корнями растений, а
также микробами-автотрофами. Клубеньковые и свободно живущие бактерииазотфиксаторы связывают азот воздуха, денитрифицирующие организмы
освобождают азот и т. д.
Обогащенный СО2 и обедненный кислородом почвенный воздух снова
восстанавливает свой состав в результате диффузии газов, которая приводит к
выравниванию концентраций в сообщающихся объемах. Более богатый кислородом
атмосферный воздух проникает в почву, вытесняя оттуда почвенный воздух с
высоким содержанием СО2. Схематически это выглядит так: почва поглощает
39
О2 и выделяет СО2, что характерно для процесса дыхания. Поэтому газообмен
между почвой и атмосферой называют «дыханием» почвы.
ФАКТОРЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ОБМЕНУ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА С
АТМОСФЕРОЙ.
Почвенный воздух находится постоянно в состоянии обмена с атмосферой.
Этому обмену способствуют:
 диффузия газов, зависящая от разницы состава почвенного и надпочвенного
воздуха и возрастающая с увеличением этой разницы. А. А. Роде и другие
исследователи считают роль диффузии в газообмене важнейшей;
 колебания температуры и барометрического давления; нагреваясь, почва
выделяет некоторое количество газов; при охлаждении и сжатии почвенного
воздуха почва засасывает атмосферные газы. Засасывание атмосферного
воздуха происходит и при увеличении барометрического давления; при
уменьшении его, напротив, часть воздуха удаляется из почвы;
 ветры, создающие на неровной поверхности почвы разнообразные условия
давления, а также усиливающие испарение воды, тем самым освобождая
место для воздуха в почве;
 просачивание воды в почву, при котором почвенный воздух вытесняется
водой в более глубокие слои: после ухода воды поры заполняются свежим
атмосферным воздухом; после хорошего дождя может произойти полная
смена почвенного воздуха. Аналогично действуют колебания уровня
почвенно-грунтовых вод.
СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ПОЧВЕННОМ
ВОЗДУХЕ.
Как уже отмечалось выше, в составе почвенного воздуха наибольшие
колебания наблюдаются в содержании кислорода и углекислого газа.
Кислород необходим и для почвенных микроорганизмов и для высших
растений, которые погибают при прекращении доступа кислорода к корням. Именно
от недостатка кислорода страдают растения и микроорганизмы на плохо
аэрируемых почвах.
В верхних горизонтах почв нормального увлажнения содержание кислорода
приближается к его содержанию в атмосферном воздухе (~20%), а при избыточном
увлажнении - может снижаться до<1%.
В избыточно увлажненных почвах не только мало содержание воздуха, но и
неблагоприятен его состав.
Наблюдения опытных учреждений показывают зависимость содержания
кислорода в почвах от растительного покрова, а в возделываемых почвах - от
характера их обработки. В верхних слоях почвы кислорода больше, чем в нижних: с
глубиной содержание его падает.
Изменения в содержании кислорода в почвенном воздухе резко сказывается на
свойствах почвы. Полное удаление кислорода из газовой смеси приводит к резкому
преобладанию восстановительных процессов (снижению Eh и, соответственно, rН2;
40
увеличению содержания в почве восстановленных форм железа). Уже
незначительное количество O2 - 0,5% от объема воздуха улучшает ОВ-условия. При
2,5% кислорода rН2 достигает значения 27,9; эту концентрацию считают рубежом,
характеризующим переход от анаэробных условий к аэробным. Следует отметить,
что повышение концентрации СО2 в газовой смеси мало влияет на ОВ-условия
почвы.
Изменение содержания O2 в газовой смеси отчетливо сказывается на
соотношении окисленной и восстановленной формы N в почве: по сравнению с
исходной почвой в отсутствие O2 количество NO3- падает, а NH4+ возрастает; при
возрастании процента кислорода содержание NO3- постепенно увеличивается, а
NH4+ - падает.
Недостаток кислорода в почве сказывается как на прорастании семян, так и на
дальнейшем развитии растений. Для разных почвенных условий до сих пор не
установлены оптимальные концентрации O2 для прорастания семян.
Для развития растений и микроорганизмов имеет значение наличие
анаэробных условий в почве даже в течение недолгого периода (15-30 дней).
Весеннее затопление почвы талыми водами приводит в дальнейшем к менее
благоприятным условиям питания растений на такой почве, чем на почвах, не
испытавших временного анаэробиозиса. Из сказанного можно видеть, как велика
роль кислорода в почвенных процессах и в создании благоприятных условий для
растений.
Другим компонентом почвенного воздуха, содержание которого значительно
колеблется во времени, является углекислый газ.
Установлено, что содержание CO2 в почвенном воздухе, как правило,
значительно - в десятки и сотни раз - выше, чем в атмосферном.
Чем интенсивнее биологические процессы в почве, тем больше она выделяет
углекислого газа. По количеству выделенной CO2 можно ориентировочно судить о
биологической активности почвы (В. И. Штаттнов).
Чем больше содержание органического вещества в почве, тем больше она
выделяет CO2 при одинаковых условиях температуры, аэрации и влажности;
наибольшей биологической активностью отличается целинная лесная почва,
наименьшей - истощенная старопахотная почва; унавоженная и вновь освоенная
почвы занимают промежуточное положение. Обогащение почвенного и
надпочвенного воздуха углекислотой (CO2) за счет внесенного навоза и усиление
ассимиляции растениями CO2 - одна из причин благоприятного действия навоза на
урожай культурных растений.
В природных условиях количество образующейся в почве углекислоты
увеличивается за счет дыхания корней растений. Поэтому в почве под растениями
воздух содержит значительно больше СО2, чем на паровых участках; особенно
много CO2 в лесной почве.
В течение года содержание углекислоты в почвенном воздухе значительно
изменяется. Наибольшие количества СО2 наблюдаются в самое теплое время года,
постепенно снижаются к осени и достигают минимальных значений зимой. Весной
происходит снова постепенное увеличение содержания СО2 в почвенном воздухе.
41
Таким образом, обнаруживается тесная связь колебаний количества углекислоты с
температурой. Большое значение имеют для динамики СО2 также изменения
влажности почвы, что приводит к различиям в характере кривых при наблюдениях,
проведенных в разные годы.
Углекислота образуется в гумусовом слое в течение вегетационного периода и
постепенно диффундирует - частью в атмосферу, частью в нижележащие слои
почвы и грунта. Летом содержание СО2 в глубоких слоях достигает максимума
позже, чем в вepxних, а зимой оно медленнее снижается.
Как уже указывалось выше; углекислота, представляя собой продукт
биологических процессов в почве, является важным фактором химического
выветривания. СО2 почвенного воздуха находится в равновесии с СО2 почвенного
раствора и влияет на его кислотность. Растворы углекислоты производят
растворяющее действие на ряд труднорастворимых соединений; карбонаты
переходят в бикарбонаты; увеличивается растворимость фосфатов. В связи с этим
можно предполагать, что в периоды интенсивного образования СО2 в почве
усиливается мобилизация питательных веществ, т. е. переход их в доступное для
растений состояние.
Содержание водяных паров в почве и в атмосфере колеблется в широких
пределах. Почвенный воздух обычно насыщен водяными парами при данной
температуре или близок к насыщению. Пониженное давление водяных паров в
почвенном воздухе гибельно отражается на микрофлоре.
В связи с изменениями температуры и давления в почве постоянно происходит
сжижение водяного пара в воду, и обратный процесс - испарение воды. Ночью
поверхностные слои почвы охлаждаются, и здесь происходит сгущение водяного
пара в воду на холодной поверхности твердых частиц – образование так называемой
«подземной росы». Это вызывает понижение упругости водяного пара в верхних
слоях и, как следствие, передвижение его из нижних, более теплых слоев в верхние.
Возможно увлажнение почвы и за счет водяных паров атмосферы, сгущающихся в
поверхностном слое почвы при его охлаждении.
Почвенный воздух тесно связан с твердой и жидкой фазами почвы. В сухой
почве твердые частицы, в основном высокодисперсные коллоидные частицы,
поглощают на своей поверхности газы почвенного воздуха.
Как уже отмечалось выше, процесс поглощения водяного пара, который
адсорбируется сильнее всех других газов, можно рассматривать как переходный к
адсорбции жидкостей: водяной пар, конденсируясь на поверхности частичек, в
соответствующих условиях температуры и давления, образует водную пленку.
Во влажной почве почвенный воздух в некотором количестве растворяется в
почвенном растворе. Растворимость газов в воде неодинакова и зависит от
температуры.
Порядок растворимости газов тот же, что и порядок их по адсорбируемости:
N2 < О2 < СО2. В связи с высокой растворимостью углекислоты содержание ее в
почвенном растворе относительно много больше (по сравнению с другими газами),
чем в почвенном воздухе.
42
Растворенный в почвенном растворе газ отрицательно адсорбируется
почвенными твердыми частицами, что является естественным следствием меньшей
сорбируемости газа по сравнению с водой. За счет этой отрицательной адсорбции
концентрация газа в свободной части почвенного раствора несколько повышается.
В предыдущем изложении мы постоянно отмечали взаимодействие между
фазами почвы: твердых, жидкой и газовой. Поскольку наиболее активной частью
твердых фаз является ее наиболее высокодисперсная часть - почвенные коллоиды,
наиболее интенсивно взаимодействие происходит между почвенными коллоидами,
почвенным раствором и почвенным воздухом. Изменения, происходящие в
почвенном растворе, влекут за собой изменения в составе почвенного воздуха, а с
другой стороны - в составе почвенных коллоидов, и - прежде всего - в составе ионов
поглощенных на их поверхности. Так, при образовании азотной кислоты в процессе
нитрификации происходит связывание кислорода из почвенного воздуха.
Образовавшаяся НNО3 увеличивает концентрацию в почвенном растворе Н+ - ионов,
которые быстро вступают во взаимодействие с обменными ионами Са образуя
Ca(NO3)2 и увеличивая количество Н+ - ионов, поглощенных коллоидами.
Контрольные вопросы для самоподготовки:
1. Дайте понятие почвенный воздух?
2. Назовите главные составные части почвенного воздуха?
3. В чем разница между составными частями почвенного и атмосферного воздуха?
4. Что такое дыхание почвы?
5. Какие факторы способствуют обмену почвенного воздуха с атмосферой?
6. Какие факторы оказывают влияние на содержание кислорода и углекислого газа
в составе почвенного воздуха?
Литература:
1. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. – М.: ВШ, 1968
2. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы
Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999.
3. Панин М.С. Химическая экология. – Сем-ск, 2002.
4. Перельман А.И. Геохимия. – М.: ВШ, 1979.
5. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985.
6. Ринькис Г.Я. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987.
7. Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и
растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998.
8. Колходжаев М.К. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968.
9. Кауричев И.С. Почвоведение. – М.: Колос, 1982.
10.Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975.
11.Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970.
12.Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.
43
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Выполнение заданий практических занятий способствует укреплению знаний
по изучаемой дисциплине, развивает у студента самостоятельность и прививает
навыки проведения эксперимента. Для того чтобы работа в лаборатории проходила
успешно, необходимо предварительно изучить теоретический материал по
учебникам, записям лекций и пособиям по химическим практикумам. Этим
вырабатывается сознательное отношение к выполнению техники эксперимента, сама
работа будет осмыслена, а, следовательно, и понята.
Работающим в лаборатории химии необходимо неукоснительно соблюдать
правила техники безопасности и правила работы с химической посудой и
приборами. Нужно научиться пользоваться химическими реактивами, химическим
оборудованием, которые перечислены в руководствах для работ по химическому
практикуму.
Успех экспериментальной работы зависит не только от правильности выбора
методов работы, последовательности выполнения измерений, взвешиваний, но и от
правильной систематической записи результатов.
К выполнению работы допускаются студенты, получившие допуск после
проверки преподавателем теоретических знаний по теме, знания методики
выполнения эксперимента и подготовившие журнал к ведению записей по теме.
После выполнения практической работы студент должен навести порядок на своем
рабочем месте, и сдать его дежурному или лаборанту. После оформления
результатов в журнале студент должен сдать отчет преподавателю.
Каждое практическое занятие оформляется в журнале в виде отчета и должна
содержать следующие обязательные компоненты:
1. Дата проведения.
2. Практическое занятие №…
3. Тема практического занятия (соответствует теме УМКД).
4. Цель занятия.
5. Краткий конспект по вопросам практического занятия.
Задания к практическим занятиям, контрольные вопросы по теме приведены в
УМКД.
44
Планы проведения лабораторных занятий
Тема №1,2: Взятие почвенных проб и подготовка их к анализу. Определение рН
почвы.
1. Ознакомиться с методами отбора проб почв.
2. Отобрать пробы почв и подготовить их к анализу.
3. Изучить правила работы на рН-метре.
4. Подготовить водную и солевую почвенные вытяжки.
5. Определить рН водной и солевой почвенной вытяжки.
Тема №3,4: Определение влажности почвы.
1. Взвешивание почвенных образцов на аналитических весах.
2. Определение влажности почв.
Тема № 5-7: Определение гумуса почв.
1. Ознакомиться с методами определения гумусовых веществ в почве.
2. Методом окисления определить содержание гумуса в почве.
3. Подготовить шкалу образцовых стандартных растворов.
4. Рассчитать содержание гумуса в анализируемой почве.
Тема №8,9: Определение содержания ионов кальция и магния в водной
вытяжке почв.
1. Ознакомиться с методами определения ионов магния и кальция в почве.
2. Определить содержание ионов кальция и магния в почвенной вытяжке.
3. Приготовить необходимые для выполнения работы реактивы, сделать
соответствующие расчеты.
4. Сравнить полученные данные с нормативными данными и дать химическую
оценку.
Тема №10,11: Определение содержания анионов в водной вытяжке.
1. Ознакомиться с сущностью методов определения анионов.
2. Определить содержание карбонат и гидрокарбонат ионов в почвенной вытяжке.
3. Определить содержание хлорид, сульфат ионов в почвенной вытяжке.
4. Приготовить необходимые для выполнения работы реактивы, сделать
соответствующие расчеты.
5. Сравнить полученные данные с нормативными данными и дать химическую
оценку.
Тема №12,13: Определение содержания водорастворимых форм соединений
меди и цинка в почве.
1. Приготовить водную вытяжку почв.
2. Приготовить необходимые для выполнения работы реактивы, сделать
соответствующие расчеты.
45
3. Химическим дитизоновым методом определить содержание водорастворимых
соединений меди и цинка.
4. Сравнить полученные данные с нормативными данными и дать химическую
оценку.
Тема №14,15: Определение содержания кислоторастворимых форм соединений
меди и цинка в почве.
1. Приготовить кислоторастворимую вытяжку почв.
2. Приготовить необходимые для выполнения работы реактивы, сделать
соответствующие расчеты.
3. Химическим дитизоновым методом определить содержание кислоторастворимых
соединений меди и цинка.
4. Сравнить полученные данные с нормативными данными и дать химическую
оценку.
46
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СРС
Самостоятельная работа студента (СРС) – ведущий вид деятельности, который
позволяет выработать у студента способности к самообразованию и саморазвитию,
навыки свободного критического мышления. СРС подразумевает внеаудиторную
работу, которая должна быть направлена на предварительную подготовку к
лекциям, самостоятельное изучение учебного материала в условиях библиотеки,
компьютерного класса, через Интернет, подготовку к практическим занятиям,
коллоквиумам, самостоятельное составление конспектов по темам СРС (вопросы
указаны в Плане СРС), составление отчетов по практическим занятиям.
СРС должны быть сданы в полном объеме в соответствии с темами, сроками
и формами, указанными преподавателем.
План организации СРС по курсу
№
Тема
Цель и
содержание
задания
РекоБаллы
Форма
мендуемая (макс)
отчета
литература
осн./доп.
1. 1.Химический
Подготовить /1/,8-49;
5
Конспект,
ся к лекциям /5/,5-65,
контрольная
состав почв.
279-319
работа,
Минеральная часть по теме.
Законспекти
выполнение
почвы.
1. Подготовить
ровать
ПЗ,
конспект ответов на вопросы
коллоквиум
следующие вопросы: СРС по
теме.
 Способы
Сдать
выражения
коллоквиум
элементного
№1
состава почвы.
 Соединения
кремния,
алюминия и
железа, их
структура.
 Образование и
структура
вторичных
минералов.
 Методы изучения
высокодисперсны
х почвенных
минералов.
 Соединения
47
Срок
6-7
недели
кальция, магния,
калия, натрия.
 Соединения
фосфора, серы.
 Микроэлементы.
2. По данной теме
разработать
глоссарий.
2. Органическая
часть почвы.
1. Подготовить
конспект ответов на
следующие вопросы:
 Значение гумуса
для почвенного
плодородия.
 Содержание
гумуса и его
качественный
состав в почвах
Казахстана.
 Азот почвы.
 Фосфор
органических
соединений
почвы.
 Сера
органических
соединений
почвы.
2. Разработать
тематический
глоссарий.
По темам модуля №
1 !!!
1. Каждому студенту
индивидуально
разработать
тематический тест
(30 тестовых заданий
по 5 вариантов
ответов – 1 вариант
верный),
включающий все
/1/,51-113
/5/,174-279
48
вопросы данной
темы.
2.
1. Поглощение
катионов почвой.
1. Подготовить
конспект ответов на
следующие вопросы:
 Влияние
поглощенных
катионов на
величину
потенциала
почвенных
коллоидов.
 Коагуляция и
пептизация в
почве.
 Состав обменных
катионов и
емкость
поглощения в
почвах
Казахстана.
 Изменение
емкости обмена и
состава обменных
катионов под
влиянием
сельскохозяйстве
нной культуры.
2. Написать реферат
на тему: «Роль
отдельных катионов
в развитии
растений».
3. Разработать
тематический
глоссарий.
2. Кислотность и
щелочность почвы,
способы ее
нейтрализации.
1. Подготовить
конспект ответов на
Подготовить
ся к лекциям
по теме.
Законспекти
ровать
вопросы
СРС по
теме.
Сдать
коллоквиум
№2
/1/,139-182
/5/,84-110
/1/,202-227
242-281
390-397
/5/,110-139
168-174
49
5
Конспект,
контрольная
работа,
выполнение
ПЗ,
коллоквиум
14-15
недели
следующие вопросы:
1. Зависимость
емкости поглощения
катионов почвой от
рН реактива.
2. Роль алюминия в
почвенной
кислотности.
3. Определение
почвенной
кислотности.
2. Разработать
тематический
глоссарий.
3. Жидкая фаза
почвы.
1. Подготовить
конспект ответов на
следующие вопросы:
1. Некотрые общие
свойства почвенного
раствора:
осмотическое
давление, реакция
почвенного
раствора,
окислительновосстановительные
условия.
2. Разработать
тематический
глоссарий.
4. Почвенные
органические
вещества,
оказывающие
влияние на обмен
веществ растений.
1. Подготовить
конспект ответов на
следующие вопросы:
1. Ферменты.
2. Витамины.
3.Стимуляторы
50
роста.
4. Антибиотики.
2. Разработать
тематический
глоссарий.
По темам модуля №
2 !!!
1. Каждому студенту
индивидуально
разработать
тематический тест
(30 тестовых заданий
по
5
вариантов
ответов – 1 вариант
верный),
включающий
все
вопросы
данной
темы.
ТЕМЫ КОЛЛОКВИУМОВ:
1. Минеральная часть почвы. Почвенные коллоиды. Органическая часть почвы.
2. Катионный и анионный состав. Кислотность, щелочность почв. Жидкая и
газовая фаза почвы.
Список литературы:
Основная литература:
1. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. – М.: ВШ, 1968
2. Панин М.С. Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней
полосы Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999.
3. Панин М.С. Химическая экология. – Сем-ск, 2002.
4. Перельман А.И. Геохимия. – М.: ВШ, 1979.
5. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985.
6. Ринькис Г.Я. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987.
7. Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и
растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998.
8. Колходжаев М.К. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968.
9. Кауричев И.С. Почвоведение. – М.: Колос, 1982.
10.Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975.
11.Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970.
12.Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.
51
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Дополнительная литература:
Микроорганизмы и охрана почв. – М.: МГУ, 1989.
Илялетдинов А.Н. Микробиологические превращения металлов. – Алма-Ата,
Наука, 1984.
Мотузова Г.В. Устойчивость почв к химическому воздействию. – М.: МГУ, 2000.
Ильин В.Б. Оценка буферности почв по отношению к тяжелым металлам //
Агрохимия. – 1995. - №10.
Добровольский Г.В. Функции почв в биосфере и экосистемах. – М.: Наука, 1990.
Горбунов Н.И. Высокодисперсные минералы и методы их изучения. – М.: АН
СССР, 1963.
Кононова М.М. Органическое вещество почвы, его природа, свойства и методы
изучения. – М.: АН СССР, 1963.
52
53
54
55
56
57