Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы химико-педагогических исследований» для специальности 5В011200 — «Химия» (стр. 9 )

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 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)

или  ПAl3++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 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 ОН-ионов. 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 (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:

Что называют буферностью почвы? Какие реакции взаимодействия между почвенными коллоидами и кислотами и щелочами протекают в почвах? Какие свойства почв оказывают влияние на буферность почв?

Литература:

Химия почвы. – М.: ВШ, 1968 Формы соединений тяжелых металлов в почвах средней полосы Восточного Казахстана (фоновый уровень) – Сем-ск, 1999. Химическая экология. – Сем-ск, 2002. Геохимия. – М.: ВШ, 1979. Химия почв. - М.: МГУ, 1985. Методы анализа почв и растений. – Рига : Зинатне, 1987. Сборник методических указаний по лабораторным исследованиям почв и растительности Республики Казахстан. – Алматы. 1998. Почвы Семипалатинской области. – Алма-Ата, Наука, 1968. Почвоведение. – М.: Колос, 1982. Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975. Руководство по химическому анализу почв. – М.: МГУ, 1970. Содержание и формы микроэлементов в почвах. – М.: МГУ, 1979.

Лекция №14,15. Газовая фаза почвы. Почвенный воздух.

Цель: изучить газовый состав почв.

Основные вопросы:

Понятие почвенный воздух. Главные составные части почвенного воздуха. Факторы, способствующие обмену почвенного воздуха с атмосферой. 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.