Понятие о коллоидах. В физическом отношении почва представляет сложную полидисперсную систему, состоящую из многих компонентов, в том числе и почвенных коллоидов.
Почвенными коллоидами называются частицы, величина диаметра которых меньше 0,1 микрона.
Все почвенные коллоиды по составу можно разделить на 3 большие группы — минеральные, органические и органоминеральные.
Минеральные коллоиды представлены главным образом частицами вторичных минералов, прежде всего глинных: монтмориллонита, нонтронита, галлуазита, каолинита, бейделлита, аллофана, а также частицами минералов, относящихся к группе гидроокисей, — гидратов окисей железа [Fe(OH)3∙nH2O], алюминия [А1(ОН)3∙nН2О], марганца (Мn2О3∙nН2О), кремния (SiO2∙nH2O) и др.
Органические коллоиды представлены частицами различных гумусовых веществ почвы.
Органо-минеральные коллоиды состоят из частиц, образующихся в результате взаимодействия органических и минеральных коллоидов.
Наличие коллоидов в почве всецело зависит от содержания в ней глины и перегноя.
Наиболее богатыми коллоидами будут почвы глинистые и суглинистые с высоким содержанием гумуса; наоборот, почвы крупнозернистые песчаные и супесчаные, обедненные перегноем, будут отличаться ничтожным количеством коллоидальных частичек.
Строение коллоидов. Коллоиды представляют собой вещества, находящиеся в высокодисперсном состоянии. Каждая коллоидальная частичка в растворе имеет определенный электрический заряд. Большинство почвенных коллоидов, как минеральных, так и органических, имеет отрицательный заряд.
Коллоидная частичка называется мицеллой. Она имеет сложное строение. Внутренняя ее часть состоит из агрегата молекул, составляющих основную массу вещества мицеллы. Эта часть, носящая название ядра мицеллы, может быть представлена или аморфным телом, или телом с ясно выраженной кристаллической структурой. В химическом отношении ядро мицеллы характеризуется самым разнообразным составом. Так, например, искусственным путем получены коллоиды, ядро которых состоит из окиси железа, алюминия, кремнезема, белковых молекул и др.
На поверхности ядра располагается слой молекул. Этот слой носит название ионогенного, или двойного электрического, слоя.
При диссоциации молекул ионогенного слоя одни из ионов примыкают непосредственно к ядру частицы, а в дисперсионной среде располагаются противоположно заряженные ионы.
Ионы, остающиеся на поверхности ядра, называются потенциал-определяющими ионами, или внутренним слоем ионов, или внутренней обкладкой двойного электрического слоя.
Ионы, расположенные за внутренним слоем к периферии и несущие противоположный знак заряда, образуют внешний слой ионов; этот слой носит название внешней обкладки двойного электрического слоя, адсорбционного слоя, компенсирующих ионов, или противоионов.
Заряд частиц зависит от того, какие из ионов — анионы или катионы — примыкают непосредственно к ядру. Если к ядру примыкают анионы, частица несет отрицательный заряд, а вокруг нее в окружающей дисперсиоиной среде находятся положительно заряженные катионы; если же к ядру примыкают катионы, частица несет положительный заряд, а в окружающей его дисперсионной среде находятся отрицательно заряженные анионы.
Таким образом, схематично, в каждой коллоидальной частице (мицелле) имеются 3 составные части, связанные между собой с различной силой: 1) внутреннее ядро, состоящее из самого вещества, находящегося в коллоидальном состоянии; 2) внутренняя обкладка двойного слоя, которая закреплена на ядре, можно сказать, неподвижно и определяет собой заряд частицы, и 3) внешний, или диффузный, слой ионов с противоположным электрическим зарядом.
Понятие о заряде коллоидов, следовательно, относится не к мицелле в целом, а лишь к части ее без диффузного слоя или без отдиссоциированных ионов. Наглядным примером здесь может служить строение мицеллы кремневой кислоты (по Н. И. Горбунову).
Внутреннее ядро данной мицеллы состоит из агрегата молекул SiO2; внутренняя обклада ее —из ионов SiO3—, образующихся в результате диссоциации молекул H2Si03; в диффузном слое будут находиться ионы Н+. Вследствие того, что частица имеет ионогенный слой, состоящий из ионов SiO3—, имеющих отрицательный заряд, сама коллоидная частица будет заряжена также отрицательно.
Этот заряд компенсируется суммой противоположных по знаку зарядов, присущих ионам, слагающим внешний слой коллоидной частицы. Поэтому в целом коллоидная частица является электронейтральной. Но в водном растворе некоторая, обычно очень небольшая, часть ионов внешнего слоя отщепляется в окружающую частицу воду, образуя диффузный слой. Вследствие этого присущий частице заряд оказывается компенсированным уже не полностью и она приобретает некоторый потенциал, называемый электрокинетическим, или дзета-потенциалом.
Дзета-потенциал измеряется величинами порядка нескольких десятков милливольт.
Одноименно заряженные частицы отталкиваются одна от другой, и чем выше потенциал, тем сильнее это отталкивание.
Состояние коллоидной частицы, при которой дзета-потенциал равен нулю, называется изоэлектрической точкой.
Основная масса почвенных коллоидов имеет отрицательный заряд, и лишь незначительная часть их заряжена положительно. Коллоиды, несущие отрицательный заряд, называются ацидоидами, положительно заряженные коллоиды называются базоидами, коллоиды с переменным знаком заряда — амфолитоидами.
Большая часть почвенных коллоидов является ацидоидами и содержит в диффузном слое катионы. К ацидоидам относятся коллоидно-дисперсные формы кремнезема, глинные минералы (монтмориллонит, бейделлит, галлуазит, аллофан и др.), гидраты окиси марганца (Мn2О3∙nН2О) и гумусовые кислоты. К ацидоидам относятся и органо-минеральные коллоиды, представляющие собой глинные минералы, покрытые пленками перегнойных кислот.
Типичных базоидов в почвах нет. К амфолитоидам принадлежат гидраты окиси железа [Fe(OH)3∙nH2O]; в кислой среде они заряжены положительно, в щелочной — отрицательно; изо-электрическая точка лежит около рН = 7. К амфолитоидам относятся гидраты окиси алюминия [А1(ОН)3∙nН2О]; изоэлектрическая точка наступает при рН = 7—8. К этой же категории коллоидов принадлежат и протеиновые вещества гумуса.
Из существенных свойств, характерных для коллоидов, необходимо отметить их гидрофильность и гидрофобность, т. е. отношение коллоидов к воде.
Гидрофильные коллоиды адсорбируют на своей поверхности молекулы воды, отличаются способностью сильно набухать в воде и оставаться устойчивыми в состоянии коллоидального раствора. В противоположность гидрофильным гидрофобные коллоиды не адсорбируют молекулы воды: они характеризуются незначительным набуханием, способностью свертываться и переходить в осадок.
Почвенные коллоиды могут быть отнесены и к той и к другой группе или же занимать промежуточное положение в зависимости от их природы.
При этом органические коллоиды, как правило, всегда более гидрофильны, чем минеральные.
Коагуляция и пептизация коллоидов. Все коллоиды могут быть в двух различных состояниях: 1) в состоянии коллоидального раствора, или золя, и 2) в состоянии студенистого, хлопьевидного или аморфного осадка — геля.
В состоянии золя коллоиды находятся до тех пор, пока они имеют заряд. Но как только этот заряд тем или иным путем будет уничтожен или же будет понижен настолько, что сила притяжения станет больше силы отталкивания, отдельные коллоидальные частички начнут слипаться в крупные агрегаты и выпадут в осадок. Этот процесс носит название свертывания коллоидов, или коагуляции. Обратный же процесс, т. е. переход геля во взвешенное состояние, или в золь, называется пептизацией.
Процесс коагуляции коллоидов происходит главным образом при взаимодействии коллоидов с электролитами, т. е. с растворами солей, кислот и щелочей. При этом коллоиды с отрицательным зарядом частичек коагулируются катионами, коллоиды же с положительным зарядом — анионами. А так как в почве преобладают отрицательно заряженные коллоиды, то коагуляция их может происходить преимущественно под воздействием положительно заряженных катионов почвенного раствора.
Различные катионы в зависимости от их валентности и атомного веса обладают разной величиной заряда, а поэтому и коагулирующая способность их неодинакова.
Одновалентные катионы коагулируют слабее двухвалентных; двухвалентные — слабее, чем трехвалентные. По степени возрастания коагулирующей способности наиболее часто встречающиеся в почвенном растворе катионы располагаются в следующем порядке:
Исключение составляет лишь ион Н*, коагулирующая способность которого выше двухвалентных ионов.
Коагуляция коллоидов может быть обратимой и необратимой, т. е. в одном случае золь, перешедший в гель, снова может перейти в раствор; в другом — этот переход геля в золь будет затруднен или совсем невозможен. При этом обратимой является коагуляция, вызванная воздействием одновалентных катионов (Na+, К+, Н+), необратимой — двухвалентных (Са++, Mg++), а также и трехвалентных катионов, как, например, Al+++ и Fe+++. Поэтому если осаждение или свертывание коллоидов вызвано одновалентными катионами, то такая коагуляция будет непрочной.
Наоборот, коагуляция, произведенная двухвалентными, а тем более трехвалентными катионами, отличается большой прочностью и устойчивостью против растворяющего действия воды.
Свертывание почвенных коллоидов, помимо действия электролитов, может происходить при взаимной коагуляции противоположно заряженных коллоидов, при высыхании и замерзании почв, а также под влиянием времени в результате так называемого процесса старения коллоидов.
Таким образом, коллоиды составляют наиболее активную и существенную часть почвы, в которой главным образом и сосредоточена способность почвы к всевозможным реакциям.
Все вместе взятые коллоиды почвы образуют почвенный поглощающий коллоидный комплекс, обусловливающий явления поглощения.
Величина поглощающего комплекса у различных почв не одинакова. Почвы суглинистые и глинистые, обогащенные значительным количеством перегноя, характеризуются большим поглощающим комплексом; у песчаных почв, обедненных гумусом, величина поглощающего комплекса в большинстве случаев ничтожно мала.
—Источник—
Гаркуша, И.Ф. Почвоведение/ И.Ф. Гаркуша.- Л.: Издательство сельскохозяйственной литературы, журналов и плакатов, 1962.- 448 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
