Катионообменная емкость - Cation-exchange capacity

Катионообменная емкость (ЦИК) является мерой того, сколько катионы может удерживаться на поверхности частиц почвы.[1] Отрицательные обвинения на поверхности почвы частицы связывают положительно заряженные атомы или молекулы (катионы), но позволяют им обмениваться с другими положительно заряженными частицами в окружающей почвенной воде.[2] Это один из способов, которыми твердые вещества в почве изменяют химический состав почвы. CEC влияет на многие аспекты химии почвы и используется в качестве меры плодородие почвы, поскольку это указывает на способность почвы удерживать несколько питательных веществ (например, K+, NH4+, Ca2+) в доступной для растений форме. Это также указывает на способность удерживать катионы загрязнителей (например, Pb2+).

Определение и принципы

Катионный обмен на поверхности частицы почвы

Катионообменная емкость определяется как количество положительного заряда, которое можно обменять на массу почвы, обычно измеряется в смоль.c/кг. В некоторых текстах используются более старые эквивалентные единицы me / 100g или meq / 100g. CEC измеряется в родинки электрического заряда, поэтому катионообменная емкость 10 смольc/ кг может содержать 10 смоль Na+ катионов (с 1 единицей заряда на катион) на килограмм почвы, но только 5 смоль Ca2+ (2 единицы заряда на катион).[1]

Катионообменная способность возникает из-за различных отрицательных зарядов на поверхности частиц почвы, особенно глинистые минералы и органическое вещество почвы. Филлосиликат глины состоят из слоистых листов алюминия и кремния оксиды. Замена атомов алюминия или кремния другими элементами с более низким зарядом (например, Al3+ заменен на Mg2+) может дать глиняной структуре чистый отрицательный заряд.[2] Этот заряд не включает депротонирование и поэтому pH -независимая и называется постоянным зарядом.[1] Кроме того, края этих листов подвергаются воздействию многих кислот. гидроксил группы, которые депротонируются, оставляя отрицательные заряды на уровне pH во многих почвах. Органическое вещество также вносит очень значительный вклад в катионный обмен из-за большого количества заряженных функциональные группы. ЕКО обычно выше у поверхности почвы, где содержание органических веществ выше, и уменьшается с глубиной.[3] CEC органического вещества сильно зависит от pH.[1]

Катионы адсорбируются на поверхности почвы за счет электростатического взаимодействия между их положительным зарядом и отрицательным зарядом поверхности, но они сохраняют оболочку из молекул воды и не образуют прямых химических связей с поверхностью.[4] Таким образом, обменные катионы составляют часть диффузный слой над заряженной поверхностью. Связывание относительно слабое, и катион может легко вытесняться с поверхности другими катионами из окружающего раствора.

PH почвы

Влияние pH почвы на катионообменную способность

Количество отрицательного заряда от депротонирования гидроксильных групп глины или органического вещества зависит от pH окружающего раствора. Повышение pH (т.е. уменьшение концентрации H+ катионы) увеличивает этот переменный заряд и, следовательно, также увеличивает катионообменную емкость.

Измерение

Принцип измерения ЕКО в почве

Катионообменная емкость измеряется путем замещения всех связанных катионов концентрированным раствором другого катиона, а затем измерения либо вытесненных катионов, либо количества оставшегося добавленного катиона.[1] Барий (Ba2+) и аммония (NH4+) часто используются в качестве катионов обменника, хотя существует множество других методов.[4][5]

Измерения CEC зависят от pH и поэтому часто выполняются с помощью буферный раствор при определенном значении pH. Если этот pH отличается от естественного pH почвы, измерение не будет отражать истинное значение CEC при нормальных условиях. Такие измерения CEC называют «потенциальным CEC». В качестве альтернативы измерение pH естественной почвы называется «эффективным CEC», что более точно отражает реальное значение, но может затруднить прямое сравнение между почвами.[1][5]

Типичные значения

Катионообменная способность почвы определяется составляющими ее материалами, которые могут сильно различаться в зависимости от их индивидуальных значений CEC. Таким образом, CEC зависит от исходного материала, из которого образовалась почва, и от условий, в которых она развивалась. Эти факторы также важны для определения pH почвы, который имеет большое влияние на CEC.

Типичные диапазоны CEC почвенных материалов[1][6][7]
Типичные диапазоны ЕКО почвенных материалов [1] [6] [7]
Среднее значение CEC (pH 7) для некоторых почв США на основе Таксономия почв USDA [8]
Порядок таксономии почвЦИК (смольc/кг)
Ультисоли3.5
Альфизоли9
Сподосолы9.3
Entisols11.6
Моллисоли18.7
Вертисоли35.6
Гистосоли128

Базовая насыщенность

Насыщение основанием выражает процент потенциального CEC, занятого катионами Ca2+, Mg2+, К+ или Na+.[1][4] Их традиционно называют «катионами оснований», потому что они некислотные, хотя и не являются базы в обычном химическом смысле.[1] Базовая насыщенность обеспечивает индекс выветривания почвы.[4] и отражает доступность обменных катионных питательных веществ для растений.[1]

Анионообменная емкость

Положительные заряды минералов почвы могут удерживать анионы по тому же принципу, что и катионный обмен. Поверхности каолинита, аллофан оксиды железа и алюминия часто несут положительный заряд.[1] В большинстве почв катионообменная емкость намного больше, чем анионообменная емкость, но в сильно выветренных почвах может происходить обратное.[1] такие как ферралсоли (оксизоли ).

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k л Брэди, Найл С.; Вейл, Рэй Р. (2008). Природа и свойства почв (14-е изд.). Река Аппер Сэдл, США: Пирсон.
  2. ^ а б Биркеланд, Питер В. (1999). Почвы и геоморфология (3-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.
  3. ^ Зех, Вольфганг; Шад, Питер; Хинтермайер-Эрхард, Герд (2014). Böden der Welt (на немецком языке) (2-е изд.). Берлин: Springer Spektrum.
  4. ^ а б c d Schaetzl, Randall J .; Томпсон, Майкл Л. (2015). Почвы: генезис и геоморфология (2-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
  5. ^ а б Пансу, Марк; Готейру, Жак (2006). Справочник по анализу почвы. Берлин: Springer-Verlag. С. 709–754.
  6. ^ Кэрролл, Д. (1959). «Катионный обмен в глинах и других минералах». Бюллетень Геологического общества Америки. 70 (6): 749–780. Дои:10.1130 / 0016-7606 (1959) 70 [749: ieicao] 2.0.co; 2.
  7. ^ «Катионы и емкость катионообмена». Получено 23 июня, 2017.
  8. ^ Holmgren, G.G.S .; Meyer, M.W .; Chaney, R.L .; Дэниелс, Р. Б. (1993). «Кадмий, свинец, цинк, медь и никель в сельскохозяйственных почвах Соединенных Штатов Америки». Журнал качества окружающей среды. 22 (2): 335–348. Дои:10.2134 / jeq1993.00472425002200020015x.

Общие ссылки

Ramos, F.T .; Dores E.F.G.C .; Weber O.L.S .; Beber D.C .; Campelo Jr J.H .; Майя J.C.S. (2018) «Органическое вещество почвы удваивает катионообменную способность тропической почвы при нулевой обработке почвы в Бразилии». J Sci Food Agric. 10.1002 / jsfa.8881