Поглощение катионов почвой.

Сущность реакции катионного обмена состоит в том, что катионы внешнего раствора вытесняют из почвы поглощенные ионы, а сами поглощаются почвой в эквивалентных количествах. Реакция катионного обмена обратимая и может протекать по следующей схеме:

Поглощение катионов почвой характеризуется показателем емкости обмена катионов (ЕОК), представляющей собой способность почв удерживать то или иное количество катионов в обменной форме. ЕОК выражается в мг-экв на 100 г почвы. Величина ЕОК определяется рядом факторов, из которых наибольшее значение имеют гранулометрический, химический и минералогический состав почвенных коллоидов, кислотно-щелочная реакция почвы.

Одним из основных факторов, оказывающих влияние на величину поглощения катионов, является количество предколлоидной и коллоидной фракции (размер частиц с диаметром < 0,001 мм). В связи с этим емкость поглощения катионов у глинистых почв выше, чем у песчаных. Однако выявить корреляционную зависимость между количеством поглощенных катионов и содержанием частиц илистой фракции не представляется возможным вследствие разнообразного характера почвенных коллоидов.

Влияние реакции среды на емкость обмена катионов проявляется в том, что с повышением рН повышается величина емкости поглощения. Для ацидоидов это объясняется тем, что ионы Н⁺ внешнего слоя при разной величине рН замещаются по-разному. У амфолитоидов с повышением рН окружающего раствора повышается отрицательный заряд и соответственно – поглотительная способность.

Скорость обмена катионов зависит от их расположения на внешней поверхности частиц. Если катионы расположены на поверхности частиц, то реакция обмена протекает почти мгновенно. В случае, когда катионы располагаются в межпакетных пространствах, для установления равновесия реакции обмена требуется значительное время (до нескольких суток).

Равновесие между катионами почвенных коллоидов и окружающего их раствора зависит от многих факторов, основными из которых являются: 1) свойства катионов, 2) свойства адсорбентов и 3) свойства растворов.

Из свойств катионов основное значение имеет валентность. С ее увеличением повышается способность катионов к внедрению в компенсирующий слой отрицательных коллоидов (табл.7.4.1).

Таблица 7.4.1. Способность к внедрению различных катионов

(по К.К. Гейдройцу).

В одних и тех же условиях одновалентные катионы внедряются в меньших количествах, чем двухвалентные, а двухвалентные меньше, чем трехвалентные (M⁺ < M⁺² < M⁺³). Это объясняется тем, что многовалентные ионы образуют с анионами потенциалопределяющего слоя менее диссоциирующие соединения, чем одновалентные. Ионы одной и той же валентности имеют неодинаковую способность к внедрению, что объясняется размерами их гидрационных оболочек. У ионов с одинаковой валентностью, но с различными радиусами, плотность напряжения повышается с уменьшением радиуса. Ионы с малыми радиусами притягивают большее количество диполей воды и имеют вместе с гидрационной оболочкой больший размер, чем ион больших размеров. Наличие большей гидрационной оболочки ослабляет адсорбционную способность катиона, у одновалентных катионов она возрастает в ряду Li < Na < К  NH₄, у одновалентных – Mg < Са.

Ион Н⁺ со своей способностью к внедрению занимает особое положение. В водных растворах в свободном виде протон Н⁺ не существует, а присоединяет молекулу воды, образует ион гидроксония Н₃О с радиусом 1,35 Ǻ. В связи с малым размером он внедряется сильнее одноволентных, в некоторых случаях и двухвалентных катионов.

Одновременно с поглощением катионов из раствора в эквивалентных количествах вытесняются катионы из компенсирующих слоев. Способность к вытеснению, как и способность к поглощению, у разных катионов различна. В данном случае наблюдается следующая закономерность: чем легче катион поглощается, тем труднее он вытесняется. Например, одновалентные катионы легче вытесняются, чем двухвалентные и т.д.

Это объясняется теми же факторами, что и их поглощение (степенью диссоциации и величиной гидрационной оболочки). Способность вытесняться у одновалентных ионов падает в ряду Li > Na > NH₄  K > H, у двухвалентных: Mg > Ca.

На поглощение ионов большое влияние оказывают химический состав и структура адсорбентов (табл.7.4.2).

Таблица 7.4.2. Обмен хлоридов различных катионов с NH₄ - минералами.

Одновалентные катионы К и Н поглощаются слюдами лучше, чем Са и Mg. Этим они отличаются от каолинита и монтмориллонита. В верхних горизонтах почвенного профиля емкость поглощения выше, чем у нижележащих, что объясняется большим содержанием органического вещества.

На равновесие катионов оказывает влияние также объем и концентрация почвенного раствора. Изучение соотношения между почвой и раствором показывает, что в начале количество вытесненных катионов растет очень быстро, почти пропорционально, а в дальнейшем замедляется.

В определенных условиях прочность связи поглощенных катионов с коллоидными частичками может быть настолько большой, что они становятся необменными. Необменно фиксироваться могут все катионы, однако наиболее выражено это у К⁺ и NH₄⁺, для которых характерна относительно большая величина радиуса (К – 1,33Ǻ, NH₄⁺ – 1, 43Ǻ). Положительная роль фиксации заключается в том, что катионы не вымываются и сохраняются в почве. Отрицательная роль заключается в недоступности элементов питания для растений.