Лекция Вводная. Предмет «Физико-химические свойства почв»



жүктеу 0.61 Mb.
бет1/5
Дата25.04.2016
өлшемі0.61 Mb.
түріЛекция
  1   2   3   4   5
: assets -> files -> Enagra -> Agroecolog
files -> Российская Федерация Республика Хакасия
files -> Ооо сп «Абаза Телеком»
files -> Постановление «26» декабря 2013 г г. Абаза №1097 Об утверждении муниципальной программы «Развитие образования на 2014-2016 годы»
files -> Шығыс Қазақстан облыстық Семейдің Абай атныдағы қазақ музыкалы драма театрының қызмет көрсету
files -> Тауарды әкелген, жұмыстың орындалу, қызмет көрсету мерзімі
files -> Үгіттік баспа материалдарын орналастыру және халықпен кездесу орындарын белгілеу туралы «Қазақстан Республикасындағы сайлау туралы»
files -> Шарттық негізде үй – жайлар беру туралы «Қазақстан Республикасындағы сайлау туралы»
Agroecolog -> Г. Н. Камышова, Н. Н. Терехова системный анализ и математическое моделирование в агроэкологии
Agroecolog -> Общая характеристика процессов брожения. Значение процессов превращения углеродсодержащих веществ в круговороте углерода в природе
Лекция 1. Вводная.

1. Предмет «Физико-химические свойства почв». Структура курса.

2. Связь дисциплины с другими предметами. Ученые и их вклад в развитие данного вопроса. Литература, необходимая для изучения дисциплины.
1. Предмет «Физико-химические свойства почв». Структура курса.

«Физико-химические свойства почв» - это дисциплина, изучающая физико-химические процессы в почве с помощью почвенных коллоидов, поглотительной способности, буферных, окислительно-восстановительных свойств, почвенных растворов, от которых зависят плодородие почв и выращивание с\х культур. Знания в этой области необходимы для разработки научно-обоснованных систем удобрений, севооборотов, проектов мелиорации земель в каждой конкретной зоне для определенного типа почв с учетом почвозащитных и энергосберегающих технологий.

Данная дисциплина изучается 1 семестр в количестве 62 часов, из которых 54 – аудиторных (18- лекции и 36- лабораторные) и 26 – самостоятельная работа.

Включает в себя 2 модуля:

1. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв.

2. Почвенный раствор. Кислотность, щелочность и буферность почв. Окислительно-восстановительные процессы.

Форма итогового контроля – зачет.

Лабораторные занятия 2-х часовые, один раз в неделю. Проходят в режиме: выполнение анализов, расчеты, выводы, решение практических задач. На основании этого в конце семестра проводится деловая игра, которая оформляется в виде реферата.

Кто хорошо занимается, не имеет пропусков – получают зачет автоматом. Менее 42 баллов – к зачету не допускаются; 43-59 – сдают зачет; более 60 – автомат. Пропуски по лекциям – отчитываются лектору.
2. Связь дисциплины с другими предметами. Ученые и их вклад в развитие данного вопроса. Литература, необходимая для изучения дисциплины.

Изучение курса «Физико-химические свойства почв» базируется на знаниях общей, органической, физической и коллоидной химии, физики, ботаники, физиологии растений, геологии и др. наук. И является основой для успешного освоения таких специальных дисциплин как агрохимия, земледелие, растениеводство, кормопроизводство, с\х мелиорация, ландшафтный дизайн, землеустроительное проектирование, землеустройство, земельный кадастр и др.

В изучении разных разделов принимали участие многие ученые. Так первые представления о почвенных коллоидах появились в 18 веке. Академик Гедройц К.К. одними из первых указал на значение свойств коллоидов в почвообразовании. Также коллоидами занимались Вильямс В.Р., Антипов-Каратаев И.Н., Александрова Л.Н., Тюлин А.Ф., Кононова М.М., Думанский, Борщов, Хан Д.В., Келлерман.В.В., Малькаури, Вигнер, Андреев Б.А., Парфенов А.И., Горбунов Н.И., Данилова Е.А., Синицына Н.Е.

Поглотительной способностью почв занимались англ. Ученый Уей, Маттсон, Гедройц.

Почвенный раствор изучали Высоцкий Г.Н., Шмук А.А., Крюков П.А. и др.

Окислительно-восстановительными процессами занимались Сердобольский И.П., Орлов Д.С., Кауричев И.С.

Литература:


  1. Кауричев И.С. Почвоведение

  2. Муха Д.В. Агропочвоведение

  3. Возбуцкая А.Е. Химия почв

  4. Горбунов Н.И. Почвенные коллоиды

  5. Орлов Д.С. Химия почв



Лекция 2. Тема. Почвенные коллоиды и их роль в плодородии почв (4 часа).

1. Понятие о почвенных коллоидах и краткие сведения о них.

2. Минералогический и химический составы почвенных коллоидов.

3. Строение коллоидной мицеллы. Электрокинетические свойства почвенных коллоидов. Гидрофильность и гидрофобность почвенных коллоидов.

4. Коагуляция и пептизация почвенных коллоидов и их значение в почвенном плодородии.

5. Тиксотропное состояние почв и его отрицательное значение в с\х производстве.

6. Роль коллоидов в создании почвенной структуры.
1. Понятие о почвенных коллоидах и краткие сведения о них.

Почва является сложной полидисперсной системой. Она состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз, которые находятся в тесном взаимодействии между собой. Жидкая и газообразная фазы наиболее активны. Твердая фаза инертна, но ей принадлежит огромная роль в питании растений, т.к. она содержит основные элементы питания для растений.

Твердая часть почвы состоит из частиц различного размера. Большая роль в поглотительной способности в почве принадлежит ее тонкодисперсной части и в особенности коллоидам.

Коллоиды – это частицы, размер которых находится в пределах 0,0001-0,02 нм (или 0,001-0,2 мк).

Образование коллоидов в почве происходит 2-мя путями:

1) В результате раздробления крупных частиц, в процессе физического и химического выветривания;

2) Конденсационным путем вследствие химического и физического соединения молекул или ионов.

Коллоиды принимают активное участие в физико-химических процессах. Их отдельно выделяют в почвенно-поглощающий комплекс (ППК).



(Коллоиды очень широко распространены в природе. Мы постоянно с ними встречаемся, часто не замечая этого, в быту, промышленности, сельском хозяйстве. Драгоценные камни, пищевые продукты, одежда, обувь, мутная вода в реках, почвах содержат коллоиды).

Вследствие малого размера коллоидные частицы имеют большую общую поверхность и большую поверхностную энергию, благодаря которой обладают способностью поглощения.

Количество коллоидов в почве колеблется от 1-2 до 30-40 % к массе почвы. Содержание их зависит от: 1) содержания гумуса и его качества; 2) гранулометрического состава.

По почвенному профилю коллоиды распределены неодинаково в зависимости от типа почв. В черноземных, каштановых и дерновых почвах коллоиды распределены по профилю равномерно; подзолистых, дерново-подзолистых и серых лесных почвах коллоиды накапливаются в горизонте В.

Так первые представления о почвенных коллоидах появились в 18 веке. Академик Гедройц К.К. одними из первых указал на значение свойств коллоидов в почвообразовании. Также коллоидами занимались Вильямс В.Р., Антипов-Каратаев И.Н., Александрова Л.Н., Тюлин А.Ф., Кононова М.М., Думанский, Борщов, Хан Д.В., Келлерман.В.В., Малькаури, Вигнер, Андреев Б.А., Парфенов А.И., Горбунов Н.И., Данилова Е.А., Синицына Н.Е.
2. Минералогический и химический составы почвенных коллоидов.

Почвенные коллоиды состоят из минеральных, органических и органо-минеральных веществ.

Минеральные коллоиды представлены в основном вторичными минералами: глинистыми минералами (каолинит и монтмориллонит), полуторными окислами железа и алюминия, гидрослюдами.

Из первичных минералов в коллоидной фракции встречается в небольших количествах кварц и слюды. Кварц обладает значительной 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.

Чаще всего встречаются в почвах глинистые минералы (алюмосиликаты), которые обладают высокой емкостью поглощения, особенно монтмориллонит (Е – 80-120 мг-экв\100 г почвы), у каолинита Е = 10 - 20 мг-экв\100 г почвы.

Глинистые минералы играют особое значение в плодородии почв.

Монтмориллонитовая группа встречается в основном в рыхлых почвах, имеет 3-х слойную кристаллическую решетку, состоящую из 2-х тетраэдров и 1 октаэдра. За счет этого строения связь химических элементов слабая, проникновение воды хорошее, что усиливает набухание, липкость, связность почв и их распыленность.

Каолинитовая группа состоит из 2-х слойной кристаллической решетки (октаэдра и тетраэдра). Это более прочная связь, вода проникает труднее и такие почвы не набухают. Глинистые минералы способны к коагуляции при воздействии с 2-х и 3-х валентными катионами и легко пептизируются при подщелачивании (натрий и калий).

Кремниевые кислоты – образуются за счет гидролиза силикатных минералов и при взаимодействии с кальцием и магнием образуют прочные соединения, которые обуславливают в почве цементирующее действие.



Химический состав минеральных коллоидов представлен: окись кремния от 40 до 60 %; окись алюминия – 10-25 %; окись железа – 5-10% и небольшое количество соединений кальция, магния, титана, марганца, калия, натрия, фосфора, серы и микроэлементов (бор, цинк, кобальт, медь и др.)

Количество указанных элементов зависит от породы и условий, в которых образовались коллоиды; климата, возраста почвы, растительности, микроорганизмов и др. причин.

Органические коллоиды образуются в результате разложения растительных и животных организмов. Они состоят из ГК, ФК, их солей, лигнина, протеина, клетчатки, смол, белковых веществ микроорганизмов и др. сложных соединений. Наиболее важными химическими элементами этих соединений являются углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор, а также они содержат небольшое количество оснований натрия, калия, кальция, магния, алюминия, железа, кремния.

Заряжены отрицательно. У органических коллоидов отрицательный заряд и способность к обменному поглощению катионов обусловлены карбоксильными группами (СООН), которые придают кислотные (ацидоидные) свойства, а также гидроксильными группами (ОН), водород которых может быть замещен другими катионами.

Характерной особенностью органических коллоидов является высокая емкость поглощения 100-200 мг-экв\100 г почвы. Органические коллоиды находятся в тесной связи с минеральными коллоидами и небольшая часть находится в свободном состоянии.



Органо-минеральные коллоиды представлены минеральными коллоидами, поверхность которых покрыта органической пленкой. Заряжены отрицательно. Характеризуются высокой емкостью поглощения (Но все же состав и строение изучены слабо).
3. Строение коллоидной мицеллы. Электрокинетические свойства почвенных коллоидов.

Чтобы понять свойства почвенных коллоидов, необходимо ознакомиться с их строением.

Коллоидная частица, вместе с находящимся на ее поверхности слоями ионов и молекул воды, называется коллоидной мицеллой ( по Вигнеру Г.).

Во влажном состоянии мицеллы могут быть (хотя и не всегда) отделены друг от друга раствором, который называется межмицеллярным или интермицеллярным раствором. Внутренняя часть мицеллы называется ядром, которое представляет собой агрегат недиссоциированных молекул какого-либо вещества (глинистые минералы, гуминовые кислоты, кремнезем, гидроксид алюминия и др.). На границе с дисперсной средой в результате диссоциации внешних молекул ядра или поглощения ионов из дисперсионной среды, на поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов (ионогенный слой). Внутренние, т.е. находящиеся на ядре, ионы называются потенциалопределяющими, а внешние – компенсирующие противоположнозаряженные. Потенциалопределяющие ионы обычно имеют отрицательный заряд, а компенсирующие – положительный. Компенсирующие ионы в почвоведении называют обменными или поглощенными катионами. Сумма этих катионов составляет емкость поглощения почв. Значительная часть поглощенных катионов расположена рядом с потенциалопределяющими ионами и образует неподвижный слой ионов. Над ним лежит диффузный слой ионов, постепенно сливающийся с интермицеллярным раствором. Ядро мицеллы вместе с потенциалопределяющими ионами называется гранулой. Гранула вместе с неподвижным слоем компенсирующих ионов называется частицей.

Схема строения коллоидной мицеллы

Таблица
В результате диффузии внешнего слоя между потенциалопределяющим и диффузным слоями возникает разность потенциала, которая обуславливает заряд коллоидной частицы и называется электрокинетическим или дзета-потенциалом. Величина его в разных почвах колеблется от 0 до 40-70 мВ в зависимости от природы коллоидов, поглощенных катионов, состава и концентрации солей в почвенном растворе. Когда электрокинетический потенциал равен 0, коллоид находится в электронейтральном или изоэлектрическом состоянии, называемом изоэлектрической точкой коллоида.

Величина потенциала имеет большое значение для свойств почвенных коллоидов. При высоком потенциале 60-70 мВ, когда силы электрического отталкивания между частицами велики, коллоиды при достаточной влажности почвы представлены золями. И такие почвы расплываются, вязкие и липкие. При низких значениях (30-40 мВ) потенциала силы притяжения между частицами выше и коллоиды представлены гелями.

В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое коллоиды могут иметь отрицательный, положительный или переменный заряд:

1) Ацидоиды – поверхность частиц заряжена отрицательно, обменными ионами являются катионами. К ним относятся минеральные, органические и органо-минеральные коллоиды, представленные гумусовыми кислотами, кремнекислотами, глинистыми минералами. Преобладают в черноземах, каштановых, дерновых, серых лесных почвах.

2) Базоиды – поверхность частиц заряжена положительно, обменными ионами являются гидроксильные ионы и другие анионы (гидрат окиси железа).

3) Амфолитоиды – поверхность частиц заряжена положительно или отрицательно в зависимости от рН среды. В кислой и нейтральной среде ведут себя как базоиды, а в щелочной – как ацидоиды. К амфолитоидам принадлежат гидроокиси железа и алюминия и органические коллоиды, представленные белковыми веществами, в основном плазмой микроорганизмов.

Заряд коллоидов легко обнаружить с помощью явлений электроосмоса и электрофореза.



Явление электроосмоса впервые наблюдал еще в 1807 году Рейс в Москве (этот способ обычно применяют для определения заряда у коллоидов почв и глин). В кусок влажной глины он вдавливал два отрезка стеклянной трубки в полученные таким образом стаканчики с глиняным дном насыпал хорошо промытый мелкий песок и потом наливал воду. Опустив в стаканчики с совершенно прозрачной водой электроды от вольтова столба и включив ток, Рейс наблюдал, что в трубке с положительным электродом вода постепенно становилась мутная, т.к. в нее через слой песка проникали частички глины. При этом уровень воды в данном стаканчике понижался, а в стаканчике с отрицательным электродом, наоборот, повышался, т.е. жидкость имеет положительный заряд, а почва – отрицательный.

Электроосмос – это движение жидкости через капилляры под действием электрического тока. Чем больше заряд почвенных коллоидов, тем быстрее будет двигаться жидкость.

Электрофорез – это движение диспергированных частиц в жидкости под действием электрического тока.

Если почвенную суспензию или коллоидный раствор гидроокиси железа поместить в согнутую У-образную трубку, в открытые концы которой опустить две пластинки, соединенные с источником постоянного электрического тока, то через некоторое время можно заметить, как возле одной из пластинок будут накапливаться коллоидные частицы, а возле другой раствор станет прозрачным. В этом случае, когда коллоидные частицы имеют отрицательный заряд, они будут двигаться к положительному полюсу и наоборот.

По строению почвенные коллоиды бывают аморфные, кристаллические и переходные от аморфных к кристаллическим.

Различное строение коллоидов сказывается на их свойствах и свойствах всей почвы.



Аморфными (изотропные) называют тела, которые во всех направлениях имеют одинаковые свойства (твердость, теплопроводность, оптические свойства и др.). В аморфных телах нет строгого расположения атомов, ионов, молекул, поэтому они не имеют определенной внешней формы. Аморфные коллоиды имеют большую поверхность и легче вступают во взаимодействие с водой, солями и друг с другом.

В кристаллических телах свойства будут различны в зависимости от направления, в котором свойство изменяется, поэтому они анизотропны. Например, кристаллы слюды раскалываются легко, в другом – трудно, т.е. в различных направлениях обладают различной механической прочностью. Разница объясняется различием в строении аморфных и кристаллических тел. В кристаллических телах ионы расположены относительно друг друга строго закономерно, образуя пространственную решетку. Кристаллические коллоиды имеют меньшую поверхность и труднее взаимодействуют с водой, солями и с другими коллоидами.
Гидрофильность и гидрофобность почвенных коллоидов.

По отношению к жидкой фазе почвенные коллоиды делятся на гидрофильные и гидрофобные коллоиды. Частицы первых адсорбируют на своей поверхности молекулы и гидротированные ионы жидкой фазы. Поэтому каждая частица гидрофильного коллоида окружена жидкой оболочкой (ГК, кремнекислота, монтмориллонит).

Частицы гидрофобных коллоидов не адсорбируют молекул жидкой фазы. Поэтому такие почвы характеризуются плохой смачиваемостью (гидроокиси железа и алюминия, каолинит).
4. Коагуляция и пептизация почвенных коллоидов и их значение в почвенном плодородии.

В зависимости от наличия или отсутствия заряда коллоиды могут находится в состоянии золя или геля.



Золь – коллоидный раствор. Обусловлен наличием заряда в коллоидной системе; представляет состояние коллоидно раздробленного вещества, рассеянного в дисперсионной среде.

Гель – коллоидный осадок. При отсутствии заряда в коллоидной системе дисперсная фаза укрепляется и отделяется от дисперсионной среды.

Благодаря наличию одноименных зарядов коллоидные частицы в растворе не могут сближаться, а находятся во взвешенном состоянии. При лишении заряда они сближаются, сталкиваются и слипаются друг с другом. Процесс соединения коллоидных частиц называется коагуляция, следующее за ним осаждение - седиментация. Минимальная концентрация солей, при которой наступает коагуляция коллоидов называется порогом коагуляции.

Обратный процесс коагуляции, т.е. переход из геля в золь называется пептизация. Это связано с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением дзета-потенциала. Не все коллоиды могут легко переходить из состояния геля в золь. Такие коллоиды называют необратимыми. Коллоиды, переходящие из золя в гель и обратно, называют обратимыми.

В природных условиях коагуляция происходит под влиянием периодического высушивания почвы, нагревания, увлажнения, промораживания, изменения реакции среды и других причин. Почвенные коллоиды теряют водную оболочку, электрический заряд, слипаются друг с другом и выпадают в осадок.

При насыщении ППК катионами натрия образуется золь, что приводит к распыленности почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и гидратации. Замещение натрия кальцием способствует переходу из золя в гель и образованию водопрочной структуры.

Коагулирующая способность катионов возрастает с увеличением их валентности и атомного веса:

Li4

  1   2   3   4   5


©netref.ru 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет