Szikes talajok kémiai tulajdonságai és laboratóriumi vizsgálata. Filep Tibor

Átírás

1 Szikes talajok kémiai tulajdonságai és laboratóriumi vizsgálata Filep Tibor

2 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Szikes talajok Kémiai szempontból azon talajok csoportja, amelyek képződésében, és folyamataiban a magas elektrolit-koncentráció és/vagy a talajoldat magas Na + koncentrációja játszik döntő szerepet. Szikes talajok kémiai jellemzői magas ph nagy Na + -koncentráció mind a talajoldatban, mind a kolloidok felületén a talajkolloidok diszperziója az ilyen talajok morzsái a víz oldó és romboló hatásának nem állnak ellent: kevés víz hatására a kolloidok felduzzadnak, sok víz hatására előbb elfolynak, majd oldódnak. A talaj morzsás szerkezete megszűnik.

3 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Szikesek ph-ja: miért lúgosak a szikes talajok? 1. Lúgosan hidrolizáló sók CaCO 3, MgCO 3, Na 2 CO 3, NaHCO 3, Na 2 SiO 3 CaCO 3 +2H 2 O Ca 2+ +2OH - +H 2 CO 3 Na 2 CO 3 +2H 2 O 2Na + +2OH - +H 2 CO 3 2. A kicserélhető Ca 2+, Mg 2+, Na +, K + oldatba jutása Ca (ad) +2 [H + OH - ] 2H (ad) +Ca 2+ +2OH - Na (ad) + [H + OH - ] H (ad) +Na + +OH - a gyengébben kötődő Na-ionok kevésbé tudnak versengeni a H + számára specifikus helyekért, mint pl. a Ca 2+ a Na-talajok ph-ja magasabb, mint a Ca-talajoké

4 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Szikesek ph-ja a szikes talajok ph-ja az un. talajlúgosság és a CO 2 nyomás függvénye talajlúgosság (alkalinity) Alk = [HCO 3- ] + 2[CO 3 2- ] + [OH - ] [H + ] ph 6 és 10 között az OH - és H + hatása kicsi a lúgosságra Alk = [HCO 3- ] + 2[CO 3 2- ] ha ph < 9 Alk = [HCO 3- ] mivel a P CO2 /(H + )(HCO 3- ) = 10 7,8 ph = 7,8 + log(hco 3- ) log P CO2

5 Kationcsere reakciók szikes talajokon Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na +, Ca 2+, Mg 2+ közötti ioncsere kiemelt jelentőségű a szikes talajoknál 2Na (o) + Ca (ad) = Ca (o) + 2Na (ad) 2Na (o) + Mg (ad) = Mg (o) + 2Na (ad) Mg (ad) + Ca 2+ (o) = Ca (ad) + Mg2+ (o) a szikesek rossz tulajdonságaiért a kolloidok felületén felhalmozódó Na + a felelősek a lúgosan hidrolizáló Na-sók a csere során lekötik a Ca 2+ -t Ca (ad) +Na 2 CO 3 2Na (ad) +CaCO 3 Ca (ad) +Na 2 SiO 3 2Na (ad) +CaSiO 3 a folyamat egyirányú, ezért a kolloidok felületén felhalmozódik a Na +

6 Kationcsere reakciók szikes talajokon Szikes talajok kémiai tulajdonságai Az ioncsere leírása a Gapon-egyenlettel n n A( ad) B( ad) k G 1/ za ma( o) 1/ zb m B( o) n (ad) = mekv/100g, m (ad) = mol/dm 3 n n Na( ad) Ca( ad) k G m Na( o) m Ca( o)

7 Kationcsere reakciók szikes talajokon Szikes talajok kémiai tulajdonságai ha mindkét fázis koncentrációját milliekvivalensben adjuk meg n n Na( ad) Ca( ad) k G n Na( o) n Ca( o) 2 nátrium adszorpciós arány (Sodium Adsorption Ratio) SAR n Na( o) n Ca( o) 2

8 Kationcsere reakciók szikes talajokon Szikes talajok kémiai tulajdonságai a gyakorlatban SAR n n Na( o) ( Ca Mg)( o) 2 kicserélhető nátrium arány (Exchangable Sodium Percentage) ESP Na ( ad) CEC 100

9 Na-ionok hatása a talajkolloidokra Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na + felhalmozódása a talajkolloidok felületén a talaj fizikai, vízgazdálkodási tulajdonságainak leromlását okozza ha az ESP 15 % fölé emelkedik, a talajkolloidok diszperziója megindul ennek következménye a talaj pórusátmérőinek csökkenése talajok duzzadása, rossz vízvezetőképesség duzzadás: víz hatására az agyag nagymértékben megduzzad, mivel a rétegrácsos kristályszerkezetű agyagásvány belső szerkezetébe is vizet vehet fel

10 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: DLVO-elmélet elektrosztatikus stabilitási elmélet (Deryaguin, Landau, Verwey, Overbeek) két ellentétes hatás a kolloidrészecskék között: London-féle diszperziós hatás (Van der Waals, vonzó) és a kettős rétegek közötti hatás (taszító) a vonzó erők energiája: ahol A a Hamaker állandó, D a két felület közötti távolság

11 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: DLVO-elmélet a taszító erők energiája: a kettős réteg vastagsága: ahol ε r a relatív permittivitás, ε 0 a vakuum permittivitása, k a Boltzmann állandó, T az abszolút hőmérséklet, n 0 és Z az ionok koncentrációja és töltése

12 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: a koncentráció és értékűség hatása a kettős réteg annál vékonyabb, minél nagyobb az ellenionok koncentrációja és töltésszáma

13 Na-ionok hatása a talajkolloidokra Szikes talajok kémiai tulajdonságai Összefoglalva: az elektrolit-koncentrációjának növekedése csökkenti a diffúz réteg vastagságát csökkenti a taszítóerőt csökkenti a talajkolloidok diszperzióját az ionok töltésének csökkenése pedig növeli a diszperzió hatását, mert a növeli a taszítóerőt a Na-ion diszpergáló hatású!

14 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok duzzadása az agyagásvány duzzadása több, diszkrét lépcsőben megy végbe: egy, két, három, ritkán négy vízréteg jelenik az ezekhez tartozó duzzadási nyomás értékek egyre csökkenőek: 400 Mpa - 27 Mpa a hidratációs lépések során az adszorbeált ion egyre jobban hidratálódik (inner sphere complex outer sphere complex), majd végül teljes hidrátburok veszi körül a Na-agyagásványok duzzadóképessége jóval nagyobb, mint pl. a Ca-agyagásványoké (vegyérték-hatás)

15 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok duzzadása

16 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok duzzadása A duzzadásnak két mechanizmusa van: 1. Kristályrácson belüli duzzadás (crystalline swelling) 2. Ozmotikus duzzadás (osmotic swelling)

17 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok diszperziója agyagásványok esetén aggregátumok képződhetnek (kvázi-kristály, domén, lamellás szerkezet, taktoid)

18 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok diszperziója

19 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok diszperziója a kicserélhető Na + növekedésével az aggregátum szétesik ha E Na < 0,3 a Na + a kolloid külső felületén adszorbeálódik ha E Na > 0,3 Na + - Ca 2+ ioncsere a rétegek között is

20 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok diszperziója Ca 2+ : 6-7, míg Na + : 1-2 egység azonban a Na + diszpergáló hatása csak kis ionerősségű oldatban érvényesül!

21 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: humuszkolloidok peptizációja a humuszanyagok lúgban jól oldódnak, mert olyan funkciós csoportokat tartalmaznak, amelyek disszociációját növeli a ph emelkedés -COOH (pk a = 3-5) -NH 2 (pk a = 8-10) Ar-NH 2 (pk a = 2-5) Ar-OH (pk a = 9-11) hidrátburok alakul ki a csoportok körül hidrofillá válik az a molekularész peptizáció

22 Szikes talajok kémiai vizsgálata a talajban felhalmozódó sók minőségét és mennyiségét, valamint a talajkolloidokon megkötődő Na + mennyiségét vizsgáljuk 1. Általános, tájékoztató mérések összes sótartalom (%) fenolftalein lúgosság ph összes karbonát-tartalom

23 Szikes talajok kémiai vizsgálata 2. Részletes elemzések ha az összes sótartalom > 0,1 és/vagy a fenolftalein lúgosság (szódatartalom) > 50mg/100g különböző arányú vizes kivonatok összetételének meghatározása a. telítési kivonat b. 1:5 arányú vizes kivonat a talajok Na + telítettségének vizsgálata (CEC, kicserélhető kationok, kicserélhető Na + mennyiségének mérése)

24 Szikes talajok kémiai vizsgálata 1. Talaj ph 1:2,5 arányú talaj:víz rendszerben vagy 1:2,5 arányú talaj:1m KCl rendszerben mérjük szuszpenzióban vagy az ülepített felülúszó részből mérjük 2. Vízben oldható összes sótartalom meghatározása a meghatározott nedvességi állapotú talajpép/telítési kivonat elektromos vezetőképessége arányos a sótartalommal

25 Szikes talajok kémiai vizsgálata 3. A talaj szódatartalmának (fenolftalein-lúgosságának) meghatározása a talaj vizes szuszpenzióját HCl-al titráljuk fenolftalein indikátor jelenlétében fenolftalein : lúgos közegben lila színű, semleges-savasban színtelen Na 2 CO 3 +HCl NaHCO 3 +NaCl 4. Karbonáttartalom meghatározása a CaCO 3 -ot sósavval elbontjuk, és a fejlődött CO 2 gáz térfogatából számítjuk ki a mész mennyiségét CaCO 3 +2HCl CaCl 2 +CO 2 +H 2 O

26 Szikes talajok kémiai vizsgálata 5. 1:5 arányú vizes kivonatok elemzése a vizes kivonatban a talaj tulajdonságait elsősorban befolyásoló alkotórészek mennyiségét határozzuk meg: HCO 3-, CO 2-3, Cl -, SO 2-4 ; Ca 2+, Mg 2+, Na +, K + emellett ph és összes só-tartalom talajlúgosság (alkalinity) meghatározása

27 Szikes talajok kémiai vizsgálata 6. CEC és a kicserélhető Na + meghatározása a talajból 8,1 ph-ra pufferolt 0,1 M BaCl 2 oldattal szorítjuk ki a kolloidok felületéről az adszorbeált kationokat a leszorított Na + mennyiségét mérjük CEC mérés: az így keletkezett Ba-talajról leszorítjuk a Ba-ionokat (CaCl 2 oldattal), majd megmérjük a Ba 2+ mennyiségét

28 Szikes talajok kémiai vizsgálata Szikes talajok minősítése 1. Hazai gyakorlat talaj minősítése a só% alapján (szoloncsák) nem sós: só % <0,1(<0,15) gyengén szoloncsákos: só %= 0,1 0,25 (0,15 0,25) erősen szoloncsákos: só %= 0,25 0,5 szoloncsák: só %> 0,5 talaj minősítése a kicserélhető Na % alapján (szolonyec) < 5% nem szikesedő a talaj 5 15% gyengén szikes (gyengén szolonyeces) 15 25% szikes (erősen szolonyeces) > 25% erősen szikes (szolonyec) a talaj

29 Szikes talajok minősítése Szikes talajok kémiai vizsgálata 2. Nemzetközi kitekintés Sós szikesek (szoloncsák; saline soils): EC e > 4dS/m ESP < 15 Kilúgzott szikesek (szolonyec; sodic soils): ESP > 15 EC e < 4 ds/m SAR > 13

30 Szikes talajok kémiai tulajdonságai mgeé, mekv, mmol c, cmol c egyenérték-tömeg: M r /vegyérték milligramm egyenérték (mgeé) = mg/egyenérték tömeg pl.: Ca 2+ egyenérték-tömege = 40/2 = 20 17,2 mg Ca 2+ = 0,86 mgeé Ca mg Na + = 37,4 mgeé Na + (Na egyenérték-tömege: 23) ugyanígy 17,2 mg/l Ca 2+ = 0,86 mgeé/l Ca 2+ és 860 mg/l Na + = 37,4 mgeé/l Na + 1 mgeé = 1 mekv = 1 meq = 1 mmol c

31 Szikes talajok kémiai tulajdonságai mgeé, mekv, mmol c, cmol c cmol c /kg (majdnem SI) CEC mértékegység 1 mgeé/100g = 1 mekv/100g = 1 meq/100g = 1 mmol c /100g = 1 cmol c /kg

32 Számolási példák: SAR Szikes talajok kémiai tulajdonságai Egy talajminta telítési kivonatának elemzése alapján meghatározták a következőket. Ca Mg Na K mg/l mg/l mg/l mg/l 17,24 6, Mekkora az SAR értéke? 1. Milliekvivalensek kiszámítása Egyenértéktömeg Ca: 20 0,86 mmol c /l Mg: 12 0,55 mmol c /l Na: 23 19,9 mmol c /l

33 Számolási példák: SAR Szikes talajok kémiai tulajdonságai 2. Az SAR kiszámítása SAR = 19,9/(0,86+0,55/2) 0,5 = 23,7

34 Számolási példák: ESP Szikes talajok kémiai tulajdonságai A kationok mennyisége a felületen (cmol c /kg ): Ca Mg Na K ,23 21,7 0,62 A telítési kivonatban meghatározott kation koncentrációk a következők voltak (mmol c /l): Ca Mg Na K 0,66 0,49 55,4 0,90 Telítési százalék: 85 ml/100 g talaj A T érték (=CEC) helyett használja a kationok összegét, számítsa ki az ESP értékét!

35 Szikes talajok kémiai tulajdonságai Számolási példák: ESP 1. Az oldatkoncentrációk átszámítása mmol c /l cmol c /kg aránypár: ha 1000 cm 3 -ben van X mmol c akkor 85 cm 3 -ben van Y mmol c Y = (85 X)/1000 A telítési kivonatban tehát (cmol c /kg): Ca Mg Na K 0,056 0,042 4,71 0,017

36 Számolási példák: ESP 2. ESP kiszámítása Szikes talajok kémiai tulajdonságai A kicserélhető kationok mennyisége az oldatban lévő mennyiségekkel korrigálva (cmol c /kg): Ca Mg Na K 26,4 1,19 17,0 0,60 ESP=17,0/(26,4+1,19+17,0+0,60)= 0,38 38%