6. A TALAJ KÉMIAI TULAJDONSÁGAI. Dr. Varga Csaba

Átírás

1 6. A TALAJ KÉMIAI TULAJDONSÁGAI Dr. Varga Csaba

2 Oldódási és kicsapódási reakciók a talajban Fizikai oldódás (bepárlás után a teljes mennyiség visszanyerhető) NaCl Na + + Cl Kémiai oldódás Al(OH) 3 + 3H + FeS + 2H + Al H 2 O Fe 2+ + H 2 S Elektrokémiai oldódás ZnS + 2O 2 ZnSO 4

3 Oldhatóság, oldhatósági szorzat Egy B b A a összetételű só vizes oldata disszociál: B b A a bb + + aa - Telített oldat [B] +b [A] -a = K sp (oldhatósági sorozat) Kifejezése: mol/liter vagy g/liter Igen jól oldódnak: Na- és K sók, a Ca- és Mg kloridok, a MgSO 4, az AlCl 3, FeCl 3 Rosszul oldódó sók: a CaSO 4 2H 2 O és a CaCO 3 Oldhatatlan sók: Fe(OH) 3, FeCO 3, AlPO 4 2H 2 O,

4 Néhány jól oldódó só oldhatósága 20 C-on NaCl KCl Vegyület CaCl 2 * 6H 2 O MgCl 2 * 6H 2 O MgSO 4 * 7H 2 O Na 2 CO 3 * 10H 2 O 215,0 NaHCO 3 96,0 K 2 CO 3 * 2H 2 O AlCl 3 * 6H 2 O Al 2 (SO 4 ) 3 * 18H 2 O Oldhatóság g/l 745,0 545,0 355,0 360,0 340,0 1105,0 456,0 346,0

5 A rosszul és igen rosszul oldódó fontosabb vegyületek oldhatósági szorzata 25 C-on Gipsz Kalcit CaCO 3 5,2 * 10-9 Magnezit MgCO 3 1,6 * 10-5 Mg-hidroxid Mg(OH) 2 1,2 * Amorf-Fe(OH) 3 Fe(OH) 3 * nh 2 O 3,8 * Amorf-Al(OH) 3 Al(OH) 3 * nh 2 O 4,5 * Dikálciumfoszfát Trikálciumfoszfát Variscit neve Vegyület képlet CaSO 4 * 2H 2 O CaHPO 4 Ca 3 (PO 4 ) 2 AlPO 4 * 2H 2 O Oldhatósági szorzat, K sp 1,6 * ,2 * ,0 * ,2 * 10-31

6 Hidrolízis - gyenge savak erős bázissal alkotott sói (Na 2 CO 3, Na-acetát) - gyenge bázisból és erős savból képződött sók (NH 4 Cl) - gyenge savnak gyenge bázissal alkotott sói (ammóniumacetát) Erős savak erős bázisokkal alkotott sói nem disszociálnak (oldataik semleges kémhatású NaCl, KCl) Na 2 CO 3 oldódásakor a következő folyamatok játszódnak le: a, Disszociáció Na 2 CO 3 2Na + + CO 3 2- b, Hidrolízis CO H 2 O HCO OH - és HCO H 2 O H 2 CO 3 + OH -

7 A talajok oldható sótartalma só% = EC e SP 0, EC: elektromos vezetőképesség SP: a telítési paszta víztartalma

8 A talaj sótartalom szerinti kategorizálása és a növények fejlődése A telítési kivonat vezetőképessége, ms/cm (Sótartalom %) < 2 (< 0,1 %) 2 4 ( 0,1-0,25 %) 4 8 ( 0,25 0,5 %) 8 16 ( 0,5 1,0 %) > 16 ( > 1,0 %) A talaj sótartalom szerinti csoportosítása nem sós gyengén sós közepesen sós sós igen sós Hatása a növények fejlődésére a mezőgazdasági növények fejlődését nem gátolja néhány nagyon sóérzékeny növény fejlődése gyenge a legtöbb termesztett növény termése csökken, csupán a sótűrő növények fejlődése zavartalan csak a sótűrő növények fejlődnek megfelelően csak néhány nagyon sótűrő növény él meg

9 Sóosztályok (nemzetközi) A talaj sótartalma (só%) és a telítési kivonat elektromos vezetőképessége (EC e ) közötti összefüggés SP= V 1,2 60 Sóosztályok (Sigmond szerint) IV III II Só % (g/100g) 1,0 0,8 0,6 0,4 0, I Ec e ms / cm I II III IV V

10 A kolloidok Anyagi rendszerek, valódi oldat - kolloid rendszer - durva diszperz rendszer A kolloid rendszer fogalma, jellemzői: fajlagos felület, felület és tömeg aránya Homogén és heterogén kolloidrendszerek Mérettartomány: nm, talajnál egy dimenzióban 2µ a felső határ Fajlagos felület: egységnyi térfogatú, vagy tömegű anyag felülete (a víz által hozzáférhető összes helyet jelenti) Értéke a talajban néhány m 2 /g 1000 m 2 /g között változik

11 Kolloid rendszerek csoportosítása Alak szerint: lamellás vékony lemez montmorillonit, kaolinit fibrilláris fonál humuszkolloid, korpuszkuláris gömb, vagy kocka alakú kvarc, földpát Halmazállapot szerint : szilárd, folyékony, gáz Felületi sajátosságok szerint: poláros apoláros, liofil liofób, hidrofil - hidrofób, elektronegatív (acidoid) elektropozitív (bazoid)

12 Talajkolloidok agyagásványok Ásványi Fe-, Al-hidroxidok kovasavgél kvarcpor, csillámpor humusz Szerves poliszacharidok fehérjék Szerves - ásványi

13 A kolloidok fajlagos felülete (cm 2 /g, cm 2/ cm 3 ) A talajkolloidok közül: - a humuszkolloidok fajlagos felülete m 2 /g mely túlnyomóan belső felület, - a montmorillonité és a vermikulité m 2 /g, s ennek 80-90%-a a részecskék belső felületéből adódik, - az illité viszont csak mintegy m 2 /g, - a kaolinit fajlagos felülete a legkisebb, mely a szemcsemérettől függően 1-10 m 2 /g A talaj fajlagos felülete: néhány m 2 /g és 500m 2 /g között változik

14 Ioneloszlás a kolloidok szolvát rétegében (S=Stern-réteg, D=diffúz réteg) Szilárd fázis Szolvát réteg Talajoldat Felületi Potenciál (P) S Szolvátréteg D Talajoldat

15 Töltések kialakulása és a töltések csoportosítása Állandó (permanens) töltések - agyagásványok izomorf helyettesítés Változó (ph függő) töltések - agyagásványoknál - gyengén savanyú vagy gyengén lúgos közegben: (ph 5,5) -AlOH AlO - + H + - savanyú kémhatásnál: (ph 5,5) -AlOH +H + AlOH 2 - kovasavak, Fe- és Al-hidroxidok töltése n*al(oh) 2 +(H +noh - 2 O) n n*al(oh) 3 +noh - - n*alo(oh) 2 + n*fe(oh) 2 +n H + n*fe(oh) 3 +n H + - n*feo(oh) 2 + ph< IEP ph=iep ph>iep - humuszkolloidok - COOH -COO - + H + ; illetve OH -O - + H + - NH 3+, NH 2+, NH nh 2 O -

16 T [mgee/100g] humusz agyag ph

17 A talajok töltésének változása savanyú és lúgos közegben Savanyú oldatban ---OH ---OH v ---O - v ---OH ---O Ca H + ---OH --- Ө Ca Ө p --- Ө p --- Ө --- Ө Na Ө Lúgosabb oldatban + Ca 2+ Ca 2+ Na + v p ---OH ---OH ---OH v ---O - ---OH +Ca 2+ +2OH - ---O Ca Ө Ө --- Ө Na p Ө --- Ө --- Ө Ca 2+ Ca 2+ Na +

18 Felületi reakciók 1. Molekulaadszorpciók - poláris molekulák (H 2 O, NH 3 ) - apoláris molekulák (O 2, CO 2 ) 2. Ionadszorpció, ioncsere Liotróp sor: Fe 3+ > Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K + NH 4 + > Na +

19 Ionadszorpció és ioncsere a talajkolloidok aktív helyeihez Coulomb erőkkel kötött ionok más (azonos jellemű) ionokkal kicserélhetők

20 A talaj adszorbeált kation összetételét jellemző paraméterek 1. A talajban gyakran előforduló kationok: Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, H + (ill. H 3 O + ) és Al A talaj kémhatásának szabályozása szempontjából -lúgos kémhatásúvá teszik a talajt (kicserélhető bázisok): Ca 2+ -, Mg 2+ -, Na + - és K + -ionok - savanyú kémhatásúvá teszik a talajt: Al 3+ és H 3 O + ionok

21 1. Kationcsere kapacitás (T) T= Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, H + (ill. H 3 O + ) és Al 3+ mgeé/100g (100g tömegű talaj, meghatározott ph esetén, mennyi kationt tud kicserélhető formában (Coulomb-erőkkel) megkötni ) 2. Kicserélhető bázisok összes mennyisége (Sérték) S = (Ca 2+ + Mg 2+ + Na + + K + ) mgeé/100 g (az erős bázisokat képező összes kicserélhető kation mennyisége)

22 3. A kicserélhető kationok relatív mennyisége Adott kicserélhető kation mennyisége a T-érték %-ában. Na Na mgeé / 100 g T% = T mgeé / 100 g 100. Egyes kicserélhető bázisok mennyisége az S-érték %-ában. Na mgeé / 100 g Na S% = S mgeé / 100 g 100

23 4. Savanyító hatású kicserélhető kationok (T- S érték) T-S = (Al 3+ + H 3 O + ) mgeé/100 g. 5. Bázistelítettség % (V %) V%= S 100 T megmutatja, hogy az adszorpcióra képes helyek hány %-át kötik le kicserélhető bázikus kationok 6. Telítetlenségi % (U%) U%= T-S 100 T a telítetlenséget okozó kicserélhető kationok relatív mennyisége

24 A kicserélhető kationok százalékos megoszlása egy telített, egy telítetlen és egy erősen telítetlen talajban ph (KCl) 7,0 5,8 4,0 agyag-% Kics. K + Na 5% Mg 6% Mg + K 3% Kationok T% Ca 91% Mg 3% Ca 64% H 5% K + Na 5% Ca 24% H + Al 71% H 1% I. II. III. T mgeé/100g V%

25 A kation megkötés és a kationcsere fontosabb törvényszerűségei Dinamikus egyensúly A nagyobb vegyértékű adszorpciós képessége nagyobb Egyforma vegyérték esetén a kevésbé hidratált kötődik jobban Liotróp sor Fe 3+ > Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K + NH 4 + > Na + 5. Ca 2+ adszorpciós képesség Na + oldat koncentrációja

26 A talajban gyakori kationok méretének összehasonlítás NH 4 + K + Na + Ca 2+ Mg 2+ Al 3+ nem hidratált ion hidratált ion

27 Specifikus kationadszorpció a Ca 2+ komplexet képez a humusz anyagokkal a protonok (H + ) kötődése a változó töltésű gyökökön [pl.: -COO(H)] K fixálás; NH 4 +

28 Kationcsere egyenletek Azonos vegyértékű kationok csereegyensúlya Na x + K + K x + Na + K x * Na + K x K = k =k + =k Na x * K + Na x Na + Különböző vegyértékű kationok csereegyensúlya Ca x + 2Na + 2Na x + Ca 2+ 2 Na x =k * [Na + ] 2 ; [Na x ] 2 * [Ca 2+ ] =k Ca x [Ca 2+ ] [Ca x ] * [Na + ] 2

29 Különböző vegyértékű kationok csereegyensúlya Tömeghatás törvénye Ca x + 2Na + 2Na x + Ca 2+ 2 Na x =k * [Na + ] 2 ; azaz [Na x ] 2 * [Ca 2+ ] =k Ca x [Ca 2+ ] [Ca x ] * [Na + ] 2 Gapon egyenlet [Ca x ] 1/2 + Na + Na x + (1/2)Ca 2+ Na =k G * x Na + mmol/l ; Na =k G * x Na + mgeé/l Ca x Ca 2+ mmol/l Ca x +Mg x Ca 2+ +Mg2 2+ mgeé/l

30 Az abszorbeált kationok talajkolloidikai hatása 1. Ha a talaj Na S % < 5 a talaj nem szikes 5-15 gyengén szolonyeces 15-25szolonyeces > 25erősen szolonyeces 2. A talaj telített, ha a Ca S % > 70% és V% > Ha a Mg S % > 30 a talaj aszály érzékeny 4. A talaj telítetlen, ha V% < 80 (H + Al x )

31 Anionadszorpció Nem specifikus (Columb erők) Cl -, NO Fe OH ] + H + -Fe OH 2+ ] Cl - R NH 2 ] + H + - R NH 3 + ] Cl - Specifikus (ligandumcsere) (szervetlen kolloidok) H 2 PO 4, HPO 4 2-, SO 4 2- O HO OH HO OH O Fe OH + P Fe O - P +OH O O O + HO OH HO OH - Fe OH 2 + P Fe O - P +H 2 O O O O Kicserélhető Nem Kicserélhető

32 A talajok csoportosítása a vizes szuszpenzióban mért kémhatás szerint erősen savanyú ph < 4,5 savanyú ph = 4,5-5,5 savanyú gyengén savanyú ph = 5,5-6,8 közömbös vagy semleges ph = 6,8-7,2 semleges gyengén lúgos ph = 7,2-8,5 lúgos ph = 8,5-9,0 lúgos erősen lúgos ph > 9,4 tartomány

33 Az Al-telítettség és az oldott Al 3+ tartalma, különböző ph-jú talajban Al- telítettség % Oldott Al 3+ mg/l

34 ph CaCl 2 KCl-os Ca(CH 3 COO) 2 -os A talajsavanyúság formái Oldatsavanyúság (aktív) ph H 2 O Felületi savanyúság (potenciális) ph KCl titrálható kivonatból kivonatból (ph 8,1) y 2 << y 1 kicserélődési savanyúság hidrolitos savanyúság (50g talajban) (50 g talajban)

35 Kicserélhető aciditás értelmezése v p -COOH -COOH OH OH -AlOH -AlOH -Θ -Θ K + Ca 2+ -Θ -Θ K + -Θ H 3 O + -Θ K + -Θ +7K + + 7Cl - -Θ K + -Θ Al 3+ -Θ K + -Θ -Θ K + -Θ K + -Θ K + +[Ca 2+ +Cl - +H 3 O + +Al 3+ +K + ] [Al(H 2 O) 6 ] 3+ [Al(H 2 O) 5 OH] 2+ +H [Al(H 2 O) 4 (OH 2 )] + +H + [Al(H 2 O) 3 (OH 3 )] +H +

36 Hidrolitos aciditás értelmezése -OH -OH -Al-OH HAC Al-O - -COOH -COO - --COO - -COO - --COO - -COO Ө Ө Ө Ө Ө Ө Ca Ө K + Ca 2+ Mg 2+ Ca Ө Na Ө -----Ө +[xch 3 COO - +yoh Ө +(0,5x)Ca 2+ ] -----Ө -----Ө -----Ө -----Ө -----Ө Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ +{CH 3 COO - +(y-2)oh - +2H 2 O+[(0,5x)-1]Ca 2+ +Mg 2+ + Na + + K + +[(0,5x)-2]Ca 2+ }

37 Kicserélhető, nem kicserélhető és hidrolitos aciditás értelmezése gyengén savanyú (A) és erősen savanyú(b) talaj esetén (KAC= kicserélhető aciditás, HAC= hidrolitos aciditás) A B v p -OH -OH v + -Al-OH HAC Al-OH 2 Cl - -COOH -COOH --COO - Ca 2+ -COOH --COO - -COOH Ө -----Ө Ca Ө -----Ө Al Ө -----Ө Ө Mg Ө H 3 O Ө Ө Ө K Ө Na + Ca 2+ p -----Ө -----Ө -----Ө -----Ө -----Ө Ca 2+ K + Ca 2+ KAC HAC

38 A T eff érték függése a talaj ph-jától kb. 25% agyagásványt és 2-3% humuszt tartalmazó talajnál 100 T pot Cserekapacitás (T pot %-a) 50 0 Kötött (disszociális ) H + kicserélhető Al 3+ + H 3 O T eff kicserélhető Ca+Mg+Na+K a talaj ph-ja [ph (H 2 O)] permanes töltés változó töltés T ö = T p + T v ; T eff T pot

39 0 Ca 2+ Felvehetőség log mol/l Fe 3+ Fe 2+ Mg 2+ Cu 2+ Zn 2+ Mn Egységnyi változás 10-szeres csökkenést talaj ph eredményez a felvehetőségben

40 talaj ph H + és OH - ionok mennyisége Felvehető tápanyagok mennyisége Növények növekedése

41

42 ph

43 Kicserélhető K Nem kicserélhető K Kicserélhető K Nem kicserélhető K feltáródás Nem kicserélhető K fixáció