Szikes talajok kémiai tulajdonságai és laboratóriumi vizsgálata. Filep Tibor

Szikes talajok kémiai tulajdonságai és laboratóriumi vizsgálata Filep Tibor

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.

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

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

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 +

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)

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

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

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

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

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

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

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!

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)

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

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)

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

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

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

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!

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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 2+ 860 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

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

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 6,65 458 85 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

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

Számolási példák: ESP Szikes talajok kémiai tulajdonságai A kationok mennyisége a felületen (cmol c /kg ): Ca Mg Na K 26.5 1,23 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!

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

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%