Talajkolloidika Novák Tibor József DE TTK Tájvédelmi és Környezetföldrajzi Tanszék
A talaj termodinamikai megközelítésben: szerves és szervetlen kolloidokat is tartalmazó, háromfázisú, heterogén polidiszperz rendszer
háromfázisú, heterogén polidiszperz: Háromfázisú: szilárd folyékony-gáz Heterogén: elkülönülő fázisok Polidiszperz: - kolloid diszperz rsz. - homogén rsz. - valódi oldat - gázkeverék - durva diszperz rsz.
Többkomponensű rendszerek típusai Homogén rendszerek: tökéletes elegyedés a két komponens molekulái között (pl. valódi oldat, gázkeverék) Heterogén rendszerek: tökéletes elkülönülés a két komponens között (pl. kvarchomok vízben) Kolloid rendszerek: átmenet a kettő között: sem tökéletes elegyedés nincs, de nem is teljes az elkülönülés, - a diszpergált részecskék egy speciális (kolloid) mérettartományához köthető
Heterogén rendszerek sajátságai A tökéletlen elegyedés miatt labilis állapot A két eltérő fázis elkülönülése szuszpenzió: a szilárd komponens kiülepszik (iszap) emulzió: poláros és apoláros komponensekre különül (húsleves) köd: a folyadékfázis kiülepszik - csapadékképződés Kolloid diszperz rendszerek nem különülnek fázisokra
Diszperz rendszerek fázisok szerint Csoportosításuk a jelenlévő fázisok halmazállapota szerint: szilárd - folyékony: szuszpenzió szilárd - gáz: füst, hab v. pórusrsz. folyékony (poláris) folyékony (apoláris): emulzió, krém folyékony - gáz: köd, hab
A kolloidok felfedezése Kolloidika: a kémia résztudománya névadó: Thomas Graham (1805-1869) kémikus κολλα= (gör.) enyv kolloid = enyvhez hasonló
A kolloidika születése Az enyv sajátos tulajdonágai vízzel elkeverve erősen megduzzad nagy mennyiségű vizet köt meg a vízzel kevert enyv hamarosan megköt melegítve újra folyékony állapotba kerül a hidratált enyv rugalmas, se nem szilárd, se nem folyékony állapotú (enyv: állati kötőszövetekből kivont fehérje, amelyet ragasztásra használnak)
A kolloid meghatározása Hasonló viselkedés tapasztalható a legtöbb szerves makromolekula-komplex, illetve egyes szervetlen anyagok esetében is (pl. agyagok, montmorillonit - tixotrópiája) Ezek a sajátosságok nem az anyag kémiai összetételéből fakadnak, hanem egy bizonyos mérettartományba tartozó részecskék sajátosságai
A kolloid meghatározása A kolloidok sajátosságai méretükből fakadnak, a kolloid mérettartomány határai: részecskemólsúly alapján: 10 3-10 9 lineáris méret alapján: 10-10 4 Å fajlagos felület alapján: 10 4-10 7 cm 2 /g részecskeátmérő alapján: 1-1000 (2000) m -9 (nanométer)
Kolloidok mérethatárai alsó határát a diszperz rendszer homogenitásának megszűnése illetve a fizikai értelemben vett tényleges felület megjelenése jelöli ki. A részecskék méretének növekedésével a kolloid tartomány alsó határát átlépve a diszperziós közeg és a diszpergált részecskék között diszkontinuitás jelenik meg, szemben a valódi oldatok homogén, kontinuus jellegével. A fizikai értelemben vett felület megjelenése a diszperziós közeg és a diszpergált részecskék közötti határfelületként áll elő.
Kolloidok mérethatárai felső határa: a diszpergált részecskék növekvő mérete miatt a csökkenő fajlagos felület a felületi energia csökkenéséhez vezet. A rendszer növekvő diszkontinuitással és a csökkenő felületi energiák miatt a diszperziós közeg és a diszpergált részecskék egyre határozottabb elkülönülésével jellemezhető.
A kolloid részecskék csoportosítása alak szerint : izometrikus: globuláris fehérje, kolloid méretű kvarc- v. földpátszemcse anizometrikus: agyagásvány, fehérje filamentum fibrilláris: fonalas pl. humuszanyagok, lamelláris: lemezes pl. agyagásványok szerkezet szerint: mikrofázisok: köd, füst aeroszolok micellák: amfipatikus molekulahalmaz (szappanok) makromolekulák: fehérjeoldat
Kolloid rendszerek Kolloid rendszerek legalább két komponensből állnak: Szupermolekuláris kolloid részecske: diszperz rész, vagy diszpergált rész Nem szupermolekuláris folytonos diszperziós közeg, amely a részecskék közötti teret kitölti (folyadék, gáz, szilárd)
Kolloid rendszerek típusai Kolloid diszperz rendszer (kolloid oldat) A részecskék egymástól elkülönülve helyezkednek el Peptizált állapot Kolloid koherens rendszer (gél v. pórusrendszer) A részecskék egymáshoz kapcsolódva térhálós szerkezetet alkotnak
A talaj szervetlen kolloidjai: Agyagásványok (illit, klorit, kaolinit, montmorillonit) Mállási maradékok amorf csapadékai: kovasav, hidratált alumínium és vashidroxidok, oxihidroxidok Finoman diszpergált kolloid méretű ásványtörmelékek (kvarc, földpátok, csillámok)
Csillámok, agyagásványok Agyagásványok hidratációja, mállása: a fellazuló lemezes, réteges struktúra hidratációjával kolloid méretű lemezkék hasadnak le
Csillámok, agyagásványok Csillám (biotit, muszkovit) Hidrocsillám, kaolinit Illit Illit-montmorillonit kevert szerkezet Szmektit (montmorillonitvermikulit) Fokozódó mállás Csökkenő szemcseméret Növekvő fajlagos felület A fajlagos felület növekvő mértékben belső felület (rétegrácsok közötti) Növekvő kationcserélő kapacitás (10-120 cmol/kg)
A talaj szerves kolloidjai: Humuszkolloidok: erősen kondenzált nagy molekulájú stabil szerves vegyületek Nem humuszkolloidok: gyorsan lebomló, nem kondenzált szerves anyagok: poliszacharidok, fehérjék, lipidek
Organominerális komplex A talajok szerves és szervetlen kolloidjainak összekapcsolódásával kialakuló, továbbra is kolloid méretű és sajátságú elegyrészek (Adszorpciós komplex)
A talaj ioncserélő képessége H. Thompson és J. Way kísérlete 1850.: talajoszlopon (NH 4 ) 2 SO 4 oldatot folyattak át: a talajból távozó oldat CaSO 4 -ot tartalmazott, Na +, K +, Mg 2+ ionok jelentek meg
A talaj ioncserélő képessége A kolloid felszínén ionkötő helyek léteznek (ph és a kolloid minősége függvényében + v. töltésűek ) A megkötődő ionok nem véglegesen kapcsolódnak a kolloid felszínén: kapcsolódás: adszorpció leválás: deszorpció v.disszociáció Az ionkötő helyek mennyisége jellemzi a kolloidot: kationcsere kapacitás =T-érték
Ionhelyettesítés - ioncsere
Ionerősség rangsor A talajkolloidok felületén adszorbeált ionok mennyiségét a körülvevő talajoldat koncentrációja, illetve azon belül a liotróp sor határozza meg Fe 3+ > Al 3+» Ca 2+ > Mg 2+ > K + NH 4+ > Na + nem kicserélhető kicserélhető ionok
Ioncsere a talajban Ioncsere a talajokban akkor zajlik le, ha a kicserélő ion a kicserélendő kationnál erősebben kötődik utánpótlása folyamatos koncentrációja nagyobb, mint a kicserélendő ioné a kicserélt ion folyamatosan távozni tud a talajból
Az adszorpciós komplex jellemzői Összes megköthető kation mennyisége: T-érték Az adott körülmények között valóban adszorbeált kationok mennyisége: S-érték S/T=V% (bázistelítettség %) 100-V%= U% (telítetlenségi %)
A kicserélhető kationok mérése laboratóriumban:ellenőrzött ioncserével A kicserélhető ionok mennyiségét befolyásolja: ph kicserélő ion koncentrációja kicserélő ion minősége (NH 4+, Ba 2+ ) az ioncsere időtartama Az egyes kationokat a kicserélőoldatból mérjük (összegük=s-érték)
A talaj ioncserélő képessége Mértékegysége: mgeé/100 g talaj (hagyományos mértékegység) (milligramm-egyenérték / 100 gramm talaj) egyenértéktömeg= atomtömeg/ vegyérték (egységnyi ionkötőhely lefoglalására 2 vegyértékű ionból feleannnyi szükséges, mint 1 vegyértékűből) SI mértékegység: mol/kg (1 cmol/kg= 1 mgeé/100 g)
A talaj adszorpciós kapacitása elsősorban a jelenlévő agyagásványok minősége és mennyisége határozza meg (szerves kolloidok mennyisége jóval kisebb)
Az adszorbeált kationok hatása a talajra Ca 2+ : a kolloidokat koagulálják, a szerves és ásványi kolloidok kapcsolódását fokozza, kolloidok stabilitása nő Mg 2+ : a szerves kolloidokkal vízoldható komplexet képez, a szervetlen kolloidokat peptizálja K + : nagyon kis mennyiségben fordul elő (ált. <1%) Na + : az összes kolloidtípust peptizálja már kismértékű jelenléte (~5%) is nagyon károsan hat a talajra H + : telítetlen (savanyú) talajok, a kolloidok kimosódását megkönnyíti
Domináns kation Amely a talaj sajátságait megszabja (nem biztos, hogy ebből van a legtöbb) Ca 2+ : ha V%>80%, Ca S% >70% csernozjom talajok, egyes barna erdőtalajok Mg 2+ : ha Mg S% > 30% réti talajokban, egyes szikes talajokban Na + : ha Na S% > 15% szikes talaj (szolonyeces) H + : telítetlenséget okoz V%=50-80% telítetlen, V%<50% erősen telítetlen podzoltalajok, lessive, egyes barna erdőtalajok
Egyéb kolloid sajátosságok: duzzadás Hidrátburok kialakulása a kolloidok körül: jelentős vízfelvétel: duzzadás (térfogatnövekedés) Kiszárdáskor: hidrátburok zsugorodása: zsugorodás: jellegzetes repedezés Nagy agyagtartalmú talajokban kedvezőtlen fizikai adottság: vertisolok, szikes talajok
Vertisolok és szolonyecek repedezése
Kolloidok szerepe a talajfejlődési folyamatokban kolloidok helyben keletkezése mállással genetikai szintek közötti fluxus: eluviális és iluviális szintek, agyagvándorlás humuszvándorlás agyag- és humuszhártyák (slickenslides) Váltakozó duzzadáskiszáradás, koagulációpeptizáció
Kolloidok kimosódása: eluviális horizontok Alacsony ph-érték és sok csapadék mellett a kicserélhető kationok kimosódnak a talajból Kilúgzási E, A e talajszintek A kolloidok peptizálódnak, a peptizált kolloidok a perkoláló csapadékvízzel mélyebb talajszintekbe mosódnak A képen: podzol
Kolloidok felhalmozódása: akkumulációs Felhalmozódási B szintek Agyagásványokban, amorf szervetlen kolloidokban feldúsult talajszintek Kicserélhető Na + -ban feldúsult szikes talajok horizontok