Грунтові колоїди, їх будова і властивості

Засновник українського ґрунтознавства О.Н. Соколовський досліджуючи склад і властивості гумусу, дійшов висновку: «яким би не був хімічний склад гумусу, головна його властивість - колоїдність».

Грунт – полідисперсна система, а його найдрібніші частинки (розміром менші за 0.0001 мм) називаються грунтовими колоїдами.

Колоїди – дисперсні системи, які характеризуються міцелярною структурою, складаються з дисперсної фази (колоїдні частинки) та дисперсного середовища (грунтовий розчин). Колоїди можуть бути органічними, мінеральними, органо-мінеральними за своїм речовинним складом.

Органічні колоїди – гумус, до складу якого входять гумінові кислоти, фульвокислоти та їх солі.

Мінеральні – це глинисті мінерали, колоїдні форми SiO₂, гідроксиди алюмінію, заліза і кремнієвої кислоти.

Органо-мінеральні колоїди утворились внаслідок з’єднання гумусових кислот із глинистими мінералами. Склад і кількісне співвідношення мінеральних, органічних і органо-мінеральних колоїдів у грунті залежить від характеру ґрунтоутворюючих порід і типу ґрунтоутворення.

Окрема структурна одиниця колоїда – колоїдна частинка, яка називається колоїдною міцелою. Основу колоїдної міцели складає ядро. Природа ядра визначає поведінку грунтових колоїдів. На поверхні ядра розміщується шар міцноутримуваних іонів із зарядом – шар потенціал-визначаючих іонів. Ядро міцели разом із шаром потенціал-визначаючих іонів має назву гранули. Між гранулою і розчином, який оточує колоїд, виникає термодинамічний потенціал. Під його впливом із розчину притягуються іони протилежного знаку (компенсуючі іони). Навколо ядра колоїдної міцели утворюється подвійний електричний шар, який складається із шару потенціал-визначаючих іонів і шару компенсуючих іонів. В свою чергу компенсуючі іони розміщуються двома шарами: один – нерухомий шар, який міцно утримується електростатичними силами, викликаними потенціал-визначаючими іонами; зовнішній – дифузний шар, який утримується меншими силами, і тому може змінюватися іншими катіонами, зумовлюючи цим фізико-хімічну (обмінну) поглинальну здатність грунту. Гранула разом із нерухомим шаром компенсуючи іонів називається колоїдною частинкою, а разом іще із дифузним шаром – міцелою.

Колоїдна міцела електрично нейтральна. Головна маса її належить гранулі, тому заряд останньої розглядається як заряд усього колоїду. Поява заряду може відбуватися двома шляхами: шляхом адсорбції іонів з оточуючого середовища чи шляхом віддисоциації іонів молекулами самої частинки.

В групах бореального і суббореального поясів, тобто і в грунтах України, більшість колоїдів представлені гелями гумусових кислот та кремнезему, грунтовий колоїдний комплекс несе заряд мінус і домінують процеси обміну катіонів, що позитивно впливає на родючість грунтів.

Властивості грунтових колоїдів

1. Грунтові колоїдні системи – дисперсні і гетерогенні (тобто розсіяні і

багатофазні). Як приклад гетерогенних дисперсних систем можна навести завис глини у воді, або емульсію масла у воді.

2. Між частинками гумусових речовин, глини й водою є поверхня поділу,

яка володіє визначеним запасом вільної поверхневої енергії. Це дуже суттєва ознака грунтових колоїдів, цим вони відрізняються від гомогенних систем, в яких поверхня поділу відсутня. Поверхнева енергія може переходити в хімічну, теплову. Наприклад, якщо після літнього дощу пройтись босоніж по польовій дорозі і узбіччю, дорога буде відчутно тепліша, тому що частинки на дорозі більш дисперсні, виділяється більша теплота змочування. Поверхнева енергія прискорює хімічні реакції, тобто виявляє каталітичну дію. Наприклад, маємо три пробірки: у першій міститься чорнозем, у другій – бурувато-підзолистий грунт, у третій – пісок. Якщо додати в кожну пробірку пероксид водню, то у перших двох пробірках спостерігається активне кипіння, а у третій цього не буде, бо відсутня поверхнева енергія.

3. Колоїдні частинки мають велику загальну й питому поверхню. При

збільшенні дисперсності частинок у грунти, збільшується їх хімічна активність і поверхнева енергія.

4. Колоїдні розчини здатні розсіювати світлові промені, створювати

опалесценцію. Це свідчить про доволі великі розміри колоїдних частинок порівняно з довжиною світлової хвилі і істинними іонними і молекулярними розчинами.

5. Колоїдні розчини здатні до діалізу, тобто до їх очищення від низько-

молекулярних іонних домішок.

6. Колоїдні розчини під дією електролітів коагулюють, тобто проходить

розділення рідкої і твердої фази колоїдів (дисперсні частинки – гель, дисперсне середовище - золь), яка випадає в осад. Колоїдні частинки переходять із золю в гель, гублять заряд, склеюються в агрегати. Цим вони відрізняються від істинних гомогенних систем.

7. Колоїдні частинки мають заряд: позитивний або негативний. Цей заряд

визначається за допомогою електрофорезу. Заряд колоїдів має велике значення в процесі ґрунтоутворення, ступінь стійкості системи залежить від дисперсності частинок, гідратації колоїдів, електрокінетичного потенціалу.

Фізичний стан грунтових колоїдів.

Колоїди у грунті знаходяться у вигляді гелів. У них колоїдні частинки

зчіплюються між собою і утворюють структурну сітку, у вічках якої утримується вода. Частинки у цьому випадку не відокремлюються водною фазою. У вологому грунті невелика кількість колоїдів може знаходитись у стані золю, при цьому частинки відокремлені водною фазою. Такий стан частинок пов’язаний з наявністю електрокінетичного потенціалу (однаково заряджені частинки відштовхуються одна від одної). При зниженні цього потенціалу і зменшенні заряду частинок різнойменно заряджені колоїди, які стикаються один з одним при хаотичному русі, склеюються, збільшуються в розмірах і випадають в осад.

Процес з’єднання колоїдних частинок і утворення із золю гелю називається коагуляцією, подальше осадження – седиментацією. Перехід колоїду зі стану гелю в стан золю називається пептизацією.

Колоїди, які можуть переходити із золю в гель і навпаки, називаються зворотними; ті колоїди, що важко переходять із стану золю, складають групу незворотних колоїдів.

За кількістю води, яка утримується колоїдами, вони поділяються на гідрофільні і гідрофобні. До гідрофільних належать деякі органічні речовини і мінерали монтморилонітової групи, вони дуже гідротовані і важче коагулюють. Гідрофобні – гідроксид заліза, мінерали каолінітової групи, вміщують невелику кількість води.

Фізичний стан колоїдів залежить також від складу поглинутих катіонів. Чим більша валентність поглинутих іонів, більший їх заряд, тим меншою буде дисоціація їх колоїдних частинок, меншим електрокінетичний потенціал, тим скоріше йде процес коагуляції.

Колоїди насичені одновалентними катіонами (Н⁺, К⁺, Na⁺, NH₄⁺) знаходяться, як правило, у стані золю, при заміні на дво- і тривалентні – вони переходять у стан гелю. Так, насичення грунтового поглинального комплексу натрієм викликає: утворення золю, розпилення грунту, збільшення заряду грунтових колоїдів, їх гідратацію. Заміщення натрію кальцієм сприяє коагуляції й утворенню водостійкої структури.