Грунтові колоїди. Склад грунтових колоїдів та їх головні ознаки

О.Н.Соколовський (на фото) – батько українського грунтознавства, засновник і перший директор Науково-дослідного інституту грунтознавства та агрохімії (тепер національний науковий центр "Інститут грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського"), автор першого підручника українською мовою "Курс сільськогосподарського грунтознавства" (1934) і "Сельскохозяйственное почвоведение" (1956). Досліджуючи склад і властивості гумусу, він дійшов висновку: "яким би не був хімічний склад гумусу, головна його властивість – колоїдність". Тому його підручник починається розділом "Колоїди грунту, їх динаміка і зв'язані з ними явища".

О.Н.Соколовський поділив гумус грунтів на дві групи:

активний і
пасивний.

Зразок грунту оброблявся 0,1н розчином NaCl; гумус, який перейшов після обробки до розчину, він назвав активним – ця фракція гумусу може рухатися по профілю, покривати структурні відокремлення тоненькою плівкою тощо. Та частина гумусу, яка не переходить (не пептизується) до розчину навіть після дії натрію (розчину NaCl) на грунтовий зразок, називається пасивною. Останній вид гумусу має важливе значення для утворення агрономічно-цінної структури з розміром агрегатів від 0,25 мм до 7-10 мм. Особлива його здатність – забезпечення водостійкості структури, тобто здатності не руйнуватися під дією дощової води. Отже, О.Н.Соколовський обгрунтував роль і значення у грунтоутворюючих процесах активного і пасивного гумусу або активних і пасивних колоїдів у житті грунту.

Дослідженням поглинальної здатності грунтів активно займався К.К.Гедройц, який розв'язував цю проблему впродовж 1908-1932 pp.

Результати досліджень були опубліковані в науковій праці "Вчення про поглинальну здатність грунтів" (1922); поряд із механічною, хімічною, фізичною і біологічною поглинальними здатностями грунтів він виділив найголовнішу – фізико-хімічну, яка зв'язана з властивостями грунтових колоїдів і залежить від їх речовинного складу.

Грунт – полідисперсна система, а його найдрібніші частинки (розміром менші за 0,0001 мм) називаються грунтовими колоїдами. Цей термін уведений англійським ученим Томасом Гремом. Утворюються колоїди шляхом диспергації крупних часток або конденсації молекул в агрегати. На основі досліджень К.К.Гедройца й О.Н.Соколовського можна визначити речовинний склад грунтових колоїдів:

він може бути органічним,
мінеральним і
органо-мінеральним.

Органічні колоїди – гумус, до складу якого входять фульвокислоти, гумінові кислоти та їх солі типу хелатів (внутрішньо-комплексні сполуки), з ними ми в певній мірі вже познайомились при вивченні гумусу.

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

Органо-мінеральні колоїди утворилися внаслідок з'єднання гумусових кислот із глинистими мінералами.

Склад і кількісне співвідношення мінеральних, органічних і органо-мінеральних колоїдів у грунті залежить від характеру грунтоутворюючих порід і типу грунтоутворення.

Колоїди – це двофазна система, яка складається з дисперсної фази (колоїдні частинки) та дисперсного середовища (грунтовий розчин).

Г.Вігнер запропонував колоїдну частинку назвати колоїдною міцелою. Узагальнена схема будови колоїдної міцели, якій для наочності надана кулеподібна форма, наведена на рисунку 15. Основу колоїдної міцели складає ядро. Природа ядра визначає поведінку грунтових колоїдів. Ядро колоїдної міцели являє собою складну сполуку аморфної або кристалічної будови різного хімічного складу. На поверхні ядра розміщується шар міцно утримуваних іонів із зарядом – шар потенціал-визначаючих іонів. Ядро міцели разом із шаром потенціал-визначаючих іонів має назву гранули. Між гранулою й розчином, який оточує колоїд, виникає термодинамічний потенціал. Під його впливом із розчину притягуються іони протилежного знака (компенсуючі іони). Навколо ядра колоїдної міцели утворюється подвійний електричний шар, який складається із шару потенціал-визначаючих іонів і шару компенсуючих іонів. Компенсуючі іони розміщуються навколо гранули двома шарами:

один – нерухомий шар, який міцно утримується електростатичними силами потенціал-визначаючих іонів;
зовнішній – дифузний шар, який утримується значно меншими силами, і тому може замінюватись іншими катіонами, зумовлюючи цим фізико-хімічну (обмінну) поглинальну здатність грунтів.

Гранула разом із нерухомим шаром компенсуючих іонів називається колоїдною частинкою. Між колоїдною частинкою й оточуючим розчином виникає електрокінетичний потенціал (дзета-потенціал). Під його впливом знаходиться другий (дифузний) шар компенсуючих іонів, які мають здатність до еквівалентного обміну на іони того самого знака заряду з оточуючого розчину.

Рис.15. Схема будови колоїдної міцели (за М.І.Горбуновим)

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

Як протікає адсорбція іонів на поверхні колоїдної частинки і чому це явище має місце в грунтах? Поверхневі іони твердих частинок відрізняються від іонів, що знаходяться всередині частинки: якщо у останніх валентності абсолютно насичені зв'язками з оточуючими їх у кристалічній решітці іонами протилежного знака, то в іонів, що на поверхні, валентності насичені не повністю. За рахунок цих ненасичених валентностей з оточуючого частинку розчину притягуються до поверхні такі іони, що можуть добудувати кристалічну решітку.
Спробуємо уявити утворення важкорозчинної солі CaCO₃ при взаємодії розчинів CaCl₂ та Na₂CO₃:

CaCl₂ + Na₂CO₃= CaCO₃ + 2NaCl

Завдяки своїй низькій розчинності карбонат кальцію випадає з розчину в осад, молекули зближуються і формують кристалічну решітку. Ріст кристалів зупиняється із закінченням реакції. Якщо на цей момент у розчині залишиться в надлишку один з компонентів реакції, наприклад CaCl₂, то іони CO₃^2- на поверхні кристалів притягуватимуть до себе іони Ca²⁺ з розчину. При цьому кожний притягнутий іон Ca²⁺ витрачатиме на зв'язок з поверхнею лише частину своєї валентності; інша залишається вільною і надає поверхні кристалика позитивний заряд. Частинка оточується позитивно зарядженою іонною оболонкою. У цей же час еквівалентна (до адсорбованих іонів Ca²⁺) кількість іонів Cl електростатично притягується до поверхні частинки, утворюючи при цьому другу іонну оболонку. Цим формується зовнішній дифузний шар з негативно заряджених іонів.

Якщо в розчині, що оточує частинку, в надлишку не CaCl₂, a Na₂CO₃, то добудова кристалічної решітки здійснюватиметься за рахунок адсорбції поверхневими іонами Ca²⁺ іонів CO₃^2- з розчину. Як наслідок, частинка буде оточена негативно зарядженим адсорбційним шаром, а зовнішній дифузний шар складуть позитивно заряджені іони Na⁺. Аналогічним чином виникає заряд і в таких грунтових колоїдах, як Fe(OH)₃·nH₂O та Al(OH)₃·nH₂O.

Інший шлях появи заряду пов'язаний з дисоціацією молекул самої частинки. Наприклад, гумінова кислота, віддисоційовуючи H⁺ своїх карбоксильних груп набуває негативного заряду (за рахунок залишку -COO-), а іони H⁺ утворять навколо частинки зовнішній дифузний шар. Аналогічно виникає негативний заряд на поверхні частинок кремнієвої кислоти, яка також віддисоційовує H⁺-іон.