Властивості грунтових колоїдів. Види колоїдів

Колоїди, які у потенціал-визначаючому шарі мають негативно заряджені іони й H⁺ – іони в дифузному шарі, що дисоціюють у розчин, називаються ацидоїдами (кислотоподібними).

До таких колоїдів можна віднести розглянуті нами кремнекислоту і гумінову кислоту, а також мінерали групи монтморилоніту.

Колоїди, які мають у потенціал-визначаючому шарі позитивно заряджені іони і відщеплюють у розчин іони OH^-, називаються базоїдами (лугоподібними).

До них відносяться гідрати оксидів заліза та алюмінію. Проте колоїди гідроксидів заліза, алюмінію, а також протеїну залежно від реакції середовища ведуть себе то як кислота (ацидоїди), то як основа (базоїди).

Колоїди з такою подвійною функцією називаються амфотерними, або амфолітоїдами.

Так, в умовах кислої реакції середовища висока концентрація у розчині водневих іонів пригнічує дисоціацію алюмінію й H-іонів і робить можливим дисоціацію у розчин OH-іонів. При лужній реакції гідроксид алюмінію веде себе як кислота й заряд колоїду стає негативним. З підкисленням реакції середовища посилюється базоїдна дисоціація амфотерних колоїдів, із підлуговуванням – ацидоїдна. При деякому значенні рН, яке називається ізоелектричною точкою, або ізоелектричним pH, колоїд посилає в оточуючий його розчин однакову кількість катіонів і аніонів, перетворюючись на електрично нейтральний (рис. 16).

Рис.16. Характер дисоціації Al(OH), залежно від реакції середовища (за Ремезовим)

а – колоїд електропозитивний, містить обмінні аніони,
б – колоїд електронейтральний, не містить обмінних іонів,
в – колоїд електронегативний, містить обмінні катіони

З огляду на той факт, що в едафотопах бореального та суббореального поясів (а відповідно і в грунтах України) більшість колоїдів представлені гелями гумусових кислот та кремнезему, грунтовий колоїдний комплекс носитиме заряд мінус і мова йтиме про домінування процесів обміну катіонів.

Виникнення заряду у різних колоїдів пов'язане з особливостями їх хімічного складу й структури. Негативний заряд набувають колоїди за рахунок розриву зв'язків і облому пакетів глинистих мінералів, оксидів і гідроксидів заліза та вивільнення валентностей крайових іонів кисню; при ізоморфному заміщенні в кремній-кисневих тетраедрах мінералів чотирьохвалентного кремнію трьохвалентним алюмінієм, алюмінію – двовалентним катіонами (залізом, магнієм) (рис. 17).

Рис.17. Виникнення заряду за рахунок вільних катіонів по краях монтморилоніту (А) та появи вільних зарядів при ізоморфному заміщенні катіонів (Б)

Грунтові колоїди характеризуються такими властивостями:

1. Грунтові колоїдні системи – дисперсні й гетерогенні; це означає, що в грунтовому розчині (який називають дисперсним середовищем) рівномірно розподілені тверді частинки глини, гумусу та інших колоїдів (дисперсна фаза). "Дисперсний" походить від слова "розсіяний". Відомо, що розчини є однофазними (гомогенними) й багатофазними (гетерогенними). Система, яка містить частинки у вигляді молекул або іонів, – однофазна, тому всі молекулярно-іонні розчини відносять до гомогенних однофазних систем, або до істинних розчинів. Дисперсна система, у якій частинки дисперсної фази складаються з великої кількості молекул, є гетерогенною системою. Як приклад гетерогенних дисперсних систем можна навести завис глини у воді, емульсію масла у воді. Хіба тепер виникатиме заперечення тому, що грунт – складна дисперсна гетерогенна система?
2. Між частинками гумусових речовин, глини й водою є поверхня поділу, яка володіє визначеним запасом вільної поверхневої енергії. Це дуже суттєва ознака грунтових колоїдів. Цією ознакою гетерогенні системи відрізняються від гомогенних (істинних), у яких поверхня поділу відсутня. Поверхнева енергія може переходити в інші форми: хімічну, теплову тощо.
   Змочування розпилених речовин крохмалю, чорнозему, глини, торфового порошку призводить до підвищення їх температури – тепло, що виділяється при цьому, називають теплотою змочування. З піском цього ефекту не відбувається. Теплота змочування – показник величини загальної поверхні й ступеня її гідрофільності. Чим більш дисперсний грунт, тим більше виділиться теплоти змочування. Щоб пересвідчитись у цьому, варто лише вийти після літнього дощу і пройтись босоніж по польовій дорозі та її узбіччю, на якому поверхневі частинки менш дисперсні (крупніші), а потім порівняти відчуття. Дорога тепліша.
   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. Добавляємо у кожну з них пероксид водню. У перших двох спостерігається активне кипіння – виділяється молекулярний кисень, а у третій цього не буде, бо відсутня поверхнева енергія.
3. Колоїдні частинки мають велику загальну й питому поверхню. При збільшенні дисперсності частинок у грунті підвищується їх хімічна активність. Вона зв'язана зі збільшенням поверхневої енергії.
4. Колоїдні розчини здатні розсіювати світлові промені, створювати опалесценцію. Оскільки довжина хвилі променів менша, ніж розмір колоїдних частинок, вони утворюють конус Тіндаля. Дифузія частинок у колоїдних розчинах відбувається дуже повільно. Це свідчить, що колоїдні частинки мають великі розміри в порівнянні з істинними іонними або молекулярними розчинами.
5. Колоїдні розчини здатні до діалізу, тобто до їх очищення від низькомолекулярних, іонних домішок. Це робиться за допомогою напівпроникної мембрани (пергаментний папір, колодій), через яку не проникають колоїдні частинки, а проходять тільки іони й молекули. Для прискорення цього процесу використовують електрофорез.
6. Колоїдні розчини під дією електролітів коагулюють, тобто проходить розділення, відокремлення дисперсного середовища від дисперсної фази, 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. Для визначення знака заряду колоїдних частинок використовують електрофорез. Для цього наливають колоїдний розчин у U-подібну посудину. Вставляють в отвори електроди і з'єднують із постійним джерелом електричного струму. Колоїдні розчини гумусу, глини будуть мати біля анода темний розчин, а біля катода прозорий. Тому ці колоїди мають від'ємний заряд, їх гранула заряджена негативно. Навпаки, колоїдні розчини Al₂O₃ і Fe₂O₃ будуть мати біля катода непрозорий розчин, а біля анода – прозорий. Заряд їх гранул – позитивний. Стійкість колоїдної системи до зміни стану залежить від ступеня дисперсності частинок, яка виражається площею їх загальної поверхні в одиниці маси (1 г). Крім того, залежить від ступеня гідратації самої колоїдної системи і катіонів, що містяться в ній, зокрема. Не менш важливим чинником є величина електрокінетичного потенціалу.