| اصول شیمیایی خاک |
تبادل کاتیونی |
| تبادل فی مابین یک کاتیون از محلول خاک با کاتیونی در سطح مواد مبادله کننده فعال را تبادل کاتیونی می گویند. اگر چه مواد خاک به درجات مختلف در ایجاد نقاط تبادل کاتیونی نقش دارند اما این خصوصیت در غالب خاکها در بخش رس و مواد آلی آنها متمرکز است. |
ماهیت تبادل کاتیونی : |
| فعل و انفعالات کاتیونی در خاکها عمدتاً در مجاورت سطوح کلوئیدهای رسی و ذرات هوموس یا میسل ها صورت می گیرد . هر میسل ممکن است از هزاران نقطه یا بار الکتریکی منفی تشکیل شده باشد که با جذب کاتیون ها خنثی می گردد. بارهای منفی در سطح میسل ها در خطوط مرزی متمرکز گشته و دارای حداکثر قدرت جذب کاتیونی می باشند. جذب کاتیون ها موجب خنثی شدن این بارهای منفی می گردد. کاتیون های تبادلی به علت هیدراته بودن و کشیده شدن از طریق مولکول های آب دائماً در اطراف نقاط تبادلی در حال دوران یا حرکت رفت و برگشت می باشند.
غلظت کاتیون ها در مجاورت سطوح کلوئیدها که بار منفی حداکثر است ماکزیمم بوده و فاصله از سطح کلوئید به سرعت کاهش پیدا می کند. آنیون ها از سطوح منفی کلوئیدها دفع می شوند لیکن همان طوری که در شکل دیده می شود در فاصله ای از سطح کلوئیدها غلظت کاتیون ها و آنیون ها با هم برابر می گردد. در هر حال در مجموع تعداد کاتیون های موجود دراین فاصله به مراتب بیش از تعداد آنیون هاست. ریشه گیاهان دارای ظرفبیت تبادل کاتیونی (CEC) است که توسط یون های هیدروژن ناشی از ریشه گیاه خنثی می گردد. هنگام جذب کاتیون ها به وسیله گیاه یون های هیدروژن مذکور آزاد و نهایتاً با کاتیون های تبادلی سطح میسل تبادل انجام می دهند. مثلاً هنگامی که پتاسیم از محلول خاک جذب می شود اگر کمبود کاتیون های غذایی از طریق هوا دیدگی یا دادن کود جبران نشود نقاط تبادلی میسل تدریجاً طی پروسه هایی از هیدروژن اشباع می گردد. |
|  |
پدیده تبادل کاتیون در کلوئیدها |
| با توجه به خاصیت اسیدی ضعیف رس و هوموس و در نتیجه جذب کاتیونهای فلزی به وسیله این مواد، مطالعه در پدیدیه قابلیت تبادل یون درخاک آغاز گردید که در آن به رس ها در برقراری چنین پدیده ای بیشتر تکیه می شود. اسیدهای ضعیف مزبور محل مناسبی برای استقرار کاتیون ها محسوب می گردند و معمولاً از آنها به صورت رس با یون+H یا هوموس با یون+H یاد می شود. بدین ترتیب کاتیون هایی مانند +ca2 رس، +ca2 و +K هوموس و+K هوموس در آیند. |
| امروزه بسیاری از مؤلفین نظریه فوق را تنها دلیل پدیده تبادل یون نمی دانند. بلکه ضمن تشریح بیشتر خاصیت اسیدی هوموس ، ساختمان فیزیکی رس و قابلیت نفوذ یون های خارجی را در آن برقراری پدیده مزبور دخالت می دهند. اگر اطلاق اسید ضعیف در مورد رس قابل بحث است، هوموس (به ویژه اسیدهای هومیک) می تواند به عنوان یک اسید واقعی به شمار آید که از آن املاح مختلف در خاک تشکیل می شود. ترکیب هیدروکربنه مواد آلی در PH های مختلف می تواند از خود یون H آزاد کند و آن را در معرض تبادل یونهای مثبت دیگر قرار دهد.
بدین ترتیب هر قدر مرحله هوموسی شدن کاملتر و درجه اکسیداسیون بیشتر باشد قابلیت جذب یون های خارجی در مواد آلی زیادتر خواهد بود. در ورقه های تشکیل دهنده ساختمان فیزیکی رس، امکان استقرار یک یون خارجی به جای یون موجود در ترکیب رس وجود دارد. وقتی یون های دو ظرفیتی مانند fe+2 , mn2+,Ni+2,mg+2 جای یون Al+3 را می گیرند و یا وقتی یون های 3 ظرفیتی مانند Al+3 وfe+3 جای یون si+4 را می گیرند، موجبات کمبود بار مثبت در ورقه های 8 وجهی و چهار وجهی رس فراهم می شود، در نتیجه رس به عنوان کلوئید با بارالکتریکی منفی جلوه می کند و یونهای با بارمثبت را به طرف خود جذب می نمایند. نیرو یا شدت الکتریکی بار منفی ایجاد شده با ساختمان فیزیکی رس ارتباط دارد، به طوری که وقتی این شدت به حد کافی بوده، ورقه ها با فاصله کم از هم قرار داشته که اگر قابلیت انحراف و ازدیاد حجم مولکول کم باشد، امکان تثبیت یون هایی مانند+k+,NH4 در آنها وجود دارد. |
ظرفیت تبادل کاتیون خاک (cations exchange capcity) |
| ظرفیت تبادل کاتیون خاک (C.E.C) عبارت از حداکثر مقدار کاتیونی است که وزن معینی از خاک قادر است در خود جذب یا نگهداری نماید. این ظرفیت را بر حسب میلی اکی والان در یک صد گرم خاک خشک نشان می دهند. با توجه به آنچه که در جانشینی کاتیون ها به جای یون H+ در کلوئیدهای رس و هوموس گفته شد، اگر این ظرفیت برای خاک معینی T میلی اکی والان باشد و در موقعیت معینی S میلی اکی والان کاتیون در جذب 100 گرم خاک خشک قرار داشته باشد، تفاضل S,T یعنی (T - S) مصرف مقدار هیدروژن موجود در جذب کلوئیدهای همان وزن خاک خواهد بود.
بدین ترتیب ظرفیت تبادل کاتیون یک خاک نماینده مجموعه کاتیون ها و هیدروژن قابل تبادل در جذب یکصد گرم از خاک است +T=S+H . ظرفیت تبادل کاتیون یک خاک اهمیت فوق العاده ای در خواص فیزیکی شیمیایی آن دارد و از آن به عنوان یک مشخصه تعیین نوع خاک استفاده می شود. به طور کلی می توان گفت که هر قدر خاکی از کلوئیدهای معدنی و آلی غنی باشد، این ظرفیت در آن بیشتر است و هر چه خاک در معرض شستشوی کمتری قرار داشته و نیز PH آن خنثی یا به طرف قلیایی میل کند، مقدار S به ظرفیت مزبور نزدیک است، به طوری که در خاک های آهکی (اشباع از کلسیم) و خاک های قلیایی (اشباع از سدیم)، S تقریباً معادل T می باشد. در تعیین مقدار کاتیون قابل تبادل موجود در یک خاک (S)، از خاصیت جانشینی یونها استفاده می شود، بدین ترتیب که کلیه کاتیونهای جذب شده در وزن معینی از خاک را با جانشین کردن کاتیونی دیگر مانند+ NH4 استخراج می نماید ( معمولاً برای این کار از محلول استات آمونیوم استفاده می شود)
در محلول استخراج شده هر یک از کاتیون های Na+2 , k2+,mg+2,ca+2 و غیره را اندازه گیری و از جمع آنها s را تعیین می نمایند. (در این روش به ناچار مقدار جزئی+ NH4 موجود در جذب نمونه اولیه خاک به حساب نمی آید. |
انواع و مقادیر کاتیون های تبادلی : |
| هوادیدگی کانیها منبع طبیعی کاتیونهای تبادلی خاک است. هر قدر میزان کاتیون حاصل از هوا دیدگی بیشتر باشد بالطبع قانون اثر جرمها امکان جذب آن کاتیون ها بیشتر است. به طور کلی نوع و مقدار کاتیون های تبادلی عملاً تابعی است از ظرفیت و شعاع کاتیون هیدراته کاتیونهایی که دارای ظرفیت بالاتر می باشند با نیروی زیادتری نسبت به کاتیون های دارای ظرفبیت پایین تر جذب می گردند و در ظرفیت مساوی کاتیونی که شعاع آب هیدراته کمتر است به علت نزدیکی بیشتر به سطح میسل با نیروی بیشتر جذب می گردد. (نیروی جذب با مجذور فاصله رابطه عکس دارد)
بر اساس شعاع یون های غیرهیدراته چنین به نظر می رسد که LI حداکثر نیروی جذب را دارد و Rb حداقل نیروی جذب و حال آن که چون LI حداکثر شعاع هیدراته و Rb حداقل شعاع هیدراته را دارد قضیه کاملاً برعکس می باشد. در نتیجه نیروی جذب چهار کاتیون مذکور و یا به عبارت دیگر ترتیب جایگزینی کاتیونها معکوس بوده و به ترتیب Rb دارای حداکثر نیروی جذب و LI حداقل و وضعیت عناصر دیگر به صورت زیر است:
Li ترتیب جایگزنی عناصر تبادلی متداول در غالب خاکها نیز به شرح زیر می باشد:
Al |
تبادل آنیونی : |
| کلاً گیاهان همانقدر که کاتیون جذب می کنند آنیون هم جذب می کنند. قابلیت استفاده آنیون عمده نیترات، سولفات و فسفات توسط گیاه تا حد زیادی بستگی به معدنی شدن مواد آلی خاک دارد. بر روی هم دو آنیون فسفات و سولفات از آنیون های معدنی هستند که غالباً در تبادل خاکها شرکت دارند. |
منشأ ظرفبیت تبادل آنیونی : |
| نقاطی که تبادل آنیونی انجام می دهند در اثر جذب هیدروژن یا پروتون به وسیله هیدروکسیل های سطح رس به وجود می آیند. گیبسایت یک رس اکسیدی می باشد که از یک آلومینیوم که به وسیله شش یون هیدروکسیل احاطه شده تشکیل گردیده است.
در شرایط معمولی و اسیدی خاک های تروپیک که کاملاً هوادیدگی پیدا کرده اند یون های هیدروکسیل اتم های هیدروژن (پروتون) را جذب می نمایند. |
اهمیت تبادل آنیونی : |
| هر چه واکنش خاک قلیایی تر شود یا به عبارتی PH خاک بالاتر رود ظرفیت تبادل کاتیونی خاک افزایش می یابد و برعکس هر چه واکنش خاک پایین تر رود ظرفیت تبادل آنیونی افزوده می گردد. اگر چه تعداد کمی از افق های خاکها دارای بار مثبت می باشند ولی از آن جهت که بسیاری از عکس العمل های مربوط به خاک و گیاه در جهت عکس می باشد. به طور خلاصه می توان موارد زیر را در مورد خاکهایی که دارای بارالکتریکی مثبت می باشند ذکر نمود.
1) این گونه خاکها آنیون هایی نظیر نیترات و کلرو را جذب می نمایند.
2) کاتیون هایی از قبیل کلسیم ، منیزیوم ، پتاسیم از سطح کلوئیدهای مثبت خاک دفع و احتمالاً از محیط خاک شسته و خارج می گردند:
خاک هایی که دارای ظرفیت تبادل کاتیونی بالا یا دارای رس های سیلکاته با نقاط منفی زیاد هستند آنیون ها را از خود دور نموده و در نتیجه جذب آنیونی در آنها اهمیت بسیار کمی برخوردار است.
درصد اشباع بازی و هیدروژنی :
بازهای تبادلی معمولاً شامل کلسیم، منیزیوم ، پتاسیم و سدیم می باشد. در خاک های معمولی کاتیون هایی که اغلب همراه با یون H+ در جذب سطحی کلوئیدها شرکت دارند به ترتیب عبارتند از Na+2 , k2+,mg+2,ca+2 و NH4 و بالاخره عناصر کمیاب خاک مانند cu+2 , zn2+,mn+2 و غیره
در حالی که خاک های با خاصیت شیمیایی ویژه همواره از این قاعده مستثنی هستند، به طوری که در خاک های قلیایی کاتیون+Na و گاهی کاتیون Mg+2 بیش از سایر یون ها در جذب کلوئیدها شرکت دارند و در بعضی از خاک های اسیدی آلومینیوم به صورت یک کاتیون قابل تبادل (Al+3) به مقدار قابل ملاحظه وجود دارد. در عمل از خاصیت قابلیت تبادل نسبی کاتیون ها برای اصلاح خاکهای قلیایی استفاده می شود. با افزایش مقدار لازم یون کلسیم به وسیله ترکیبات واحد آن (مانند گچ 2H2O , CaSO4 ).
Ca+2 جای +Na را در جذب سطحی کلوئیدها می گیرد و در نتیجه سدیم همراه با ترکیبات محلول حاصله ضمن شستشو و زهکشی از محیط خاک خارج می شود. |
پدیده تبادل آنیونی در کلوئیدها : |
| با توجه به بار منفی آنیون ها (No3-,so4-3,po4-3) در وهله اول به نظر می رسد که مسئله تبادل آنیون در خاک فقط در وجود کلوئیدهای با بار الکتریکی مثبت (هیدروکسیدهای آهن و آلومینیوم) خلاصه می شود، ولی در عمل کلوئیدهای دیگر خاک مانند رس، هوموس و به ویژه کلوئیدهای حاصل از اختلاط آنها با هیدروکسید همواره می توانند مقداری آنیون را به صورت قابل تبادل نگهداری کنند.
در حالت کلوئیدهای هیدروکسید آهن و آلومینیوم ، یون -oH می تواند جای خود را با یک آنیون تعویض نماید، یعنی در واقع جدا شدن یک یا چند یون -OH از ترکیب کلوئیدهای مزبور دلیل ایجاد بار الکتریکی مثبت در آنهاست، که در نتیجه موجبات جذب یون با بار منفی به سوی آنها فراهم می شود. خاصیت کلوئیدی هیدروکسیدهای مزبور در محیط اسیدی خاک بیشتر صادق است. در این خصوص وجود بار الکتریکی مثبت در هیدروکسید آهن در پایین تر از 4PH تا 5 به تحقیق رسیده است.
کلوئیدهای آلی (هوموس) نیز نقش مهمی در برقراری پدیده تعادل آنیون خاک به عهده دارند و همواره در نگهداری آنیون فسفر به عنوان یک ذخیره غذایی مؤثر می باشد. یک محقق ضمن بررسی های خود نشان داد که در یک خاک غنی از مواد آلی، هوماتهای آمونیوم حاصل از شستشوی متناوب خاک به وسیله املاح آمونیوم خنثی و آب، حاوی مقدار قابل ملاحظه اسید فسفریک می باشند و از آن به برقراری یک اختلاط کلوئیدی بین آنیون فسفات و کلوئید هوموس اشاره می کند (کمپلکس فسفر – هوموس) در خصوص قابلیت تبادل نسبی آنیون ها می توان گفت که شدت جذب آنیون های مختلف در خاک به طبیعت آنیون ارتباط دارد. در این مورد به ترتیب زیر :
Cl44 اشاره شده است که به آن باید شرایط فیزیکوشیمیایی خاک به ویژه PH را اضافه نمود، چرا که اغلب محیط اسیدی خاک شرایط جذب بهتر آنیون ها را فراهم می کند. |
واکنش خاک |
| منظور از واکنش خاک اسیدی خنثی یا قلیا بودن آن است. این حالات در نتیجه واکنش های شیمیایی و بیو شیمیایی انجام شده در خاک تعیین می گردد. واکنش خاک یکی از عواملی است که در رشد گیاه و فعالیت موجودات زنده ریز خاک تأثیر زیاد دارد. لذا با تعیین واکنش خاک می توان تا حدودی وضعیت رشد گیاه را پیش بینی نمود. چنانچه واکنش خاک به شدت اسیدی باشد می توان نتظار کمبود برخی عناصر غذایی گیاه نظیر فسفر، کلسیم ، منیزیوم و مولیبدن را داشت . در این شرایط احتمال کمبود عناصری مانند روی، منگنز و آهن نمی رود. برعکس ممکنست زیادی برخی از آنها نظیر روی و منگنز و همچنین آلومینیوم سبب بروز مسمومیت در گیاه شود. در حالتی که واکنش خاک قلیایی باشد احتمالاَ کمبود فسفر، آهن و روی در گیاه رخ داده ولی مشکلی از نظر تأمین کلسیم، منیزیوم و مولیبدن آن نخواهد بود. حالات خنثی تا کمی اسیدی بهترین حالت واکنش خاک از نظر تأمین عناصر غذایی گیاه می باشد. واکنش خاک با معیار PH سنجیده می شود. |
تعریف PH و طرز اندازه گیری آن : |
| در یک لیتر آب خالص در حرارت 25 درجه سانتی گراد واکنش زیر صورت گرفته و مقدار بسیار کمی یعنی در حدود 10-7 یون هیدروژن و همچنین مقداری نیز یون هیدروکسیل تولید می شود : H2O ---> H+ + OH- چنانچه می دانیم یون هیدروژن عامل اسیدی و یون هیدروکسیل عامل قلیایی است. تجربه نشان داده است که در آب خالص ، غلظت یون هیدروکسیل عامل قلیایی است. تجربه نشان داده است که در آب خالص، غلظت یون هیدروژن و یون هیدروکسیل مساوی بوده و لذا اصطلاحاً گفته می شود که آب مایعی خنثی است. چنانچه برخی شرایط منجر به ازدیا غلظت یون هیدروژن در محلولها شود، گفته می شود واکنش محلول اسیدی است. چون غلظت یون هیدروژن در محلول های بیولوژیکی بسیار کم است به جای غلظت از لگاریتم عکس آن استفاده شده و آن را اصطلاحاً PH می نامند. بنابراین |
بنابراین برای آب خالص مطابق رابطه می توان نوشت :
| PH = Log ( 1 ⁄ H + ) = Log ( 1 ⁄ 10 -7 ) = Log 10 7 = 7 |
به عبارت دیگر PH آب خالص 7 می باشد. از آنجا که حاصلضرب غلظت یون هیدروژن در غلظت هیدروکسیل برای محلول های آبی رقیق، ثابت و برابر 10-14 می باشد. بنابراین : (H+) (OH- ) = 1014
PH + POH = 14
باید توجه داشت که معیار PH برای محلول های دقیق آبی طراحی گردیده است. محلول های دارای PH کمتر از 7 را اسیدی و محلول های دارای PH بیش از 7/1 قلیایی می نامند.
برای اندازه گیری PH دو راه کلی موجود است یکی استفاده از محلول ها یا کاغذهای معرف است.
این محلول ها یا کاغذها بسته به غلظت یون هیدروژن به رنگی در می آیند که از مقایس آن رنگ با جداول مربوطه می توان PH را تعیین نمود. راه دیگر تعیین PH استفاده از الکترودهای خاصی موسوم به الکترودهای شیشه ای است. این الکترودها بسته به غلظت یون هیدروژن محیط دارای پتانسیل الکتریکی می شوند که این پتانسیل در مقایسه فیزیکی با یک الکترود راهنما اندازه گیری و از روی آن PH محلول مورد نظر تعیین می شود. |
