UKŁADY DYSPERSYJNE GLEB KOLOIDY GLEBOWE Faza stała – związki mineralne, minerały pierwotne - minerały wtórne Faza płynna – wodne roztwory rzeczywiste i koloidalne o zmiennym składzie jakościowym i ilościowym Faza gazowa – składająca się z powietrza atmosferycznego, CO2 i pary wodnej 5 25 50 25

Układ dyspersyjny – taki dwufazowy układ w którym cząstki ciała (np Układ dyspersyjny – taki dwufazowy układ w którym cząstki ciała (np. ił) są rozproszone w innym ciele np. wodzie, która odgrywa rolę ośrodka dyspersyjnego. Właściwości układów dyspersyjnych zależą od właściwości ciała rozproszonego oraz właściwości ośrodka dyspersyjnego. W zależności od stopnia rozdrobnienia cząstek zawieszonych wyróżniamy: 1. Zawiesiny- układy zawierające cząstki >0,1mm widoczne w zwykłym mikroskopie, cząstki nie dyfundują, nie dializują, pozostając na sączkach zwykłej bibuły. 2. Dyspersoidy- roztwory koloidalne – układy dyspersyjne zawierające cząstki o średnicy 0,1-0,001mm. Dyspersoidy słabo dyfundują, nie dializują, nie przechodzą przez ultrafiltry.

3. Roztwory rzeczywiste – zawierają cząstki <0,001mm 3. Roztwory rzeczywiste – zawierają cząstki <0,001mm. Roztwory rzeczywiste dyfundują, dializują, przechodzą przez ultrafiltry. Koloidy glebowe w gleboznawstwie to takie układy, które zawierają w ośrodku dyspersyjnym cząstki o średnicy <1mm lub 2mm. Cechy układów dyspersyjnych: Powierzchnia graniczna układów dyspersyjnych – najbardziej charakterystyczna wielkość układów dyspersyjnych. Określa wielkość powierzchni między fazą rozproszoną a ośrodkiem dyspersyjnym. Stopień rozdrobnienia układu dyspersyjnego charakteryzuje jednostkowa powierzchnia właściwa D =S/V [cm-1] gdzie S-całkowita powierzchnia fazy rozproszonej, V-objętość fazy rozproszonej

Schemat budowy miceli (wg. Gorbunowa) wewnętrzna powłoka jonowa warstwa nieruchomych, kompensacyjnych jonów jądro warstwa dyfuzyjna cząstka koloidalna micela

Jony zewnętrznej warstwy miceli są związane przez siły elektrostatyczne znajdujące się w bezpośredniej odległości tworzą warstwę nieruchliwych kompensujących jonów. Granula z tą warstwą jonów nosi nazwę cząstki koloidalnej obdarzonej określonym ładunkiem elektrycznym. Reszta kompensujących jonów zewnętrznej warstwy nazywa się warstwą dyfuzyjną

hydratacja cząstek koloidalnych – polega na przyciąganiu z ośrodka dyspersyjnego molekuł wody, tworzących wokół cząstek warstewkę tzw. wody hydratacyjnej H H H H O O H O H O O H H H H Dipole indukowane

gdzie: E – elektrokinetyczny potencjał cząstki ne – ładunek cząstki d – średnia odległość między warstwami jonów D – stała dielektryczna r – promień jądra cząstki Potencjał elektrokinetyczny cząstki koloidalnej E=(ne/Dr2)d

Potencjał Zeta koloidów

Jeśli jony warstwy dyfuzyjnej są kationami wówczas cząstki koloidalne sorbują z roztworów wymiennie aniony, jeśli są anionami sorbują kationy. Jony utrzymywane przez koloidy glebowe można uszeregować wg. wartościowości Al+++>H+>Ca++>Mg++>K+>Na+

KOAGULACJA I PEPTYZACJA Koagulacja – obniżenie potencjału kinetycznego cząstki prowadzące do połączenia się pojedynczych cząstek koloidalnych w agregaty. W glebach „sorpcyjnie nasyconych” koagulatorami są Ca++ oraz Mg++. W glebie koagulacja zachodzi często podczas jej wysychania i niskiej temperatury. Ważne znaczenie z tego względu odgrywa orka przedzimowa. Mimo dyspergującego działania OH- gleby zasobne w wyżej wymienione jony nie tracą w stanie wilgotnym swej naturalnej budowy gruzełkowatej.

Pochodzenie ładunków elektrycznych koloidów glebowych niezależne od pH O2- Al3+ OH- O2- Si4+ O2- brak O2- Mg2+ OH- O2- Al3+ O2- (nadmiar jednego ładunku) - ładunki nietrwałe zależne od pH SiOH i AlOH na krawędziach kryształu Al Si -O - .....H+ luźno związany wodór przy pH>6 jest wymieniany przez Ca i Mg Drugim źródłem ładunków ujemnych są grupy karboksylowe (COOH) i fenolowe OH koloidów próchnicznych

Peptyzacja – zjawisko zwiększenia stanu rozdrobnienia zawiesin pod wpływem zwiększenia elektrokinetycznego potencjału cząstek. Peptyzację żeli powodują H+ oraz OH- Układ ujemnie naładowany peptyzuje pod wpływem jonów OH- które wnikają w wewnętrzne powłoki jonowej zwiększając jej ładunek. Szczególnie podatne na dyspersję są gleby słone które zawierają większe ilości jonów Na+ Na2CO3+HOH=NaOH+NaHCO3 Prędkość peptyzacji zależy od stężenia substancji peptyzujących i temperatury.

Podział koloidów glebowych: ze względu na ładunek: Ujemnie naładowane koloidy- humus, krzemionka, silnie rozdrobnione minerały pierwotne, minerały ilaste, związki manganu Dodatnio naładowane koloidy- Fe(OH)3, Al(OH)3, części składowe humusu tzw. kompleks ligninowo-proteinowy W zależności od właściwości kwasowych, zasadowych czy obojętnych koloidów o różnym ładunku wydzielamy:

koloidy nieorganiczne- glinokrzemiany silnie rozdrobnione, minerały wtórne ilaste, krzemionka, Fe(OH)3, Al(OH)3, Ca3(PO4)2, CaCO3, MgO i inne. koloidy organiczne- koloidy próchniczne i żywe bakterie koloidy hydrofilowe- koloidy uwodnione (duże powinowactwo w stosunku do wody) – otaczają się dużą ilością powłok wodnych. Należą tu krzemionka, humus, minerały ilaste. Posiadają charakter hydrofilny uzależniony od kationów wymiennych w warstwie powierzchniowej cząstek koloidalnych. koloidy hydrofobowe dają koagulaty, które trudno z powrotem peptyzują – koloidy nieodwracalne. Koloidy hydrofilowe koagulują odwracalnie dlatego nazywamy je odwracalnymi. koloidy ochronne- hydrofilowe koloidy, których obecność zapobiega lub utrudnia koagulację koloidów hydrofobowych, mają one znaczenie w procesach tworzenia się gleb. Do koloidów tych zaliczana jest kwaśna próchnica, próchnica słona.

Zole – zawieszone w ośrodku dyspersyjnym oddzielone pojedyncze cząstki koloidalne. Dehydratacja zolu powoduje powstanie galaretowatego skupienia czyli żelu. układ żel zol jest układem odwracalnym Koloidy glebowe występują głównie w postaci żeli. Charakterystyka głównych koloidów glebowych Stanowią najbardziej aktywną część gleby. Koloidy dzięki zdolności wiązania wody oraz zdolności pęcznienia i kurczenia wywierają wpływ na właściwości fizyczne, stosunki wodne, stosunki cieplne. W glebach zawierających skoagulowane wapniem cząstki koloidalne - głównie próchniczne - mają dobrą trwałą gruzełkowatą strukturę. Koloidy są magazynem odżywczym dla roślin.

Budowa próchnicy koloidalnej (wg. Buckmana i Brady’ego COO- Ca++ Mg++ K+ H+ NH4+ Na+ -O- jednostka podstawowa koloidu próchnicznego COO- -O- COO- -O- COO- -O-

tetraedr oktaedr

Minerały ilaste dwuwarstwowe typu 1:1

minerały ilaste trójwarstwowe typu 2:1

Sorpcja kationów przez minerały ilaste w zależności od rodzaju klimatu Klimat suchy Klimat wilgotny Ca++ Mg++ Na+ K+ H+ H+ Ca++ Mg++ Na+ K+

Grupy minerałów ilastych Grupa kaolinitu – kaolinit, haloizyt, dikit Grupy minerałów ilastych Grupa kaolinitu – kaolinit, haloizyt, dikit. Sieć krystaliczna 1:1, odstępy pomiędzy warstwami są małe a sieć jest sztywna i nie ulega rozszerzeniu pod wpływem wilgoci. Posiadają niewielką zdolność pęcznienia i kurczenia się i wykazują małą plastyczność. W przestrzenie międzypakietowe nie przenika woda ani kationy. Dlatego posiada niewielką pojemność sorpcyjną. Grupa montmorylonitu – montmorylonit, bejdelit, nontronit, saponit. Sieć krystaliczna typu 2:1. W czasie zwilżania wodą minerałów następuje rozszerzanie się odstępów między pakietami. Mogą wnikać w przestrzenie woda i jony. Silnie sorbują na powierzchni wewnętrznej. Wykazują dużą plastyczność, lepkość, pęcznienie oraz kurczliwość, gleby zawierające ten minerał łatwo tracą swą strukturę.

Grupa illitowa- illit. Budowa przestrzenna typu 2:1, jednak warstwy silniej powiązane niż w grupie montmorylonitu. Przyczyną tego jest potas występujący w przestrzeniach międzypakietowych. Powszechne minerały w glinach zwałowych i lessach. Grupa wermikulitu i chlorytu – wermikulit, chloryt, układ przestrzenny typu 2:1, zawierają w siatce przestrzennej magnez, posiadają słabe właściwości pęczniejące

Kaolinit

Illit (mika)

Wermikulit

Tlenki i wodorotlenki żelaza i glinu –w środowisku kwaśnym posiadają ładunek dodatni a w zasadowym ujemny, koagulują łatwo pod wpływem zoli krzemionki i próchnicy. Są często spotykane w glebach brunatnych, bielicoziemnych i czerwonoziemnych. Koloidalna krzemionka- powstaje w wyniku wietrzenia krzemianów i glinokrzemianów, struktura krystaliczna lub amorficzna, posiada właściwości hydrofilowe, ładunek ujemny. Alofany- zbudowane z krzemionki i półtoratlenków, spotykane najliczniej w glebach wytworzonych z popiołów wulkanicznych. Posiadają wysoką pojemność w stosunku do kationów i anionów. Koloidalny węglan wapnia, tlenek manganu, fosforan trójwapniowy jako koloidy wykazują właściwości hydrofobowe.

Zastosowanie minerałów ilastych

Zastosowanie wermikulitu WERMIKULIT JAKO ELEMENT PODŁOŻA DO AKWARIÓW, WERMIKULIT JAKO PODŁOŻE DLA INKUBACJI JAJ WĘŻY (utrzymywanie wody, sterylność) ZASTOSOWANIE WERMIKULITU W OGRODNICTWIE (lekki, substancje odżywcze) HYDROPONICZNA UPRAWA ROŚLIN FERMY DROBIU (pochłanianie zanieczyszczeń) STOWARZYSZENIE WERMIKULITU (TVA - The Vermiculite Association) założone w 1948 r.

Identyfikacja minerałów ilastych

Derywatograf Q-1500D (firmy MOM Budapeszt) umożliwia pomiar zmiany masy (TG), analiza termiczna prędkości zmiany masy (DTG) – zmiany pojemności cieplnej (DTA) różnicowa analiza termiczna -w funkcji temperatury (T) i czasu. Zakres temperatury pomiarów od 200C do 10000C. Zaletą tego aparatu jest możliwość jednoczesnej rejestracji zmian masy próbki (TG i DTG) oraz jej energii (DTA) w funkcji temperatury/czasu.

Analiza barwnikowa – służy do orientacyjnego jakościowego oznaczania minerałów ilastych. Polega na zbadaniu zdolności adsorbowania na powierzchni cząstek minerałów ilastych niektórych barwników organicznych. Cechą diagnostyczną tej metody jest zabarwienie zawiesiny, stopień zaadsorbowania barwnika, rozdział barwnika między roztworem a minerałem oraz intensywność zabarwienia. Analiza elektromikroskopowa – służy do obserwacji minerałów ilastych za pomocą mikroskopu elektronowego który umożliwia powiększenie od kilku do kilkunastu tysięcy razy. W tej metodzie wykorzystuje się fakt, że cząstki minerałów ilastych różnią się między sobą wieloma cechami morfologicznymi. Identyfikacji dokonuje się na podstawie bezpośrednich obserwacji oraz porównań do minerałów wzorcowych.