Что такое золь и гель?
Золь - коллоидный раствор. Он обусловлен наличием заряда в коллоидной системе; представляет состояние коллоидно раздробленного вещества, рассеянного в дисперсионной среде.
Гель - коллоидный осадок. При отсутствии заряда в коллоидной системе дисперсная фаза укрупняется и отделяется от дисперсионной среды.
Благодаря наличию одноименных зарядов коллоидные частицы в растворе не могут сближаться, а находятся во взвешенном состоянии. При лишении заряда они сближаются, сталкиваются и слипаются друг с другом.
Что такое коагуляция и пептизация почвенных коллоидов?
Процесс соединения коллоидных частиц называется коагуляция, следующее за ним осаждение - седиментация.
Минимальная концентрация солей, при которой наступает коагуляция коллоидов называется порогом коагуляции.
Процесс, обратный коагуляции, т.е. переход из геля в золь называется пептизация. Это связано с восстановлением заряда коллоидной системы, повышением дзета-потенциала. Не все коллоиды могут легко переходить из состояния геля в золь. Такие коллоиды называют необратимыми. Коллоиды, переходящие из золя в гель и обратно, называют обратимыми.
В природных условиях коагуляция происходит под влиянием периодического высушивания почвы, нагревания, увлажнения, промораживания, изменения реакции среды и других причин. Почвенные коллоиды теряют водную оболочку, электрический заряд, слипаются друг с другом и выпадают в осадок.
При насыщении ППК катионами натрия образуется золь, что приводит к распыленности почвы, увеличению заряда почвенных коллоидов и гидратации. Замещение натрия кальцием способствует переходу из золя в гель и образованию водопрочной структуры.
Коагулирующая способность катионов возрастает с увеличением их валентности и атомного веса:
Li+1<Na+1<NH4+1<K+1<Mg+2 <H+1<Ca+2 <Ba+2<Al+3<Fe+3
Итак, чем выше валентность катиона, тем больше способность катиона к внедрению. При реакции обмена внедрение катионов из раствора во внешний слой коллоидных частиц сопровождается одновременным вытеснением эквивалентного количества катионов из компенсирующего слоя в раствор. Способность быть вытесненным так же, как и способность к внедрению, различна у разных катионов. Общее правило следующее: чем легче катион внедряется, тем с большим трудом он вытесняется. Одновалентные ионы могут быть легче вытеснены из поглощенного состояния, чем двухвалентные, а последние легче, чем трехвалентные.
Реакция почвы также влияет на состояние коллоидов. Кислая реакция способствует растворению некоторых коллоидов, таких как гидроокиси алюминия; щелочная реакция способствует выпадению в осадок коллоидов полуторных окислов и переходу в состояние золя органических коллоидов.
Сильно влияют на свойства почвы золи, несмотря на их малое содержание в почве в сравнении с гелями. Заполняя промежутки между крупными частицами почвы, золи делают почву труднопроницаемой для воды и воздуха, тем самым ухудшая водный, воздушный, тепловой и питательный режимы почвы.
В сельскохозяйственном производстве пептизация играет отрицательную роль. Почву весной необходимо обрабатывать только в спелом состоянии (когда она не пылит и не прилипает к орудиям). Это обосновано с точки зрения учения о свойствах коллоидов. Когда орудие раздвигает почву, имеющую высокую влажность, то его действие будет аналогично действию разминания, которое способствует пептизации коллоидов.
Что такое тиксотропное состояние почв?
Тиксотропия - это особый вид коагуляции, при которой дисперсная фаза мицеллы коллоидной системы застудневает вместе с дисперсионной средой (интермицеллярным раствором).
Такая тесная связь мицеллы и жидкой фазы обычно происходит самопроизвольно. При механическом воздействии (например, при встряхивании или перемешивании при обработках) иногда золь переходит снова в гель и наоборот.
Тиксотропные почвы встречаются в тундровой, таежно-лесной, степной, субтропической и тропической зонах. В яркой форме тиксотропия проявляется в слитных почвах и отдельных горизонтах подзолистых, черноземных, красноземных и других почв.
Причины тиксотропного состояния почв и пород:
1) Минералогический состав и гидрофильность. Гидрофильные коллоиды, представленные монтмориллонитом легче образуют тиксотропные гели, чем гидрофобные.
2) Дисперсность. При повышении степени дисперсности гидрофильность минералов резко увеличивается, что может привести к тиксотропии.
3) Влажность. Чем выше влажность, тем выше гидрофильность и тиксотропия.
4) Состав обменных оснований. Поглощенные катионы играют существенную роль для образования тиксотропии. Тиксотропия сильнее развита в тех почвах, которые в ППК содержат больше натрия и калия, чем магния и кальция. Поэтому в солонцах тиксотропия развита сильнее, чем в слабосолонцеватых почвах. Почвы, содержащие кальций и магний, но имеющие высокую дисперсность и набухающие минералы тоже способны к тиксотропии, хотя и в меньшей степени.
5) Форма коллоидов. Удлиненные неправильной формы коллоидные частицы более склонны к образованию тиксотропных гелей, чем шарообразные.
Таким образом, тиксотропное состояние почвы имеет отрицательное значение. Поскольку силы сцепления твердых частиц между собой очень слабые, то почва легко размывается при небольшом уклоне местности, образуя плывуны.
Поверхность тиксотропной почвы до механического воздействия ничем не отличается от почвы, не имеющей такого свойства. При обработке почвы она становится текучей, а оставление ее в покое снова приводит к увеличению вязкости и затвердеванию.
Тиксотропные почвы имеют плохой водный, воздушный, тепловой, питательный режимы, что приводит к протеканию восстановительных процессов и оглеению. Приостановление тиксотропных процессов сводятся к улучшению физических свойств. Это достигается следующими мероприятиями: осушение, внесение коагуляторов, минеральных и органических удобрений, посев многолетних трав, химическая мелиорация (известкование и гипсование). Коллоиды изменяются и без видимых причин: стареют. Под старением понимают самопроизвольное, направленное в сторону увеличения пассивности изменение состояния коллоидной системы. Старение не сопровождается изменением химического и минералогического состава, но свойства изменяются резко: коллоиды становятся более гидрофобными, коагулируют, утрачивают связь с дисперсионной средой, степень дисперсности уменьшатся, частицы кристаллизуются, адсорбция снижается.
4. АГРОНОМИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ
почвенный коллоид мицелла агрономический
Каково же значение почвенных коллоидов?
Содержание коллоидов влияет на гранулометрический состав почв. Чем больше коллоидов в почве, тем тяжелее гранулометрический состав.
Почвенные коллоиды - активный фактор структурообразования. Образование структурных агрегатов происходит за счет склеивания почвенных механических элементов почвенными коллоидами, как органическими, так и минеральными. В различных почвах отношение более крупных механических элементов к коллоидам различно: в легких почвах это отношение велико и коллоидов недостаточно для образования структуры; наоборот, в тяжелых почвах содержится избыток глинистой фракции. Та и другая крайность создают неблагоприятные условия для структурообразования. Оптимум находится при среднем соотношении коллоидов и более крупных механических элементов. Кроме количества коллоидов, в образовании структуры играет их состав. Органические коллоиды обладают лучшими клеящими свойствами по сравнению с минеральными. Основную роль при этом играют специфические гумусовые коллоиды почвы.
На свойства почвы оказывает влияние состояние почвенных коллоидов. При коагуляции они склеиваются сами и, как цемент, склеивают более крупные частицы в агрегаты, оструктуривая почву. Если коагуляция необратима - структура водопрочная. Оструктуренная почва обладает благоприятными агрофизическими свойствами.
Коллоиды ответственны за водный, воздушный, тепловой режимы почв. Коллоиды в почве в значительной степени обеспечивают поставку растениям азота, фосфора, серы, калия, кальция и других элементов питания. Они также влияют на доступность фосфора, обуславливают поглотительную способность почв.
Таким образом, знание особенностей коллоидной части почв в агрономии является основой правильного подхода к построению агротехнических приемов, к мероприятиям по сохранению и повышению плодородия почв. Учитывая важное значение коллоидов в жизни почвы А.Н. Соколовский образно назвал их «живой плотью почвы».