Склад і походження ґрунтових колоїдів

Поняття про колоїди. У фізичному відношенні грунт являє складну полідисперсну систему, що складається з багатьох компонентів, в тому числі і ґрунтових колоїдів.

Грунтовими колоїдами називаються частинки, величина діаметра яких менше 0,1 мікрона.

Всі грунтові колоїди за складом можна розділити на 3 великі групи - мінеральні, органічні і органо.

Мінеральні колоїди представлені головним чином частинками вторинних мінералів, насамперед глини: монтмориллонита, нонтроніти, галлуазіта, каолініту, бейделліта, аллофана, а також частками мінералів, що відносяться до групи гидроокисей, - гідратів окисів заліза [Fe (OH) 3 # 8729; nH 2 O], алюмінію [А1 (ОН) 3 # 8729; n Н2 О], марганцю (М n 2 О3 # 8729; n Н2 О), кремнію (SiO 2 # 8729; nH 2 O) та ін.

Органічні колоїди представлені частками різних гумусових речовин грунту.

Органо-мінеральні колоїди складаються з частинок, що утворюються в результаті взаємодії органічних і мінеральних колоїдів.

Наявність колоїдів в грунті цілком залежить від вмісту в ній глини і перегною.

Будова колоїдів. Колоїди представляють собою речовини, що знаходяться в високодисперсному стані. Кожна колоїдна частинка в розчині має певний електричний заряд. Більшість ґрунтових колоїдів, як мінеральних, так і органічних, має негативний заряд.

Колоїдна частинка називається міцели. Вона має складну будову. Внутрішня її частина складається з агрегату молекул, що складають основну масу речовини міцели. Ця частина, що носить назву ядра міцели, може бути представлена ​​або аморфним тілом, або тілом з чітко висловленої кристалічною структурою. У хімічному відношенні ядро ​​міцели характеризується найрізноманітнішим складом. Так, наприклад, штучним шляхом отримано колоїди, ядро ​​яких складається з окису заліза, алюмінію, кремнезему, білкових молекул і ін.

На поверхні ядра розташовується шар молекул. Цей шар зветься іоногенні, або подвійного електричного, шару.

При дисоціації молекул іоногенні шару одні з іонів примикають безпосередньо до ядра частинки, а в дисперсійному середовищі розташовуються протилежно заряджені іони.

Іони, що залишаються на поверхні ядра, називаються потенціал-визначальними іонами, або внутрішнім шаром іонів, або внутрішньої обкладкою подвійного електричного шару.

Іони, розташовані за внутрішнім шаром до периферії і несучі протилежний знак заряду, утворюють зовнішній шар іонів; цей шар носить назву зовнішньої обкладки подвійного електричного шару, адсорбційного шару, що компенсують іонів, або противоионов.

Заряд частинок залежить від того, які з іонів - аніони або катіони - примикають безпосередньо до ядра. Якщо до ядру примикають аніони, частка несе негативний заряд, а навколо неї в навколишньому дісперсіоіной середовищі знаходяться позитивно заряджені катіони; якщо ж до ядра примикають катіони, частка несе позитивний заряд, а в навколишньому його дисперсійному середовищі знаходяться негативно заряджені аніони.

Таким чином, схематично, в кожній колоїдальних частці (міцелі) є 3 складові частини, пов'язані між собою з різною силою: 1) внутрішнє ядро, що складається з самого речовини, що знаходиться в колоїдальному стані; 2) внутрішня обкладка подвійного шару, яка закріплена на ядрі, можна сказати, нерухомо і визначає собою заряд частинки, і 3) зовнішній, або дифузний, шар іонів з протилежним електричним зарядом.

Поняття про заряд колоїдів, отже, відноситься не до міцелі в цілому, а лише до частини її без дифузного шару або без отдіссоціірованних іонів. Наочним прикладом тут може служити будову міцели кремнієвої кислоти (по Н. І. Горбунову).

Внутрішнє ядро ​​даної міцели складається з агрегату молекул SiO 2; внутрішня обкладом її -з іонів SiO 3 -. утворюються в результаті дисоціації молекул H 2 Si 03; в дифузному шарі будуть знаходитися іони Н +. Внаслідок того, що частка має іоногенні шар, що складається з іонів SiO 3 -. мають негативний заряд, сама колоїдна частка буде заряджена також негативно.

Цей заряд компенсується сумою протилежних за знаком зарядів, властивих іонів, що складають зовнішній шар колоїдної частинки. Тому в цілому колоїдна частка є електронейтральної. Але в водному розчині деяка, зазвичай дуже невелика, частина іонів зовнішнього шару отщепляется в навколишнє частку воду, утворюючи дифузний шар. Внаслідок цього властивий частці заряд виявляється компенсований вже не повністю і вона набуває певний потенціал, званий Електрокінетичні, або дзета-потенціалом.

Дзета-потенціал вимірюється величинами порядку декількох десятків мілівольт.

Однойменно заряджені частинки відштовхуються одна від одної, і чим вище потенціал, тим сильніше це відштовхування.

Стан колоїдної частинки, при якій дзета-потенціал дорівнює нулю, називається ізоелектричної точкою.

Основна маса ґрунтових колоїдів має негативний заряд, і лише незначна частина їх заряджена позитивно. Колоїди, що несуть негативний заряд, називаються ацідоідамі, позитивно заряджені колоїди називаються базоідамі, колоїди зі змінним знаком заряду - амфолітоідамі.

Велика частина ґрунтових колоїдів є ацідоідамі і містить в дифузному шарі катіони. До ацідоідам відносяться колоїдно-дисперсні форми кремнезему, глини мінерали (монтморилоніт, бейделліт, галлуазіт, аллофан і ін.), Гідрати окису марганцю (М n 2 О3 # 8729; n Н2 О) і гумусові кислоти. До ацідоідам відносяться і органо-мінеральні колоїди, що представляють собою глину мінерали, покриті плівками перегнійних кислот.

З істотних властивостей, характерних для колоїдів, необхідно відзначити їх гідрофільність і гідрофобність, т. Е. Ставлення колоїдів до води.

Гідрофільні колоїди адсорбируют на своїй поверхні молекули води, відрізняються здатністю сильно набухати у воді і залишатися стійкими в стані коллоидального розчину. На противагу гідрофільних гідрофобні колоїди НЕ адсорбируют молекули води: вони характеризуються незначним набуханием, здатністю згортатися і переходити в осад.

Грунтові колоїди можуть бути віднесені і до тієї і до іншої групи або ж займати проміжне положення в залежності від їх природи.

При цьому органічні колоїди, як правило, завжди більш гідрофільних, ніж мінеральні.

Коагуляція і пептизація колоїдів. Все колоїди можуть бути в двох різних станах: 1) в стані коллоидального розчину, або золю, і 2) в стані студенистого, пластівчастого або аморфного осаду - гелю.

У стані золю колоїди знаходяться до тих пір, поки вони мають заряд. Але як тільки цей заряд тим чи іншим шляхом буде знищений або ж буде знижений настільки, що сила тяжіння стане більше сили відштовхування, окремі колоїдальні частинки почнуть злипатися в більші агрегати і випадуть в осад. Цей процес носить назву згортання колоїдів, або коагуляції. Зворотний же процес, т. Е. Перехід гелю у зважений стан, або в золь, називається пептизацією.

Процес коагуляції колоїдів відбувається головним чином при взаємодії колоїдів з електролітами, т. Е. З розчинами солей, кислот і лугів. При цьому колоїди з негативним зарядом частинок коагулируются катіонами, колоїди ж з позитивним зарядом - аніонами. А так як в грунті переважають негативно заряджені колоїди, то коагуляція їх може відбуватися переважно під впливом позитивно заряджених катіонів ґрунтового розчину.

Різні катіони залежно від їх валентності і атомної ваги володіють різною величиною заряду, а тому і коагулирующая здатність їх неоднакова.

Одновалентні катіони коагулюють слабкіше двовалентних; двовалентні - слабше, ніж тривалентні. За ступенем зростання коагулирующей здатності найбільш часто зустрічаються в грунтовому розчині катіони розташовуються в наступному порядку:

Виняток становить лише іон Н *, коагулирующая здатність якого вище двовалентних іонів.

Коагуляція колоїдів може бути оборотною і безповоротною, т. Е. В одному випадку золь, який перейшов в гель, знову може перейти в розчин; в іншому - цей перехід гелю в золь буде важко або взагалі зовсім неможливий. При цьому оборотної є коагуляція, викликана впливом одновалентних катіонів (Na +, К +. Н +), незворотною - двовалентних (Са ++. Mg ++), а також і тривалентних катіонів, як, наприклад, Al +++ і Fe +++. Тому якщо осадження або згортання колоїдів викликано одновалентними катіонами, то така коагуляція буде нестійкою.

Навпаки, коагуляція, вироблена двовалентними, а тим більше тривалентними катіонами, відрізняється великою міцністю і стійкістю проти розчиняє дії води.

Згортання ґрунтових колоїдів, крім дії електролітів, може відбуватися при взаємній коагуляції протилежно заряджених колоїдів, при висиханні і замерзанні грунтів, а також під впливом часу в результаті так званого процесу старіння колоїдів.

Таким чином, колоїди складають найбільш активну і істотну частину грунту, в якій головним чином і зосереджена здатність грунту до всіляких реакцій.

Всі разом узяті колоїди грунту утворюють грунтовий поглинаючий колоїдний комплекс, що обумовлює явища поглинання.

Величина поглинаючогокомплексу у різних грунтів неоднакова. Ґрунти і глинисті, збагачені значною кількістю перегною, характеризуються великою поглинає комплексом; у піщаних грунтів, збіднених гумусом, величина поглинаючогокомплексу в більшості випадків мізерно мала.