KOLOIDNÍ SYSTÉM PŮDY
Pedogeochemie
Koloid = částice o velikosti 1nm až 1 (2) μm Minerální koloidy v půdě:
3. přednáška
jílové minerály primární silikáty nerozpustné alumoferrifosfáty polymerní kyselina křemičitá hydratované (seskvi)oxidy Al, Fe, Mn
Druhy koloidů podle způsobu disociace
Druhy koloidů podle vztahu k vodě
Elektronegativní (acidoidy):
Hydrofobní:
X - H ........ disociují H+ mají záporný náboj, adsorbují kationty v kyselém prostředí koagulují (vysrážení), v alkalickém peptizují převládají v půdách (jíly, HL, H2SiO3)
humusové látky polysacharidy bílkoviny lignin
málo stabilní, snadno se srážejí
Hydrofilní:
Elektropozitivní (bazoidy):
silně hydratované, stabilnější (FK, H2SiO3)
OH-
X - OH ........ disociují mají kladný náboj, adsorbují anionty v alkalickém prostředí koagulují, v kyselém peptizují seskvioxidy (R2O3)
Organické koloidy:
Amfoterní (amfolytoidy):
Ochranné koloidy:
X – O-H ........ disociují H+ nebo OHchování podle prostředí hydroxylované seskvioxidy (oxyhydroxidy)
Koloidní micely – humusové látky
povrchová vrstva koloidních látek měnící přirozený charakter koloidu
Koloidní micely – jílové minerály
nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční)
+ + -O +
+
+ -O + + + -COO + + + + + + +
-COO-
+
nepohyblivá část kompenzační vrstvy
-COO-
jádro -
-
difusní část kompenzační vrstvy
nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční)
+
+
+ - + - + + - SiO - + + + - + + + + + + + 2
nepohyblivá část kompenzační vrstvy difusní část kompenzační vrstvy
Koloidní micely – seskvioxid Fe
Koloidní micely
nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční)
-
- FeO
-
+
-
FeO+ FeO+Fe2O3 .nH2O FeO+ FeO+ FeO+
-
-
-
nepohyblivá část kompenzační vrstvy
-
Průběh fázového potenciálu na Sternově dvojvrstvě
-
- -
difusní část kompenzační vrstvy
-
Fe(OH)3 → (FeO)+ + H2O + OH-
Elektrokinetický potenciál
Přitažlivé a odpudivé síly mezi koloidy
ξ-potenciál - vzniká odtržením (části) difusní části kompenzujících iontů v elektrické dvojvrstvě koloidní micely při pohybu
vysoké hodnoty ξ → peptizace (sol) ξ=0 = isoelektrický bod (IB) → koagulace (gel)
ζ
náboj difusních vrstev
Nabitý povrch pevné částice
náboj povrchu částic van der Waalsovy síly
++ organické můstky
Li+
c Upraveno dle Calvet, 2003
Koncentrace iontů kritické pro koagulaci
Stabilita koloidních systémů
(mol.m-3; Sposito, 1989)
koagulace SOL
GEL peptizace
Koloidní systém je stabilní ve stavu sol či koloidní roztok (stabilní koloidní systém → nestabilní půdní struktura) Stabilitu koloidů zvyšují: jednomocné kationty (hlavně Na+) nízká koncentrace půdního roztoku Stabilitu koloidů narušují: vícemocné kationty (Ca2+, Mg2+, Fe3+…) vysoká koncentrace půdního roztoku
Nabitý povrch pevné částice
+ +++
Flokulační síla : Me+<Me2+<Me3+<Me4+
Difusní vrstvy
C(2) (ox. č. = 2) 0,5 ± 0,2
C(2)/C(1)
Oxyhydroxidy Al
C(1) (ox. č. = 1) 50 ± 9
Oxyhydroxidy Fe
11 ± 2
0,21 ± 0,01
0,019
Illit
48 ± 11
0,14 ± 0,02
0,003
Kaolinit
10 ± 4
0,3 ± 0,2
0,03
Montmorillonit
8±6
0,12 ± 0,02
0,015
Minerál
0,01
Význam půdních koloidů
fyzikální vlastnosti půdy
vzlínání vody (elektrokapilarita) chemické vlastnosti půdy:
struktura soudržnost a přilnavost → obdělávání půdy
půdní reakce sorpce transport látek
Využití koloidních vlastností: zlepšení půdní struktury remediace půdy (elektrokinetické jevy) výživa rostlin
Faktory tvorby struktury
prostorové uspořádání půdních částic
Stav uspořádání:
elementární slitý – půdní škraloup agregátový
půdotvorné procesy
PŮDNÍ STRUKTURA
Tvorba struktury:
desagregace agregace cementace
Vliv iontů na strukturu
zrnitost (textura) koagulace koloidů přítomnost vícemocných kationtů hydroxidy a seskvioxidy Al a Fe humusové látky interakce mezi jílnatými částicemi a molekulami organické hmoty půdní organismy zpracování půdy fyzikální síly (objemové změny, mráz, vlhkost)
ζ
+
+++ ++ 0
c
Vztahy mezi půdními částicemi
Typy struktury podle velikosti < 0,25 mm
Mikrostruktura
Makrostruktura
0,25 - 50 mm
Megastruktura
> 50 mm
Hierarchie půdních agregátů
Typy struktury podle tvaru STRUKTURNÍ ELEMENTY rovnoměrně vyvinuté zaoblené
Makroagregáty
..
kořeny hyfy
Mikroagregáty
. . .
vlásečnicové kořeny hyfy polysacharidy
Submikroagregáty
.
minerální částice
obalené rostlinnými a mikrob. zbytky
.
Primární částice prachu, jílu a humusu jíl a organominerální
.
komplex
vertikálně protažené
horizontálně protažené
hranolovitá
ostrohranné
svrchní část svrchní část bez zaoblení zaoblená
kulovitá zrnitá
polyedrická
rostlinné zbytky
prismatická
potažené jílem
sloupkovitá
Elementární stav,
Typy struktury podle tvaru
1 - kulovitá
2 - polyedrická
3a - hranolovitá
4 - deskovitá
3b - sloupkovitá Nevyvinutá struktura, spraš
Drobtovitá struktura - drnový horizont, ideální stav
Drobtovitá struktura - svrchní části ornice, meziplodiny
deskovitá
Hrudkovitá struktura - typická pro podorničí
Smíšená struktura - 50% drobtů a 50% hrudek
Deskovitá struktura - zpracováním půdy nedotčené luvizemě
Půdní škraloup
Význam půdní struktury
PÓROVITOST PŮDY
Pro půdu:
udává podíl pórů z celkového objemu půdy a jejich velikost je dána zejména:
zadržování vody, vsak (infiltrace) propustnost pro vodu a vzduch biologická činnost rovnováha mezi rozkladnými a syntetickými procesy (mineralizace a humifikace)
ovlivňuje:
Pro vegetaci:
příznivý vodní režim uvolňování živin rozvoj a růst kořenů
Měrná (specifická) hmotnost půdy = zdánlivá hustota půdních částic hmotnost objemové jednotky vysušené pevné fáze půdy v nejtěsnějším uložení (bez pórů) určuje ji především zastoupení křemene, živců, slíd a jílových minerálů nejčastější hodnoty:
2,6 - 2,7 → průměr cca 2,65 rašeliny ~ 1,5 Mg.m-3 Mg.m-3
Mg.m-3
označení – ρz (angl. – particle density)
zrnitostí (texturou) půdy, půdní strukturou ulehlostí a zhutněním půdy, kypřením vzájemný poměr fází půdy pohyb vody a roztoků půdou provzdušnění půdy, pohyb plynů průběh reakcí a procesů v půdě
Objemová hmotnost půdy hmotnost objemové jednotky vysušené půdy v neporušeném stavu nejčastější hodnoty:
běžné minerální půdy - 1,2 - 1,6 Mg.m-3 rašeliny – až 0,11 Mg.m-3 ulehlé minerální půdy – 1,8 Mg.m-3
označení – ρd (angl. – bulk density)
Celková pórovitost půdy P
ρz – ρd _______ * l00 [%] ρz
vyjadřuje se:
=
jako bezrozměrné číslo (0,25-0,7) v procentech objemu půdy (25-70 %)
nejčastější hodnoty:
Pórovitost:
meziagregrátová – hrubší póry vnitroagregátová – jemnější póry
ideální stav:
celková pórovitost - 40-50 % meziagregátová p. – 1/3 vnitroagregátová p. – 2/3
40-50 %
Porovnání relativního počtu makro a mikropórů
Dělení pórů z energetického hlediska Pórovitost: nekapilární – gravitační síly semikapilární – gravitační i kapilární síly kapilární – kapilární síly (vzlínání)
Dělení půdních pórů
Vliv velikosti, uniformity a uspořádání zrn na množství a velikost pórů
Síly působící na vodu v půdních pórech Síla vzlínání
Tíha
F = 2πσ r cos α
G = π r 2 ht ρ w g
r = poloměr válcovité kapiláry (m)
α = úhel smáčení
ρw = měrná hmotnost vody (103 kg m-3)
F=G
g = tíhové zrychlení (9,81 m s-2)
σ = povrchové napětí vody (N m-1) ht = výška vzlínání do rovnovážného stavu (m)
Ekvivalentní poloměr pórů = poloměr náhradních kapilár, které se při odtažení vody z jednotkového objemu půdy uplatní stejně jako skutečné - přirozené pórové trubice
Zhutnění (utužení) půdy Druhy:
r=
2σ cosα [m] ρ w g ht
r=
přirozené (asi 20 % našich půd) technogenní (těžká mechanizace)
2 σ cos α [m ] p
r = poloměr válcovité kapiláry (m)
σ = povrchové napětí vody (N m-1)
α = úhel smáčení
ht = tlaková výška (m)
ρw = měrná hmotnost vody (103 kg m-3)
p = použitý tlak (Pa)
g = tíhové zrychlení (9,81 m s-2)
Pokryv pozemku přejezdy během roku (Kroulík, 2007)
Frekvence přejezdů během roku (Kroulík, 2007)
Zhutnění (utužení) půdy Důsledky:
Konvenční orební způsob hospodaření
Minimální zpracování půdy
snížení pórovitosti, zvýšení objemové hmotnosti omezení mikrobiální činnosti omezení vývoje kořenů snížení propustnosti pro vodu i vzduch zhoršení obdělavatelnosti
