Szikes talajok kémiai tulajdonságai és laboratóriumi vizsgálata Filep Tibor
Szikes talajok kémiai tulajdonságai
Szikes talajok
Kémiai szempontból azon talajok csoportja, amelyek képződésében, és folyamataiban a magas elektrolit-koncentráció és/vagy a talajoldat magas Na+ koncentrációja játszik döntő szerepet. Szikes talajok kémiai jellemzői • magas pH
• nagy Na+ -koncentráció mind a talajoldatban, mind a kolloidok felületén • a talajkolloidok diszperziója → az ilyen talajok morzsái a víz oldó és romboló hatásának nem állnak ellent: kevés víz hatására a kolloidok felduzzadnak, sok víz hatására előbb elfolynak, majd oldódnak. A talaj morzsás szerkezete megszűnik.
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Szikesek pH-ja: miért lúgosak a szikes talajok? 1. Lúgosan hidrolizáló sók • CaCO3, MgCO3, Na2CO3, NaHCO3, Na2SiO3 CaCO3+2H2O Ca2++2OH-+H2CO3 Na2CO3+2H2O 2Na++2OH-+H2CO3 2. A kicserélhető Ca2+, Mg2+, Na+, K+ oldatba jutása Ca(ad)+2 [H+ OH-] 2H(ad)+Ca2++2OHNa(ad)+ [H+ OH-] H(ad)+Na++OH• a gyengébben kötődő Na-ionok kevésbé tudnak versengeni a H+ számára
specifikus helyekért, mint pl. a Ca2+ • a Na-talajok pH-ja magasabb, mint a Ca-talajoké
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Szikesek pH-ja • a szikes talajok pH-ja az un. talajlúgosság és a CO2 nyomás függvénye • talajlúgosság (alkalinity) Alk = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] [H+] • pH 6 és 10 között az OH- és H+ hatása kicsi a lúgosságra Alk = [HCO3-] + 2[CO32-] • ha pH < 9 Alk = [HCO3-]
• mivel a PCO2/(H+)(HCO3-) = 107,8 pH = 7,8 + log(HCO3-) – log PCO2
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Kationcsere reakciók szikes talajokon • Na+, Ca2+, Mg2+ közötti ioncsere kiemelt jelentőségű a szikes talajoknál
2Na(o) + Ca(ad) = Ca(o) + 2Na(ad) 2Na(o) + Mg(ad) = Mg(o) + 2Na(ad)
Mg(ad) + Ca2+(o) = Ca(ad) + Mg2+(o) • a szikesek rossz tulajdonságaiért a kolloidok felületén felhalmozódó Na+ a felelősek • a lúgosan hidrolizáló Na-sók a csere során lekötik a Ca2+-t Ca(ad)+Na2CO3→ 2Na(ad)+CaCO3 Ca(ad)+Na2SiO3 → 2Na(ad)+CaSiO3 • a folyamat egyirányú, ezért a kolloidok felületén felhalmozódik a Na+
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Kationcsere reakciók szikes talajokon • Az ioncsere leírása a Gapon-egyenlettel
n A( ad ) n B ( ad )
nNa( ad ) nCa( ad )
m m
1/ zA
kG
A( o )
1 / zB
B (o)
kG
mNa( o ) mCa( o )
n(ad) = mekv/100g, m(ad) = mol/dm3
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Kationcsere reakciók szikes talajokon
• ha mindkét fázis koncentrációját milliekvivalensben adjuk meg
nNa( ad ) nCa( ad )
kG
nNa( o ) nCa( o ) 2
• nátrium adszorpciós arány (Sodium Adsorption Ratio)
SAR
nNa( o ) nCa( o ) 2
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Kationcsere reakciók szikes talajokon • a gyakorlatban
SAR
nNa( o ) n(Ca Mg )( o ) 2
• kicserélhető nátrium arány (Exchangable Sodium Percentage)
Na( ad ) 100 ESP CEC
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra • Na+ felhalmozódása a talajkolloidok felületén a talaj fizikai, vízgazdálkodási tulajdonságainak leromlását okozza • ha az ESP 15 % fölé emelkedik, a talajkolloidok diszperziója megindul
• ennek következménye a talaj pórusátmérőinek csökkenése • talajok duzzadása, rossz vízvezetőképesség
• duzzadás: víz hatására az agyag nagymértékben megduzzad, mivel a rétegrácsos kristályszerkezetű agyagásvány belső szerkezetébe is vizet vehet fel
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: DLVO-elmélet • elektrosztatikus stabilitási elmélet (Deryaguin, Landau, Verwey, Overbeek) • két ellentétes hatás a kolloidrészecskék között: • London-féle diszperziós hatás (Van der Waals, vonzó) és a • kettős rétegek közötti hatás (taszító) • a vonzó erők energiája:
ahol A a Hamaker állandó, D a két felület közötti távolság
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: DLVO-elmélet • a taszító erők energiája:
• a kettős réteg vastagsága:
ahol εr a relatív permittivitás, ε0 a vakuum permittivitása, k a Boltzmann állandó, T az abszolút hőmérséklet, n0 és Z az ionok koncentrációja és töltése
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: a koncentráció és értékűség hatása
• a kettős réteg annál vékonyabb, minél nagyobb az ellenionok koncentrációja és töltésszáma
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra
Összefoglalva:
• az elektrolit-koncentrációjának növekedése csökkenti a diffúz réteg vastagságát → csökkenti a taszítóerőt → csökkenti a talajkolloidok diszperzióját • az ionok töltésének csökkenése pedig növeli a diszperzió hatását, mert a növeli a taszítóerőt → a Na-ion diszpergáló hatású!
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok duzzadása
• az agyagásvány duzzadása több, diszkrét lépcsőben megy végbe: egy, két, három, ritkán négy vízréteg jelenik
• az
ezekhez
tartozó
duzzadási
nyomás
értékek egyre csökkenőek: 400 Mpa - 27 Mpa
• a hidratációs lépések során az adszorbeált ion egyre jobban hidratálódik (inner sphere complex
outer sphere complex), majd végül
teljes hidrátburok veszi körül • a Na-agyagásványok duzzadóképessége jóval nagyobb,
mint
(vegyérték-hatás)
pl.
a
Ca-agyagásványoké
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok duzzadása
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok duzzadása A duzzadásnak két mechanizmusa van: 1. Kristályrácson belüli duzzadás (crystalline swelling) 2. Ozmotikus duzzadás (osmotic swelling)
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok diszperziója • agyagásványok esetén aggregátumok képződhetnek (kvázi-kristály, domén, lamellás szerkezet, taktoid)
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok diszperziója
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok diszperziója
• a kicserélhető Na+ növekedésével az aggregátum szétesik ha ENa < 0,3 a Na+ a kolloid külső felületén adszorbeálódik ha ENa > 0,3 Na+ - Ca2+ ioncsere a rétegek között is
Szikes talajok kémiai tulajdonságai
Na-ionok hatása a talajkolloidokra: agyagásványok diszperziója
• Ca2+ : 6-7, míg Na+ : 1-2 egység • azonban a Na + diszpergáló hatása csak kis ionerősségű oldatban érvényesül!
Szikes talajok kémiai tulajdonságai
Na-ionok hatása a talajkolloidokra: humuszkolloidok peptizációja
• a humuszanyagok lúgban jól oldódnak, mert olyan funkciós csoportokat tartalmaznak, amelyek disszociációját növeli a pH emelkedés
• -COOH (pKa = 3-5) • -NH2 (pKa = 8-10) • Ar-NH2 (pKa = 2-5)
• Ar-OH (pKa = 9-11) • hidrátburok alakul ki a csoportok körül → hidrofillá válik az a molekularész → peptizáció
Szikes talajok kémiai vizsgálata
• a talajban felhalmozódó sók minőségét és mennyiségét, valamint a
talajkolloidokon megkötődő Na+ mennyiségét vizsgáljuk 1. Általános, tájékoztató mérések
• összes sótartalom (%) • fenolftalein lúgosság • pH
• összes karbonát-tartalom
Szikes talajok kémiai vizsgálata
2. Részletes elemzések • ha az összes sótartalom > 0,1 és/vagy a fenolftalein lúgosság (szódatartalom) > 50mg/100g • különböző arányú vizes kivonatok összetételének meghatározása a. telítési kivonat b. 1:5 arányú vizes kivonat • a talajok Na+ telítettségének vizsgálata (CEC, kicserélhető kationok, kicserélhető Na+ mennyiségének mérése)
Szikes talajok kémiai vizsgálata
1. Talaj pH • 1:2,5 arányú talaj:víz rendszerben • vagy 1:2,5 arányú talaj:1M KCl rendszerben mérjük • szuszpenzióban vagy az ülepített felülúszó részből mérjük 2. Vízben oldható összes sótartalom meghatározása • a meghatározott nedvességi állapotú talajpép/telítési kivonat elektromos vezetőképessége arányos a sótartalommal
Szikes talajok kémiai vizsgálata
3. A talaj szódatartalmának (fenolftalein-lúgosságának) meghatározása • a talaj vizes szuszpenzióját HCl-al titráljuk fenolftalein indikátor jelenlétében • fenolftalein : lúgos közegben lila színű, semleges-savasban színtelen Na2CO3+HCl NaHCO3+NaCl 4. Karbonáttartalom meghatározása • a CaCO3-ot sósavval elbontjuk, és a fejlődött CO2 gáz térfogatából számítjuk ki a mész mennyiségét CaCO3+2HCl CaCl2+CO2+H2O
Szikes talajok kémiai vizsgálata
5. 1:5 arányú vizes kivonatok elemzése • a vizes kivonatban a talaj tulajdonságait elsősorban befolyásoló alkotórészek mennyiségét határozzuk meg: HCO3-, CO32-, Cl-, SO42-; Ca2+, Mg2+, Na+, K+ • emellett pH és összes só-tartalom • talajlúgosság (alkalinity) meghatározása
Szikes talajok kémiai vizsgálata
6. CEC és a kicserélhető Na+ meghatározása • a talajból 8,1 pH-ra pufferolt 0,1 M BaCl2 oldattal szorítjuk ki a kolloidok felületéről az adszorbeált kationokat • a leszorított Na+ mennyiségét mérjük • CEC mérés: az így keletkezett Ba-talajról leszorítjuk a Ba-ionokat (CaCl2 oldattal), majd megmérjük a Ba2+ mennyiségét
Szikes talajok kémiai vizsgálata Szikes talajok minősítése 1. Hazai gyakorlat
• talaj minősítése a só% alapján (szoloncsák) nem sós: só % <0,1(<0,15) gyengén szoloncsákos: só %= 0,1 – 0,25 (0,15 – 0,25)
erősen szoloncsákos: só %= 0,25 – 0,5 szoloncsák: só %> 0,5 • talaj minősítése a kicserélhető Na % alapján (szolonyec) < 5% nem szikesedő a talaj 5 – 15% gyengén szikes (gyengén szolonyeces) 15 – 25% szikes (erősen szolonyeces) > 25% erősen szikes (szolonyec) a talaj
Szikes talajok kémiai vizsgálata Szikes talajok minősítése 2. Nemzetközi kitekintés • Sós szikesek (szoloncsák; saline soils):
ECe > 4dS/m ESP < 15
• Kilúgzott szikesek (szolonyec; sodic soils):
ESP > 15 ECe < 4 dS/m SAR > 13
Szikes talajok kémiai tulajdonságai mgeé, mekv, mmolc, cmolc • egyenérték-tömeg: Mr/vegyérték • milligramm egyenérték (mgeé) = mg/egyenérték tömeg
• pl.: Ca2+ egyenérték-tömege = 40/2 = 20 • 17,2 mg Ca2+ = 0,86 mgeé Ca2+
• 860 mg Na+ = 37,4 mgeé Na+ (Na egyenérték-tömege: 23) • ugyanígy 17,2 mg/l Ca2+ = 0,86 mgeé/l Ca2+ és 860 mg/l Na+ =
37,4 mgeé/l Na+ • 1 mgeé = 1 mekv = 1 meq = 1 mmolc
Szikes talajok kémiai tulajdonságai mgeé, mekv, mmolc, cmolc • cmolc/kg (majdnem SI) – CEC mértékegység • 1 mgeé/100g = 1 mekv/100g = 1 meq/100g = 1 mmolc/100g =
1 cmolc/kg
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Számolási példák: SAR Egy talajminta telítési kivonatának elemzése alapján meghatározták a következőket. Ca
Mg
Na
K
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
17,24
6,65
458
85
Mekkora az SAR értéke? 1. Milliekvivalensek kiszámítása Egyenértéktömeg Ca: 20
0,86 mmolc/l
Mg: 12
0,55 mmolc/l
Na: 23
19,9 mmolc/l
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Számolási példák: SAR 2. Az SAR kiszámítása SAR = 19,9/(0,86+0,55/2)0,5 = 23,7
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Számolási példák: ESP A kationok mennyisége a felületen (cmolc/kg ):
Ca
Mg
Na
K
26.5
1,23
21,7
0,62
A telítési kivonatban meghatározott kation koncentrációk a következők voltak (mmolc/l): Ca
Mg
Na
K
0,66
0,49
55,4
0,90
Telítési százalék: 85 ml/100 g talaj A T érték (=CEC) helyett használja a kationok összegét, számítsa ki az ESP értékét!
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Számolási példák: ESP 1. Az oldatkoncentrációk átszámítása
• mmolc/l → cmolc/kg • aránypár:
ha 1000 cm3-ben van → X mmolc akkor 85 cm3-ben van → Y mmolc Y = (85 × X)/1000
A telítési kivonatban tehát (cmolc/kg): Ca
Mg
Na
K
0,056
0,042
4,71
0,017
Szikes talajok kémiai tulajdonságai Számolási példák: ESP 2. ESP kiszámítása
• A kicserélhető kationok mennyisége az oldatban lévő mennyiségekkel korrigálva (cmolc/kg): Ca
Mg
Na
K
26,4
1,19
17,0
0,60
ESP=17,0/(26,4+1,19+17,0+0,60)= 0,38 38%
