یزد ، شهرک صنعتی نیکو اشکذر

خواص خاک - ظرفیت تبادلی کاتیونی خاک

کاتیون ها روی ذرات خاک

ظرفیت تبادل کاتیونی خاک معیاری از توانایی خاک در نگه داشتن یون های با بار مثبت میباشد. خاصیت بسیار مهمی از خاک است که بر روی پایداری فیزیکی خاک، دسترسی به مواد تغذیه ای،  پی اچ خاک وعکس العمل خاک به کود و اصلاح کننده ها را نشان میدهد

 

سطح یک ذره خاک رس یا ذره کلوئیدی آلی از بارهای منفی(-) تشکیل شده است. که پیامد آن جذب یون های مثبت یا کاتیون ها میباشد. زمانی که آب به خاک اضافه میشود کاتیون ها میتوانند  به داخل محلول حرکت کنند ولی با این وجود به سطح ذرات رسی یا کلوئیدی جذب شده اند ونتیجتا در اطراف این ذرات ازدحام میکنند.

مکانیزم جذب و دفع کاتیون ها بر روی سایت های منفی مهم است. با این وجود  کمتر از 1 درصد از کاتیون ها در هر زمان این کار را انجام میدهند. این به خاطر این هست که کاتیون های جداشده جذب گیاه میشوند. متقابلا زمانی که کاتیون ها به ذرات خاک جذب شوند پایدار شده ومیزان آبشویی و لیچ شدن این کاتیون های مغذی کاهش می یابد.

یون های با بار مثبت توانایی این را دارند که به آسانی ومرتبا  توسط کاتیون های موجود در  محلول خاک بر روی ذرات خاک با بار منفی جایگزین و جابه جا شوند که به آن تبادل کاتیونی گفته میشود. مهمترین کاتیون های قابل تبادل عبارتند از:

کاتیون های موجود در خاک
تبادل کاتیون از روی سطح ذره

برای این که یک کاتیون برای گیاه قابل جذب باشد یک کاتیون جذب شده بر سطح ذرات رسی باید به محیط محلول خاک منتقل شده و سپس  توسط یک کاتیون دیگر محلول در خاک جایگزین شود. ریشه های گیاه این فرایند را از طریق قرار دادن یون هیدروژن (H+)در محلول خاک تسهیل میکند تا این را با یک کاتیون مبادله کند (مثلا پتاسیمK+ ). اثر جمعی یون هیدروژن آزاد شده توسط گیاه منجر به افزایش اسیدیته ی خاک میشود( اگر که کاتیونی مثل پتاسیم جایگزین نشود). ( از این طریق افزودن یون هیدروژن سبب فرسایش مواد معدنی رسی  اولیه  (مثلا فلدسپار) و ثانویه مثل کائولن میشود.)

فرآیند جایگزینی تحت عنوان تبادل کاتیونی نام دارد و زمانی که یک کاتیون از محلول خاک به ناحیه ی فضای کروی یک کاتیون قرار گرفته بر روی سطح یک ذره با بار منفی حرکت کند اتفاق می افتد. این موضوع به صورت شماتیک برای کاتیونی مثل پتاسیم که از سطح یک ذره ی رسی توسط هیدروژن مبادله میشود در شکل روبرو نشان داده شده است.

همچنین میتوانید ویدئوی زیر را تماشا کنید:

https://www.youtube.com/watch?v=IHHE3rHGrqo

لذا تبادل کاتیونی تحت عنوان مبادله بین کاتیون قرار گرفته بر سطح هر ذره ی منفی (مثلا رسهای معدنی و یا کلوئید آلی) و محلول خاک تعریف میشود. در حالیکه کاتیون ها خودشون هنوز توسط ذرات رسی جذب شده اند ولی نیروی جاذبه اعمال شده بر کاتیون ها با افزایش فاصله از سطوح ذرات با بار منفی به شدت کم میشود.

این پدیده جذب کاتیون ها بر سطوح ذرات با بار منفی به دولایه ی نفوذی  مشهور است. دولایه گفته میشود چون از دولایه بار دار منفی و مثبت تشکیل شده است و نفوذی چون لایه بیرونی که کاتیونی است به درستی تعریف نشده است. نیروی جاذبه بین ذرات با بار منفی و کاتیونها با افزایش فاصله سریعا کاهش می یابد.

صرف نظر از جنبه های تغذیه ای کاتیون ها برای گیاه، کاتیون ها برروی خواص فیزیکی رس خاک تاثیر گذار هستند. دلیل آن این هست که نیروی اتصال کاتیون های منفرد تابعی از عوامل مختلف من جمله:

بار کاتیون (یعنی ظرفیت)

اندازه کاتیون هیدراته شده (یعنی شعاع یونی)

وغلظت بار و ضخامت دولایه در بیرون سطح ذرات خاک رس میباشد.

در اولین مورد هر چه کاتیون محکم تر به سطح تبادل چسبیده باشد شانس جذب سطحی بیشتر است. این تحت عنوان انرژی جذب سطحی شناخته میشود. انرژی جذب سطحی یک کاتیون تابعی از ظرفیت (یعنی بار) است. و این دلیل این هست که کاتیون های 3 ظرفیتی مانند آلمینویم و همینطور 2 طرفیتی ها مانند کلسیم و منیزیم تقریبا انرژی سطحی 3 تا 2 برابر بیشتر از کانیون های تک ظرفیتی مانند پتاسیم و سدیم میباشند.

 

نتیجتا یک کاتیون قابل تبادل آلمینیوم یا کلسیم یا منیزیم در نزدیکی ذره رسی  مانده و  وبا نیروی چسبندگی بین ذرات کلوخه ای تداخلی نداشته و باعث تسریع کلوخه ای شدن خاک میشوند.

توان نسبی خاکدانه سازی
شعاع هیدراتاسیون
ظرفیت بار در هر مولکول
کاتیون
1 0.79 1 Na
1.7 0.53 1 K
27.0 1.08 2 Mg
43.0 0.96 2 Ca

ظرفیت یک کاتیون قابل تبادل ضخامت دو لایه ای را تعیین میکند. بنابراین هر چه که ظرفیت کاتیون قابل مبادله بیشتر باشد دو لایه ای نازک تر خواهد بود. با این وجود تفاوت های در ضخامت دو لایه ای میتواند همچنان حتی زمانی که کاتیون ها دارای بار و ظرفیت یکسان هستند نیز وجود داشته باشد.

زمانی که ظرفیت کاتیون ها با هم برابر هست (مثلا هر دو 1+)  هستند کاتیون با شعاع  هیدراتاسیون کمتر جذب سطحی قوی تری را دارد. در حالت کاتیون های تک ظرفیتی سدیم و پتاسیم یون پتاسیم دارای شعاع هیدراتاسیون کمتری هست و لذا قوی تر بر روی محل هایی با ابر منفی جذب میشود

در مقایسه با سدیم (شوری خاک) که تقریبا شل و ازادو رها است ومتحرک بوده و لذا  خاک های حاوی سدیم به راحتی  دیسپرس میشوند (از بین رفتن منافذ هواخوری خاک).

این دقیقا مشابه کاتیون های دو طرفیتی  کلسیم و منیزیم میباشد. از آنجا که منیزیم هیدراته شده بزرگتر از کلسیم هیدراته هست و لذا آزاد تر بوده و نیروی جذب سطحی ضعیف تری را در بر دارد. لذا مانند سدیم آزادانه در خاک حرکت کرده و گاهی اوقات باعث دیسپرس شدن خاک میشود.

جمع بندی: هر چه شعاع هیدراتاسیون بیشتر باشد کاتیون دورتر از سایت دارای بار منفی قرار میگیرد و هرچه دورتر باشدنیروی جذب سطحی کاهش می یابد و این یعنی آزاد و رها بودن و حرکت هر چه بیشتر باشد یعنی دیسپرشن و پخشش و کاهش خاکدانه.

بار کاتیون و سایز کاتیون هیدراته شده اولویت های تعادل تبادل کاتیونی را مدیریت میکنند. به طور خلاصه کاتیون های با بار یالا تمایل دارند که محکم تر به هم بچسبند در مقایسه با کاتیون های کم بار تر . ثانیا کاتیون های با شعاع هیدراتاسیون کوچکتر محکم تر به هم متصل میشوند و احتمال زدوده شدن آنها از مجموعه ی تبادل کمتر هست.

اثر ترکیبی این دو معیار تحت عنوان سری لیوتروپیک (lyotropic series) نامیده میشود.

شکل فوق که از چپ به راست کاهش قدرت جذب کاتیون های مختلف را نشان میدهد. لذا کاتیون های انتهای سمت راست قرار گرفته در دور تر از سطح کلوئید احتمال لیچ شدن و ابشویی بیشتری را دارند. و به طور معکوس کاتیون های سمت راست قوی تر به سطوح کلوئیدی جذب شده و اهسته تر در نیمرخ خاک حرکت  وخواهد کرد و کمتر لیچ میشوند.

نسبت و نوع کاتیون جذب شده بر وی ذرات معدنی و کلوئیدهای الی همچنین تابعی ار غلظت کاتیون ها در خاک میباشد. هر چه غلطت کاتیون بیشتر باشد شانس جذب ان کاتیون بر روی ذرات با بار منفی نیز افزایش می یابد.

و این دلیل استفاده از سولفات کلسیم در اصلاح خاک های شور سدیمی دارد. در این حالت سولفات کلسیم یا گچ حل شده  در خاک باعث افزایش غلظت کلسیم شده (ضد شوری خاک) و پیامد آن افزایش کاتیون های کلسیم میباشد. این کاتیون های کلسیم روی سطوح منفی جذب شده (افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی) و سدیم را آزاد میکنند و سدیم در آبیاری بعدی از خاک آبشویی و لیچ میشود.

عمده منشاء کاتیون ها در محلول خاک هوازدگی مواد معدنی و افزودن اصلاح کنند هایی مانند لایم و گیپس به خاک حاصل میشود (Lime and Gypsum)

Leave a comment