Хмельницький нацiональний унiверситет |
Ґрунтознавство |
Лабораторна робота: Визначення валового складу ґрунту |
НЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ ҐРУНТУПитання теми 1. Хімічний склад ґрунту. 2. Хімічні властивості ґрунту. 3. Перетворення сполук Нітрогену в ґрунті. 4. Перетворення сполук Фосфору в ґрунті. 5. Перетворення сполук Сульфуру в ґрунті. 1. Хімічний склад ґрунту. Щоб зрозуміти процеси, які відбуваються в ґрунті, потрібно знати хімічний склад ґрунту та його зміни при ґрунтоутворенні і використанні ґрунту. Хімічний склад характеризується елементним складом. Елементним складом ґрунту називається склад і кількісне співвідношення хімічних елементів у ґрунті. Елементний склад ґрунту – це основна хімічна характеристика ґрунту, яка необхідна для розуміння його властивостей і генезису. Ґрунти містять майже всі елементи періодичної системи Д.І. Менделєєва. За вмістом елементів та їх кількісним співвідношенням ґрунти відрізняються від живих організмів, мінералів і гірських порід. Ґрунти містять багато вуглецю і кремнію, що вказує на два фактори ґрунтоутворення – живі організми і ґрунтоутворюючі поріди. Особливістю елементного складу є великий діапазон концентрацій. Вміст деяких елементів у ґрунтах (у %): Si 26-44 Ti 0,2-0,5 Al 1-14 Mn 0,01-0,3 Fe 0,5-12 Cорг 0,5-4 Ca 0,5-5 N 0,05-0,2 K 0,2-3 P 0,02-0,1 Na 0,2-2 S 0,02-0,2 Mg 0,1-2 H 0,04-0,2 Елементний склад ґрунтів залежить від механічного складу ґрунту і властивостей хімічного елемента. Наприклад, в легких ґрунтах велика концентрація кремнію. Багато вуглецю міститься у ґрунтах, які утворились на карбонатних породах. Біогенні елементи (C, N, P, S) накопичуються в ґрунті з гумусом, скелетні елементи (Si, Al, Fe, Mg, K, Na) успадковуються від ґрунтоутворюючої породи. За вмістом у ґрунті елементи поділяються на три групи: 1) макроелементи: – Si і O, вміст яких у сумі складає від 80 % до 90 %; – Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, вміст яких від десятих долей до декількох процентів; 2) мікроелементи: вміст від 0,01 % до 0,001 % (Ti, N, P, S, H); 3) ультрамікроелементи: вміст від n×10–4 % до n×10–10 % (Ba, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Cs, Se та інші). За геохімічною спорідненістю хімічні елементи поділяють на такі групи: 1) літофільні елементи, споріднені до кисню і в умовах біосфери утворюють мінерали типу оксидів, гідроксидів, солей кисневовмістних кислот (Si, Ti, S, P, F, Cl, Al, Se, Na, K, Ca, Mg та інші); 2) халькофільні елементи, схильні утворювати сполуки із сіркою (Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Mn, Fe); 3) сидерофільні елементи, розчиняються в залізних сплавах і утворюють сплави з залізом (Fe, Co, P, C, Pt, Au, Sn, Mo та інші); 4) атмофільні елементи – це елементи земної атмосфери (H, N, C, O, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Cl, Br, I); 5) біофільні елементи, характерні для живих організмів (C, H, O, N, P, S, Cl, I, B, Ca, Mg, K, Na, V, Mn, Fe, Cu). 2. Хімічні властивості ґрунту. У хімічних реакціях беруть участь не атоми, а й іони і молекули, тому хімія ґрунтів базується не лише на знаннях елементного складу, а на властивостях молекул. Ґрунтоутворення здійснюється в результаті великої кількості хімічних процесів, які мають складний характер і зумовлені специфікою ґрунту як природного тіла, а особливо його хімічними особливостями. Можна виділити такі хімічні особливості ґрунту: 1) поліхімізм – ґрунт містить велику кількість хімічних елементів і речовин. Один елемент може бути представлений декількома сполуками, а одна й та сама сполука може бути в різних кристалічних чи аморфних станах; 2) гетерогенність і полідисперсність – ґрунт це багатофазна система з неоднорідними поверхнями стикання, на яких відбуваються процеси сорбції і десорбції органічних і мінеральних речовин; 3) органо-мінеральні взаємодії. У ґрунтах формуються не лише прості і комплексні сполуки, а й складні адсорбційні комплекси, які складаються з мінеральних та органічних речовин; 4) динамічність ґрунтових процесів – для ґрунтів характерна добова, сезонна, річна і вікова динаміка. Зміни відбуваються безперервно, що зумовлює зміни хімічного складу ґрунтів; 5) просторова неоднорідність, пов’язана з просторовою неоднорідністю факторів ґрунтоутворення; 6) нерівноважний стан і термодинамічна незворотність процесів. Ґрунт – відкрита термодинамічна система через яку постійно проходить потік енергії і речовин, це не дає можливості досягнути рівноважного стану. Крім того, ґрунт має своєрідну кінетику грунтово-хімічних процесів, в якій поєднуються дуже швидкі і дуже повільні реакції. 3. Перетворення сполук Нітрогену в ґрунті. Ґрунти містять велику кількість неорганічних речовин. Для мінерального живлення рослин найбільше значення мають сполуки Нітрогену, Сульфуру і Фосфору. У ґрунтах найчастіше зустрічаються сполуки Нітрогену із ступенями окислення –3 і +5. Мінеральні сполуки Нітрогену представлені нітратами, нітритами, солями амонію, у газовій фазі містяться оксиди азоту і молекулярний азот. У доступній рослинам формі знаходиться від 1 % до 3 % загальної кількості Нітрогену ґрунту. Доступним для рослин є Нітроген нітратів і амонійний азот, частково засвоюються і низькомолекулярні органічні сполуки, наприклад амінокислоти. Трансформація Нітрогену в ґрунті включає фіксацію атмосферного азоту, перетворення азотовмісних сполук органічних решток у гумусові кислоти, амоніфікацію органічних сполук, процеси нітрифікації і денітрифікації, фіксацію амонійного азоту глинистими мінералами, вимивання сполук Нітрогену з ґрунту. Амоніфікація – це перехід Нітрогену органічних речовин в аміачні сполуки. Амоніфікацію зумовлюють мікроорганізми, які здатні розщеплювати білкові сполуки й утворювати аміак та його сполуки. У ґрунті аміак вступає в реакцію з різними кислотами й утворює амонійні солі: 2NH3 + H2SO4® (NH4)2SO4. Також він взаємодіє з водою і утворює гідроксид амонію: NH3 + H2O ® NH4OH. Процес амоніфікації здійснюється в аеробних і анаеробних умовах. Нітрифікація – це процес утворення нітратної кислоти та її солей з аміачних сполук. Нітрифікація здійснюється у дві стадії. Спочатку бактерії окислюють аміак до нітритної кислоти: 2NH3 + 3O2® 2HNO2+2H2O, а потім перетворюють нітритну кислоту в нітратну: 2HNO2+O2 ® 2HNO3. Нітратна кислота взаємодіє з різними основами і дає солі NaNO3, KNO3 і Ca(NO3)2 – найбільш доступну форму для живлення рослин. Нітрифікація – процес окислення, отже для утворення нітратів в ґрунті необхідна аерація. На нітрифікацію впливають волога, теплота і реакція середовища. Найбільш інтенсивно процес протікає у ґрунтах з нейтральною, слабокислою чи слаболужною реакцією при вологості 60 %, вільному доступі повітря і температурі від 25 оС до 35 оС. Денітрифікація – це відновлення Нітрогену нітратів до молекулярного азоту. Процес відбувається в анаеробних умовах з участю бактерій. При цьому виділяється велика кількість теплоти. Процес денітрифікації можна виразити рівнянням: 5C+KNO3® 2K2CO3 + 3CO2 + 2N2, де С – органічна речовина. Фіксація атмосферного азоту в ґрунті. Атмосфера містить велику кількість азоту, але рослинами він засвоюватись не може. Цей азот рослини можуть використовувати лише після його зв’язування азотфіксуючими мікроорганізмами. У ґрунті є дві групи азотофіксуючих мікроорганізмів. Одні з них, бульбочкові, розвиваються на коренях бобових рослин, інші вільно живуть в ґрунті. Вільноживучі азотофіксатори можуть бути аеробними та анаеробними. 4. Перетворення сполук Фосфору в ґрунті. Фосфор у ґрунті знаходиться в малодоступному для рослин вигляді. Основна маса Фосфору міститься в органічних речовинах, решта у солях ортофосфорної кислоти (H3PO4). Найбільше у природі ортофосфатів кальцію. Сполуки Фосфору у ґрунті підлягають різноманітним перетворенням. Найбільше значення для ґрунтоутворення мають мінералізація органічних речовин, зміна рухливості фосфорних сполук (мобілізація та імобілізація) і фіксація фосфору. Мінералізація – це перетворення органічних сполук Фосфору в мінеральні в результаті діяльності мікроорганізмів. Мобілізація – це перетворення важкорозчинних солей Фосфору в розчинні та їх перехід у ґрунтовий розчин. Наприклад, перетворення трикальційфосфату в ди- і монокальційфосфат: Ca3(PO4)2® CaHPO4® Ca(H2PO4)2. Значну роль в мобілізації фосфорної кислоти відіграють мікроорганізми. Вони розкладають органічні речовини і вивільняють фосфорну кислоту. Вона взаємодіє з основами і утворює фосфорнокислі солі, які можуть засвоювати рослини. На процеси мобілізації впливає ґрунтова волога. Вода здатна частково розчиняти нерозчинні фосфати кальцію і переводити їх в розчинні. Іммобілізація фосфорної кислоти – це засвоєння мікроорганізмами легкорозчинних сполук Фосфору і перетворення їх в складні органічні речовини, які не можуть засвоювати рослини. Після відмирання мікроорганізмів і мінералізації їх тіл, Фосфор знову переходить в розчинну форму і стає доступним для рослин. Фіксація фосфору полягає в його переході у нерозчинний стан за рахунок утворення зв’язків з мінеральними компонентами ґрунту. У цих реакціях беруть участь, в основному, іони H2PO4–. 5. Перетворення сполук Сульфуру в ґрунті. Сульфур в ґрунті представлений органічними і неорганічними речовинами. Їх співвідношення залежить від типу ґрунту і материнської породи. Інколи у ґрунтах зустрічається вільна сірка. Сульфур та його сполуки відіграють важливу роль у процесі ґрунтоутворення і живленні рослин. Неорганічні сполуки Сульфуру дуже різноманітні. Одна з головних груп сполук Сульфуру – похідні оксидів. Двооксид SO2 і триоксид SO3 легко розчиняються в воді, розчин SO2 дає сірчисту кислоту H2SO3, розчин SO3 – сірчану H2SO4. Ці кислоти утворюють солі – сульфіти і сульфати. Найбільш поширеними сульфатами є гіпс CaSO4×2H2O та ангідрид CaSO4×0,5H2O чи CaSO4. В засолених ґрунтах зустрічається глауберова сіль. Наступна група мінеральних сполук Сульфуру в ґрунтах – сірководень H2S та його солі. Сірководень – отруйний газ, значне його накопичення у ґрунті було б шкідливим для рослин. Сірководень не накопичується у ґрунті, оскільки сіркобактерії окислюють його і переводять в сірчану кислоту. Це перетворення називається сульфуризацією: 2H2S + O2® 2H2O + S2 S2 + 2H2O + 3O2® 2H2SO4. Сіркобактерії – це аеробні мікроорганізми. Чим пухкіший ґрунт тим краще відбувається газообмін і сірководень інтенсивніше перетворюється у сірчану кислоту. У щільних ґрунтах, де слабкий потік повітря, процес сульфуризації поступається процесу десульфуризації, при якому анаеробні бактерії відновлюють солі сірчаної кислоти до H2S. Крім сульфуризації і десульфуризації із сполуками Сульфуру у ґрунті відбувається мінералізація, іммобілізація, окислення і відновлення. Мінералізація – це перетворення органічних сполук Сульфуру в мінеральні. Мінералізація інтенсивно відбувається при оптимальних для мікроорганізмів умовах. Іммобілізація – процес перетворення неорганічних речовин Сульфуру в органічні в результаті діяльності мікроорганізмів. При цьому Сульфур сульфатів накопичується у вигляді сульфуровмісних амінокислот. Окислення і відновлення здійснюється хімічним і біохімічним шляхом. Окислення сполук Сульфуру інтенсивно відбувається в аеробних умовах киснем повітря або з участю сіркобактерій. Окислення Сульфуру відбувається ступінчасто: S ® S2O32-® S4O62-® SO32-® SO42-. В результаті процесів окислення у ґрунті накопичується сірчана кислота. Реакції відновлення сульфатів відбуваються з участю сульфоредукуючих бактерій. Ці реакції зумовлюють накопичення у ґрунті сульфідів заліза й соди і, як наслідок, формування содовозасолених ґрунтів і солончаків. |
|