Шпаргалка по "Геологии"

Вопросы.

1. Химия почв  как раздел почвоведения , ее содержание  и задачи.

химия почвы — это раздел почвоведения, изучающий химические основы почвообразования и плодородия почв

Основой для решения этих вопросов служит исследование состава, свойств почв и протекающих в  почвах процессов на ионно-молекулярном и коллоидном уровнях.

Предметом изучения химии  почв является особое естественно-историческое тело — почва. Химия почв, как  и почвоведение в целом, использует сравнительно-географический и профильно-генетический методы, но не располагает особыми  методами, позволяющими качественно  отграничить химию почв от других разделов почвоведения. Разработаны  методы и показатели, характеризующие  специфические свойства почв. К их числу можно отнести показатели шоглотительной способности почв, групповой  состав гумуса, профильное распределение  элементов, распределение элементов  по группам подвижности и доступности  растениям, нитрификационная способность  почв, но все же эти методы не выводят  химию почв за рамки почвоведения.

Современную химию почв можно  подразделить на четыре главных направления: химия почвенной массы, химия  почвенных процессов, химические основы почвенного плодородия, аналитическая  химия почв

 

2. Глинистые минералы, их строение, состав и свойства.

В илистых и коллоидных фракциях почв преобладают слоистые силикаты различных групп. Слоистые силикаты называют также листовыми. Эти минералы обладают многими важными свойствами, придающими почве высокую емкость катионного обмена, набухаемость, липкость, и их часто рассматривают как собственно глинистые минералы. Наибольшее значение имеют следующие группы слоистых силикатов: монтмориллониты (смектиты), каолиниты, слюды и гидрослюды, хлориты, вермикулиты и смешанослойные минералы. Все важнейшие группы глинистых минералов образованы слоями кремнекислородных тетраэдров и алюмогидроксильных октаэдров (или октаэдров другого состава)

 

Так в коалините на 1 октаэдрический  слой приходится 1 тетраэдрический  слой. Эти 2 слоя образуют пакет. Расстояние между одинаковыми пукетами называется межпакетным пространством, а расстояние между одинаково повторяющимися слоями атомов называется межплоскостным расстоянием – это важнейший диагностический признак любого минерала включает в себя толщину пакета и межпакетный промежуток. По характеру сочленения тетраэдра и октаэдра выделяют тип кристаллической решетки однослойный – на 1 октаэдр приходится 1 тетраэдр. Двухслойный когда на 1 октаэдр 2 тетраэдра.

Группа коалинита В группу каолинита входят минералы: каолинит, диккит, накрит и галлуазит. Собственно каолинит имеет формулу Al4(OH)8[Si4Oi0] тип кр.решотки 1:1 однослойный т.к. одна сторона пакета обращена слоями кислородных атомов а с другой ОН. Между пакетами возникает водородная связь Она фиксирует межпакетный промежуток, поэтому они не набухают и не поглощают катионы и молекулы в межпакетных промежутках. Удельная поверхность невелика и составляет от 5 до 25 – 30 м2/гр соотв. ЕКО не превышает 10 мг-экв/100гр. Поскольку в пакете на вершинах находятся группы ОН для этой группы характерен отрицательный заряд.

Монтмориллонит. Минералы группы монтмориллонита — это трехслойные алюмосиликаты с решеткой типа 2 : 1 , т. е. они содержат два слоя (две сетки) кремнекислородных тетраэдров, между которыми расположен октаэдрический слой (рис. 25). В зависимости от характера изоморфного замещения и локализации зарядов различают собственно монтмориллонит, бейделлит и нонтронит.. Общая формула минералов группы монтмориллонита может быть записана как (Са, Mg, Na...) (Al, Mg)2(OH)2[(Si, Al)4Oio]-nH20.

Пакет монтмориллонита построен симметрично; пакеты обращены друг к другу слоями кислородных атомов. Поэтому здесь не возникают межпакетные водородные связи, как в каолините, а невысокий отрицательный заряд компенсируется расположенными в межпакетных промежутках катионами. Взаимодействие между пакетами слабое, и в межпакетные промежутки легко проникает вода, вызывая набухание минерала и органические соединения. Межплоскостные расстояния монтмориллонита зависят от степени •его гидратации или насыщения органическими молекулами. От 10 до 14 А. Свойства монтмориллонита существенно отличны от свойств каолинита. Для монтмориллонита характерна высокая удельная поверхность — 400—800 м2/г, высокая емкость катионного обмена, достигающая 100 мг-экв/100 г и даже выше; при набухании объем монтмориллонита увеличивается в 1,5—2,5 раза.

Слюды и гидрослюды. Эти минералы также имеют кристаллическую решетку типа 2 : 1, но для них характерен высокий отрицательный заряд, возникающий в тетраэдрическом слое за счет замещения Si4+ на А13+ Тетраэдрические слои двух смежных пакетов в слюдах расположены так, что гексагональные кольца двух сеток совмещены, образуя гексагональные пустоты, радиус которых близок к радиусу иона К+. В этих пустотах расположены ионы К+, компенсирующие отрицательный заряд пакета. В результате между пакетами возникает весьма прочная связь, и поэтому слюды отличаются низкой набухаемостью и низкой емкостью поглощения катионов. Собственно слюды относят часто к первичным минералам. Кроме них в почвах присутствуют иллиты (или гидрослюды), которые относят к вторичным минералам и называют почвенными слюдами. Иллиты отличаются от мусковита меньшим содержанием К+ и более высоким количеством SiC>2. У иллитов более низкий заряд элементарной ячейки, и решетка у них более подвижна. Слюды и гидрослюды являются главным источником калия в почвах. Теоретическое содержание К+ в слюдах равно 9—10%, в иллитах оно составляет 7%, а в иллитовых глинах —5—8%.

Вермикулиты. Эта группа минералов, как и иллиты, образует слюдоподобные слои; они относятся к трехслойным силикатам с типом решетки 2 : 1 . Заряд элементарной ячейки вермикулитов меньше, чем у слюд и иллитов, но больше, чем в монтмориллонитах. Поэтому по свойствам они занимают промежуточное положение между слюдами и монтмориллонитом. Вермикулиты являются магниевыми алюмосиликатами, причем магний занимает в них октаэдрические позиции. В октаэдрах Mg2* может быть замещен на Fe2*, а в тетраэдрах часть Si^ замещена на А1*+\ Это отражается следующей общей формулой вермикулитов: (Са, Mg...)(Mg, Fe2+)3(OH)2[Si, А1)4О10]-4Н20. Название группы происходит от латинского vermicularis, что означает червеобразный. Это название возникло потому, что при нагревании минерал увеличивается в объеме в 20—30 раз, причем его частички удлиняются, червеобразно изгибаются и скручиваются.

Хлориты. Эта обширная группа минералов с решеткой типа 2 : 1 : 1. В хлоритах трехслойные пакеты 2 : 1, подобные слюдам, чередуются с добавочным октаэдрическим слоем. Добавочный слой октаэдров, может быть представлен бруситовым слоем Mg(OH)2, однако изоморфные замещения весьма разнообразны. Собственно хлориты приурочены преимущественно к крупным — пылеватым и песчаным — гранулометрическим фракциям. Они практически не набухают и имеют небольшую емкость катионного обмена.

Смешанослойные  минералы. структура сложена не однотипными пакетами, а пакетами, принадлежащими различным индивидуальным минералам. Чередование пакетов может быть упорядоченным, когда определенный набор и последовательность пакетов повторяются периодически; возможно и неупорядоченное чередование пакетов, когда последние расположены в случайной последовательности. Диагностика смешанослойных минералов довольно сложна.__

 

3. Развитие химии почв в XVIII—XIX вв.

Начало систематических  исследований химических свойств почвы 

Главное значение имели исследования трех важнейших проблем: 1) почвенного гумуса; 2) поглотительной способности почв; 3) теории минерального питания растений.

Теория почвенного гумуса В числе важнейших следует назвать работу Ф. Ахарда (1786), который действием раствора щелочи на почву и на торф получил темно-бурый раствор. Прибавление к щелочному экстракту серной кислоты вызвало выпадение темного, почти черного, осадка ( гуминовой кислоты)

Десятью годами позже Л. Вокелен выделил аналогичное вещество из ствола старого вяза,

Т. Томсон в 1807 г. назвал это вещество ульмином (от ulmus — вяз).

В 1761 году И. Валлериус сформулировал впервые гумусовую теорию питания растений в книге «Основы с/х химии» эту теорию пропагандировал профессор Берлинского университета А. Тэер (1752 – 1828) сторонники: Гемфри Деви (1778 – 1829) Йене Якоб Берцелиус (1779 – 1848)

Теория минерального питания  растений Юстус Либих (1803 – 1873) Книга «Органическая химия в приложении к земледелию и физиологии» в 1840 году способствовал в первые производству минеральных удобрений на основе карбонатов калия и натрия

Теория поглотительной способности  почв Т. С. Томсон и Дж.Т. Уэй Результаты опытов были опубликованы в 1850 и 1852 г.

Уэй сделал следующие важнейшие выводы.

1. Катионы Na+, K+, NH4+, добавленные  к почве в виде солей сильных кислот, поглощаются почвой, и вместо них в растворе появляются эквивалентные количества кальциевых солей, т. е. происходит реакция, описываемая уравнением: почва+2КС1-»-К2—почва + СаС12.

2. Катионы в виде гидроксидов  или карбонатов поглощаются почвой полностью без вытеснения из почвы кальция или анионов.

3. Кальциевые соли сильных  кислот (нитраты, хлориды и сульфаты) почвой не поглощаются.

4. Поглощение катионов  осуществляется глинистыми частицами почвы, тогда как песок и органическое вещество не играют существенной роли.

5. Нагревание почвы или  обработка ее кислотой нарушают  способность почвы поглощать катионы.

6. Поглощение происходит  очень быстро, практически мгновенно.

7. Увеличение концентрации  добавленной соли повышает количество поглощенных почвой катионов.

8. Поглощение катионов  происходит необратимо.

9. Почвы способны поглощать  фосфаты.

Далеко не все выводы Уэя  были впоследствии подтверждены; явно ошибочным было заключение о роли органического вещества, о неспособности почвы поглощать кальций. В реакциях обмена, очевидно, участвовали ионы водорода, что могло создать впечатление о полном поглощении карбонатов и гидроксидов без сопутствующей обменной реакции.

Якоб-Мартен ван Беммелен (1830—1911) — знаменитый голландский химик, один из основателей учения об адсорбции

 

4. Строение гумусовых кислот.

Важнейшие диагностические  показатели ГК колеблются в довольно широких пределах, поэтому для  их идентификации необходимо выделить 5 их свойств

1. Содержание углерода в пределах 46—61% для гуминовых кислот и от 36—44% для фульвокислот при обязательном содержании азота от 3 до 6%. Это обязательный признак, хотя только элементный состав не может быть достаточным для отнесения получаемых препаратов к гумусовым веществам.

2. Обязательное присутствие не окисляемых щелочным раствором перманганата калия бензол(пиридин) -карбоновых кислот; характерная особенность этих продуктов — наличие в них 3—6% азота, условно называемого гетероциклическим.

3. Наличие «негидролизуемого», или гуминового, азота в количестве 25—55% от общего

4. Характер электронных спектров поглощения при длине волны 65  нМ оптическая плотность 0,01-0,1.

5. Характер инфракрасных спектров поглощения. В хорошо изученном интервале от 2 до 10 мкм ИК-спектры могут служить подтверждением принадлежности вещества к гумусовым кислотам.

Гумусовые кислоты относятся  к соединениям переменного состава. Предложено несколько формул строения гумусовых кислот все они гипотетические и отражают накопленные экспериментальные  данные

1 формула была выведена  из каменного угля . Формула Фукса  в ней представлен углерод  циклически полимеризованный, в  этой формуле отсутствуют периферические  цепочки. Этот недостаток был преодолен в формуле Касаточкина – сохранил идею циклически полимеризованную идею, но ввел боковые радикалы. За счет соотношений  ядерной и периферической части он объяснил различную окраску гумусовых кислот. Недостаток заключается в наличии плоской атомной сетки.

В 1948 г С. С. Драгунов предложил  формулу ГК согласно которой ароматические  ядра расположены линейно при  этом присутствуют фенольные и хенонные группы, присутствует также гетероциклический  азот, углеводные остатки и для  формулы драгунова характерна высокая  степень замещения ароматических  колец. В такой формуле данная структура гуминовой кислоты  неустойчива. Наиболее информативные  формулы  т.к. были предложены И. Д. Комисаровым 1971 и Д. С. Орловым 1972.

В среднем молекулярная масса  гуминовой кислоты чернозема  составляет 60-70 тыс единиц, а структурной  ячейки 1,5 тыс единиц то в целом 1 молекула может содержать 40 – 45 таких  структурных ячеек. Характеристика структурной ячейки по Д. С. Орлову. 1) Минимальная молекулярная масса 1,5 тыс ед. при 4 атомах азота один из которых принадлежит гидролизуемой, а другой ядерной части, а 2 других входят в гетероцикл. 2) гидролизуемая  часть ячейки составляет до 45% от общей  массы и включает в себя 6% А.К. до 25% углеводов и остатки типа фульвокислот. 3) При окислении перманганатом калия в щелочной среде из такого фрагмента можно получить в среднем две молекулы бензолполикарбоновых кислот. 4.) Шестичленные циклы представлены главным образом трех- и четырехзамещенными структурами, что совпадает с составом обычно-идентифицируемых продуктов окисления гуминовых кислот, а при наличии двойных связей в боковых цепях соответствует составу продуктов распада ряда исходных веществ (лигнинов, катехинов, дубильных веществ). 5) Шестичленные циклы соединены мостиками с двойными связями, что создает достаточно протяженную и непрерывную цепь сопряжения. 6) Молекулы ГК имеет вытянутую форму.