Шпаргалка по "Геологии"

а также наиболее устойчивых минералов (турмалин, циркон). В приведенной

выше формуле содержание окисла (элемента) можно выражать

в любой удобной форме, поскольку  пересчетные коэффициенты окисла

на элемент, процента на моли и т. п. входят и в числитель и в  знаменатель,

не влияя, следовательно, на величину коэффициента EAR.

 

 

 

19. Фазовый состав почвы

В первом приближении почвенно-химические процессы можно подразделить

на следующие большие группы.

1. Процессы трансформации органических  и минеральных компонентов

почвы.

2. Процессы переноса вещества.

3. Специфические сложные процессы  формирования отдельных почвенных

горизонтов или почвенного профиля.

Процессы трансформации объединяют химические реакции разложения,

синтеза и перестройки различных  веществ, входящих в почво-

образующую породу, в состав почвы  или привносимых в почвы извне.

К ним относятся все реакции  выветривания (разложения) минералов  и

горных пород, идущие путем растворения, окисления, восстановления,

гидролиза и т. п. Сюда же входят реакции  минерализации органического

вещества, процессы гумификации, реакции  образования и растворения

осадков.

Процессы переноса вещества охватывают как внутрипочвенную миграцию

(в том числе внутригоризонтную,  внутрипедную) вещества, так

я миграцию с переносом вещества через границу почва — сопряженная

среда (атмосфера, воды, породы). Частными видами процессов этой

группы являются элювирование и  иллювирование, аккумуляция, выщелачивание,

лессиваж.

Процессы преобразования почвы  и ее отдельных горизонтов воспринимаются

как целостное, специфическое явление, но состоящее из

многих частных процессов и  реакций. К ним можно отнести  оглеение,

оподзоливание и т. п.

Фазой называется совокупность гомогенных частей гетерогенной

системы, обладающих одинаковым составом и одинаковыми термодинамическими

свойствами, независимо от массы. Иногда фазу определяют

как совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых во всех

точках по составу и по всем химическим и физическим свойствам и отграниченных

от других частей системы некоторой  видимой поверхностью

(поверхностью раздела).

Если исходить из этого определения, то становится ясно, что почва

представляет собой многофазную  систему. Излагаемые иногда

представления о почве как о  трехфазной системе (твердая, жидкая, газообразная

фазы) не согласуются со строгим  определением понятия

«фаза». Можно, очевидно, говорить о  том, что почва представлена твердой,

жидкой и газообразной частью, но термин «фаза» употребляется в

химии и термодинамике в строго определенном смысле, и осуществлять

подмену одного термина другим, несмотря на привычные для многих

почвоведов представления, недопустимо.

Общее число твердых фаз в  любой почве может быть очень  велико;

полного их перечня пока нет. Многие фазы хорошо различимы

невооруженным глазом или при просмотре  в оптическом и электронном

микроскопах. Отдельные фазы составляют совокупности частиц

кварца, слюд, обломков полевых шпатов, кристаллов или обломков кристаллов

каолинита, галлуазита и т. д. Особыми  фазами представлены

скопления труднорастворимых или  легкорастворимых солей, оксидов,

гидроксидов. Одинаковые по составу, но различные по кристаллическому

строению компоненты образуют различные  фазы; например, карбонат

кальция СаСОз может быть представлен  кристаллами кальцита

или арагонита. На рис. 6 в качестве примера приведены различаемые  в

электронном растровом микроскопе некоторые кристаллические твер-

дые фазы. Вещества, присутствующие в  микроколичествах, образуют

микроскопические фазы, не обнаруживаемые даже электронным микроскопом

в сложной почвенной системе  и выявляемые только методами

химии. Например, цинк в твердых  фазах может быть представлен  в

форме карбоната ZnCC>3 (смитсонит) или  фосфата Zn3(P04)2-«H20

(гопеит).

Приведенные выше определения фазы были даны в предположении,

что система не находится под  действием внешнего поля. Влияние  внешних

полей может нарушать однородность фазы; наложение электрического

поля на раствор соли (одна фаза) вызывает пространственное разделение

ионов в системе, т. е. приводит к  неоднородности. Если это не

привело к необратимым изменениям состава, то такая неоднородность

исчезает, как только будет снято  внешнее поле.

Внешними полями для почвы всегда являются поле тяготения и

магнитное поле Земли. Кроме того, почва — термодинамически открытая

система. В таких условиях передвижение воды под влиянием

гравитационных сил постоянно  нарушает однородность почвенного

раствора. За счет движения воды и  колебаний температуры осуществляется

и обмен почвенного и атмосферного воздуха. Под влиянием

этих сил состав почвенного раствора и почвенного воздуха не остается

неизменным в разных объемах  почвы. Однако рассматривать неодинаковые

по составу части почвенного раствора как разные фазы было бы

неверно, поскольку они не отграничены  друг от друга видимой поверхностью

раздела, а после снятия внешних  сил такая система самопроизвольно

переходит в состояние равновесия. То же следует сказать и

о почвенном воздухе.

Фазовый состав почвы не тождествен вещественному составу почвы.

Число фаз может быть больше числа  веществ, составляющих систему.

Такой случай уже упоминался: карбонат кальция может образовывать

минимум три фазы — кальцит, арагонит, люблинит. Возможен и

противоположный случай, когда число  фаз меньше числа составляющих

веществ; очевидно, что при этом одна из фаз (или некоторые фазы)

образованы за счет нескольких составляющих веществ. Типичный пример

— почвенный раствор. Практически  каждый химический элемент в

почве входит в состав нескольких составляющих веществ и обнаруживается

одновременно в нескольких фазах.

Взаимодействие веществ, входящих в разные фазы почвы, определяется

общими законами химической термодинамики. Условие равновесия

в многофазной системе достаточно простое: химический потенциал

|д, любого компонента многофазной  системы при равновесии должен

быть одинаковым во всех фазах системы:

^'=\Хх"=\1х'" = ... =Ц,»,

Ц2'=[12" = Й 2 " ' = ... =\12П,

уц* = №"=№'"*= - = И«'П.

где \х — химический потенциал г'-того (1-го, 2-го, ..., я-го) компонента

системы. Верхними индексами ц', ц" ... цп указаны различные фазы

системы. Под компонентом здесь  понимаются химически индвидуаль-

ные вещества.

Химический потенциал г-того компонента \ц связан с его активностью

простым соотношением:

\и = in0+ RT In at,

где цр — химический потенциал f-того компонента в стандартном сос-

тоянии, at — его активность, R — газовая постоянная и Г — температура.

Из условия равенства химических потенциалов вытекает равенство

активностей одного и того же компонента во всех фазах системы.

Химический потенциал компонента равен приращению изобарного

потенциала данной фазы при введении в нее дополнительного количества

компонента при прочих постоянных условиях. Исходя из приведенного

выше уравнения химический потенциал  можно определить как

работу, которую надо затратить, чтобы  изменить активность данного

компонента на единицу. В гетерогенных системах, каковыми являются

почвы, возможен самопроизвольный переход  данного компонента из

той фазы, где его химический потенциал  выше, в ту фазу, где химический

потенциал изучаемого компонента ниже. В соответствии с этими

положениями химический потенциал (и  активность) компонента

может быть использован для описания переноса, миграции и адсорбции

компонента в почве; он необходим  и для прогноза потребления тех  или

иных элементов растениями.

Если перенос вещества между  фазами связан с изменением зарядов,

то условие фазовых равновесий формулируется как равенство электрохимических

потенциалов:

\i\ + zF$i = \i2 + zFty2,

где Ц1 и цг — химические потенциалы компонента в двух равновесных

фазах, 2 — заряды (валентности) компонентов, F — число Фарадея,

•ф1 и гр2 — электрические потенциалы в соответствующих фазах.

Так как ]x=\xo+RTlna, то, подставляя это выражение в последнее

уравнение, получим:

|л0 + RT In ах -!- zF^x — \л0 -f RT In a2 + zFty2.

Отсюда

RT a

г/7^—zFty2 = RT\na2—RT In аг или i|5j — ib2 — In—-.

zF ax Иными словами, скачок потенциала между фазами в такой системе

является функцией отношения активностей  потенциалопределяющего

компонента.

Электрический скачок потенциала характерен для границы раздела

коллоидная частица—дисперсионная  среда и проявляется в почве

почти у всех частиц, которые по размерам относятся к фракции  ила и

физической глины.

В системе твердые фазы почвы—почвенный  раствор равновесное

состояние достигается очень редко. В природных условиях однажды

достигнутое равновесие (или приближение  к нему) непрерывно смещается

вследствие изменения температуры, испарения или гравитационного

перемещения воды, обмена веществ  между почвой и корневыми

системами растений, деятельности микрофлоры и почвенной фауны. Но

и в лабораторных условиях равновесные  состояния редки. Многие процессы

взаимодействия между почвенным  раствором и твердыми фазами

идут медленно, в том числе  и растворение труднорастворимых  солей.

Особенно медленно протекают диффузионные процессы, гидролиз

алюмосиликатов. Наблюдаемая в  лабораторных экспериментах относительная

стабильность состава вытяжек  или суспензий далеко не

всегда служит гарантией достижения равновесия. Чаще дело сводится

к достижению стационарного состояния, когда равновесие еще не достигнуто,

но процесс идет настолько медленно, что какие-либо изменения

в системе практически не удается  обнаружить.

21.СОЕДИНЕНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ

Содержание в почвах элементов I и II групп периодической системы

элементов Д. И. Менделеева варьирует  в очень широких пределах,

а формы их соединений разнообразны. В наибольших количествах в

почвах и породах присутствуют макроэлементы Na, К, Mg и Са; их содержание

достигает целых процентов (весовых) или 0,3—0,9 М/кг. Остальные элементы по количественному содержанию должны

быть отнесены к микро- и ультрамикроэлементам.

К щелочным металлам относятся  только элементы подгруппы Li—

Cs, окислы которых при  взаимодействии с водой образуют  щелочи. Для

этих элементов характерна легкая отдача единственного внешнего электрона

с образованием одновалентного катиона и отсутствие тенденции

к присоединению электронов. Внешняя электронная оболочка у  них

представлена одним электроном s1, но у К, Rb и Cs имеются предшествующие

незаполненные орбиты.

В соответствии с содержанием  реальную конституционную роль

из щелочных металлов играют только К и Na, они участвуют в  построении

многих соединений, формирующих  почвенную массу.

В почвах и породах К  и Na входят в состав нескольких групп  соединений.

Преобладающая часть сосредоточена  в кислых и основных

полевых шпатах и слюдах, важными формами соединений являются обменные

катионы К+ и Na+, входящие в  почвенный поглощающий комплекс,

и, наконец, растворимые соли. В почвах засоленного ряда К+ и

Na+ водорастворимых солей  могут доминировать.

Соотношение разных форм соединений К и Na хорошо иллюстрируется

схемой Н. И. Горбунова  распределения элементов по различным

видам резервов. Валовое  содержание элемента Н. И. Горбунов называет

общим резервом, который включает непосредственный, ближний

и потенциальный резервы. Количество элемента, извлекаемое из почвы

принятыми в агрохимии  вытяжками, называется непосредственным резервом.

В него входят катионы растворимых  солей и обменные катио-

яы. Содержание элементов  в илистой фракции почв составляет его

ближний резерв. Это преимущественно катионы межслоевых позиций

минералов с разбухающей  или стабильной решеткой. Элементы потенциального

резерва представлены преимущественно кислыми плагиоклазами

и калиевыми полевыми шпатами, которые входят во фракции ме-

ханических элементов  более 0,001 мм. Распределение К и Na по резервам

некоторых почв показано в  табл. 8.

Общее содержание (или общий  резерв) зависит от механического

и минералогического состава  почв. В легких почвах все виды резервов

ниже, особенно, если фракция  более 0,001 мм обогащена кварцем. В  почвах,

развитых на каолинитовых глинах, резервы ниже, чем в почвах,

обогащенных смектитовыми минералами. Ближний резерв в значительной

мере зависит от емкости  катионного обмена. Доля непосредственных

резервов калия и натрия максимальна в засоленных почвах.

Калий входит в состав полевых  шпатов и алюмосиликатов группы

слюд, особенно в состав иллитов. Калиевые полевые шпаты, встречающиеся

в почвах, представлены микроклином, ортоклазом, санидином,

адуляром, общая формула  которых K[AlSi30e]. Санидин, как и анорто-

клаз, содержит и калий  и натрий — (К, Na) -[AlSisOs]. Содержание калия

в слюдах и полевых шпатах составляет 8—14% (табл. 9), но может