CHEMICAL PROPERTIES OF SOIL COLLOIDES

الخواص الكيميائية لغرويات التربة

: مادة صلبة ذات حجم صغير, خواصها السطحية تعريف الغروي 2أكبر أهمية من وزنها, لتتعدي أقطارها في أغلب الحيان

ميكرومترغرويات التربة السائدة : معادن الطين والمادة العضوية ( الدبال )

التبادل الكاتيوني

Cation Exchangeبين كاتيون في المحلول وآخر علي السطحتعريفه :

ميكانيكيته

3

A Clay Particle ( Clay Micelle)

Plate-like or Flaky Shape

edgeالحواف surfaceالسطح

Clay Particle

- - --

--

-------------- - - - - - -

Clay particles carry negative charges

(الشحنة السطحية لحبيبات الطين ( التربة

الحلل- 1المتماثل

مجاميع- 2 انحلل -OH الهيدروكسيل

مصادر الشحنة السالبة في معادن الطين

6

الحلل المتماثلIsomorphous Substitution

حينما يحل كاتيون ثنائي الشحنة مثل الماغنيسيومMg2+ محل كاتيون ثلثيفي بلورة + Si4أو السيليكون + Al3الشحنة أو رباعي الشحنة كثل كاتيون اللومنيوم

معدن الطين

ينتج عن هذا الحلل خلل في توازن الشحنات الكهربية لبلورة معدن الطينيكون من نتيجته ظهور شحنة سالبة علي سطح البلورة ( سطوح حبيبات الطين )

___

__

_

_

__

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

__

__

negatively charged faces

Clay Particle with Net negative Charge

انحلل مجاميع الهيدروكسيل

انحلل مجموعة الهيدروكسل علي الحواف البللورية خاصة • المختلفةpHعند درجات الـ

alkaline mediaفي البيئة القلوية : •• Clay micelle-Si-OH + OH- Si-O- + H2O

acid mediaفي البيئة الحامضية: •• Clay micelle-Al-OH + H+ Al-OH2

+

الشحنة المتوقفة علي درجة حموضة الوسط

pH dependent charge

With Magnets

-

-

+

-Unlikes Attract

Likes Repel

In SoilCLAY

NH4+Ammonium

CLAY

K+Potasium

CLAY

NO3

-Nitrate

+-

+ +

تأثير الشحنة السالبة علي معادن الطين ((حبيبات التربة

أنواع الكاتيونات المدمصة علي سطوح (المايسيل ( حبيبات معدن الطين

• H+1

• Na+1 K+1 Li+1 Cs+1 Rb+1 • Ca+2 Mg+2 Sr+2 Ba+2

• Al+3 Fe+3

مفهوم الكاتيونات المتبادلة....... •

مفهوم مواقع التبادل.....•

أنواع الكاتيونات المتبادلةمواقع التبادل : قوة جذب مواقع الدمصاص تتوقف علي

تكافؤ الكاتيون , القطر المتأدرت

ترتيب الكاتيونات من حيث قوة الدمصاص : Rb+ > K+ > Na+ > Li+

القطر المتأدرت غير المتأدرت

Li 1.003 0.078

Na 0.790 0.098

K 0.532 0.133

Rb 0.509 0.149

ترتيب قوة الدمصاص

الرابع

الثالث

الثاني

اللول

في حالة الكاتيونات متعددة التكافؤالثلثي أكبر من الثنائي أكبر من الحادي

Al+3 > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+

تتوقف القدرة اللحللية لكاتيون محل آخر عليسطوح ألو مواقع التبادل علي شحنة لوتكافؤ الكاتيون

Al3+ > Ca2+ > Mg2+ >> NH4+ > K+

> H+ > Na+ > Li+

السؤال اللول

ماأهمية التبادل الكاتيوني في التربة؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟

1234

السعة التبادلية الكاتيونيةCation Exchange Capacity

CEC

التعريف

هي كمية الكاتيونات المتبادلة لكل وحدة وزن من التربة الجافة

وحداتها :

cmol (+) /kg soil سنتيمول(+) / كيلوجرام تربةأو

meq(+) / 100 g soil جرام تربة 100ملليمكافئ (+) /

- هي عدد مواقع ادمصاص الكاتيونات لكل وحدة وزنية من التربة1 the number of cation adsorption sites per unit weight

of soil - أو هي : المجموع الكلي للكاتيونات المتبادلة التي يمكن أن تدمصها التربة 2

the sum total of exchangeable cations that a soil can adsorb.

* CEC is expressed in milliequivalents (meq) per 100 g of oven dry soil.

meq والمليمكافئ eqتعريف المكافئ

للكاتيون Equivalent weight الوزن المكافئ

= الوزن الجزيئي مقسوما علي تكافؤ الكاتيون

ملليمكافئ1000 مكافئ = 1كل •

مكافئ من السعة التبادلية الكاتيونية ل ي كاتيون 1كل •يشغل عددا من المواقع ( مواقع الدمصاص) مسويا

6.لعدد أفوجادرو موقع ادمصاص ... 1023* 0226. ملليمكافئ يشغل 1كل • موقعا 1020* 022

1 meq wt. of CEC has 6.022 x 10 20 adsorption sites meq of Common Cations Element Na+ K+ Ca++ Mg++

Valence 1 1 2 2 eq. Wt 23/1=23 39/1=39 40/2=20 24/2 = 12

1 meq wt .023 .039 .02 .012

0.023قارن بين عدد مواقع الدمصاص التي يشغلهاg من الصوديوم

من 0.023g من اللومنيوم , 0.023g من الكالسيوم , 0.023g و

الهيدروجين

تأثير قوام التربة علي السعة التبادلية الكاتيونية

CEC Soil Textureقوام التربة

1 – 5 Sandy5 – 10 Sandy Loam6 – 12 Silty Loam

15 – 30 Clay Loam <30 Clay

حساب الكاتيونات المتبادلة في التربة

تم تحليل ثل ث عينات تربة مختلفة في المعمل , ووجد أن قيم البوتاسيوم المتبادل كانت كما يلي

Soil CEC cmol K+/ kgSandy 0.06

Sandy loam 0.22

Sandy clay loam 0.78

: إحسب كمية البوتاسيوم المتبادل بالكيلو جرام لكل فدان السؤال الثالث

Assume Avg CEC for % OM = 200 meq/100g Assume Avg CEC for % clay = 50 meq/100g

CEC = (% OM x 200) + (% Clay x 50) From soil data: soil with 2% OM and 10% Clay 200 x .02 + 50 x .1 = 4 + 5 = 9 meq/100 g

% مادة 1.5% طين , 35: إحسب السعة التبادلية لتربة تحتو ي السؤال الرابع عضوية؟

التنبؤ بقيمة السعة التبادلية الكاتيونية باستخدام نتائج قوام التربة

Sand = 0-3 meq/100 g Silt = 10 – 15 Clay = 30 - 50 (depends on kind of clay)

% سلت 40% طين , 30 لتربة تحتوي علي : CECمثال : احسب الـ الحل :

CEC = (30% clay X 30 + 40% silt x 15 + 40% sand x 3 ) = 9 + 6 + 1.2 = 16.2 meq/100g

CEC = (30% clay x 50 + 40% silt x 10 + 30% sand x 2 ) = 15 + 4 + .6 = 19.6 meq/100g

24

Mineral Specific surface(m2/g)

C.E.C (meq/100g)

Kaolinite 10-20 3-10

Illite 80-100 20-30

Montmorillonite 800 80-120

Chlorite 80 20-30

مثال : احسب الـCEC : 40 لتربة تحتوي علي %clay معظمه ,, وتبلغ نسبة المادة العضوية silt% 35من المونتموريللونيت,

.1 2%

CEC = 40% clay x 100 + 35% silt x 12 + 25% sand x 3 + 200 x 1.2% OM

=40 + 4.2 + 0.75 + 2.4 = 47.35 meq/100g

أعد الحسابات في المثال السابق إذا كان معدن الكاولينيت هو السائد .

السؤال الخامس : متي تكون السعة التبادلية الكاتيونية للتربة مرتفعة ؟

إذا كانت التربة ذات محتو ي مرتفع من الدبال والمادة العضوية High humus

content ذات قدرة انتفاخية مرتفعة High swelling capacity 1:2 محتو ي مرتفع من معادن الطين High clay content ذات قوام ناعم Fine Texture

Base saturationالتشبع بالقواعد

cations, Ca2+, Mg2+, K+, and Na+ are considered to be basic cations.

The base saturation of the soil . وهي النسبة المئوية للكاتيونات القاعدية من السعة التبادلية الكاتيونية للتربة

من الـ 50حينما تكون نسبة التشيع بالقواعد أكبر من %CEC للتربة فإن للتبادل مع الكاتيونات الرخري , Ca, Mg, Kذلك يزيد من صلحية كاتيونات Soil pHوبالتالي يمنع انخفاض قيمة الـ

حينما تكون نسبة التشبع بالقواعد منخفضةLow base saturation من السعة التبادلية الكاتيونية للتربة, فإن ذلك يؤدي إلي زيادة نشاط ) 25%>)

Phytotoxicity والذي يسبب ظاهرة الـ Al+3كاتيون اللومنيوم الثليثي للنباتات (التسمم بزيادة امتصاص وتمثيل اللومنيوم)

Base Saturation % Base Saturation = ∑ meq bases cations ÷ CEC x 100 % Hydrogen Saturation = meq H ÷ CEC x100

Example: in an Ap Soil Horizon Cations-- H+ Ca++ Mg++ K+ Na+ meq/100g 9.4 14 3 0.5 0.1

CEC = 27 meq/100g (sum of cations)

% base saturation = 17.6 ÷ 27 x 100 = 65% % hydrogen saturation = 9.4 ÷ 27 x 100 = 35%

ماهي علقة السعة التبادلية الكاتيونية بحركة الكاتيونات في التربة

هل تتوقع أن يكون هناك تأيثير للسعة التبادلية الكاتيونية علي رخواص التربة ؟ وماهو ؟

السؤال السادس

Soil Solutionالمحلول الضرضي المحلول الضرضي والزتزان الديناميكي•

طرق الحصول علي المحلول الضرضي•

التركيب اليوني للمحلول الضرضي, وطرق التعبير عن •زتركيزه

علةقة المحلول الضرضي بتغذية النبات•

31

- -- -- -- -- -- -- -

free water

double layerwater

adsorbed water

50 nm

1nm

32

توزيع الكاتيونات في اللغلفة المائية المحيطة بحبيبة الطين

++++

+

++

+

+

+

+

+

+

+

++ +

+

+

++

++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+

++

+

+ + +

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+++

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+ +

+

cations

يقل تركيز الكاتيونات كلما ابتعدنا عن سطح حبيبة الطين

- -- -- -- -- -- -- -

clay particle

double layer free water

من 99في معظم أنواع الاراضي , يوجد حوالي % micellesالكاتيونات مرتبطة بسطوح الميسيل

(clay particles & organic matter (

هناك توازن دائم مابين الكاتيونات الموجودة في ,++mainly Ca++, Mgالمحلول الارضيK+ and Na (+

والكاتيونات المدمصة علي سطوح الميسيل

يؤدي هذا التزان إلي وجود ظاهرة التبادلالكاتيوني حينما يغادار أحد الكاتيونات مكانه فيحل

محله كاتيون آرخر

وعلي هذا يمكن تفسير امتصاص النبات للعناصرالغذائية من محلول التربة , حيث تخرج تلك الكاتيونات أساسا من مواقع التبادل الكتيوني

للميسيل

مجموع هذه السطوح هو مايسمي بالسعة التبادليةالكاتيونية

Cation Exchange Capacity or CEC

Micelleالميسيل

امتصاص العناصر بواسطة النبات

ت المتبادلة + اليونا

ص السطحي صا

المت

ض لار

ن اب م

صل ال

زءلج

ا

ربة الت

دنمعا

+

المادة العضوية والكائنات

الحية الدقيقة

و ضي

لارء ا

هواال

CO 2

تفاعل التربةSoil Reaction

Soil pH

pHتعريف الـ اللوغااريتم السالب لتركيز أيون الهيداروجين

في المحلول الارضي

هو مقياس سهل وبسيط يدل علي ةقيمة أيون الهيدضروجين •في التربة

مصدضره الساسي في التربة من زتحلل الماء في المحلول •

-H2O → H+ + OHالضرضي

يستخدم لقياس حموضة أو ةقلوية التربة •

What is pH?:

مصادضر حموضة أو قلوية التربة

أول: مصادار قلوية التربة :

- التحلل المائي للكربونات1

CaCO3 + H2O Ca+2 + HCO3- + OH-

- التجوية المعدنية لبعض المعادن والصخوضر, مثل التحلل 2المائي لمعدن النوضرثيت ( فلسباضر الكالسيوم) حيث ينتج عنه

ةقاعدة ةقلوية

Anorthite + H2O Aluminosilicate + Ca(OH)2

مصادضر حموضة أو قلوية التربة

يثانيا: المصادار الساسية لحموضة التربة :

- يثاني أكسيد الكربون الناتج عن تنفس الجذوار والكائنات 1الحية الدقيقة

- معدنة المواد العضوية المضافة للتربة2

- تفاعل يثاني أكسيد الكربون أو الغازات الحامضية الرخري 3مع ماء المطر

- عمليات التأزت والتمثيل الحيوي في التربة4

- إضافات بعض السمدة غير العضوية 5

Carbonic acid formation

• forms in soil waterCO2 + H2O H2CO3

H2CO3 H+ + HCO3-

----------------------------CO2 + H2O H+ + HCO3

-

• [CO2] is higher in soils than aboveground

التربة pHأهمية

يؤثر علي ذائبية المعادن في التربة يؤثر علي نمو النبات وعلي نوعية الكائنات الحية الدقيقة

السائدة بالتربة يؤثر علي ذائبية ودرجة صليحية العناصر الصغري

والكبري للتمتصاص بواسطة النبات يؤثر علي نوعية تفاعلت الترسيب أو الذوبان التي تسود

بالتربة

Neutral

Acidic Basic

pH MeasurementsPossible pH Ranges Under Natural Soil Conditions

carrot: 5.5-7.0

cucumber: 5.5-7.0

spinach: 6.0-7.5

tomato: 5.5-7.5

white pine: 4.5-6.0black walnut: 6.0-8.0

wheat: 5.5-7.5

Verystrong Strong Moderate Slight Slight Moderate Strong

Verystrong

3 4 5 6 7 8 9 10 111 2 12 13 14

Most agricultural soils

Extreme pH range for most mineral soils

cranberry:4.2-5.0

apple: 5.0-6.5

Laboratory Analysis

BACTERIA

pH Measurements

أنواع الحموضة The types of soil acidity

وهي أيونات : Active acidityالحموضة النشطة الهيدروجين الموجودة تمباشرة في المحلول الرضي

Free hydrogen ionsأي تمايسمي بالـ وهي : Soil potential acidityالحموضة الكامنة

المرتيطة بالكاتيونات المتبادلة والتي تمد تمحلول التربة بأيونات الهيدروجين, وخصة كاتيونات الحديد واللوتمونيوم

Bound hydrogen ionsوهي التي يطلق عليها الـ

الحموضة النشطة :

Exchangeable ( or Active ) acidity

وهي تمثل تمجموع كاتيونات الهيدروجين واللوتمنيوم المستخلص تمن التربة بواسطة كلوريد البوتاسيوم تمنسوبا لقيمة السعة التبادلية الكاتيونية

)]Al+3 + H+) / CEC [ الحموضة الكامنة :

Residual or bound or non-exchangeable acidity

وهي تمثل تمجموع كاتيونات الهيدروجين واللوتمنيوم غير المستخلص تمن التربة بواسطة كلوريد البوتاسيوم,

أنواع الحموضة The types of soil acidity

التحلل المائي لللمونيوم وأهميته في الحموضةHydrolysis of Al+3

H2O OH- + H+

Al+3 + HOH Al(OH)+2 + H+

Al(OH)2+ + HOH Al(OH)2+1 + H+

Al(OH)2+1 + HOH Al(OH)3 + H+

Al(OH)3 + HOH Al(OH)4-1 + H+

Soil Buffering capacity السعة التنظيمية للتربة

هي قدرة التربة علي مقومة التغيرات في الـ pHللمحلول الرضي .

تزداد قيمة السعة التنظيمية للتربة بزيادة محتواها من كل من clay and organic matter

السعة التنظيمية للتربةSoil Buffering Capacity

قدرة التربة علم تمقاوتمة التغيرات في قيمة الـpH

تعتبر كمية كاتيونات الهيدروجين الموجودة فيتمحلول التربة ( الحموضة النشطة) أقل بكثير

بالنسبة لما هو تمدتمص أو تمخزن في التربة ( الحموضة الكاتمنة)

تحل كمية تمن كاتيونات الهيدروجين المسحوبة تمنالحموضة الكاتمنة تمحل المسحوبة تمن المحلول

الرضي

تمعادلة الهيدروجين النشط بإضافة القواعد تؤديإلي سحب سريع لكمية تمن الهيدروجين تمن

الحموضة الكاتمنة لتعاود تمن جديد الدتمصاص علي سطوح المعقد الغروي للتربة