logo

logo

logo

logo

logo

الامتزاز في التربة

امتزاز في تربه

Adsorption in soil - Adsorption dans le sol

الامتزاز في التربة

فلاح أبو نقطة

امتزاز الكاتيونات في التربة cation adsorption by soil

امتزاز الأنيونات في التربة anion adsorption by soil

 

هو ارتباط المواد المختلفة سائلة أو غازية أو صلبة، أو حتى حية، جزيئية أو إيونية بسطوح مادة أخرى غالباً ما تكون صلبة (التربة)، وتشكل هذه الجزيئات أو الإيونات غشاءً أو طبقة رقيقة على سطوح المادة المازة adsorbent بقوى كهربية راكدة (ساكنة) electrostatic، وهذه القوى أضعف بكثير من الامتصاص الكيميائي chemisorption أو من الارتباط الكيميائي chemical bonding. وكلما صغر حجم حبيبات التربة، وازدادت مساميتها؛ ازداد سطحها النوعي، وأصبحت عملية الامتزاز أشد وضوحاً.

في كثير من المراجع، تُقسم القوى المسؤولة عن تفاعلات الامتزاز إلى الأنواع الآتية: القوى الفيزيائية، والقوى الكيميائية، والارتباط الهدروجيني hydrogen bonding، والارتباط كاره الماء hydrophobic، والارتباط الكهرساكن electrostatic bonding، وتفاعلات التساند coordination reaction، وتبادل الربيطة ligand exchange علماً بأنه يمكن دمج بعض تلك الأنواع معاً، فالرابطة الهدروجينية مثلاً تندرج تحت القوى الفيزيائية أو الكيميائية.

ويمكن تمييز أكثر من نوع من الامتزاز في التربة؛ أهمها:

1. الامتزاز الفيزيائي physical adsorption: يعني زيادة تركيز الجزيئات الذائبة في محلول الطبقة المحيطة بغروانيات التربة قياساً بباقي أجزاء المحلول. ويرجع هذا إلى ظهور الطاقة السطحية الحرة على السطوح الفاصلة أو البينية لحبيبات التربة ووسط الانتثار، وهو محلول التربة. وتتناسب هذه الطاقة طردياً مع السطح النوعي لحبيبات التربة الذي يزداد عند صغر الحبيبات، فعند تقسيم مكعب طول ضلعه سنتمتر واحد مثلاً إلى مكعبات طول ضلع الواحد منها ميكرومتر واحد؛ فإن السطح النوعي سيتضاعف عشرة آلاف مرّة. وبما أن كل جملة انتثار dispersion system تحاول خفض طاقتها السطحية لتقترب من الاتزان؛ فإنها ستعمل إما على زيادة حجم مادة الانتثار وإما على خفض توترها السطحي.

تقسم المادة من حيث تأثيرها في التوتر السطحي للماء إلى:

1) مواد تخفض التوتر السطحي، وتسمى نشطة سطحياً، مثل الحموض العضوية وكثير من المواد العضوية عملاقة الجزيئات.

2) مواد ترفع التوتر السطحي، مثل الحموض غير العضوية والقلويات والأملاح والسكريدات.

ونتيجة لمحاولة جملة الانتثار خفض الطاقة السطحية فإنه سيزداد تركيز محاليل المواد التي تخفض التوتر السطحي عند السطوح الفاصلة بين مادة الانتثار (الطور الصلب)، ووسط الانتثار (المحلول)، ويعني هذا امتزازاً إيجابياً أو نوعياً positive adsorption للمواد المذكورة. أما المواد التي ترفع التوتر السطحي فإن تركيزها ينخفض عند السطوح الفاصلة للطورين مقارنة ببقية أجزاء المحلول، ويسمى هذا امتزازاً سلبياً negative adsorption، ويؤدي هذا إلى ضياع كثير من المواد المغذية للمزروعات مثل النترات بهذه الطريقة. وفي هذه الحالة فإن خفض التوتر السطحي يتحقق عبر امتزاز جزيئات الماء وليس الجزيئات المنحلة فيه.

يعبِّر الامتزاز الفيزيائي بنوعيه الإيجابي والسلبي عن امتصاص الجزيئات من دون تشردها (تأينها). وهو يؤثر في مصير كثير من المواد المنحلة في محلول التربة، كما يعمل على تباين تركيز هذه المواد في أجزاء المحلول القريب من الجزء الصلب والبعيد عنه. ونتيجة لهذا الامتزاز تحاط حبيبات المعادن في التربة بأغشية من المواد الدبالية لتحفظ من الضياع، وفي الوقت ذاته تعمل على إكساب هذه الحبيبات كثيراً من الصفات المهمة مثل القدرة التبادلية والانتباج وغيرها.

2 - الامتزاز الفيزياكيميائي أو التبادلي exchange adsorption: وهو جذب الإيونات إلى الطبقة الكهربائية المزدوجة أو الثلاثية في غروانيات التربة، ويدعى بالخاصية التبادلية، فإذا عوملت تربة ما بمحاليل ملحية؛ فسيجري تبادل متكافئ بين إيونات المحلول وإيونات الانتشار في الطبقة المكافئة في المذيلة الغروانية micelle على سبيل المثال. وتعد هذه الطبقة جزءاً من بنية مذيلة غروانية بحسب فرضية غوربونوف Gorbunov. وتدعى مجموعة غروانيات التربة المعدنية والعضوية القادرة على التبادل معقد امتزاز التربة soil adsorption complex. أما إيونات الطبقة المكافئة فتسمى الإيونات الممتزة، وتكون عادةً قابلة للتبادل. وتمتز الغروانيات سالبة الشحنة الكاتيونات cations، في حين تمتز الغروانيات موجبة الشحنة الأنيونات anions بحسب المعادلتين (1 و2) على التوالي:

 

 

تربة] الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image57282.jpg
تربة] الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image61819.jpg
تربة]

امتزاز الكاتيونات في التربة cation adsorption by soil:

تمتز الكاتيونات في التربة بآليات متعددة كيميائياً أو تبادلياً أو امتزازاً غير تبادلي أو تثبيتاً في طبقة الإيونات المحددة للكمون في غروانيات التربة. ويتعلق امتزاز الكاتيونات بخصائص الكاتيونات ذاتها وطبيعة غروانيات التربة وكذلك بنوعية المحاليل التي تعامل بها التربة.

امتزاز الكاتيونات التبادلي: إن قدرة الكاتيونات على الامتزاز متباينة، وهي تتناسب مع الكتل الذرية للكاتيونات وتكافؤاتها ثم مع أقطارها إن كانت متساوية التكافؤات، ويبين الجدول (1) أنصاف أقطار الكاتيونات المنتشرة في محلول التربة وأوزانها الذرية متسلسلة بصورة تصاعدية من أول كاتيون حتى آخر كاتيون.

الجدول (1)

الكاتيون

نصف القطر Å

الوزن الذري

الكاتيون

نصف القطر Å

الوزن الذري

Li+

0.68

7

H+

-

1

Na+

0.98

23

Ca2+

1.04

40

NH4+

1.43

18

Ba2+

1.38

137

K+

1.33

39

Ai3+

0.57

27

Mg2+

0.74

24

Fe3+

0.67

56

تتوضع الكاتيونات تبعاً لمقدرتها على الامتزاز وفق التسلسل الآتي:

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image93825.jpg

وتجدر الإشارة إلى أن قدرة الهدروجين على الامتزاز أعلى من قدرة المغنزيوم ثنائي التكافؤ، ويعود سبب ذلك إلى مقدرة الهدروجين على الاتحاد مع جزيء ماء مكوناً إيون الهدرونيوم H3O+ غير القابل للتميه يبلغ نصف قطره 1.35 أنغستروم، أو يعود السبب إلى انخفاض مقدرة الهدروجين على التميه.

يؤدي التركيب المعدني والكيميائي للغروانيات دوراً مهماً في عمليات الامتزاز؛ إذ لا تمتز الكاتيونات بدرجة متساوية على مختلف الغروانيات، كما أن لتراكيز المحاليل التي تعامل بها التربة وحجومها أثراً واضحاً في الامتزاز؛ إذ يزداد التبادل الكاتيوني بازدياد تراكيز المحاليل وازدياد نسبتها الوزنية إلى التربة.

تختلف سرعة التبادل الكاتيوني بحسب موقعها في الغروانيات، إذ تتبادل المتوضعة منها في الطبقات الخارجية من الغروانيات بسرعة عالية، في حين يستغرق تبادل الكاتيونات المتوضعة داخلياً بين الطبقات عدة أيام. تتعلق قدرة الكاتيونات التبادلية على الحركة بنسبة تشبع التربة بتلك الكاتيونات، ونتيجة لحركة الكاتيونات السريعة نسبياً؛ فإنها تُعدّ متاحة لأحياء التربة.

امتزاز الكاتيونات غير التبادلي أو التثبيت fixation:

قد تحتوي التربة على بعض الكاتيونات غير التبادلية، حيث لا تزاح عند معاملة التربة بمحاليل الأملاح المتعادلة، وتكون مثل هذه الكاتيونات غير متاحة مباشرةً للأحياء. إن أكثر الكاتيونات قابلية للتثبيت هي أحادية التكافؤ كبيرة الحجم مثل البوتاسيوم والأمونيوم. يجري تثبيت الكاتيونات في طبقةالإيونات (الشوارد) المحددة للكمون، وتحتل هذه الكاتيونات مكانة متوسطة – من حيث قوة تثبيتها – بين شوارد الشبيكة البلورية والكاتيونات التبادلية.

تتصف معادن الغضار ذات الشبيكة البلورية المتحركة مثل السمكتيت smectite بمقدرة واضحة على تثبيت الكاتيونات؛ ولاسيما الأمونيوم بين طبقاتها. ويقل تثبيت الأمونيوم بازدياد نسبة الدبال في التربة الذي يشكل أغشية تغلف سطوح المعادن تحول دون عملية التثبيت هذه. لا تبقى الحالة التي تكون عليها الكاتيونات في التربة ثابتة على الدوام، وإنما يمكن أن تتغير من صورة إلى أخرى بحسب ما يلي:

كاتيونات الشبيكة البلوريةالوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image383.jpgكاتيونات غير تبادلية (مثبتة) الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image390.jpgكاتيونات تبادلية الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image398.jpgكاتيونات محلول التربة

• تركيب الكاتيونات التبادلية:

يختلف تركيب الكاتيونات التبادلية من تربة لأخرى، وتقسم الترب استناداً إلى تركيب الكاتيونات الممتزة فيها إلى نوعين: مشبعة بالقواعد وغير مشبعة بالقواعد، تتصف الأولى بخلوها من الهدروجين أو الألمنيوم الممتزين أو كليهما، أما الثانية فإن معقد امتزازها يضم الهدروجين أو الألمنيوم أو كليهما بنسبة ما. تختلف النسبة المئوية للتشبع بالقواعد في الترب المتباينة، ويرمز لهذه النسبة عادة بالحرف V، وتحسب كما يلي:

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image407.jpg

حيث:

S: يعبر عن عدد مليمكافئات القواعد الممتزة في 100 غرام تربة.

T: السعة التبادلية مقدرة بالمليمكافئ في 100 غرام تربة.

وتجدر الإشارة إلى ارتفاع نسبة الصوديوم الممتز في الترب القلوية، وترتفع نسبة الهدروجين والألمنيوم الممتزين في الترب الحامضية، وتسود كاتيونات الكلسيوم والمغنزيوم في الترب المتعادلة.

سعة التبادل الكاتيوني cation exchange capacity:

هي أكبر كمية من الكاتيونات القادرة على التبادل، وتقاس بالمليمكافئ /100 غرام تربة أو بالسنتيمول/كغ، ويرمز لها عادة بالحرف T، وهي تختلف من تربة لأخرى بحسب التركيب الميكانيكي والمعدني للتربة ونوعية الغروانيات ونسبتها، وكذلك بحسب نسبة الدبال والباهاء (pH) التربة.

تبلغ السعة التبادلية وسطياً بين 10-60 ملي مكافئ / 100 غرام تربة، وهي تتجاوز عادة 30 ملي مكافئاً في معظم ترب جنوبيّ سورية وترب مناطق الاستقرار الزراعي الأولى والثانية والثالثة. وتبلغ 10-12 ملي مكافئاً في معظم ترب البادية السورية، وهذا يرتبط بنوعية معادن الغضار ونسبتها وكذلك بنسبة الدبال في التربة، فسعة التبادل الكاتيوني لمجموعة معادن السمكتيت مثلاً تقع بين 80-150 ملي مكافئاً، في حين لا تتجاوز بالمتوسط 15 ملي مكافئاً/100 غرام في الكاولينيت. وهي تتجاوز قليلاً 200 ملي مكافئ/100غرام دبال. وبالتالي فإن سعة التبادل هذه تكون منخفضة في الترب الرملية؛ وعالية في معظم الترب الطينية.

تأثير القواعد الممتزة في المحاصيل الزراعية:

للقواعد الممتزة دور كبير للغاية في تغذية النباتات ونموها، كما تتعلق الخصائص الفيزيائية للتربة بنوعية الكاتيونات؛ إذ تتميز الترب التي يشبع الكلسيوم معقد امتزازها بصفات فيزيائية جيدة، بعكس زيادة الصوديوم التي تؤدي إلى تكوين خصائص فيزيائية سيئة للترب التي يسود في معقد امتزازها. كما يرتبط تفاعل وسط التربة بتركيب الكاتيونات الممتزة، فالتفاعل المتعادل أو خفيف القلوية من مميزات الترب المشبعة بالكلسيوم التبادلي، وتتصف الترب الغنية بالصوديوم التبادلي بتفاعلها القلوي؛ وهذا ما يلاحظ في السولونتس (التربة القلوية). أما الترب الغنية بالهدروجين أو الألمنيوم؛ فتكون حامضية التفاعل، وتوجد علاقة وثيقة بين نسبة التشبع بالقواعد وتفاعل التربة. وقد وجد أن نسبة التشبع بالقواعد الملائمة لمعظم المحاصيل الحقلية والبستانية هي 80% أو أكثر بحيث يؤلف الكلسيوم أكثر من نصفها.

ويبين الجدول (2) تركيب القواعد الممتزة في ثلاثة أنماط من التربة؛ تشرنوزم chernozem (أرض سوداء) مشبعة بالقواعد متعادلة، يسود الكلسيوم فيها، وسولونتس solonets (قلوية) مشبعة بالقواعد يسود الصوديوم الممتز فيها، وبودزول podzol (حامضية) قليلة التشبع بالقواعد، يسود فيها الهدروجين والألمنيوم الممتزان. ويلاحظ من الجدول العلاقة الوثيقة بين نوعية الكاتيونات السائدة في معقّد الامتزاز والأس الهدروجيني أو الـ pH في تلك الترب.

تؤدي الكاتيونات دوراً مهماً لكونها مصدراً رئيساً لتغذية النباتات، وبما أنها توجد بحالة ممتزة؛ فإنها تدخل تدريجياً إلى المحلول لتصبح في متناول جذور النباتات. كما تشارك هذه الكاتيونات في ربط حمض الفسفور والحموض العضوية وغيرها من المركّبات، لهذا يجب أن يحدد تركيب القواعد الممتزة قبل وضع أي سياسة سمادية للتربة.

الجدول (2): تركيب الكاتيونات الممتزة في ثلاثة أنماط من الترب، مليمكافئ/100غ تربة.

نمط التربة

الأفق

العمق سم

Ca

Mg

Na

Al+H

مجموع الكاتيونات

مجموع القواعد

٪للتشبع بالقواعد

pH

تشرنوزُم نموذجي

A1

B1

10-0

70-60

39.1

34.6

6.0

3.4

لا يذكر

لا يذكر

لا يوجد

لا يوجد

45.1

38.0

45.1

38.0

100

100

7.1

7.3

سولونتس

A1

B1

10-0

24-10

27.0

10.6

20.3

30.0

3.8

15.4

لا يوجد

لا يوجد

51.1

56.0

51.1

56.0

100

100

8.2

9.6

بودزول

A1

A2

15-5

30-20

1.8

1.5

0.6

0.4

لا يوجد

لا يوجد

9.2

6.6

11.6

8.5

2.4

1.9

20

22

4.2

4.1

امتزاز الأنيونات في التربة anion adsorption by soil:

يرتبط امتزاز الأنيونات بعدة عوامل، أهمها خصائص الأنيونات ذاتها وتركيب غروانيات التربة وكمونها الكهربائي وتفاعل الوسط. وتتسلسل الأنيونات بحسب مقدرتها على الامتزاز كما يلي:

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image131955.jpg

إذ مع ازدياد تكافؤ الأنيون تزداد مقدرته على الامتزاز، ويشذ عن ذلك أنيون الهدروكسيل.

يكون الامتزاز الأنيوني واضحاً عندما يزداد محتوى التربة من الغروانيات موجبة الشحنة وعند زيادة حموضة الوسط. لذلك تلاحظ هذه الظاهرة واضحة في ترب المناخات المدارية الرطبة حيث ترتفع نسبة أكاسيد الحديد والألمنيوم المائية موجبة الشحنة، لهذا لا يمكن تطبيق الأسس المعتمدة في ترب المناخات المعتدلة المتعلقة بامتزاز الإيونات على ترب المناخات الحارة الرطبة. فالنترات والكلور مثلاً يتصفان بسهولة الحركة والغسل من الترب ذات الغروانيات سالبة الشحنة في حين يمتزان على غروانيات الترب ذات الشحنة الموجبة؛ ويصبحان أقل حركة.

تترسب الفسفات في الترب متعادلة التفاعل كما يلي (المعادلة 3):

 

معقد الامتزاز الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image147663.jpg
معقد الامتزاز

أما في الترب الحامضية فتترسب الفسفات كما يلي (المعادلة 4):

 

معقد الامتزاز الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image156304.jpg
 
معقد الامتزاز
 

وتجدر الإشارة إلى انخفاض درجة تثبيت الفسفات في الترب الغنية بالدبال، ويرجع ذلك إلى أسباب متعددة.

• سعة امتزاز الأنيونات anion adsorption capacity:

يتعلق امتزاز الأنيونات بنوعية الغروانيات وبنيتها ودرجة تبعثرها وكذلك بنوعية معادن الغضار، فالكاولينيت أكثر قدرة على امتزاز الفسفات مثلاً من السمكتيت. وإن أكثر الأنيونات عرضة للامتزاز أو التثبيت هي الفسفات، ويؤدي الأس الهدروجيني pH دوراً واضحاً في امتزاز الفسفات، ففي الوسط القلوي يمكن أن تتثبت الفسفات في طبقة الإيونات المحددة للكمون في الغروانيات المذبذبة amphoteric. وإن وجود أغشية من المواد العضوية تغطي حبيبات التربة تمنع تثبيت الفسفات. ويمكن أن تنطبق قواعد امتزاز الكاتيونات التي سبق ذكرها على امتزاز الأنيونات عندما تكون الغروانيات موجبة الشحنة. وتقاس سعة الامتزاز الأنيوني بالمليمكافئ في 100 غرام تربة، أو بالسنتيمول شحنة بالكيلوغرام تربة.

دور الامتزاز في درء pH التربة soil buffering:

يزداد الدرء في التربة بازدياد سعة الامتزاز، وترتبط نوعية الدرء بنسبة تشبع التربة بالقواعد؛ إذ تتصف الترب التي تكون فيها نسبة التشبع بالقواعد عالية بمقاومة دارئة للحموضة، حيث يتبادل هدروجين محاليلها مع القواعد الممتزة؛ ليحد ذلك من حموضة التربة، وذلك بحسب المعادلة (5):

معقد الامتزاز الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image424753.jpg
معقد الامتزاز

وفي هذا التفاعل يجري امتزاز لهدروجين حمض الكربون الذائب في محلول التربة على سطح معقد الامتزاز وترسيب كربونات الكلسيوم؛ وبالتالي تنخفض حموضة التربة.

أما الترب غير المشبعة بالقواعد فتتصف بمقاومتها للقلوية؛ إذ يتبادل الصوديوم من محاليلها مع الهدروجين الممتز بحسب المعادلة (6):

معقد الامتزاز الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image172360.jpg
معقد الامتزاز

في هذه الحالة يجري امتزاز لصوديوم الصودا الذائبة في محلول التربة على سطح معقد الامتزاز؛ وبالتالي تنخفض قلوية التربة.

إن للامتزاز بنوعيه الكاتيوني والأنيوني أهمية كبيرة في حفظ عناصر التغذية من الغسل وإتاحتها للمزروعات حين الحاجة إليها. كما أنه يؤثر بشدة في معظم خصائص التربة؛ ولاسيما الكيميائية منها.

• امتزاز الأملاح كيميائياً: إن أي تفاعل يجري في التربة محولاً المركّبات الذائبة إلى راسبة غير ذائبة يًعدَ امتزازاً أو ترسيباً كيميائياً، فإضافة سماد السوبرفسفات الذائب إلى تربة غنية بأملاح الكلسيوم الذائبة ستعمل على تحويل السماد المذكور إلى فسفات ثلاثية الكلسيوم غير ذائبة بحسب التفاعل (7):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image178554.jpg

كما قد تترسب مركّبات الفسفات حين إضافتها إلى الترب الحامضية الغنية بمركبات الألمنيوم أو الحديد بحسب التفاعل (8):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\74\Image569.jpg

ولهذه التفاعلات أهمية تطبيقية كبيرة؛ إذ يُعدُّ تثبيت الفسفات في الترب الكلسية أو الحامضية من أكبر المشكلات التي تعرقل الاستفادة من استعمال الأسمدة الفسفاتية، كما تنطبق هذه الآلية على ترسيب الحديد الذائب ومعاناة المزروعات في تلك الترب عوزه.

مراجع للاستزادة:

- فلاح أبو نقطة، علم التربة. جامعة دمشق، 1995.

- فلاح أبو نقطة، حسن حبيب، حياة وطفة، كيمياء التربة، جامعة دمشق، 2011.

I. S. Kaorichev, Pedology, Agropromizdat, Moscow,1989.

V. A. Kovda , B. G. Rozanov, Pedology,Vishaya Shkola, Moscow, 1989.

T. A. Sokolova, T. Y. Dronova, I. I. Tolpeshta, Clay Minerals in Soils. Tula ; Moscow, 2005.

H. Tan kim, Prniciples Soil Chemistry,Marcell Deker Inc. New York, 1998.

A. E. Vozbutskaya, Soil Chemistry, Vishaya Shkola, Moscow, 1998.


التصنيف : البيئة
النوع : البيئة
المجلد: المجلد الثالث
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 505
الكل : 27465677
اليوم : 75714