Kationová směnárna - Cation-exchange capacity

Kationtoměničová kapacita ( CEC ) je měřítkem toho, kolik kationtů lze zadržet na povrchu částic půdy. Negativní náboje na povrchu půdních částic váží kladně nabité atomy nebo molekuly (kationty), ale umožňují jejich výměnu s jinými kladně nabitými částicemi v okolní půdní vodě. To je jeden ze způsobů, jak pevné materiály v půdě mění chemii půdy. CEC ovlivňuje mnoho aspektů chemie půdy a používá se jako měřítko úrodnosti půdy , protože udává schopnost půdy zadržovat několik živin (např. K ⁺ , NH ₄ ⁺ , Ca ²⁺ ) v rostlinné formě. Rovněž označuje schopnost zadržovat kationty znečišťujících látek (např. Pb ²⁺ ).

Definice a zásady

Výměna kationtů na povrchu částice půdy

Kationtoměničová kapacita je definována jako množství kladného náboje, které lze vyměnit za hmotnost půdy, obvykle měřeno v cmol _c / kg. Některé texty používají starší ekvivalentní jednotky me / 100g nebo meq / 100g. CEC se měří v molech elektrického náboje, takže kapacita kationtové výměny 10 cmol _c / kg mohla pojmout 10 cmol kationů Na ⁺ (s 1 jednotkou náboje na kation) na kilogram půdy, ale pouze 5 cmol Ca ²⁺ (2 náboje za kation).

Kationtoměničová kapacita vzniká z různých negativních nábojů na povrchu půdních částic, zejména u jílových minerálů a půdní organické hmoty . Fylosilikátové jíly se skládají z vrstvených vrstev oxidů hliníku a křemíku . Nahrazení atomů hliníku nebo křemíku jinými prvky s nižším nábojem (např. Al ³⁺ nahrazený Mg ²⁺ ) může dát jílovité struktuře čistý záporný náboj. Tento náboj nezahrnuje deprotonaci, a proto je nezávislý na pH a nazývá se trvalý náboj. Okraje těchto listů navíc vystavují mnoho kyselých hydroxylových skupin, které jsou deprotonovány, aby zanechaly negativní náboje na úrovních pH v mnoha půdách. Organická hmota také velmi významně přispívá k výměně kationů kvůli velkému počtu nabitých funkčních skupin . CEC je obvykle vyšší v blízkosti povrchu půdy, kde je nejvyšší obsah organické hmoty, a klesá s hloubkou. CEC organických látek je vysoce závislá na pH.

Kationty jsou adsorbovány na povrchy půdy elektrostatickou interakcí mezi jejich kladným nábojem a záporným nábojem povrchu, ale zachovávají si obal molekul vody a nevytvářejí přímé chemické vazby s povrchem. Vyměnitelné kationty tak tvoří část difuzní vrstvy nad nabitým povrchem. Vazba je relativně slabá a kation může být snadno vytlačen z povrchu jinými kationty z okolního roztoku.

PH půdy

Vliv pH půdy na katexovou kapacitu

Množství záporného náboje z deprotonace hlinitých hydroxyskupin nebo organické hmoty závisí na pH okolního roztoku. Zvýšení pH (tj. Snížení koncentrace kationů H ⁺ ) zvyšuje tento proměnný náboj, a proto také zvyšuje kapacitu kationtové výměny.

Měření

Princip měření CEC v půdě

Kationtoměničová kapacita se měří vytěsněním všech vázaných kationtů koncentrovaným roztokem jiného kationtu a následným měřením buď vytěsněných kationtů, nebo množství přidaného kationu, které je zadrženo. Jako kationty výměníku se často používá barium (Ba ²⁺ ) a amonium (NH ₄ ⁺ ), i když je k dispozici mnoho dalších metod.

Měření CEC závisí na pH, a proto se často provádějí s pufrovacím roztokem při konkrétní hodnotě pH. Pokud se toto pH liší od přirozeného pH půdy, nebude měření za běžných podmínek odrážet skutečnou CEC. Taková měření CEC se nazývají „potenciální CEC“. Alternativně se měření při nativním pH půdy označuje jako „efektivní CEC“, což více odráží skutečnou hodnotu, ale může ztěžovat přímé srovnání mezi půdami.

Typické hodnoty

Kationtově výměnná kapacita půdy je určena jejími složkovými materiály, které se mohou velmi lišit v jejich jednotlivých hodnotách CEC. CEC je proto závislá na základních materiálech, ze kterých se vyvinula půda, a na podmínkách, za kterých se vyvinula. Tyto faktory jsou také důležité pro stanovení pH půdy, které má zásadní vliv na CEC.

Typická rozmezí pro CEC půdních materiálů

Základní nasycení

Základní nasycení vyjadřuje procento potenciálního CEC obsazeného kationty Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , K ⁺ nebo Na ⁺ . Tradičně se jim říká „bazické kationty“, protože jsou nekyselé, i když to nejsou zásady v obvyklém chemickém smyslu. Základní nasycení poskytuje index zvětrávání půdy a odráží dostupnost vyměnitelných kationtových živin pro rostliny.

Kapacita výměny aniontů

Pozitivní náboje půdních minerálů mohou zadržovat anionty na stejném principu jako kationtová výměna. Povrchy kaolinitu, alofanu a oxidů železa a hliníku často nesou kladné náboje. Ve většině půd je kapacita kationtové výměny mnohem větší než kapacita aniontové výměny, ale ve vysoce zvětralých půdách, jako jsou ferralsoly ( oxisoly ), může nastat opak .

Reference

Obecné odkazy

Ramos, FT; Dores EFGC; Weber OLS; Beber DC; Campelo Jr JH; Maia JCS (2018) „Půdní organická hmota zdvojnásobuje kationtově výměnnou kapacitu tropické půdy při bezobslužném zemědělství v Brazílii“. J Sci Food Agric. 10.1002 / jsfa.8881