НЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ ҐРУНТУ

Питання теми

1. Хімічний склад ґрунту.

2. Хімічні властивості ґрунту.

3. Перетворення сполук Нітрогену в ґрунті.

4. Перетворення сполук Фосфору в ґрунті.

5. Перетворення сполук Сульфуру в ґрунті.

1. Хімічний склад ґрунту.

Щоб зрозуміти процеси, які відбуваються в ґрунті, потрібно знати хімічний склад ґрунту та його зміни при ґрунтоутворенні і використанні ґрунту. Хімічний склад характеризується елементним складом.

Елементним складом ґрунту називається склад і кількісне співвідношення хімічних елементів у ґрунті.

Елементний склад ґрунту – це основна хімічна характеристика ґрунту, яка необхідна для розуміння його властивостей і генезису.

Ґрунти містять майже всі елементи періодичної системи Д.І. Менделєєва. За вмістом елементів та їх кількісним співвідношенням ґрунти відрізняються від живих організмів, мінералів і гірських порід. Ґрунти містять багато вуглецю і кремнію, що вказує на два фактори ґрунтоутворення – живі організми і ґрунтоутворюючі поріди. Особливістю елементного складу є великий діапазон концентрацій.

Вміст деяких елементів у ґрунтах (у %):

Si 26-44 Ti 0,2-0,5

Al 1-14 Mn 0,01-0,3

Fe 0,5-12 C_орг 0,5-4

Ca 0,5-5 N 0,05-0,2

K 0,2-3 P 0,02-0,1

Na 0,2-2 S 0,02-0,2

Mg 0,1-2 H 0,04-0,2

Елементний склад ґрунтів залежить від механічного складу ґрунту і властивостей хімічного елемента. Наприклад, в легких ґрунтах велика концентрація кремнію. Багато вуглецю міститься у ґрунтах, які утворились на карбонатних породах. Біогенні елементи (C, N, P, S) накопичуються в ґрунті з гумусом, скелетні елементи (Si, Al, Fe, Mg, K, Na) успадковуються від ґрунтоутворюючої породи.

За вмістом у ґрунті елементи поділяються на три групи:

1) макроелементи:

– Si і O, вміст яких у сумі складає від 80 % до 90 %;

– Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, вміст яких від десятих долей до декількох процентів;

2) мікроелементи: вміст від 0,01 % до 0,001 % (Ti, N, P, S, H);

3) ультрамікроелементи: вміст від n×10^–4 % до n×10^–10 % (Ba, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Cs, Se та інші).

За геохімічною спорідненістю хімічні елементи поділяють на такі групи:

1) літофільні елементи, споріднені до кисню і в умовах біосфери утворюють мінерали типу оксидів, гідроксидів, солей кисневовмістних кислот (Si, Ti, S, P, F, Cl, Al, Se, Na, K, Ca, Mg та інші);

2) халькофільні елементи, схильні утворювати сполуки із сіркою (Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Mn, Fe);

3) сидерофільні елементи, розчиняються в залізних сплавах і утворюють сплави з залізом (Fe, Co, P, C, Pt, Au, Sn, Mo та інші);

4) атмофільні елементи – це елементи земної атмосфери (H, N, C, O, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Cl, Br, I);

5) біофільні елементи, характерні для живих організмів (C, H, O, N, P, S, Cl, I, B, Ca, Mg, K, Na, V, Mn, Fe, Cu).

2. Хімічні властивості ґрунту.

У хімічних реакціях беруть участь не атоми, а й іони і молекули, тому хімія ґрунтів базується не лише на знаннях елементного складу, а на властивостях молекул.

Ґрунтоутворення здійснюється в результаті великої кількості хімічних процесів, які мають складний характер і зумовлені специфікою ґрунту як природного тіла, а особливо його хімічними особливостями.

Можна виділити такі хімічні особливості ґрунту:

1) поліхімізм – ґрунт містить велику кількість хімічних елементів і речовин. Один елемент може бути представлений декількома сполуками, а одна й та сама сполука може бути в різних кристалічних чи аморфних станах;

2) гетерогенність і полідисперсність – ґрунт це багатофазна система з неоднорідними поверхнями стикання, на яких відбуваються процеси сорбції і десорбції органічних і мінеральних речовин;

3) органо-мінеральні взаємодії. У ґрунтах формуються не лише прості і комплексні сполуки, а й складні адсорбційні комплекси, які складаються з мінеральних та органічних речовин;

4) динамічність ґрунтових процесів – для ґрунтів характерна добова, сезонна, річна і вікова динаміка. Зміни відбуваються безперервно, що зумовлює зміни хімічного складу ґрунтів;

5) просторова неоднорідність, пов’язана з просторовою неоднорідністю факторів ґрунтоутворення;

6) нерівноважний стан і термодинамічна незворотність процесів. Ґрунт – відкрита термодинамічна система через яку постійно проходить потік енергії і речовин, це не дає можливості досягнути рівноважного стану. Крім того, ґрунт має своєрідну кінетику грунтово-хімічних процесів, в якій поєднуються дуже швидкі і дуже повільні реакції.

3. Перетворення сполук Нітрогену в ґрунті.

Ґрунти містять велику кількість неорганічних речовин. Для мінерального живлення рослин найбільше значення мають сполуки Нітрогену, Сульфуру і Фосфору.

У ґрунтах найчастіше зустрічаються сполуки Нітрогену із ступенями окислення –3 і +5.

Мінеральні сполуки Нітрогену представлені нітратами, нітритами, солями амонію, у газовій фазі містяться оксиди азоту і молекулярний азот. У доступній рослинам формі знаходиться від 1 % до 3 % загальної кількості Нітрогену ґрунту. Доступним для рослин є Нітроген нітратів і амонійний азот, частково засвоюються і низькомолекулярні органічні сполуки, наприклад амінокислоти.

Трансформація Нітрогену в ґрунті включає фіксацію атмосферного азоту, перетворення азотовмісних сполук органічних решток у гумусові кислоти, амоніфікацію органічних сполук, процеси нітрифікації і денітрифікації, фіксацію амонійного азоту глинистими мінералами, вимивання сполук Нітрогену з ґрунту.

Амоніфікація – це перехід Нітрогену органічних речовин в аміачні сполуки. Амоніфікацію зумовлюють мікроорганізми, які здатні розщеплювати білкові сполуки й утворювати аміак та його сполуки.

У ґрунті аміак вступає в реакцію з різними кислотами й утворює амонійні солі:

2NH₃ + H₂SO₄® (NH₄)₂SO₄.

Також він взаємодіє з водою і утворює гідроксид амонію:

NH₃ + H₂O ® NH₄OH.

Процес амоніфікації здійснюється в аеробних і анаеробних умовах.

Нітрифікація – це процес утворення нітратної кислоти та її солей з аміачних сполук. Нітрифікація здійснюється у дві стадії. Спочатку бактерії окислюють аміак до нітритної кислоти:

2NH₃ + 3O₂® 2HNO₂+2H₂O,

а потім перетворюють нітритну кислоту в нітратну:

2HNO₂+O₂ ® 2HNO₃.

Нітратна кислота взаємодіє з різними основами і дає солі NaNO₃, KNO₃ і Ca(NO₃)₂ – найбільш доступну форму для живлення рослин. Нітрифікація – процес окислення, отже для утворення нітратів в ґрунті необхідна аерація. На нітрифікацію впливають волога, теплота і реакція середовища. Найбільш інтенсивно процес протікає у ґрунтах з нейтральною, слабокислою чи слаболужною реакцією при вологості 60 %, вільному доступі повітря і температурі від 25 ^оС до 35 ^оС.

Денітрифікація – це відновлення Нітрогену нітратів до молекулярного азоту. Процес відбувається в анаеробних умовах з участю бактерій. При цьому виділяється велика кількість теплоти.

Процес денітрифікації можна виразити рівнянням:

5C+KNO₃® 2K₂CO₃ + 3CO₂ + 2N₂,

де С – органічна речовина.

Фіксація атмосферного азоту в ґрунті. Атмосфера містить велику кількість азоту, але рослинами він засвоюватись не може. Цей азот рослини можуть використовувати лише після його зв’язування азотфіксуючими мікроорганізмами. У ґрунті є дві групи азотофіксуючих мікроорганізмів. Одні з них, бульбочкові, розвиваються на коренях бобових рослин, інші вільно живуть в ґрунті. Вільноживучі азотофіксатори можуть бути аеробними та анаеробними.

4. Перетворення сполук Фосфору в ґрунті.

Фосфор у ґрунті знаходиться в малодоступному для рослин вигляді. Основна маса Фосфору міститься в органічних речовинах, решта у солях ортофосфорної кислоти (H₃PO₄). Найбільше у природі ортофосфатів кальцію.

Сполуки Фосфору у ґрунті підлягають різноманітним перетворенням. Найбільше значення для ґрунтоутворення мають мінералізація органічних речовин, зміна рухливості фосфорних сполук (мобілізація та імобілізація) і фіксація фосфору.

Мінералізація – це перетворення органічних сполук Фосфору в мінеральні в результаті діяльності мікроорганізмів.

Мобілізація – це перетворення важкорозчинних солей Фосфору в розчинні та їх перехід у ґрунтовий розчин. Наприклад, перетворення трикальційфосфату в ди- і монокальційфосфат:

Ca₃(PO₄)₂® CaHPO₄® Ca(H₂PO₄)₂.

Значну роль в мобілізації фосфорної кислоти відіграють мікроорганізми. Вони розкладають органічні речовини і вивільняють фосфорну кислоту. Вона взаємодіє з основами і утворює фосфорнокислі солі, які можуть засвоювати рослини.

На процеси мобілізації впливає ґрунтова волога. Вода здатна частково розчиняти нерозчинні фосфати кальцію і переводити їх в розчинні.

Іммобілізація фосфорної кислоти – це засвоєння мікроорганізмами легкорозчинних сполук Фосфору і перетворення їх в складні органічні речовини, які не можуть засвоювати рослини. Після відмирання мікроорганізмів і мінералізації їх тіл, Фосфор знову переходить в розчинну форму і стає доступним для рослин.

Фіксація фосфору полягає в його переході у нерозчинний стан за рахунок утворення зв’язків з мінеральними компонентами ґрунту. У цих реакціях беруть участь, в основному, іони H₂PO₄^–.

5. Перетворення сполук Сульфуру в ґрунті.

Сульфур в ґрунті представлений органічними і неорганічними речовинами. Їх співвідношення залежить від типу ґрунту і материнської породи. Інколи у ґрунтах зустрічається вільна сірка.

Сульфур та його сполуки відіграють важливу роль у процесі ґрунтоутворення і живленні рослин.

Неорганічні сполуки Сульфуру дуже різноманітні. Одна з головних груп сполук Сульфуру – похідні оксидів. Двооксид SO₂ і триоксид SO₃ легко розчиняються в воді, розчин SO₂ дає сірчисту кислоту H₂SO₃, розчин SO₃ – сірчану H₂SO₄. Ці кислоти утворюють солі – сульфіти і сульфати. Найбільш поширеними сульфатами є гіпс CaSO₄×2H₂O та ангідрид CaSO₄×0,5H₂O чи CaSO₄. В засолених ґрунтах зустрічається глауберова сіль.

Наступна група мінеральних сполук Сульфуру в ґрунтах – сірководень H₂S та його солі.

Сірководень – отруйний газ, значне його накопичення у ґрунті було б шкідливим для рослин. Сірководень не накопичується у ґрунті, оскільки сіркобактерії окислюють його і переводять в сірчану кислоту. Це перетворення називається сульфуризацією:

2H₂S + O₂® 2H₂O + S₂

S₂ + 2H₂O + 3O₂® 2H₂SO₄.

Сіркобактерії – це аеробні мікроорганізми. Чим пухкіший ґрунт тим краще відбувається газообмін і сірководень інтенсивніше перетворюється у сірчану кислоту. У щільних ґрунтах, де слабкий потік повітря, процес сульфуризації поступається процесу десульфуризації, при якому анаеробні бактерії відновлюють солі сірчаної кислоти до H₂S.

Крім сульфуризації і десульфуризації із сполуками Сульфуру у ґрунті відбувається мінералізація, іммобілізація, окислення і відновлення.

Мінералізація – це перетворення органічних сполук Сульфуру в мінеральні. Мінералізація інтенсивно відбувається при оптимальних для мікроорганізмів умовах.

Іммобілізація – процес перетворення неорганічних речовин Сульфуру в органічні в результаті діяльності мікроорганізмів. При цьому Сульфур сульфатів накопичується у вигляді сульфуровмісних амінокислот.

Окислення і відновлення здійснюється хімічним і біохімічним шляхом. Окислення сполук Сульфуру інтенсивно відбувається в аеробних умовах киснем повітря або з участю сіркобактерій. Окислення Сульфуру відбувається ступінчасто:

S ® S₂O₃^2-® S₄O₆^2-® SO₃^2-® SO₄^2-.

В результаті процесів окислення у ґрунті накопичується сірчана кислота.

Реакції відновлення сульфатів відбуваються з участю сульфоредукуючих бактерій. Ці реакції зумовлюють накопичення у ґрунті сульфідів заліза й соди і, як наслідок, формування содовозасолених ґрунтів і солончаків.