Ugrás a tartalomhoz

Talajtan

Stefanovits Pál, Filep György, Füleky György

Mezőgazda Kiadó

7. fejezet - A talaj kémiai tulajdonságai

7. fejezet - A talaj kémiai tulajdonságai

A talaj kémiai tulajdonságait elsősorban a vízben oldható sók mennyisége és minősége, a kolloidkémiai reakciók, a kémhatás és a redoxi feltételek határozzák meg. Mindezek jelentősen befolyásolják a talaj vízzel szembeni viselkedését, szerkezetét és a talajba került anyagok (tápanyagok, szennyező anyagok stb.) sorsát is.

Oldható sók a talajban

A talajok mindig tartalmaznak vízben kisebb-nagyobb mértékben oldódó vegyületeket. Ezek mozgékonysága, víz általi szállíthatósága és talajra gyakorolt hatása – oldhatóságuktól és kémiai összetételüktől függően – nagymértékben különbözik.

Oldódási-kicsapódási reakciók

Az oldódási reakciókat három típusba lehet sorolni.

1. Fizikai oldás. A vegyület az oldási folyamatban nem változik meg, bepárlás után a feloldott anyag teljes mennyisége visszanyerhető. Ebbe a típusba tartozik pl. a konyhasó oldása: NaCl Na+ + Cl–. (Nem elektrolitok pl. a cukor oldódásakor a kristályrácsból nem ionok, hanem molekulák szabadulnak ki).

2. Kémiai oldás. Kovalens vagy komplex kötésű vegyületek oldásakor új anyag is keletkezik, s az oldódást gyakran gázfejlődés kíséri. Pl.

Al(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2O, illetve

FeS + 2H+ Fe2+ + H2S.

3. Elektrokémiai oldás. Az oldódás elektronátmenettel (oxidációval-redukcióval) jár. Pl. a cink-szulfid oldódása oxigénben gazdag vízben:

ZnS + 2O2 ZnSO4.

Oldhatóság, oldhatósági szorzat

Egy BbAa összetételű szilárd só (elektrolit) vizes oldatban teljesen disszociál:

BbAa bB+ + aA-.

Ha elegendő mennyiségű oldódó anyag van jelen, az oldódás egy idő múlva megáll, mivel az oldat egyensúlyba kerül a szilárd anyaggal, azaz az oldat telítetté válik. Egyensúlyi állapotban a szilárd fázisból időegység alatt ugyanannyi ion kerül oldatba, mint amennyi a telített oldatból kiválik. Ebből következően az oldott anyag mennyisége adott hőmérsékleten konstans (K’). A K’ és a vegyület Kd disszociáció-állandójának szorzata is konstans (Ksp), vagyis

[B + ] b [ A ] a = K sp MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0R Yxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGa baGaaeqabaqaaeaadaaakeaacaqGBbaeaaaaaaaaa8qacaqGcbWaaW baaSqabeaacaqGRaaaaOWdaiaab2fapeWaaWbaaSqabeaacaqGIbaa aOGaeyyXIC9daiaacUfapeGaaeyqamaaCaaaleqabaGaae4eGaaak8 aacaqGDbWdbmaaCaaaleqabaGaaeyyaaaakiabg2da9iaabUeadaWg aaWcbaGaae4Caiaabchaaeqaaaaa@4168@ (7.1. egyenlet)

ahol: Ksp az ún. oldhatósági szorzat (solubility product).

Valamely anyag oldhatóságát (szolubilitását, jele: So) telített oldatának gmól/literben vagy g/literben kifejezett koncentrációjával lehet jellemezni.

A talajban előforduló vegyületeket oldhatóságuk szerint három nagy csoportra oszthatjuk.

Vízben igen jól oldódnak a Na- és K-sók, a Ca- és Mg-kloridok, a MgSO4 7H2O, az AlCl3, FeCl3 stb. Ebbe a csoportba tartoznak a gipsznél (CaSO4 2H2O-nál) nagyobb mértékben oldódó sók.

Rosszul oldódó sók: a CaSO4 2H2O és a CaCO3.

Oldhatatlan (gyakorlatilag nem oldódik vízben) a Fe(OH)3, FeCO3, AlPO4 2H2O, FeS stb. Ki lehet azonban mutatni, hogy a víz igen gyengén ezeket is oldja.

Az oldhatóság kifejezésére a jól oldódó vegyületeknél a telített oldat g/literben vagy mól/literben kifejezett koncentrációját, a rosszul és a gyakorlatilag nem oldódó anyagoknál pedig az oldhatósági szorzatot használjuk. Néhány fontosabb só oldhatósága a 7.1 táblázatban, a rosszul oldódó vegyületek oldhatósági szorzata pedig a 7.2. táblázatban található.

7.1. táblázat - Néhány jól oldódó só oldhatósága 20 °C-on

Vegyület

Oldhatóság (g/l)

CaCl2 6H2O

745,0

MgCl26H2O

545,0

MgSO4 7H2O

355,0

NaCl

360,0

Na2CO3 10H2O

215,0

NaHCO3

96,0

KCl

340,0

K2CO3 2H2O

1105,0

AlCl3 6H2O

456,0

Al2(SO4)3 18H2O

364,0


7.2. táblázat - A rosszul és igen rosszul oldódó fontosabb vegyületek oldhatósági szorzata 25 °C-on

Vegyület

Oldhatósági szorzat (Ksp)

neve

képlete

Gipsz

CaSO4 2H2O

1,6 10–4

Kalcit

CaCO3

5,2 10–9

Magnezit

MgCO3

1,6 10–5

Mg-hidroxid

Mg(OH)2

1,2 10–11

Amorf-Fe(OH)3

Fe(OH)3 nH2O

3,8 10–38

Amorf-Al(OH)3

Al(OH)3 nH2O

4,5 10–33

Dikalcium-foszfát

CaHPO4

2,2 10–7

Trikalcium-foszfát

Ca3(PO4)2

1,0 10–26

Variscit

AIPO4 2H2O

3,2 10–31


Az oldhatósági szorzat ismeretében bármely vegyület oldhatósága (So) kiszámítható. Egy BbAa összetételű só esetén a számítási képlet a következő:

So(mol/l) =  ( K sp B b A a ) 1 b+a . MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLk VcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqa ceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaiaabofacaqGVbGaaeikaiaab2gaca qGVbGaaeiBaiaab+cacaqGSbGaaeykaiaabccacaqG9aGaaeiiamaa bmaabaWaaSaaaeaacaqGlbqcfa4aaSbaaSqaaKqzGeGaae4Caiaabc haaSqabaaakeaacaqGcbqcfa4aaWbaaSqabeaajugabiaabkgaaaGc cqGHflY1caqGbbqcfa4aaWbaaSqabeaajugabiaabggaaaaaaaGcca GLOaGaayzkaaqcfa4aaWbaaSqabeaajuaGdaWcaaWcbaqcLbqacaaI XaaaleaajugabiaabkgacaqGRaGaaeyyaaaaaaqcfaOaaiOlaaaa@4FC9@ (7.2. egyenlet)

Példa. A CaHPO4 oldhatósági szorzata: 2,19 10–7; móltömege (Mt): 136,06. Hány g (vagy mg) kalcium-hidrogénfoszfát oldódik 1 liter vízben?

A disszociáció: CaHPO4 Ca2+ + HPO2–4 .

So =  ( 2 ,19  10 -7 1 1 1 1 ) 1 / 2 = 2,19 10 7 = 4,47 10 4 mol/l , és MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLk VcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqa ceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaiaabofacaqGVbGaaeiiaiaab2daca qGGaWaaeWaaeaadaWcaaqaaiaabkdacaqGSaGaaeymaiaabMdacaqG GaGaeyyXICTaaeymaiaabcdajuaGdaahaaWcbeqaaKqzaeGaaeylai aabEdaaaaakeaacaqGXaWaaWbaaSqabeaacaqGXaaaaOGaeyyXICTa aGymamaaCaaaleqabaGaaGymaaaaaaaakiaawIcacaGLPaaajuaGda ahaaWcbeqaaKqzaeGaaGymaiaac+cacaaIYaaaaOGaeyypa0ZaaOaa aeaacaaIYaGaaiilaiaaigdacaaI5aGaeyyXICTaaGymaiaaicdaju aGdaahaaWcbeqaaKqzaeGaeyOeI0IaaG4naaaaaSqabaGccqGH9aqp caaI0aGaaiilaiaaisdacaaI3aGaeyyXICTaaGymaiaaicdajuaGda ahaaWcbeqaaKqzaeGaeyOeI0IaaGinaaaakiaab2gacaqGVbGaaeiB aiaab+cacaqGSbGaaeilaiaabccacaqGPdGaae4Caaaa@6745@

So Mt = 4,47 10-4 136,06 = 0,0608 g/l = 60,82 mg/l.

Ugyanígy számolva, a gipsz oldhatósága 0,01265 mol/l = 2,18 g/l.

A táblázatokban közölt oldhatósági értékek és oldhatósági szorzatok arra az esetre vonatkoznak, amikor az adott só a saját telített vizes oldatával tart egyensúlyt és a rendszerben más sók nincsenek. A vegyülettel közös iont tartalmazó elektrolitok csökkentik, a közös iont nem tartalmazó elektrolitok viszont (nagy koncentrációban) növelik annak oldhatóságát.

A sók kicsapódása akkor következik be, ha a körülmények változása (lehűlés, párolgás stb.) miatt megnő az oldatban az adott só koncentrációja, s túllépi oldhatóságnak megfelelő értéket.

Hidrolízis

A hidrolízis egyes vegyületeknek, a vízzel való kémiai reakció miatt bekövetkező bomlása, átalakulása. Hidrolizálnak:

– a gyenge savaknak erős bázissal alkotott sói (az oldat kémhatása lúgos, pl.: Na2CO3, Na-acetát),

– a gyenge bázisból és erős savból képződő sók (az oldat savanyú kémhatású, pl.: NH4Cl),

– a gyenge savnak gyenge bázissal alkotott sói (pl. az ammónium-acetát). A vizes oldat kémhatása attól függ, hogy a sav vagy a lúg erősebb-e.

Erős savak erős bázisokkal alkotott sói nem hidrolizálnak, oldataik semleges kémhatásúak, pH ~ 7. (Pl. NaCl).

Talajtani szempontból a lúgosan hidrolizáló Na-sók (Na2CO3 és NaHCO3) és a CaCO3 a legjelentősebbek. A Na2CO3 oldódásakor a következő folyamatok játszódnak le:

l. Disszociáció: Na2CO3 2Na+ + CO2–3 , majd a gyenge sav savmaradéka hidrolizál,

2. Hidrolízis: CO22–3 + H2O HCO–3 + OH– és HCO–3 + H2O H2CO3 + OH–.

A hidrolízis általában csak kismértékű, sok esetben mégis jelentősen befolyásolja a vizes oldatok sajátságait és a talajban lejátszódó reakciókat.

A karbonátok oldhatósága

Széndioxid-mentes tiszta vízben a szilárd CaCO3-ból 25 °C-on, csak 7,24 10–5 mol/l = 0,0072 g/l 0,01 g/l, a szilárd MgCO3-ból pedig 0,004 mol/l = 0,34 g/l oldódik. Az oldódási folyamat (disszociáció és hidrolízis) összevont reakcióegyenlete:

CaCO3 + H2O Ca2+ + HCO–3 + OH–.

Bár a hidrolízis lassú és kismértékű, a kalcitszuszpenzió pH-ja 9,6.

Ha a rendszer CO2-tartalmú levegővel érintkezik, a CaCO3 oldódását több reakció szabályozza. A CO2, szénsav képződése közben, reagál a vízzel, s a reakció protonokat szolgáltat:

CO2 (gáz) CO2 (o) + H2O H2CO3 H+ + HCO–3

HCO–3 H+ + CO2–3 .

Figyelembe véve a CaCO3 disszociációját is (CaCO3 Ca2++ CO2–3 ), az oldat egyensúlyi összetételét kifejező egyenlet a következő lesz:

CaCO 3 + 2H + Ca 2+ + CO 2 + H 2 O . MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0R Yxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGa baGaaeqabaqaaeaadaaakeaaqaaaaaaaaaWdbiaaboeacaqGHbGaae 4qaiaab+eadaWgaaWcbaGaae4maaqabaGccaqGRaGaaeiiaiaabkda caqGibWaaWbaaSqabeaacaqGRaaaaOGaeyiLHSQaae4qaiaabggada ahaaWcbeqaaiaabkdacaqGRaaaaOGaae4kaiaabccacaqGdbGaae4t amaaBaaaleaacaqGYaaabeaakiaabUcacaqGGaGaaeisamaaBaaale aacaqGYaaabeaakiaab+eacaqGUaaaaa@473B@ (7.3. egyenlet)

A folyamat egyensúlyi állandója (Kso) pedig

K so = ( Ca 2 + ) P CO 2 ( H + ) 2 . MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLk VcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqa ceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaiaabUeajuaGdaWgaaWcbaqcLbsaca qGZbGaae4BaaWcbeaakiabg2da9maalaaabaWaaeWaaeaacaqGdbGa aeyyamaaCaaaleqabaGaaGOmaiabgUcaRaaaaOGaayjkaiaawMcaai abgwSixlaabcfadaWgaaWcbaGaae4qaiaab+eadaWgaaadbaGaaGOm aaqabaaaleqaaaGcbaWaaeWaaeaacaqGibWaaWbaaSqabeaacqGHRa WkaaaakiaawIcacaGLPaaadaahaaWcbeqaaiaaikdaaaaaaOGaaiOl aaaa@46E4@ (7.4a. egyenlet)

A (7.4.a)-t logaritmizálva és rendezve, felírható az oldat Ca-koncentrációjának számítására alkalmas összefüggés:

log Ca 2+ mol/l = 9 ,6 2 pH log P CO 2 , MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0R Yxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGa baGaaeqabaqaaeaadaaakeaaqaaaaaaaaaWdbiaabYgacaqGVbGaae 4zaiaabccacaqGdbGaaeyyamaaCaaaleqabaGaaeOmaiaabUcaaaGc caqGTbGaae4BaiaabYgacaqGVaGaaeiBaiabg2da9iaabMdacaqGSa GaaeOnaiaacobicaqGYaGaaeiiaiaabchacaqGibGaai4eGiaabYga caqGVbGaae4zaiaabccacaqGqbWaaSbaaSqaaiaaboeacaqGpbWaaS baaWqaaiaabkdaaeqaaaWcbeaakiaabYcaaaa@4C46@ (7.4b. egyenlet)

melyben 9,6 a Kso számértéke, a PCO2 a széndioxid parciális nyomása atmoszférában kifejezve.

A légköri levegő CO2-tartalma átlagosan 0,03%, azaz parciális nyomása 0,03 kPa = 0,0003 atm, a talajlevegőben pedig mintegy 0,3% CO2 van, ami 0,3 kPa = 0,003 atm parciális nyomást jelent.

A (7.4.b) egyenletből kitűnik, hogy a pH növekedése és a PCO2 csökkenése a CaCO3 oldódását visszaszorítja, a pH csökkenése és a PCO2 növekedése pedig a szilárd só oldódásának kedvez. Kiszámítható, hogy adott pH és PCO2 esetén, mennyi a Ca2+ koncentráció a CaCO3 egyensúlyi oldatában. Ha pl. a talajlevegő 0,3% (= 0,003 atm parciális nyomású) CO2-t tartalmaz, s a talaj pH-ja 7,4; akkor az oldatban a Ca2+ koncentráció 2 mmol/l = 80,2 mg/l, ami 0,2 g/l CaCO3-nak felel meg. Lúgosabb talajban (pH = 8,3) viszont – ugyanilyen PCO2 mellett – csak 0,0333 mmol/l = 1,34 mg/l Ca2+ kerül oldatba.

A talajokban, a fentieken túl, a nedvesség mozgása, a talaj periódikus átnedvesedése/száradása, a Ca2+ növény általi felvétele és egyéb sók jelenléte is fontos szerepet játszik az oldódási/kicsapódási folyamatokban.

A talajok oldható sótartalma

A talaj vízben oldható sókészletét tömeg%-ban (só%) lehet megadni, vagy vizes talajkivonatok elektromos vezetőképességével (electrical conductivity, jelölése: EC) lehet jellemezni.

A só% a telítési talajpaszta vagy a telítési kivonat elektromos vezetőképességéből számítható ki. A paszta elkészítése úgy történik, hogy a talajhoz keverés közben, olyan állapot eléréséig adunk vizet, amikor a homogén pép már fénylik, s a spatuláról lefolyik. A telítési kivonat pedig a paszta folyadékfázisának elválasztásával nyerhető.

Nálunk a gyakorlatban a talajpaszta elektromos vezetőképességéből becsült só% használata terjedt el, külföldön pedig a vizes kivonat EC-je alapján történik az értékelés.

A telítési paszta elektromos vezetőképességét (ECp) azonban a sókoncentráción kívül a nedvességtartalom, a töltés nélküli ionasszociátumok mennyisége és a kicserélhető kationok minősége is befolyásolja, s a száraz talaj tömegére vonatkoztatott sómennyiség (só%) sem fejezi ki a különböző vízgazdálkodású talajok folyadékfázisának sókoncentrációját. Ugyanolyan sótartalom (só%) esetén pl. egy vízkapacitásig telített, ill. holtvíztartalomig kiszáradt homoktalajban nagyobb lesz az oldat koncentrációja, mint a hasonló nedvességállapotú agyag- vagy vályogtalajban. Ezért a talajok sótartalom szerinti kategorizálásánál és a növények vízfelvételét gátló, káros oldatkoncentrációk becslésénél a telítési kivonat vezetőképessége (ECe) előnyösebben használható.

A telítési kivonatok mg/l-ben megadott sókoncentrációja (c) és elektromos vezetőképessége (EC) között a következő tapasztalati összefüggést találtuk (Filep és Wafi):

c mg/l = 797 ,1 EC e , MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0R Yxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGa baGaaeqabaqaaeaadaaakeaaqaaaaaaaaaWdbiaabogacaqGGaGaae yBaiaabEgacaqGVaGaaeiBaiaabccacaqG9aGaaeiiaiaabEdacaqG 5aGaae4naiaabYcacaqGXaGaaeiiaiaabweacaqGdbWaaSbaaSqaai aabwgaaeqaaOGaaeilaaaa@4064@ (7.5a. egyenlet)

ahol: ECe mS/cm (=millisiemens per centiméter).

Ennek alapján a tömeg%-ban kifejezett sótartalom, a

só% = EC e SP 1000 0,797 MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLk VcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqa ceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaiaabohacaqGZdGaaeyjaiaabccaca qG9aGaaeiiaiaabweacaqGdbqcfa4aaSbaaSqaaKqzaeGaaeyzaaWc beaakiabgwSixpaalaaabaGaae4uaiaabcfaaeaacaqGXaGaaeimai aabcdacaqGWaaaaiabgwSixlaaicdacaGGSaGaaG4naiaaiMdacaaI 3aaaaa@4758@ (7.5b. egyenlet)

összefüggéssel számítható ki, melyben SP = a telítési paszta víztartalma (az ún. telítési % = saturation percentage). A só%-ECe összefüggést különböző vízfelvevő képességű (SP-értékű) talajoknál a 7.1. ábra mutatja. A telítési kivonat vezetőképességére alapozott kategorizálás pedig a 7.3. táblázatban található.

7.1. ábra - A talaj sótartalma (só%) és a telítési kivonat elektromos vezetőképessége (EC)közötti összefüggés

kepek/7-1-abra.png


7.3. táblázat - A talaj sótartalom szerinti kategórizálása és a növények fejlődése

A telítési kivonat vezetőképessége, mS/cm (Sótartalom %)*

A talaj sótartalom szerinti csoportosítása

Hatása a növények fejlődésére

< 2

(< 0,1%)

nem sós

a mezőgazdasági növények fejlődését nem gátolja

2–4

( 0,1–0,25%)

gyengén sós

néhány nagyon sóérzékeny növény fejlődése gyenge

4–8

(0,25–0,5%)

közepesen sós

a legtöbb termesztett növény termése csökken, csupán a sótűrő növények fejlődése zavartalan

8–16

(0,5–1,0%)

sós

csak a sótűrő növények fejlődnek megfelelően

> 16

(> 1,0%)

igen sós

csak néhány nagyon sótűrő növény él meg


*A só%-ra a hazai módszer szerint kapott értékek csak az SP = 80 körüli talajoknál egyeznek meg a telítési kivonat EC-jéből számíthatóval.