Kationbytterkapasitet - Cation-exchange capacity

Kationutvekslingskapasitet ( CEC ) er et mål på hvor mange kationer som kan beholdes på jordpartikkeloverflater. Negative ladninger på overflatene til jordpartikler binder positivt ladede atomer eller molekyler (kationer), men lar disse bytte med andre positivt ladede partikler i det omkringliggende jordvannet. Dette er en av måtene som faste materialer i jord endrer jordens kjemi. CEC påvirker mange aspekter av jordkjemi, og brukes som et mål på jordens fruktbarhet , da det indikerer jordens kapasitet til å beholde flere næringsstoffer (f.eks. K ⁺ , NH ₄ ⁺ , Ca ²⁺ ) i plante tilgjengelig form. Det indikerer også kapasiteten til å beholde forurensende kationer (f.eks. Pb ²⁺ ).

Definisjon og prinsipper

Kationutveksling på overflaten av en jordpartikkel

Kationbytterkapasitet er definert som mengden positiv ladning som kan byttes ut per jordmasse, vanligvis målt i cmol _c / kg. Noen tekster bruker de eldre, tilsvarende enhetene me / 100g eller meq / 100g. CEC måles i mol elektrisk ladning, så en kationutvekslingskapasitet på 10 cmol _c / kg kan inneholde 10 cmol Na ⁺ kationer (med 1 ladningsenhet per kation) per kilo jord, men bare 5 cmol Ca ²⁺ (2 enheter per kostnad).

Kationutvekslingskapasitet oppstår fra forskjellige negative ladninger på jordpartikkeloverflater, spesielt de av leirmineraler og jordens organiske materiale . Fyllosilikat leirer består av lagdelte plater av aluminium og silisium -oksyder . Erstatning av aluminium- eller silisiumatomer med andre elementer med lavere ladning (f.eks. Al ³⁺ erstattet av Mg ²⁺ ) kan gi leirestrukturen en netto negativ ladning. Denne ladningen innebærer ikke deprotonering og er derfor pH- uavhengig, og kalles permanent ladning. I tillegg utsetter kantene på disse arkene mange sure hydroksylgrupper som er deprotonert for å etterlate negative ladninger ved pH-nivåene i mange jordarter. Organisk materiale gir også et meget betydelig bidrag til kationutveksling på grunn av det store antallet ladede funksjonelle grupper . CEC er vanligvis høyere nær jordoverflaten, hvor innholdet av organisk materiale er høyest, og avtar med dybden. CEC for organisk materiale er svært pH-avhengig.

Kationer adsorberes til jordoverflater av den elektrostatiske interaksjonen mellom deres positive ladning og den negative ladningen på overflaten, men de beholder et skall av vannmolekyler og danner ikke direkte kjemiske bindinger med overflaten. Utskiftbare kationer utgjør således en del av det diffuse laget over den ladede overflaten. Bindingen er relativt svak, og et kation kan lett forskyves fra overflaten av andre kationer fra den omkringliggende løsningen.

Jordens pH

Effekt av jordens pH på kationbytterkapasitet

Mengden negativ ladning fra deprotonering av leirehydroksygrupper eller organisk materiale avhenger av pH i den omkringliggende løsningen. Å øke pH (dvs. redusere konsentrasjonen av H ⁺ kationer) øker denne variable ladningen, og øker derfor også kationbytterkapasiteten.

Mål

Prinsipp for CEC-måling i jord

Kationbytterkapasitet måles ved å forskyve alle de bundne kationene med en konsentrert løsning av et annet kation, og deretter måle enten de fortrengte kationene eller mengden tilsatt kation som beholdes. Barium (Ba ²⁺ ) og ammonium (NH ₄ ⁺ ) brukes ofte som vekslerkationer, selv om mange andre metoder er tilgjengelige.

CEC-målinger avhenger av pH, og blir derfor ofte utført med en bufferløsning med en bestemt pH-verdi. Hvis denne pH avviker fra jordens naturlige pH, vil ikke målingen gjenspeile den sanne CEC under normale forhold. Slike CEC-målinger kalles "potensiell CEC". Alternativt blir måling ved den opprinnelige jordens pH betegnet som "effektiv CEC", som nærmere gjenspeiler den virkelige verdien, men kan gjøre direkte sammenligning mellom jord vanskeligere.

Typiske verdier

Jordens kationutvekslingskapasitet bestemmes av dets bestanddeler, som kan variere sterkt i deres individuelle CEC-verdier. CEC er derfor avhengig av overordnede materialer som jorden utviklet seg fra, og forholdene den utviklet seg under. Disse faktorene er også viktige for å bestemme jordens pH, som har stor innflytelse på CEC.

Typiske områder for CEC av jordmaterialer

Base metning

Basemetning uttrykker prosentandelen av potensiell CEC okkupert av kationene Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , K ⁺ eller Na ⁺ . Disse kalles tradisjonelt "basekationer" fordi de er ikke-sure, selv om de ikke er baser i vanlig kjemisk forstand. Basemetning gir en indeks over forvitring av jord og gjenspeiler tilgjengeligheten av utskiftbare kationiske næringsstoffer til planter.

Anion-utvekslingskapasitet

Positive ladninger av jordmineraler kan beholde anioner etter samme prinsipp som kationutveksling. Overflatene til kaolinitt, allofan og jern og aluminiumoksider bærer ofte positive ladninger. I de fleste jordarter er kationutvekslingskapasiteten mye større enn anionbytterkapasiteten, men det motsatte kan forekomme i sterkt forvitret jord, slik som ferralsoler ( oksisoler ).

Referanser

Generelle referanser

Ramos, FT; Dores EFGC; Weber OLS; Beber DC; Campelo Jr JH; Maia JCS (2018) "Organisk jord i jorda dobler kationutvekslingskapasiteten til tropisk jord under uten jordbruk i Brasil". J Sci Food Agric. 10.1002 / jsfa.8881