3. NHIỆM VỤ CỦA HÓA HỌC ĐẤT
3.4. ĐIỆN TÍCH BỀ MẶT
Bề mặt của các hạt chất rắn trong đất luôn xuất hiện điện tích theo hai cách chủ yếu: hoặc do sự thay thế đồng hình giữa các ion có hoá trị khác nhau trong các khoáng vật của đất hoặc do các phản ứng của các nhóm chức bề mặt với các ion trong dung dịch đất. Các điện tích xuất hiện bằng hai cơ chế này đựoc biểu thị bằng số mol điện tích trên một kg (molc kg-1). Bốn loại điện tích bề mặt khác nhau góp lại thành tổng điện tích thực của hạt trong đất, ký hiệu là sp. Thông số quan trọng này có thể dương, bằng không hay âm phụ thuộc vào các điều kiện hoá học của đất.
Điện tích cấu trúc ổn định của đất, ký hiệu so, là số mol điện tích trên một kg được tạo ra do sự thay thế đồng hình trong các khoáng vật của đất. Các sự thay thế này xuất hiện cả ở những các khoáng vật nguyên sinh lẫn các khoáng vật thứ sinh, nhưng chỉ các khoáng vật thuộc các silicát loại hình 2:1 mới tạo ra một lượng lớn các điện tích bề mặt. Sự đóng góp vào so do sự thay thế đồng hình của các oxit ngậm nước và các silicat loại hình 1:1 (như kaolinit) ít hơn nhiều và chỉ khoảng 0,02 molc kg-1. Đối với các nhóm khoáng vật sét như ilit, vecmiculit và smectit, mỗi loại có thể đóng góp vào giá trị điện tích cấu trúc ổn định lên tới hơn 100 lần lớn hơn giá trị trên. Từ số liệu ở bảng 2.3 có thể ước tính được các sự đóng góp này. Ví dụ, trong nhóm smectit, điện tích lớp (âm) được tạo ra do sự thay thế đồng hình dao động từ 0,5 đến 1,2. Giá trị so tương ứng có thể được tính bằng phương trình:
59
trong đó x là điện tích lớp và Mr là khối lượng phân tử tương đối. Giá trị của Mr được ước tính bằng công thức hoá học và khối lượng phân tử tương đối của mõi nguyên tố có trong công thức. Trong trường hợp của smectit, từ số liệu bảng 2.3 có:
Mr = 8(28,09) + 3,2(27 ) + 0,2(55,9) + 0,6(24,3) + 24(16) + 4(1) = 725
Điện tích proton thực của đất, ký hiệu sH là hiệu số giữa số mol proton và số mol ion hydroxyl được tạo phức bởi các nhóm chức bề mặt:
sH = qH - qOH
trong đó qi là số mol ion i (i = H+ hoặc OH- ) được tạo phức bởi các nhóm chức bề mặt. Các proton của đám ion khuếch tán không được tính trong sH.
Sự tạo phức bề mặt của các ion hydroxyl về mặt hoá học tương tự như sự phân ly của một proton.
Ví dụ, nếu SH đặc trưng cho một mol nhóm chức bề mặt mang một proton, sau đó sự tạo phức OH- hình thành sản phẩm phản ứng tương tự như sự phân ly proton nếu không kể đến nước solvat hoá:
SH(r) + OH- (dd) = SHOH- (r) = S- (r) (3.2a)
Tương tự, nếu SM+ đặc trưng cho một mol nhóm chức bề mặt đã tạo phức với cation kim loại hoá trị hai, sau đó sự tạo phức của OH- bằng cách thuỷ phân của kim loại hấp phụ giống như sự phân ly proton:
SM+(r) + H2O(l) = SMOH0(r) + H+(dd) (3.2b)
Các nhóm chức bề mặt quan trọng nhất trong đất tạo phức với proton là các nhóm chức trên mùn đất, các oxit ngậm nước và các aluminsilicat loại 1:1 (ví dụ kaolinit). (các lỗ hổng siloxan chỉ hình thành các phức chất proton rất yếu). Các giá trị sH của các chất hấp phụ này có thể đo được được bằng chuẩn độ giống như đã mô tả đối với mùn đất ở mục 3.4. Hàm số hình thành được tính bằng cách đưa các số liệu chuẩn độ vào phương trình 3.5 thì cũng giống như sH trong phương trình 3.1. Tuy nhiên khi phương pháp này được áp dụng cho một loại đất, vấn đề khó khăn nảy sinh do ngăn ngừa sự tiêu tốn hay tạo ra proton trong các phản ứng không phải tại bề mặt như sự hoà tan khoáng vật. Các phản ứng phụ không mong muốn này sẽ đóng góp các sai số không biết được cho hiệu số giữa các proton thêm vào và các proton tự do đo được bằng với các proton được tạo phức như ở phương trình 3.1. Cũng có loại sai số không biết trước trong khi đo pH góp phần do hiệu điện thế chỗ tiếp giáp chất lỏng giữa hệ đất được chuẩn độ và các dung dịch đệm đã nói ở mục 6.5. Những khó khăn này không được giải quyết bằng phương pháp bất kì nào có thể dùng cho tất cả các loại đất.
Tuy nhiên, các phương pháp chuẩn độ được dùng rộng rãi và cho các số đo của sH dao động từ -9 tới +1 molc kg-1 đối với mùn đất và từ -0,7 tới +0,4 molc kg-1 cho các khoáng vật đất chứa nhóm OH bề mặt. Các giá trị âm rất lớn của sH quan sát được trong
60
mùn đất cho thấy chất hữu cơ là nguồn quan trọng nhất của các proton tự do trong đất, đó cũng là nguồn quan trọng nhất của các electron tự do
Tổng đại số của so và sH là điện tích bề mặt thực của đất. Thuật ngữ này được dùng để nhấn mạnh rằng so và sH phát sinh chủ yếu do các thành phần cấu trúc của chất hấp phụ trong đất, đó là các ion của các khoáng vật đất và các nhóm OH bề mặt trên các chất rắn vô cơ và hữu cơ. Sự đóng góp tương đối của so và sH cho điện tích bề mặt thực của đất phụ thuộc vào mức độ phong hoá các khoáng vật và hàm lượng chất hữu cơ của nó. Về mặt khoáng vật đất, vì nguồn chính của điện tích bề mặt cấu trúc ổn định là lỗ hổng siloxane, rõ ràng so trở nên quan trọng trong đất ở các giai đoạn đầu và giữa của quá trình phong hoá (bảng 1.5). Vì lý do trên, những đất này thường được gọi là đất có điện tích ổn định. Mặt khác, đất trong giai đoạn cuối của quá trình phong hoá được làm giàu bởi các khoáng vật mang nhóm OH hoạt tính (mục 5.1 và bảng 1.5) và do đó chúng được gọi là đất có điện tích thay đổi. Trong những đất này sH sẽ trội hơn so và những thay đổi của pH đất sẽ ảnh hưởng mạnh đến sự tăng lên của điện tích bề mặt.
Bên cạnh điện tích bề mặt thực, các hạt đất mang điện tích phức cầu nội, sIS và điện tích phức cầu ngoại, sOS. Góp phần vào sIS là tổng điện tích thực của các ion trừ H+ và OHđược liên kết vào các phức bề mặt cầu nội. Ví dụ, phức bề mặt cầu nội được minh hoạ ở hình 5.2 sẽ góp +1 molc (K+) và -2 molc (HPO ) vào sIS. Tương tự, sOS là tổng điện thực của các ion trừ H+ và OH- được liên kết vào các phức bề mặt cầu ngoại.
Với 4 thành phần được xác định này, tổng điện tích thực của hạt có thể được miêu tả bằng phương trình toán học:
sP = so + sH + sIS + sOS (3.3)
Lưu ý rằng so gần như lúc nào cũng có giá trị âm, trong khi sH, sIS và sOS giống với sP có thể mang giá trị dương, bằng không hay âm, phụ thuộc vào thành phần dung dịch đất. Không chú ý đến giá trị của nó, sP đặc trưng cho điện tích bề mặt thực trên các hạt rắn trong đất. Mỗi thành phần của nó là tổng hợp của những đóng góp từ các chất hấp phụ hoặc chất bị hấp phụ vô cơ và hữu cơ.
Mặc dù các hạt đất có thể mang điện tích, bản thân đất luôn trung hoà về điện. Điện tích làm cho cân bằng này phát sinh do các ion trong dung dịch đất không được liên kết vào các phức chất bề mặt nhưng vẫn được hấp phụ bởi các hạt đất, đó là đám ion khuếch tán). Các ion này chuyển động tự do trong dung dịch đất trong khi vẫn giữ đủ gần với bề mặt chất rắn để tạo ra điện tích bề mặt hữu hiệu sD làm cân bằng sP.