3. NHIỆM VỤ CỦA HÓA HỌC ĐẤT
3.5. PHƯƠNG TRÌNH HẤP PHỤ
3.5.1. Hấp phụ trao đổi cation
* Hấp phụ cation xảy ra ở những keo âm vì tầng ion trao đổi của keo chứa cation nên có thể trao đổi với những cation trong dung dịch tiếp xúc với nó. Keo âm chiếm đa số
61
trong đất nên tác dụng hấp phụ cation là chủ yếu. Ví dụ khi bón đạm sunphat thì NH4+ được hấp phụ theo phản ứng sau:
[KÐ]Ca2+ + (NH4)2SO4⇄ [KÐ]2NH4+ + CaSO4
Một phần nhỏ cation hấp phụ như K+, NH4+, Ca2+, Mg2+ có thể không trao đổi được, nghĩa là không bị cation của dung dịch muối đẩy ra ngoài. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể khác nhau. Nhiều thí nghiệm cho thấy K+ mất khả năng trao đổi do keo đất quá già và phần nào đã kết tinh. K+ đã tham gia cấu tạo lưới tinh thể do đó không trao đổi được nữa, hoặc có thể do cation đi vào khe hở giữa các lớp tinh thể khoáng vật như montmorilonit, baydelit, sau đó đất khô đi hay bị bao bọc xung quanh bởi các hạt keo khác nhau như Fe(OH)3, Al(OH)3 hoặc các chất hữu cơ nên cation đó mất khả năng trao đổi. Nguyên nhân rõ nhất và phổ biến nhất là do các cation đã liên kết hoá học để tạo thành các hợp chất không tan. Sự hấp thụ cation do vi sinh vật cũng là nguyên nhân làm cho cation mất khả năng trao đổi.
* Sự hấp phụ cation tuân theo những qui luật nhất định:
+ Sự hấp phụ cation tuân theo quan hệ đương lượng: 1 đương lượng gam cation này trao đổi với một đương lượng gam cation khác. Ví dụ trong phản ứng:
[KÐ]Ca2+ + 2 NaCl ⇄ [KÐ]2Na+ + CaCl2
thì 1 đương lượng gam Ca (20 g) trao đổi với 1 đương lượng gam Na (23 g). Do trao đổi bằng đương lượng (me) cho nên nếu có 3% Ca thì phải tính
20 1000 . 3
= 150 me, muốn trao đổi Na cũng cần có
1000 23 . 150
= 3,45% Na mới trao đổi với 3% Ca được.
+ Trao đổi cation có thể tiến hành theo chiều thuận và nghịch phụ thuộc nồng độ và đặc tính cation trong dung dịch đất.
+ Trao đổi xảy ra rất nhanh: các phản ứng trao đổi cation trong đất tiến hành rất nhanh, có khi chỉ sau 5 phút đã thực hiện xong. Ðiểm này có ý nghĩa thực tiễn khi bón phân chứa cation và bón vôi khử chua. Cần chú ý là phải tạo điều kiện cho tiếp xúc đều giữa cation với đất bằng cách bừa kỹ, sục bùn để trộn đều, hoặc bón phân kết hợp với vun gốc cho cây.
+ Trao đổi cation phụ thuộc hoá trị, độ lớn và mức độ thuỷ hoá của cation:
Hoá trị của cation càng cao, khả năng trao đổi càng mạnh, nghĩa là khả năng trao đổi của cation hoá trị III > cation hoá trị II > cation hoá trị I.
Nếu cùng hoá trị thì cation nào có bán kính lớn (tức bán kính thuỷ hoá bé) thì trao đổi mạnh hơn. Trừ H+ do có màng thuỷ hoá rất mỏng nên khả năng trao đổi của H+ không những vượt các cation hoá trị I mà còn vượt cả cation hoá trị II (bảng 3.3).
62
Bảng 3.3. Quan hệ giữa hoá trị, bán kính và bán kính thuỷ hoá của cation với khả năng trao đổi cation
Cation Hoá trị Bán kính cation
(Å) Bán kính thuỷ hoá (Å) Thứ tự trao đổi Li+ 1 0,78 10,03 6 Na+ 1 0,98 7,90 5 NH4+ 1 1,43 5,37 4 Mg2+ 2 0,78 13,30 3 Ca2+ 2 1,06 10,00 2 H+ 2 - - 1
+ Khả năng trao đổi phụ thuộc nồng độ ion trong dung dịch. Nói chung, nồng độ ion trong dung dịch đất càng cao thì phản ứng trao đổi càng mạnh.
* Dung tích trao đổi cation và độ no bazơ của đất + Dung tích trao đổi cation của đất
Dung tích trao đổi cation của đất (dung tích hấp phụ) là tổng số cation hấp phụ (kể cả cation kiềm và không kiềm) trong 100 gam đất, tính bằng ly đương lượng gam, ký hiệu bằng chữ CEC (cation exchange capacity).
Dung tích trao đổi cation được xác định bằng cách phân tích trực tiếp hoặc tính theo công thức: CEC = S + H. Trong đó S là tổng số cation kiềm, kiềm thổ hấp phụ (chủ yếu là Ca2+, Mg2+, K+ và Na+), H là tổng số ion H+ và Al3+ hấp phụ (độ chua thuỷ phân). Tất cả đều tính bằng đơn vị lđl/100 g đất.
Dung tích trao đổi cation của đất phụ thuộc thành phần keo, thành phần cơ giới đất, tỷ lệ SiO2/R2O3 và pH.
- Thành phần keo khác nhau thì CEC của đất khác nhau (bảng 3.4)
Bảng 3.4. Dung tích hấp phụ của một số loại keo đất Loại keo CEC (lđl/100 g)
Fe(OH)3 và Al(OH)3 Rất bé
Kaolinit 5 - 15
Montmorilonit 80 - 150
Illit 20 - 40
Axit humic 350
Như vậy, đất càng nhiều mùn và nhiều montmorilonit thì CEC càng lớn. - Thành phần cơ giới đất càng nặng CEC càng lớn (bảng 3.5)
63 Cấp hạt (mm) CEC (lđl/100 g đất) 0,25 - 0,005 0,3 0,005 - 0,001 15,0 0,001 - 0,0025 37,2 < 0,0025 69,9 - Tỷ lệ SiO2/R2O3 càng lớn thì CEC càng lớn
Bảng 3.6. Quan hệ giữa tỷ lệ SiO2/R2O3 và CEC của đất Tỷ lệ SiO2/R2O3 CEC (lđl/100 g đất) 3,18 70,0 2,68 42,6 1,98 21,5 1,40 7,7 0,42 2,1
- pH đất tăng lên thì CEC tăng lên
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của pH đến CEC của một số keo sét
Keo Kaolinit Montmorilonit
pH 2,5 - 6,0 7,0 2,5 - 6,0 7,0
CEC (lđl/100 g đất)
4 10 95 100
Bảng 3.8. CEC của một số loại đất Việt Nam
Loại đất CEC (lđl/100 g đất)
Ðất đỏ nâu phát triển trên đá bazan 8 - 10
Ðất đỏ vàng phát triển trên đá phiến sét 7 - 8
Ðất đỏ phát triển trên đá vôi 6 - 8
Ðất đỏ vàng phát triển trên đá liparit (riolit)
4 - 6
Ðất macgalit - feralit 30 - 40
Ðất phèn 10 - 12
Ðất bạc màu 4 - 6
Ðất phù sa sông Hồng 10 - 15
+ Ðộ no bazơ (độ bão hoà bazơ) của đất
Nói chung CEC có giá trị càng cao thì đất càng tốt vì chứa nhiều keo. Tuy nhiên dung tích trao đổi cation chỉ nói lên khả năng trao đổi cation mà chưa nói lên thành phần
64
cation hấp phụ. Thực tế một số đất tuy có CEC lớn nhưng do nhiều H+ nên đất chua. Vì thế, cần có CEC lớn nhưng tỷ lệ cation bazơ (bao gồm cả các cation kiềm và kiềm thổ) cũng lớn đất mới tốt. Bởi vậy người ta còn dùng chỉ tiêu "độ no bazơ" để đánh giá độ phì nhiêu đất.
Ðộ no bazơ của đất là tỷ lệ phần trăm các cation kiềm, kiềm thổ chiếm trong tổng số cation hấp phụ, ký hiệu là BS (Base saturation), đơn vị % và được tính theo công thức:
BS (%) = (S x 100)/CEC = (S x 100)/(S + H)
trong đó, S: tổng số cation bazơ trao đổi, H: độ chua thuỷ phân, CEC: dung tích trao đổi cation của đất, cả ba đại lượng này đều tính bằng lđl/100g đất. BS có giá trị càng lớn thì đất càng bão hoà bazơ. Người ta đánh giá như sau:
BS < 50% : đất đói bazơ
BS = 50 - 75%: đất có độ no bazơ trung bình BS > 75% : đất no bazơ
Ở nước ta, phần lớn đất đồi núi và một số đất phù sa chua do bị rửa trôi các chất kiềm, kiềm thổ mạnh nên thường có BS < 50%. Vì vậy việc bón vôi kết hợp với bón phân cho những đất này là cần thiết.
3.5.2. Hấp phụ trao đổi anion
Ðất không những có khả năng hấp phụ cation mà còn có khả năng hấp phụ anion. Sự hấp phụ anion xảy ra trong trường hợp keo mang điện dương. Tỷ lệ keo dương trong đất không nhiều nên hấp phụ cation vẫn là chủ yếu. Sự hấp phụ anion của đất phụ thuộc vào các yếu tố: đặc điểm của các anion, tỷ lệ SiO2/R2O3 và phản ứng môi trường đất.
+ Anion khác nhau xảy ra sự hấp phụ khác nhau. Khả năng hấp phụ anion có thể sắp xếp như sau: H2PO4- > HCO3- > SCN- > SO42- > Cl- > NO3-. Dựa vào khả năng hấp phụ có thể chia các anion trong đất làm 3 nhóm:
- Nhóm thứ nhất: gồm có những anion có thể bị hấp phụ rất mạnh bằng cách tạo thành kết tủa khó tan với các cation trong dung dịch đất như Ca2+, Fe3+... Ðó là kiểu hấp phụ hoá học đã nói ở phần trên. Nhóm này có các anion của axit phosphorit như PO43-, HPO42- và H2PO4- và anion của một số axit hữu cơ. Ngoài việc liên kết với cation hình thành các hợp chất không tan, các ion này có thể bị hấp phụ vào keo đất bằng cách trao đổi với anion OH- trên bề mặt keo đất như trường hợp kaolinit.
- Nhóm thứ hai: gồm những anion hầu như không bị hấp phụ. Nhóm này có NO3-, NO2- và Cl-. Nguyên nhân không có sự hấp phụ các anion này là vì chúng không tạo thành với các cation của dung dịch đất những chất khó tan. Chúng cũng không được giữ chặt bởi keo dương do tính dễ hoà tan, trừ trường hợp đất rất chua, chứa rất nhiều secqui oxit, một
65
lượng nhất định các ion này sẽ được hấp phụ. Dựa vào tính dễ di động của Cl- có thể dùng nước ngọt để rửa Cl- cho các đất mặn và chú ý khi sử dụng phân đạm, nhất là các loại phân có chứa NO3- để hạn chế sự mất đạm do NO3- dễ bị rửa trôi.
- Nhóm thứ ba: gồm các anion có khả năng hấp phụ trung gian giữa 2 nhóm trên, đó là SO42-, HCO3-, CO3 2- và SiO32-. Cách chia như thế chỉ có ý nghĩa tương đối vì ngay cả những anion này tuỳ điều kiện của môi trường đất có thể có khả năng hấp phụ cao. Ví dụ, SO42- bị hấp phụ rất ít, chỉ trong điều kiện đất có nhiều canxi và độ ẩm đất thấp mới tạo thành CaSO4 hoặc CaSO4.2H2O ở dạng kết tủa. Các muối SO42- khác (Mg, K, Na) đều dễ tan, các anion CO32-, HCO3- hấp phụ hoá học với canxi tạo thành những chất cacbonat khó tan.
+ Khả năng hấp phụ anion phụ thuộc tỷ lệ SiO2/R2O3. Tỷ lệ này càng thấp (tức tỷ lệ keo dương tăng) thì hấp phụ anion càng nhiều
Bảng 3.9. Quan hệ giữa SiO2/R2O3 với hấp phụ anion (Matxơn) SiO2/R2O3 PO43- SO42- Cl- lđl/100 g đất 3,82 0,52 - - 2,82 0,93 0,04 - 1,89 1,15 0,15 0,03 0,55 1,60 0,27 0,04
+ Khả năng hấp phụ anion còn phụ thuộc vào phản ứng môi trường. Ðất có phản ứng càng chua, tỷ lệ keo dương trong đất sẽ càng tăng, vì vậy sự hấp phụ anion của đất cũng sẽ tăng lên (bảng 5.11).
Bảng 3.10. Quan hệ giữa pH với hấp phụ anion(lđl/100 g đất) theo Matxơn
Kaolinit Montmorilonit pH Cl- pH SO42- pH PO43- pH Cl- pH PO43- 7,2 0,0 7,2 0,0 7,5 29,7 6,8 0,0 6,5 32,4 6,7 0,3 6,9 0,7 6,7 40,8 5,6 0,0 5,1 36,3 6,1 1,1 6,6 2,9 6,1 46,5 3,2 0,1 4,8 38,7 5,8 2,4 6,2 4,6 5,5 56,1 3,1 0,1 4,0 47,4 5,3 3,8 5,9 6,6 4,6 75,0 3,0 0,1 3,3 60,6 4,0 5,9 5,0 10,5 3,8 92,1 2,8 0,4 2,9 81,0