3.6.1 .Sự trao đổi cation
4.1. DUNG DỊCH ĐẤT
Dung dịch là hỗ hợp của hai hay nhiều chất trong cùng pha lỏng. Thường chất rắn hòa tan vào chất lỏng, chất lỏng hòa tan vào chất lỏng khác, khí hòa tan vào chất lỏng.
Chất chiếm tỷ lệ lớn thể tích dung dịch gọi là dung môi (solvent), chất chiếm phần nhỏ thể tích dung dịch gọi là chất tan (solute).
Ví dụ, nước biển gồm các loại muối tan trong nước, vì vậy nước biển là dung dịch. Dung dịch như hỗn hợp, hỗn hợp là sự pha trộn hay hay nhiều chất, nhưng chúng vẫn duy trì sự tồn tại các chất riêng rẽ, không bị biến đổi hóa học về thành phàn của chúng. Các chất có thể được phân lập bởi tính chất vật lý như nhiệt độ. Hỗn hợp gồm các chất khác nhau hay các pha khác nhau (rắn, lỏng, khí). Huyền phù là kiểu đặc biệt của hỗn hợp dị thể, gồm các hạt có thể sa lắng. Như vây, dung dịch đất coi như hỗn hợp dị thể. Còn Dung dịch có hình thể đồng nhất, đồng nhất thành phần; các chất duy trì ở một pha duy nhất (pha pha rắn, pha lỏng, pha khí), hỗn hợp đồng thể thường gọi là dung dịch.
Dung dịch đất tìm thấy trong khe hở của đất, các dung dịch đất có tính chất giống hệt các dung dịch pha lỏng nói chung.
Thành phần:
- Dung môi (solvents): H2O, các axit
- Phức chất ion (phức chất tan) như phức chất thủy hóa, phức chất cầu nội, phức chất cầu ngoại.
- Các loại keo đất Các chất khí CO2, N2, O2….
Như vậy dung dịch đất là một hỗn hợp gồm nước và các chất hòa tan như natri clorua hay khí cacbonic... Nói chính xác hơn, người ta xem dung dịch đất như pha lỏng trong đất mà thành phần của nó chịu ảnh hưởng của dòng chảy vật chất và năng lượng giữa nó với xung quanh và với từ trường trái đất. Định nghĩa cụ thể này cho thấy dung dịch đất là một hệ thống mở. Nó cũng được coi là pha do hai điểm sau: (1) nó có các đặc tính vĩ mô giống nhau, như nhiệt độ và nồng độ chất điện ly, và (2) nó có thể được tách ra từ đất và được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Tính giống nhau về các đặc tính của dung dịch đất áp dụng cho một phần thể tích nhất định trong phẫu diện đất (ví dụ: hạt kết đất). Cả theo chiều sâu của phẫu diện và cả ở bên trong môi trường phạm vi một cánh đồng, các đặc tính hoá học của dung dịch đất thường thay đổi rất nhiều, thay đổi về không gian, thay
80
đổi theo ngày đêm và theo mùa trong môi trường đất cũng như bởi con người hay hoạt động của vi sinh vật. Những thay đổi tạm thời trong dung dịch đất cũng do động lực của bản thân các phản ứng hoá học và sẽ được bàn tới ở phần 4.2.
Vấn đề tách chiết dung dịch đất "thực" vẫn còn chưa được giải quyết, nhưng vài phương pháp đã được đưa ra để lấy pha lỏng ra khỏi đất để nghiên cứu đảm bảo vừa chính xác về hoá học, vừa dễ dàng để phân tích. Trong số các phương pháp này, phương pháp hay được dùng nhất là thu lấy nước rút ra, thay thế bằng một chất lỏng không tan trong nước và chiết trực tiếp bằng hút chân không, áp suất hay li tâm. Việc thu thập nước rút ra từ một tầng đất hay cả phẫu diện có ưu điểm là lấy mẫu dung dịch đất ngoài thực địa, nhưng dễ thay đổi vì sự phá hủy của các mẫu nước rút ra tự nhiên và các phản ứng giữa các thành phần hòa tan với thiết bị thu nước. Một hạn chế nữa, đó là đất phải bão hòa nước gần thời điểm lấy mẫu. Việc này thường dẫn tới sự thay đổi lớn về thể tích mẫu ảnh hưởng đến thành phần của dung dịch thu được. Phương pháp thay thế liên quan đến việc sử dụng một chất lỏng hữu cơ đặc, không phản ứng, ít tan (ví dụ triclotrifloetan), được li tâm với một mẫu đất để đẩy pha lỏng của đất ra và do dịch lỏng thay thế có tỷ trọng lớn hơn làm nổi pha lỏng lên trên ống li tâm. Có thể lấy được 60% dung dịch đất phụ thuộc vào thành phần cơ giới và sự làm nhiễm bẩn không đáng kể. Phương pháp thay thế cũng có ưu điểm là không đòi hỏi mẫu đất phải bão hòa nước, nhưng cần phải phá vỡ (xáo trộn) cấu trúc đất và dùng thiết bị của phòng thí nghiệm chuyên dụng. Trong phương pháp chiết chân không, pha lỏng của đất ngoài thực địa, hay mẫu đất "bị xáo trộn" được bão hòa trước với nước trong phòng thí nghiệm, được lấy ra bằng cách lọc chân không. Phương pháp này xen lẫn cả về mặt tiêu cực và tích cực do máy lọc (chủ yếu từ các phản ứng hấp phụ - phản hấp phụ với các cấu tử hòa tan) vì dung dịch chiết đi qua nó. Cũng có những thay đổi do tác động của chiết chân không đến kiểu dòng chảy của dung dịch đất và đến các phản ứng hoá học giữa các cấu tử hòa tan với pha rắn của đất. Cuối cùng, nếu mẫu đất được bão hòa nước trước khi chiết thì thành phần của dịch chiết có thể khác xa so với thành phần của dung dịch đất "thực". Các khó khăn này cũng có đối với phương pháp chiết áp suất và phương pháp li tâm, nhưng khi kỹ thuật chiết chân không được chuẩn hóa thì rất thuận tiện cho phân tích thông thường. Nó thường cung cấp các dung dịch mà thành phần của nó phản ánh phản ứng thực sự giữa dung dịch đất và phần rắn của đất.
Tuy nhiên, với bất kỳ phương pháp thông thường nào để lấy dung dịch đất, vẫn còn vấn đề về tính không đồng nhất cực nhỏ vốn có trong pha lỏng của đất gây nên bởi điện tích trên 53 hạt đất. Điện tích này sẽ tạo ra một cách yếu ớt những vùng xác định tích tụ hay giảm ion trong dung dịch đất gần bề mặt hạt đất, sự tích tụ xảy ra với các ion có điện tích ngược dấu với điện tích của bề mặt bên cạnh và sự giảm ion trong trường hợp ngược lại. Vì hiện tượng này, lượng dung dịch đất chiết được ở các vùng khác nhau gần bề mặt
81
hạt đất sẽ không có cùng thành phần và tính đồng nhất về thành phần, các dịch chiết này không thể được dùng để xác nhận tính "thực sự" của dung dịch đất đã được lấy. Các phương pháp phân tích đất trong phòng thí nghiệm cho phép xác định thành phần của dung dịch đất được chiết. Những số liệu về thành phần này cung cấp nồng độ tổng số của các thành phần hoà tan, pH, độ dẫn điện và các thông tin cơ bản cần thiết cho phép mô tả dung dịch đất, ở nhiệt độ và áp suất đã biết, theo các nguyên tắc của động lực hoá học và nhiệt động. Nước mưa trước khi nhập vào đất đã chứa một lượng nhỏ các chất hoà tan và các khí như O2, CO2, N2, NH3. Như vậy nước mưa không tinh khiết, thực ra nó là một dung dịch. Khi thấm vào đất, nước mưa tiếp tục hoà tan thêm một số chất nữa trong thể rắn của đất và tạo thành dung dịch đất. Dung dịch đất có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành đất và độ phì nhiêu của đất. Dung dịch đất là bộ phận linh hoạt nhất. Nó tham gia trực tiếp vào quá trình hình thành đất, vào các phản ứng lý, hoá, sinh học, vào sự trao đổi chất dinh dưỡng của cây. Vì thế dung dịch đất sẽ quyết định các phản ứng xảy ra trong đất như: phản ứng chua, phản ứng kiềm, phản ứng đệm, phản ứng ôxy hoá khử của đất. Phản ứng của đất còn gọi là phản ứng của dung dịch đất. Phản ứng của dung dịch đất chính là các quá trình hoá học hay lý - hoá học diễn ra trong đất.
Phản ứng của đất gồm có: phản ứng chua, phản ứng kiềm, phản ứng đệm và phản ứng oxy hoá khử. Các phản ứng này ảnh hưởng rất lớn đến thành phần, tính chất và độ phì nhiêu của đất. Nghiên cứu về dung dịch đất và phản ứng của nó luôn là nội dung không thể thiếu của hóa học đất
Ý nghĩa của dung dịch đất:
- Các chất hoà tan trong dung dịch đất chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng dễ tiêu cho cây.
- Nồng độ của dung dịch đất ảnh hưởng đến khả năng hút nước của cây. Nếu đất bị mặn hay do bón nhiều phân hoá học thì áp suất thẩm thấu của dung dịch đất tăng lên, cản trở sự hút nước của cây dù trong đất còn một lượng nước tương đối cao. Ðây còn gọi là hiện tượng héo sinh lý.
- Phản ứng của dung dịch đất ảnh hưởng đến sự hoạt động của hệ vi sinh vật đất, đến tính chất lý - hoá học của đất và thức ăn nuôi cây.
Ví dụ như sự hoà tan của lân phụ thuộc vào pH.
- Trong dung dịch đất có một số muối và các chất hoà tan khác. Anion và cation trong dung dịch đất làm cho đất có tính đệm, có thể giữ cho độ pH của đất ít thay đổi - Dung dịch đất có chứa một số chất hoà tan có thể làm tăng cường quá trình phong hoá đá để h thành đất. Thí dụ: NH3, NO2, CO2 từ khí quyển khi tan trong nước làm sự phá huỷ đá vôi theo con đường hoà tan được tăng cường. Ðộ hoà tan của đá vôi trong nước bão hoà CO2 lớn hơn trong nước tinh khiết 70 lần. Quá trình phá huỷ đá vôi với sự tham gia của
82
CO2 hoà tan trong nước xảy ra theo phương trình sau: Thành phần và nồng độ của dung dịch đất Thành phần và nồng độ của dung dịch đất rất phức tạp và luôn thay đổi. Nồng độ của dung dịch đất không lớn và thường không vượt quá vài gam các chất trong 1 lít dung dịch. Riêng trường hợp đất mặn và đất phèn hàm lượng các chất hoà tan trong dung dịch đất có thể đạt tới hàng chục thậm chí hàng trăm gam trong 1 lít. Về thành phần, dung dịch đất chứa các chất vô cơ, hữu cơ, hữu cơ - vô cơ. Những chất này tồn tại trong dung dịch đất ở dạng phân tử hoà tan hay ở dạng keo (ở trạng thái sol).
+ Các chất vô cơ trong dung dịch có:
- Các cation: Ca2+, Mg2+, NH4+, Na+, K+, H+. Trong đất chua còn có cả Al3+ và Fe3+. Trong đất lầy có Fe2+
- Các anion: HCO3-, CO32-, NO3-, NO2-, SO42-, Cl-, H2PO4-, HPO42-..., + Những chất hữu cơ: các sản phẩm của quá trình phân giải chất hữu cơ, các sản phẩm của hoạt động sống của sinh vật (axit hữu cơ, axit amin, đường, rượu, men, chất chát...) và cả các chất mùn.
+ Những chất hữu cơ - vô cơ trong dung dịch chủ yếu gồm những hợp chất phức tạp của các chất hữu cơ có tính axit (các axit mùn, poliphenol, axit hữu cơ phân tử thấp) với cation của sắt và nhôm.
+ Các chất khí hoà tan như CO2, O2, N2, NH3 v.v.
+ Trong dung dịch ngoài các chất hoà tan còn có các chất không hoà tan thường là những phần tử keo hữu cơ, hữu cơ - vô cơ, keo sét, keo silic, hiđrôxit sắt và nhôm. Theo K.K. Gedroi hàm lượng keo trong dung dịch đất chiếm từ 1/4 đến 1/10 hoặc ít hơn tổng lượng keo của đất Thành phần và số lượng các chất hoà tan trong dung dịch đất không cố định nhưng cũng có thể dùng để phân biệt loại đất này với loại đất khác ở mức độ nhất định. Thành phần và số lượng các chất hoà tan trong dung dịch đất luôn được bổ sung từ các nguồn sau:
- Do ta bón phân hữu cơ và vô cơ vào đất - Do nước mưa hoặc nước ngầm mang tới
- Do quá trình trao đổi ion giữa keo đất và dung dịch đất
- Do các sản phẩm của quá trình phong hoá đá và quá trình phân giải các chất hữu cơ. Thành phần và nồng độ dung dịch đất phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu, hàm lượng nước trong đất, sự hoạt động của sinh vật, phản ứng của đất, thành phần đá mẹ, nước ngầm và chế độ canh tác.