Phản ứng axit-bazơ vă phản ứng trao đổi ion trong- 123docz.net

4. ĐỊA QUYỂN VĂ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 89

4.5. Phản ứng axit-bazơ vă phản ứng trao đổi ion trong đất 94

Khoâng pyrite (FeS2) có mặt trong một số loại đất khi tiếp xúc với không khí có thể bị oxy hóa thănh axit sulfuric

FeS2 + 7/2O2 + H2O ⇌ Fe2+ + 2H+ + 2SO42− + 7H2O

lúc năy đất chứa nhiều sulfat vă axit do đó được gọi lă đất sulfat-axit (acid-sulfate soil). Câc vùng đất được hình thănh từ trầm tích biển trung tính chứa FeS2, có thể bị chuyển thănh đất sulfat-axit khi tiếp xúc với không khí. Câc mỏ khoâng sản có chứa FeS2đê ngừng hoạt động cũng tạo thănh loại đất tương tự nhưđất sulfat-axit từ trầm tích biển.

Nếu không được xử lý thích hợp thì không thể canh tâc được trín đất sulfat-axit do loại đất năy chứa câc yếu tố bất lợi như có pH thấp, nồng độ H2S cao gđy hại cho rễ cđy, chứa ion Al3+ rất độc đối với thực vật.

4.5.2. Điều chỉnh độ axit của đất

Hầu hết câc loại thực vật chỉ phât triển tốt trín đất có pH gần trung tính.

Đất chua thường được xử lý bằng vôi hoặc CaCO3:

Đất}(H+)2 + CaCO3 ⇌ Đất}Ca2+ + CO2 + H2O

Ở câc vùng có lượng mưa thấp, đất có thể có môi trường kiềm do chứa câc muối bazơ. Có thể xử lý đất kiềm bằng muối nhôm hoặc sắt sulfat, câc muối năy khi tan văo nước thì bị thủy phđn vă tạo ra môi trường axit.

2Fe3+ + 3SO42− + 6H2O ⇌ 2Fe(OH)3 (r) + 6H+ + 3SO42−

Cũng có thể sử dụng lưu huỳnh để xử lý đất kiềm. Vi khuẩn trong đất oxy hóa lưu huỳnh thănh axit sulfuric. Đđy lă một phương phâp có hiệu quả về mặt kinh tế, do lưu huỳnh sử dụng ở đđy chính lă sản phẩm phụ rất dồi dăo của công nghệ tâch loại lưu huỳnh ra khỏi nhiín liệu hóa thạch (nhằm mục đích giảm thiểu ô nhiễm không khí do SO2).

4.5.3. Cđn bằng trao đổi ion trong đất

− Khả năng trao đổi câc cation lă một trong những tính chất quan trọng của đất. Nhờ quâ trình trao đổi cation của đất mă trong đất có câc ion đa lượng như kali, canxi, magií vă câc ion vi lượng khâc cho thực vật. Khi ion kim loại được rễ cđy hấp thụ, H+ sẽ thay thế vị trí của ion kim loại trong đất, ví dụ:

Đất}Ca2+ + 2CO2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ) + HCO3−

Do quâ trình năy nín khi canxi, magií vă câc ion kim loại khâc trong đất bị nước chứa axit cacbonic rửa trôi thì đất sẽ bị chua hóa.

Để đânh giâ khả năng trao đổi cation của đất người ta sử dụng thông số CEC (cation- exchange capacity: khả năng trao đổi cation). CEC lă số mili đương lượng gam (meq) cation mang điện tích +1 có thể trao đổi trín 100 g đất khô. CEC của đất thay đổi theo pE vă pH.

Cả câc khoâng sĩt vă thănh phần hữu cơ trong đất đều có khả năng trao đổi cation. CEC của câc loại đất có thănh phần hữu cơ khâc nhau thường dao động trong khoảng 10 – 30 meq/100 g. Mùn có khả năng trao đổi cation rất cao. CEC của than bùn có thể lín đến 300 – 400 meq/100 g.

− Trín bề mặt câc oxit trong khoâng của đất còn có thể xảy ra quâ trình trao đổi câc anion. Cơ chế của quâ trình năy được giải thích bằng ví dụ minh họa với kim loại M trình băy dưới đđy.

Ở pH thấp, bề mặt câc oxit kim loại có thể có câc điện tích dương, do đó chúng có thể giữđược câc anion (ví dụ Cl−) bằng lực hút tĩnh điện:

H+

O M

OH2

Ở pH cao, trín bề mặt oxit kim loại có câc điện tích đm, do câc phđn tử nước bị giữ trín bề mặt oxit mất H+ vă tạo thănh OH−:

Lúc năy anion như HPO42− có thể thay thế vị trí của OH−để liín kết trực tiếp lín bề mặt oxit: OH− + HPO42− ⇌ OPO3H2− + OH− M O M O

4.6. Chất dinh dưỡng vi lượng vă đa lượng trong đất

Cung cấp câc chất dinh dưỡng đa lượng vă vi lượng lă chức năng quan trọng nhất của đất. Chất dinh dưỡng đa lượng lă câc chất có mặt trong thực vật hay dịch thực vật ở mức nồng độ khâ cao. Trong lúc đó, câc chất dinh dưỡng vi lượng chỉ có mặt ở mức nồng độ rất thấp nhưng lại cần thiết cho hoạt động của câc enzim của thực vật.

4.6.1. Chất dinh dưỡng đa lượng

Cacbon, hydro, oxy, nitơ, photpho, kali, canxi, magií vă lưu huỳnh được xem lă câc chất dinh dưỡng đa lượng đối với thực vật.

Thực vật hấp thụ cacbon, hydro vă oxy từ khí quyển. Câc nguyín tố đa lượng khâc được hấp thụ từđất. Trong sốđó, nitơ, photpho vă kali lă câc chất dinh dưỡng rất quan trọng ảnh hưởng đến sự phât triển của thực vật, năng suất của vụ mùa, nhưng thường không có đủ trong đất nín phải được bổ sung dưới dạng phđn bón.

Thường rất ít gặp loại đất thiếu canxi. Bón vôi để xử lý đất chua cũng đê cung cấp một lượng đâng kể canxi cho thực vật. Đất chua có thể vẫn chứa một lượng lớn canxi, nhưng do sự cạnh tranh giữa ion canxi vă ion hydro nín thực vật không thể hấp thụ được lượng canxi năy. Xử lý độ chua của đất sẽ khắc phục được tình trạng thiếu canxi năy. Trong đất kiềm, câc ion natri, magií, vă kali có mặt ở nồng độ lớn có thể cạnh tranh với canxi, gđy ra tình trạng thiếu canxi.

Hầu hết magií trong vỏ Trâi đất (2,1%) được liín kết rất bền với câc khoâng. Thục vật chỉ có thể hấp thụ được dạng magií trao đổi liín kết với câc chất hữu cơ hay khoâng sĩt. Magií trong đất có đủ cho thực vật hay không còn phụ thuộc văo tỷ số Ca/Mg. Nếu tỷ số năy quâ cao, đất sẽ bị thiếu magií. Tương tự như vậy, nếu đất có chứa nhiều natri, kali cũng sẽ gđy ra thiếu magií.

Thực vật hấp thụlưu huỳnh dưới dạng SO42−. Ngoăi ra, ở những vùng không khí bị ô nhiễm SO2, lưu huỳnh còn có thểđược cđy hấp thụ qua lâ.

Thực vật phât triển chậm ở những vùng đất thiếu lưu huỳnh do nguyín tố năy lă thănh phần của một số amino axit cần thiết, thiamin vă biotin. Ion sulfat thường tồn tại trong đất dưới dạng khoâng sulfat di động không tan, hoặc dạng muối tan. Không như trường hợp kali, sulfat bịđất hấp thụ một phần (liín kết theo kiểu trao đổi ion), nín một mặt ngăn chặn được tình trạng rửa trôi, mặt khâc vẫn cung cấp được sulfat cho thực vật hấp thụ.

Nhiều vùng đất thiếu lưu huỳnh được phât hiện trín toăn thế giới. Trong khi đó, hầu hết câc loại phđn bón trín thị trường lại không chứa, hoặc chứa rất ít lưu huỳnh. Cùng với xu hướng sử dụng phđn bón thiếu lưu huỳnh hiện nay, khả năng lưu huỳnh trở thănh yếu tố dinh dưỡng giới hạn có thể xảy ra ở một số nơi.

Nhưđê trình băy ở trín, FeS2 phản ứng với axit trong đất sulfat-axit có thể giải phóng H2S rất độc với cđy trồng, H2S cũng có khả năng tiíu diệt nhiều vi sinh vđt có lợi. Khí H2S độc hại có thểđược tạo thănh từ phản ứng khử ion sulfat bởi câc chất hữu cơ, dưới tâc dụng xúc tâc của vi sinh vật. Có thể ngăn chặn sự tạo thănh H2S trong đất ngập nước bằng câc tâc nhđn oxy hóa, KNO3 lă chất oxy hóa được sử dụng hiệu quả nhất.

4.6.1.1. Nitơ

Hình 4.2 trình băy sự chuyển hóa của nitơ trong đất. Trong hầu hết câc loại đất, trín 90% nitơ tồn tại dưới dạng nitơ hữu cơ. Câc hợp chất hữu cơ chứa nitơ lă câc sản phẩm sơ cấp của quâ trình phđn hủy xâc động, thực vật. Câc sản phẩm năy cuối cùng bị phđn hủy thănh NH3, NH4+, sau đó bị oxy hóa dưới tâc dụng của câc vi khuẩn trong đất thănh NO2−

rồi NO3− . .

ển hóa của nitơ trong đất. Trong hầu hết câc loại đất, trín 90% nitơ tồn tại dưới dạng nitơ hữu cơ. Câc hợp chất hữu cơ chứa nitơ lă câc sản phẩm sơ cấp của quâ trình phđn hủy xâc động, thực vật. Câc sản phẩm năy cuối cùng bị phđn hủy thănh NH3, NH4+, sau đó bị oxy hóa dưới tâc dụng của câc vi khuẩn trong đất thănh NO2−

rồi NO3− . . Thực vật Động vật cốđịnh đạm Xâc thực vật Đề nitrat hóa Nitrat hóa N hữu cơ Phđn Nước tiểu Xâc NH4 + {đất} Rễ cđy hấp thụ Trao đổi ion, Giữ NH4+ N2 N2O NO2− NO3− NH4 + Thấm thất thoât Phđn đạm Nitơđược cốđịnh do sấm chớp hoặc

câc đâm chây

Hình 4.2. Sự chuyển hóa của nitơ trong đất

Không như photpho vă kali, quâ trình phong hóa không tạo ra nhiều câc hợp chất nitơ. Câc loại vi sinh vật có khả năng cốđịnh đạm cũng không cung cấp đủ nitơ cho nhu cầu phât triển tối đa của thực vật. Vì vậy, hiện nay một lượng lớn phđn bón chứa nitơ đang được sử dụng trong nông nghiệp.

Câc hợp chất nitơ vô cơ từ phđn bón hoặc từ nước mưa rất dễ bị thất thoât do rửa trôi. Do được gắn kết chặt chẽ với mùn trong đất, nín nitơ trong câc hợp chất của mùn đóng vai trò rất quan trọng đối với độ phì của đất. Mùn lă nguồn chứa câc hợp chất nitơ của đất. Câc hợp chất năy bị phđn hủy từ từ, giải phóng vừa đủ lượng nitơ cần thiết cho thực vật hấp thụ. Quâ trình phđn hủy năy xảy ra gần như song song với sự phât triển của thực vật, nhanh văo mùa ấm (lúc thực vật phât triển mạnh) vă chậm văo câc thâng mùa Đông.

Thực vật vă ngũ cốc phât triển trín đất có giău nitơ không những chỉ cho năng suất cao mă còn cung cấp sản phẩm giău protein vă chất dinh dưỡng.

Thông thường thực vật hấp thụ nitơở dạng nitrat. Một số loại thực vật, ví dụ cđy lúa, có thể hấp thụ nitơ ở dạng amoni. Khi bón phđn ở dạng amoni, vi khuẩn có trong đất sẽ chuyển hóa amoni thănh nitrat. Thực vật có thể hấp thụ vă tích lũy một lượng dư nitrat, hiện tượng năy thường xảy ra đối với loại đất được bón quâ nhiều phđn trong điều kiện khô hạn vă được gọi lă hiện tượng tăng tích lũy (hyperaccumulation). Thức ăn từ loại thực vật hấp thụ quâ nhiều nitrat có thể độc hại đối với động vật nhai lại như trđu, bò, cừu. Khi sử dụng kỹ thuật ủ chua để chế biến thức ăn cho gia súc từ câc loại thực vật năy, người chế biến cũng có Thông thường thực vật hấp thụ nitơở dạng nitrat. Một số loại thực vật, ví dụ cđy lúa, có thể hấp thụ nitơ ở dạng amoni. Khi bón phđn ở dạng amoni, vi khuẩn có trong đất sẽ chuyển hóa amoni thănh nitrat. Thực vật có thể hấp thụ vă tích lũy một lượng dư nitrat, hiện tượng năy thường xảy ra đối với loại đất được bón quâ nhiều phđn trong điều kiện khô hạn vă được gọi lă hiện tượng tăng tích lũy (hyperaccumulation). Thức ăn từ loại thực vật hấp thụ quâ nhiều nitrat có thể độc hại đối với động vật nhai lại như trđu, bò, cừu. Khi sử dụng kỹ thuật ủ chua để chế biến thức ăn cho gia súc từ câc loại thực vật năy, người chế biến cũng có

thể bị ngộ độc do NO2 sinh ra từ quâ trình khử nitrat. Trong thực tế, người ta đê ghi nhận nhiều trường hợp tử vong do nguyín nhđn năy.

Khoảng 30 đến 40% [15] lượng nitơđược thực vật hấp thụ lă nitơ tổng hợp có liín quan đến câc nguồn nhđn tạo, bao gồm câc loại phđn bón, nitơ cốđịnh được từ việc đốt nhiín liệu có chứa nitơ vă cả việc tăng cường canh tâc câc cđy họ đậu có khả năng cố định đạm. Trước khi có phđn bón nhđn tạo chứa nitơ, nitơ trong đất được cung cấp chủ yếu từ quâ trình cố định đạm của câc cđy họđậu. Vi khuẩn cộng sinh trín rễ câc loại cđy năy (đậu tương, cỏ linh lăng, cỏ ba lâ,…) có khả năng cố định nitơ từ khí quyển. Lượng nitơ cố định được qua con đường năy cũng rất lớn, 10 pound/mẫu Anh.năm (≈ 11,2 kg/ha.năm) [15], tương đương với lượng nitơ từ phđn bón nhđn tạo sử dụng trong nông nghiệp.

Việc sử dụng nhiều phđn bón nitơđê gđy ra một số hậu quả về mặt môi trường. Câc hợp chất của nitơ bị câc vi sinh vật trong đất chuyển hóa thănh N2O, NO vă NO2 gđy ô nhiễm không khí. Nguồn nước mặt vă nước ngầm ở câc vùng nông nghiệp có thể bị ô nhiễm do nitrat. Hậu quả của câc tâc nhđn gđy ô nhiễm năy đê được trình băy trong câc chương về ô nhiễm không khí vă ô nhiễm nước.

4.6.1.2. Photpho

Mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong thănh phần sinh khối thực vật, nhưng photpho lă chất dinh dưỡng không thể thiếu được đối với thực vật. Cũng như nitơ, photpho chỉđược cđy trồng hấp thụ dưới dạng vô cơ. Thực vật hấp thụ câc dạng octophotphat khâc nhau. Ở pH của hầu hết câc loại đất, octophotphat thường tồn tại chủ yếu ở dạng H2PO4−

vă HPO42−

. Thực vật hấp thụ octophotphat tốt nhất ở pH gần trung tính. Người ta cho rằng, trong đất chua, octophotphat vẫn có thể tạo kết tủa với Al(III) vă Fe(III). Trong đất kiềm, octophotphat phản ứng với canxi cacbonat tạo thănh hydroxyapatite ít tan:

3HPO42−

+ 5CaCO3(r) + 2H2O → Ca5(PO4)3(OH)(r) + 5HCO3−

+ OH−

Do có phản ứng năy mă phđn bón photpho ít bị rửa trôi. Vì vậy, việc sử dụng phđn bón photpho ít gđy ra tình trạng ô nhiễm nước.

4.6.1.3. Kali

Để phât triển thực vật cần hấp thụ một lượng lớn kali. Kali cần thiết cho hoạt động của một số enzim vă đóng một vai trò rất quan trọng trong cđn bằng nước của thực vật. Nguyín tố năy cũng rất cần cho một số chuyển hóa cacbohydrat. Khi đất thiếu kali, năng suất cđy trồng sẽ giảm mạnh. Sản lượng thu hoạch căng cao thì kali trong đất căng bị giảm sút. Sử dụng nhiều phđn nitơđể tăng năng suất cđy trồng cũng lăm giảm kali của đất. Vì vậy, kali có thể trở thănh yếu tố dinh dưỡng giới hạn khi đất được bổ sung nhiều chất dinh dưỡng khâc.

Kali lă một trong số câc nguyín tố rất phổ biến trong lớp vỏ Trâi đất (chiếm 2,6%), tuy vậy do kali thường liín kết chặt trong câc khoâng silicat, ví dụ trong khoâng leucite K2O.Al2O3.4SiO2, do đó thực vật không thể hấp thụ được. Thực vật chỉ hấp thụ được câc dạng kali trao đổi liín kết trong khoâng sĩt.

4.6.2. Chất dinh dưỡng vi lượng

Bo, clo, đồng, sắt, mangan, molipden vă kẽm lă câc nguyín tố vi lượng cần thiết cho sự phât triển của thực vật, tuy nhiín ở nồng độ cao chúng lại gđy hại cho cđy trồng.

Hầu hết câc nguyín tố năy tham gia văo thănh phần của câc enzim quan trọng. Mangan, sắt, clo vă kẽm có liín quan đến quâ trình quang hợp của thực vật. Natri, silic vă coban cũng lă câc nguyín tố vi lượng cần thiết đối với một số thực vật.

Một số loại thực vật có thể tích lũy một lượng rất lớn câc nguyín tố kim loại vi lượng.

Phản ứng axit-bazơ vă phản ứng trao đổi ion trong đất 94

Câc dẫn xuất halogen của hydrocacbon 35

Sương khói kiểu Los Angeles 47