Giáo trình Khoa học đất - Chương 6, Bài 1: Bản chất và ý nghĩa của keo đất

Chương 6-Các tính chất hóa học cơ bản của đất. Bài 1. BẢN CHẤT VÀ Ý NGHĨA CỦA KEO ĐẤT Mục tiêu • Mô tả 2 đơn vị cấu trúc cơ bản của khoáng sét với khả năng cung cấp dinh dưỡng của chúng. • Sự khác biệt giữa sét 1:1 và sét 2:1 • Mô tả sự thay thế đồng hình (động lực cung cấp dinh dưỡng)-điện tích thường xuyên, điện tích phụ thuộc pH • Mô tả và giải thích sự mất cân bằng điện tích ảnh hưởng đến tính chất đất Keo đất • “các vật liệu hữu cơ hay vô cơ cỏ kích thước rất nhỏ , nên có diện tích bề mặt rất lớn trên 1 đơn vị trọng lượng” • BỀ MẶT MANG ĐiỆN TÍCH • 2 loại: – Vô cơ: • Sét silicate tinh thể (silicate cấu trúc dạng phiến) • Sét silicate không có dạng tinh thể • Sét oxide sắt & nhôm – Hữu cơ: • Chất hữu cơ (mùn) “sét” là . . . • Có kích thước hạt (≤0.002 mm) • Là 1 loại khoáng có những tính chất và đặc điểm riêng biệt (khoáng thứ sinh) Cơ sở hình thành khoáng học sét silicat • 2 khối cấu trúc cơ bản: khối tứ diện silica- (Si) tetrahedron- và khối bát diện aluminum -(Al) octahedron. • Các khối cấu trúc cơ bản này hình thành nên các phiến/tầng: “sét silicate dạng tầng” Dạng của tứ diện silicon và bát diện aluminum O OH OO O OH OH OH OH Si Al Octahedral sheet Octahedral sheet Tetrahedral sheet Tetrahedral sheet Tetrahedral sheet Tetrahedral sheet Bề mặt hạt keo mang điện tích Sét và chất hữu cơ trong đất có tính keo (mang điện tích bề mặt), phần lớn keo đất mang điện âm, nên có khả năng hấp phụ trao đổi với các cation- Cation Exchange Capacity (CEC) Điện tích âm trên mùn 1. mùn R-CO + R-CO-O- + H+ Điện tích này là điện tích phụ thuộc pH, khi pH tăng (tăng OH-), tăng CEC và ngược lại khi đất chua, CEC của chất hữu cơ giảm. OH- hay O- Ca++ or K+ Khóang sét: thay thế đồng hình • Sự thay thế một ion này bởi một ion khác có cùng kích thước bên trong cấu trúc tinh thể sét • Điều này làm thay đổi tầng điện tích và vị trí của điện tích trên khoáng, nhưng không thay đổi cấu trúc (ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất của sét) Xảy ra trong một thời gian rất dài!!! Không thay thế nhanh chóng được!!! ~ tương đương & hình dạng/kích thước (bán kính ion) Nguồn gốc Điện tích âm trên sét Nguồn thứ nhất: 1) Cạnh vỡ Nguồn 2: 2) Thay thế đồng hình Al 3+ thay Si 4+ hay Mg2+ thay Al 3+ hay Zn2+ thayAl 3+ Không thay thế Zn++ thay Al+++ Trung tính -1 điện tích Thay thế đồng hình trong khối tứ diện Si2O4 SiAlO4 Trung tính Phién tứ diện -8 điện tích (-) thật (+4) x 2 = +8 (-2) x 4 = -8 (+4) + (+3) = +7 Thay thế đồng dạng trong phiến bát diện (OH)2Al2O2 (OH)2AlMgO2 Trung tính Điện tích (-) thật Phiến bát diện (-1) x 2 = -2 (+3) x 2 = +6 (-2) x 2 = -4 (-2) + (+3) + (+2) = +5 (-4) = -6 = -6 Bán kính ion của các nguyên tố trong sét silicate – phiến tứ diện & bát diện Chú ý: và có thể tương xứng với nhau Bán kính Tìm thấy trong Phiến tứ diện Phiến bát diện Các vị trí trao đổi Cả 2 phiến Các khóang sét silacate • Aluminosilicates có cấu trúc tinh thể. Được hình thành do biến đổi của các khóang khác hay tổng hợp từ các nguyên tố hóa học. • Kích thước <0.002 mm • Hai kiểu khóang sét silicate tiêu biểu 1 : 1 và 2 : 1/ 2: 1: 1 Khối cơ bản của khóang sét Silicon - Oxygen Tetrahedron (Si2O5 -2) Aluminum Octahedral (Gibsite) Al(OH)6 -3 Các kiểu khóang sét 1) Kaolinite là kiểu sét 1: 1 (phổ biến trên đất xám) 1 phiến silica và 1 phiến gibsite .0072 cm thick Tính chất: 1) Kích thước to, CEC thấp - 3-15 meq/100g 2) liên kết chặt, co-trương kém Sét 2 : 1: 1 1. Hydrous Mica hay Illite 25% Si4+ trong khối tứ diện được thay thế bởi Al+3, mỗi sự thay thế để lại 1(-), ion K+ làm cầu nối các phiến (rất chặt) K Space Tính chất 1) Không trương nở 2) CEC thấp 30 meq/100g 2. Vermiculite Tương tự Illite, nhưng tất cả ion K không còn trong cầu nối Tính chất 1) Co ngót-trương nở mạnh 2) CEC cao =150meq/100g 3. Smectite hay Montmorillonite Mg++ thay Al+++ trong khối Octahedral Tính chất: 1) trương nở (phổ biến trên đất ĐBSCL. 2) CEC = 80-150 meq/100g So sánh các sét silicate phổ biến Smectite Kaolinite 1:1 Vermiculite Mica cấu trúc haït mòn Chlorite Sét 2:1sét1:1 Sét silicate 1:1 • Tấng bao gồm một phiến tứ diện nối với một phiến bát diện • Kaolinite: một trong những loại khoáng sét phổ biến nhất trong đất; chiếm tỉ lệ cao trong đất vùng khí hậu nóng ẩm • ổn định ở pH thấp, sét silicate bị phong hóa rất mạnh • Được tổng hợp trong điều kiện nồng độ Al3+ và Si4+ cao Kaolinite • Sét 1:1 • Ít hay không có sự thay thế đồng dạng • “nghèo dinh dưỡng” • Không co ngót-trương nở ổn định do nối Hydrogen giữa các tầng cạnh nhau • Sản phẩm của phong hóa trong điều kiện chua (pH thấp, phổ biến trên đất xám) Các phiến tứ diện silicate và bát diện aluminum nối với nhau bởi các nguyên tố oxygen. Cấu trúc của sét Kaolinite Không có thay thế đồng hình!!! Kaolinte dưới điều kiện pH thấp Al—OH + H+  Al—OH2 + không địên tích địên tích (+) So sánh các khoáng sét silicate phổ biến Smectite Kaolinite 1:1 Vermiculite Mica haït mòn Chlorite Seùt 2:1Seùt 1:1 Sét silicate 2:1 • Hai phiến tứ diện silica nối với một phiến bát diện aluminum • Ba nhóm chính: – Smectites (vd., montmorillonite) – Vermiculites – 2:1:1: Micas illite, chlorites CÁC LOẠI KHOÁNG SÉT SÉT 1:1 (1 tứ diện-1 bát diện) Kaolinite, nacrite, dickite, halloysite, vv. Sét 2:1 (2 tứ diện-1 bát diện) Montmorillonite, beidellite, saponite, vv. Illite, muscovite, biotite, vv. Tri- hay di- vermiculite Cookeite, chamosite vv 2:1:1 Smectites Micas Vermiculites Chlorites Thay thế đồng hình trong phiến tứ diện Si2O4 SiAlO4 Trung tính Phiến tứ diện -8 địên tích (-) thật (+4) x 2 = +8 (-2) x 4 = -8 (+4) + (+3) = +7 Thay thế đồng hình trong phiến bát diện (OH)2Al2O2 (OH)2AlMgO2 Trung tính Địên tích (-) thật Phiến bát diện (-1) x 2 = -2 (+3) x 2 = +6 (-2) x 2 = -4 (-2) + (+3) + (+2) = +5 (-4) = -6 = -6 So sánh các sét silicate phổ biến Smectite Kaolinite 1:1 Vermiculite Mica hạt mịn Chlorite Sét 2:1Seùt 1:1 Smectite (2:1, Montmorillonite) • Điện tích của các tầng được hình thành từ sự thay thế của Mg2+ đối với Al3+ trong phiến bát diện • Không ổn định (biến đổi thành khoáng khác) dưới điều kiện pH thấp và ẩm độ cao • Trương nở cao nhất so với các khoáng sét khác • “giàu dinh dưỡng” Cấu trúc của montmorillonite (1 loại smectite): hình thành từ 2 phiến tứ diện và 1 phiến bát diện, nối với nhau bởi các nguyên tử Oxygen chung. Cấu trúc cơ bản của Smectite (Montmorillonite) Cấu trúc cơ bản của Smectite (Montmorillonite) Thay thế đồng dạng trong phiến bát diện Nguyên nhân làm cho cations di chuyển vào trong các khoảng trống liên tầng, tại đây chúng có thể được thay thế bởi các cation khác = Mg So snh các sét silicate phổ biến Smectite Kaolinite 1:1 Vermiculite Mica hạt mịn Chlorite Sét 2:11:1 clays Vermiculites (2:1) • Là sản phẩm được biến đổi từ micas • Được hình thành do mất K+ trong mica • K+ trong liên tầng của mica được thay thế bởi Mg2+ • Giới hạn sự co-trương • Điện tích tầng cao: thay thế đồng dạng trong CẢ 2 phiến tứ diện và bát diện • “giàu dinh dưỡng!” (nhất) • ổn định dưới điều kiện pH đất thấp, Mg, Fe cao • Phổ biến trên đất phù sa mới Cấu trúc của Vermiculite Mất sự không cân bằng điện tích, cả 2 phiến: Khả năng cung cấp dinh dơỡng cao = Al = Fe = Mg So sánh các sét silicate phổ biến Smectite Kaolinite 1:1 Vermiculite Mica hạt mịn Chlorite Sét 2:11:1 clays (2:1:1, Mica hạt mịn) • Al3+ thay thế Si4+ trên phiến tứ diện • Điện tích bề mặt mạnh • “tương đối nghèo dinh dưỡng” • Khoáng trương nở, dính trung bình • ổn định dưới điều kiện pH trung bình đến thấp Cấu trúc của Illite Cấu trúc của Illite 1. Thay thế đồng dạng trong phiến tứ diện 2. K+ đi vào trong liên tầng để trung hàa điện tích “gắn chặt” cấu trúc laïi K+ K+ So sánh các sét silicate phổ biến Smectite Kaolinite 1:1 Vermiculite Mica hạt mịn Chlorite Sét 2:11:1 clays Chlorites (2:1:1) • Lớp Hydroxy trong liên tầng • Hạn chế sự trương nở • “nghèo dinh dưỡng” • Phổ biến trong đá trầm tích và đất hình thành từ đá trầm tích • Thay thế đồng dạng trong cả 2 phiến tứ diện và bát diện Cấu trúc của Chlorite Phiến hydroxy Mg-Al Phiến hydroxy Mg-Al 1. Giàu Fe 2. “đóng” cấu trúc 3. Khả năng cung cấp dinh dưỡng thấp = Al = Fe = Mg So sánh các sét silicate phổ biến Smectite Kaolinite 1:1 Vermiculite Mica hạt mịn Chlorite Seùt 2:1Seùt 1:1 So sánh các sét silicate phổ biến Tính chất Kaolinite Smectite Mica hạ mịn Trương nở Nối liên kết Net negative charge (CEC) Vị trí của điện tích Kiẻu sét 1:1 2:1 2:1:1 Thấp Thấp-không cao Hydrogen (mạnh) Van der Waal’s (yếu) Potassium ions (mạnh) Thấp: 2-5 cmolc/kg cao: 80-120 cmolc/kg Trung bình: 15- 40 cmolc/kg Chỉ ở cạnh vỡ– KHÔNG thay thế đồng hình Phiến bát diện Phiến tứ diện Độ phì nhiêu So sánh các sét silicate phổ biến Tính chất Kaolinite Smectite Mica hạ mịn Kiểu sét 1:1 2:1 2:1:1 Trương nở Thấp cao Thấp-không Khả năng cung cấp dinh dưỡng Thấp Cao Trung bình Vị trí điện tích Phiến bát diện Phiến tứ diện Nối hóa học Hydrogen (mạnh) Van der Waal’s (yếu) Potassium ions (mạnh) Chỉ ở cạnh vỡ – KHÔNG thay thế đồng dạng Smectite Kaolinite 1:1 Mica hạt mịn Chlorite Sét 1:1 Vị trí của mất cân bằng điện tích bên trong Không điện tích Bát diện Tứ diện Bát diện Tứ diện Tứ diện Bát diện Tứ diện Tứ diện Bát diện Tứ diện Tứ diện Tứ diện Tứ diện Tứ diện Tứ diện Bát diện Tứ diện Bát diện Vermiculite Sét 2:1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền của khoáng • Số lượng và loại các cations base trong cấu trúc (các cations base hòa tan) • Số lượng phiến tứ diện được liên kết (nhiều oxygen chung = bền hơn) • Al3+ thay Si4+ (thay thế càng nhiều = càng ít bền) • Hiện diện của Fe (nhiều Fe = ít bền) • Kiểu nối hóa học – Nối Ion: chịu nhiệt cao – Nối cộng hóa trị: nối mạnh, nhưng không chịu nhiệt cao Kiểu phong hóa của sự hình thành đất Oxisols Ultisols Entisols, Inceptisols Các kiểu điện tích • Thuờng xuyên • Phụ thuộc pH (do thay thế đồng dạng) (thay đổi, do cạnh vỡ) Điện tích thường xuyên Phiến bát diện trung tính Điện tích (-) thật Do thay thế đồng dạng Điện tích phụ thuộc pH- : trên các cạnh vỡ!!! Đặc biệt quan trọng trong kaolinite, mùn, nơi không có sự mất cân bằng điện tích trên liên tầng Nối H+ chặt, nên giảm pH, ít trao đổi (có nghĩa khả năng cung cấp dinh dưỡng thấp) Cạnh tinh thể Chấm dứt cấu trúc & các tính chất của khoáng sét!