Toprağın Katı ve Sıvı Fazı Arasındaki Etkileşimler

Toprağın Katı ve Sıvı Fazı Arasındaki Etkileşimler

Toprakta bulunan katı (mineral ve organik madde), sıvı (toprak çözeltisi ve bileşenleri) ve gaz fazları sürekli olarak etkileşim içerisindedir. Bunlar içerisindeki en önemli etkileşimler mineral ve organik maddeler ile sıvı faz arasında gerçekleşen etkileşimlerdir. Bu etkileşimlerden de en iyi anlaşılmış olanı katyon veya anyonların mineral yüzeyler ile olan elektrostatik ilişkileridir. Bu etkileşim iyon değişimi olarak bilinmektedir. Bir atom dışarıdan elektron alırsa ne olur? Negatif yükü olur ( ) Klor: Cl Anyon olarak isimlendirilirler Bir atom dışarıya elektron verirse ne olur? Pozitif yükü olur () Na Katyon olarak isimlendirilirler

Değiştirici Değiştirici İyon Değişimi Toprak katı fazının (kil mineralleri, organik madde) anyon ( yüklü iyon) ve katyonları ( yüklü iyon) adsorbe edip bunların yerine toprak çözeltisine ekivalan (eşdeğer) miktarda başka iyonlar vermesine iyon değişimi denir Ca Al 3 Al Ca 2 K K

Toprakta yaygın olarak bulunan anyon ve katyonlar, sembolleri ve iyon formları Katyon Sembol İyon Formu Hidrojen H H Potasyum K K Sodyum Na Na Magnezyum Mg Mg Kalsiyum Ca Ca Anyon Sembol İyon Formu Klor Cl Cl Nitrat N NO 3 Fosfat P H 2 PO 4 Karbon C HCO 3 CO 3 2 Aleminyum Al Al

Adsorbent Katyon/Anyon Adsorpsiyonu Toprağın bir çok katı maddeleri (özellikle, kil ve organik madde), gaz ve çözünmüş haldeki maddeleri yüzeylerinde tutma, yani adsorbe etme yeteneğindedirler Adsorbat Adsorbatlar su ve bir çok organikler gibi nötr moleküller katyonlar ve anyonlar gibi yüklü atom ve moleküller Adsorspsiyon, hem elektrostatik, hem de kovalent güçlerle veya her ikisi ile, gerek yüklü gerekse yüklenmemiş yüzeylerde gerçekleşebilir

Mıknatısta Benzemeyenler çeker KİL Toprakta KİL NH 4 Amonyum K Potasyum Benzerler iter Kil NO 3 Nitrat

Toprağın Katyon değişimi Katyon Değişimi toprağın yüzeyinde besin elementlerini tutabilme yeteneğidir. Bu özellik besin elementlerinin kök bölgesinden yıkanmasını önlemektedir. Katyon değişiminin yüksek olması toprağın verimliliğinin yüksek olduğu anlamına gelir. Zira tutunan bu besin elementleri toprak çözeltisine geçtiği vakit bitkilere yarayışlı hale dönüşürler. Toprak çözeltisindeki bir katyonun konsantrasyonunun negatif yüklü kolloidlerin (kil ve organik madde) yüzeyinde bulunan katyonlar ile yer değiştirmesi olayıdır. H toprak Ca 2H H C a

Kil ve organik madde negatif yüklü yüzeylere sahiptir ve yapılarında ekstra elektronları vardır. Bu negatif yük killerde, izomorfik yer değişim ve kırık kenarlardan, humus ta ise; asit gruplarından H uzaklaştırılması ile olur. Bunun gibi bazı kolloidlerde pozitif yük oluşur. Doğada, yüklü olan hiçbir şey ters yüklü olan bir yük tarafından nötralize olmadan kalmaz. İyonların tutulması, elektrostatik/kolombik güçlerle olmaktadır. Bu zayıf tutunma, kolaylıkla bir katyonun diğeri ile değiştirilmesine izin verir (katyon değişimi), veya bir anyonun diğeri ile değiştirilmesine neden olur (anyon değişimi).

Kök hücreleri Katyon Değişim Kapasitesi Belirli bir toprak kütlesi tarafından tutulan değişebilir katyonların miktarı olarak bilinir. Katyon değişiminde her bir pozitif yük, bir negatif yük tarafından nötralize edilir. Dolayısı ile, bir Al 3 ancak üç tane K tarafından yer değiştirilebilir. KDK için kullanılan ünite equivalent, veya mol c yani bir mol yük verebilecek iyon miktarıdır (milieqkivalent=10 3 mol c ). Kilin miktarı ve cinsi, organik madde içeriği toprakların KDK larını etkilemektedir. Smektit kil minerallerinin baskın olduğu topraklar, kaolinit içeriği yüksek olanlara göre daha yüksek KDK sine sahiptirler. H Ca Mg Ca K Mg K Ca K Kil Parçacığı Al Na Kılcal Kökler Toprak Çözeltisi

Etkileyen Faktörler: 1) Absorbe olan katyonun bağlanma gücünden etkilenir: Hidrate çapı arttıkça tutunma zayıflar. Al3 > Ca2 > Mg2 > K =NH4 > Na >H Sıkı tutunur> kolaylıkla değiştirilir Yarı çap (nm) Na K Mg 2 Ca 2 Al 3 Hidrate olmamış 0.095 0.133 0.066 0.099 0.050 Hidrate 0.360 0.330 0.430 0.410 0.480 birincil hidratasyon dairesi birincil hidratasyon dairesi

2) toprak çözeltisi içerisindeki katyonun nisbi oranı KDK yı etkiler. Toprak çözeltisi içerisinde daha yüksek konsantrasyonda tutunan besin elementinin yüzeyde tutunma potansiyeli daha yüksektir. 3) Organik madde miktarı arttıkça KDK artar: Organik madde poröz Gözenekli bir yapıya sahip olduğu için özgül yüzeyi çok fazladır. Yaklaşık 8001000 m2/gr dir. Yük yoğunluğu da kil minerallerine oranla daha yüksektir. Organik maddenin kazandığı yük tamamen ph ye uygun bağlı yüktür, ph arttıkça COOH, OH, NH gibi fonksiyonel grupların dissosiyasyon (ayrılma) gücüde artar. Böylece ph artışı organik maddenin KDK sını artırır.

4. Toprak ph sı arttıkça, kil minerallerinin yüzeyinde bulunan SiOH gruplarından H dissosiye (ayrılır) olur ve kil mineralinin kırılma yerinde oluşan negatif yük çevredeki bir katyonla (K, Na ) nötrleştirilir T 2:1 tipi kil minerali () O K, Na OH T ph 0 ph 14

5) Kil miktarı ve tipi en önemli faktördür. Kil miktarı arttıkça KDK artar. Özellikle 2:1 tipi kil mineralleri miktarı artınca KDK artış gösterir. 1:1 tipi kil minerali 2:1 tipi kil minerali T T () K, Na O O Hidroksil Oksijen Aluminyum Silikon (Si 4 ) T Al 3, Mg 2 veya Fe 2

Kimyasal Eşitlik Nötr bir tuz ile yıkandığında ekstrakte edilebilen (yerinden çıkarılıp alınan) katyonların tümüne değişebilir katyonlar, ekstrakte edilemeyenlere ise değişmeyen katyonlar denir Katyonlar kimyasal eşitlik ilkesine göre adsorbe edilir ve yer değiştirir Örnek; 1 cmol/kg of negatif yükü 1 cmol 1 değerli pozitif yük (K, H, NH 4, Na ) ½ cmol 2 değerli pozitif yükler (Ca, Mg ) 1/3 cmol yükler (Al, Fe ) ile doyurulur.

KDK nın Belirlenmesi METOD 1 Düşük yüklü bir katyonla doyur (K, NH 4 ) değişim bölgeleri üzerindeki katyonları, başka bir katyonla yer değiştir Yeri değiştirilen katyonların miktarını ölç. METOD 2 Değişim bölgelerindeki katyonları değiştir. değişmiş katyonların miktarını belirle Katyonların Toplam miktarı KDK ya eşittir.

KDK Hesaplanması KDK = 4 cmol/kg Ca 3 cmol/kg Mg 2 cmol/kg K 1 cmol/kg Na 3 cmol/kg H 13 cmol/kg

Toprak Yapısı KDK Sınırları (meg/100 gr toprak)* Kumlu 2 6 Kumlu Tınlı 3 8 Tınlı 7 15 Killi Tınlı 10 18 Killi 15 30 * Miliekuvalant/100 gr toprakta Değiştirici Özgül yüzey KDK Ortalama yük yoğ. (m 2 /gr) (me/gr) me/m 2.10 3 Kaolinit ve haloysit 10150 0,030,15 2 İllit 50200 0,20,5 3 Vermikulit 600700 1,52,0 2,5 Smektitler 600800 0,71,3 1,4 Kloritler 0,10,4 Allofanlar 7001000 0,10,5 0,3 Humin maddeleri 8001000 1,83,0

Baz Doygunluğu Alkali ve toprak alkali elementlerin (bazik katyonlar: Ca, Mg, K, Na) KDK içindeki % oranına baz doygunluğu (BD) denir. (%BD= [değişebilir bazik katyonlar/kdk]*100). BD si % 100 olan topraklara doymuş topraklar, BD<% 100 olan topraklara da doymamış topraklar denir. Herhangi bir iyonun KDK içindeki % oranına o iyonun doyma derecesi denir. Örneğin Na nın doyma derecesi % 10 denildiğinde değişebilir katyonların % 10 unun Na olduğu anlaşılır. % B.D. = bazik katyonların toplamı x 100 KDK % B.D. = 10 cmol/kg bazik katyonlar x 100 13 cmol/kg = 77%

Toprak Toprak Toprak Toprak Anyon Değişimi Fe, Al ve Mn hidroksitler ve kil minerallerinin OH grupları ile ilişkili bir olaydır. Bu OH grupları H çekerler ve net bir pozitif yükün oluşumunu sağlarlar. Bu oluşan pozitif yükler ortamdaki anyonları çekerler. Topraklarda genel olarak çok düşük anyon değişimi olur ama bu negatif yüklü (2.4D gibi) pestisitlerin, SO 4 2, NO 3 ve Cl gibi anyonların tutulabilmesi için önemlidir. Anyon adsorpsiyonunda anyonların türü, dış ortamdaki konsantrasyonu ve ph rol oynar. ph<7 olduğunda anyon adsorpsiyonu artar H Cl H 2 PO 4 NO 3 Cl SO 4 2 H Cl Ca 2 H 2 PO 4 K OH Cl NO 3 H K K Ca 2 Ca 2 H NO 3 H K Cl K Na Ca 2 ph~2 ph~4 ph~6 ph~8 Ca 2 Mg 2 K Na Ca 2