Электрические свойства почв как проявление их коллоидной структурированности

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ КАК ПРОЯВЛЕНИЕ ИХ КОЛЛОИДНОЙ СТРУКТУРИРОВАННОСТИ

Г.Н. ФЕДОТОВ, доцент МГУЛа, к. хим. п.,

А.И. ПОЗДНЯКОВ, факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносов, д. биол. н.

Почву, в первом приближении, можно рассматривать как трехфазную, неоднородную структуру, в которой пустоты, заполненные почвенным воздухом, чередуются с твердыми частицами, покрытыми пленками жидкости, а также порами и каналами с почвенным раствором. Поверхность грубодисперсной фракции, образующей пористую каркасную структуру, обычно покрыта слоем органо-минеральных коллоидных частиц.

Во многих работах обращено внимание на особые свойства поверхности коллоидно-гелевых почвенных частиц [1-3]. При этом фигурирует различная терминология, описывающая состояние вещества на поверхности грубодисперсной фракции почв -органо-минеральный гель, почвенная матрица и некоторые другие.

В обобщающей монографии Зубковой, Карпачевского [3] показано, что на поверхности минеральной матрицы формируется органическая матрица, образование которой по некоторым представлениям во многом и формирует почвы как таковые, а также обуславливает их свойства.

Однако специальных работ, направленных на изучение вопроса о структурной организации вещества, находящегося на поверхности почвенных частиц, практически нет. Принимается, что органо-минеральный гель (ОМГ) представляет собой некий конгломерат вторичных минералов и органических молекул различного размера [3]. Изучаются различные свойства ОМГ и отдельных его составляющих, но вопрос структурной организации и вытекающих из этой структуры свойств, к сожалению, не рассматривается [3].

Мы предположили, что ОМГ - коллоидное образование, состоящее из коагуляционных коллоидных структур органиче-

ских и минеральных частиц, а низкомолекулярные вещества находятся в адсорбционном слое коллоидных частиц или входят в состав диффузных атмосфер [4,5]. Размещение на поверхности грубодисперсной фракции почв подобного коллоидного образования придает почвам, в первую очередь, коллоидные свойства.

Приведем ряд литературных данных, подтверждающих выдвинутое положение.

Во-первых, поверхность многих неорганических веществ покрыта слоем коллоидных частиц толщиной 2-4 нм (рис.1). Слой коллоидных частиц на поверхности тел является результатом процесса выветривания. В почвах процесс выветривания первичных минералов продолжается длительное время и, минеральная матрица, по-видимому, может рассматриваться в качестве слоя коллоидных частиц, образующихся при выветривании первичных минералов [3]. В химии хорошо известно, что переход из одного кристаллического состояния в другое проходит, в случае замедленности, по каким-либо причинам стадии кристаллизации через аморфизацию, то есть через образование коллоидных частиц. При прохождении реакции в водной среде или при наличии пленочной влаги этот процесс выражен особенно ярко. Поэтому коллоидное состояние вещества надо воспринимать как обязательную промежуточную стадию при изменении веществ в условиях образования и существования почв.

Во-вторых, в нейтральных и слабокислых средах, характерных для большинства почв, катионы железа и алюминия не могут существовать в виде трехзарядных гидратированных ионов, а существуют только в виде коллоидных частиц и гидроксополиме-ров [6, 7], которые в силу своего положительного заряда должны взаимокоагулиро-

вать с отрицательно заряженными коллоидами почв.

В-третьих, полимерные молекулы, близкие по размерам и набору полярных групп к гуминовым кислотам, могут существовать в водном растворе только в виде коллоидных частиц [8]. Гуминовые кислоты и фульвокислоты, представляющие собой молекулы полиэлектролитов различного размера, различной структуры и различной насыщенности полярными группировками, при образовании гумуса взаимодействуют друг с другом и с молекулами так называемых, неспецифических веществ гумуса. В результате образуются коллоидные мицеллы сложной структуры. Это подтверждает образование коллоидного раствора при гидролизе гуматов или щелочных вытяжек из почв, в частности, ионным обменом.

Рис. 1. А - почва с ненарушенной структурой;

Б - разрушенной структурой:

1 - почвенный гель;

2 - поверхность почвенных частиц;

3 - поверхность почвенных частиц, свободная от органо-минерального геля

Рис.2. А. Схематическое расположение ЕКК в почвах.

Б. Схема взаиморасположения коллоидных частиц в ЕКК.

В. Поляризация коллоидных частиц в ЕКК.

1- отрицательно заряженное ядро коллоидной частицы,

2 - положительно заряженный диффузный слой коллоидной частицы.

В-четвертых, хорошо известно, что многие глинистые частицы, входящие в состав ОМГ, имеют коллоидные размеры.

Таким образом, исходя из литературных данных, практически все компоненты органно-минерального геля (ОМГ) являются коллоидами. Если согласиться с подобной точкой зрения о коллоидности почвенного геля, то его можно попытаться рассмотреть не как бесструктурный конгломерат, а как структурированный коагулят, со всеми характерными для коагулята свойствами (пеп-тизация, тиксотропия, синерезис, образование периодических коллоидных структур и т.д.). Следовательно, почву можно представить как некое структурированное коллоидное образование.

Рассмотрим, что может представлять единый коллоидный каркас (ЕКК) в почвах (рис. 2.) и какие свойства должны вытекать из подобной структурной организации.

Коллоидные частицы, находясь на поверхности грубодисперсной фракции почв, в силу энергетической выгодности [4] покрывают почвенные частицы тонким непрерывным слоем. Помещение любых предметов в почвы приводит к покрытию их поверхности почвенным гелем, на чем, в частности, основан один из методов выделения почвенных микроорганизмов [9]. Взаимодействуя между собой, коллоидные частицы должны образовывать непрерывный каркас. Большинство из них фиксируется друг относительно друга, по-видимому, во втором энергетическом минимуме, то есть диффузные атмосферы вокруг коллоидных частиц при такой фиксации сохраняются. Причем их ядра, находясь в силовом поле почвенных частиц и друг друга, теряют способность к самостоятельному перемещению относительно почвы. Фактически образуется локальная периодическая коллоидная структура [4]. Диффузные же атмосферы коллоидных частиц значительно мобильнее и способны к перемещению относительно ядер коллоидных частиц. Из рис. 2 видно, что смещение диффузных атмосфер должно быть процессом согласованным, фактически эстафетным. При наличии в почвах ЕКК, смещение диффузных атмосфер относительно каркаса будет происходить как единое целое и при макроизмерениях можно предположить возможность обнаружения разделения зарядов. Следовательно, разность электрических потенциалов должна появляться между верхней и нижней поверхностями образца при механических воздействиях, особенно ударных, т.е. должен существовать пьезоэлектрический эффект. Если же коллоидные структуры в почве локализованы в некоторых малых объемах и не образуют ЕКК, то несогласованное хаотическое смещение зарядов при макроизмерениях никак проявляться не должно.

Основным условием возможности обнаружения подобных эффектов является соотношение скоростей поляризации - смещения диффузных атмосфер при действии нагрузок и деполяризации, определяемой электропроводностью почв. Наличие в поч-

вах длительно существующей остаточной поляризации [10] позволяет надеяться обнаружить в почвах пьезоэффект.

Таким образом, если существует ЕКК, то при приложении механической нагрузки, должно наблюдаться возникновение потенциалов между верхней, к которой прикладывается нагрузка, и нижней поверхностями образца со смещением вниз положительного заряда. Кристаллографическое условие возможности проявления пьезоэффекта, состоящее в отсутствии в системе центра симметрии или в его исчезновении, выполняется [11].

В связи с тем, что образование ЕКК должно приводить к включению всех противоионов - ионов диффузного слоя коллоидных частиц в структуру, удельная электропроводность почв с нарушенной структурой должна зависеть от напряженности электрического поля в них, уменьшаясь при уменьшении напряженности поля. В противном случае остаточная поляризация в почвах не могла бы существовать длительное время из-за преобладания деполяризационных явлений.

В качестве объектов исследования использованы почвы основных генетических типов и некоторых интразональных почв в реальных природных условиях с ненарушенным ЕКК, нарушенным ЕКК (см. рис.1), а также с восстановленным ЕКК. Исследования проводились как в полевых, так и в лабораторных условиях Проверка целостности ЕКК или результат ее восстановления может быть оценена по измерениям остаточной поляризации.

Установление факта существования ЕКК, его формирования или восстановления оценивали по длительности существования остаточной поляризации следующим образом.

А. Эксперименты с нарушенным ЕКК

В пластиковую гофрированную трубу диаметром 50 мм и высотой 150 мм насыпали соответствующую почву, просеянную через сито 3 мм. Измерения возникающей поляризации проводили неполяризующимися хлорсеребряными электродами [12], которые размещали в верхней и нижней частях образцов в трубках. Через такую систему про-

ливали 50 мл дистиллированной воды и измеряли разность возникающих электрических потенциалов. Измерения пьезоэффекта на таких образцах не проводили.

Б. Эксперименты с восстановленным

ЕКК.

Восстановление ЕКК проводили двумя способами.

В первом случае для восстановления ЕКК использовали длительное в течение 2-х месяцев периодическое увлажнение исходных воздушно-сухих почвенных образцов, размещенных в ящики размеров 30x30 см слоем 50 см дистиллированной водой. Для определения пъезоэффекта и других явлений остаточной поляризации из этих образцов путем вдавливания тонкостенной пластиковой трубки диаметром 40 мм и высотой 55 мм отбирали образцы. Почву нижней и верхней частей пробы подравнивали и помещали в установку для определения пъезоэффекта. Верхний электрод для измерения пъезоэффекта служил также и поршнем для ударного механического воздействия, которое осуществлялось посредством падения грузика в 500 г с высоты 10 см по направляющему штырю.

Во втором случае восстановление ЕКК осуществлялось длительной (в течение 5-6 часов) подачей воды со скоростью 8,5 мл в минуту (практически по каплям) в насыщенный до полной влагоемкости образец почвы, помещенный в гофрированную трубку диаметром 50 мм и высотой 150 мм. Контроль формирования ЕКК осуществлялся по изменению и стабилизации разности потенциалов поляризации, измеряемой неполяри-зующимися электродами между верхней и нижней частью образца, при помощи цифровых мультиметров с внутренним сопротивлением 10 МОм.

Для подтверждения зависимости электропроводности почв от напряженности электрического поля в них при малых напряженностях было проведено измерение электропроводности на тепличном субстрате, кубанском выщелоченном черноземе, дерново-подзолистой и торфяной почвах из поймы р. Яхрома и ее окрестностей. Исполь-

зовали четырехэлектродный метод [13]. Образцы почв помещали в ящики размером 10х10х40см, периодически проливали водой в течение 2 месяцев, поддерживая влажность близкую к ППВ. Измерения проводили в термостатированных при 22°С образцах. Напряжение подавалось от источника питания постоянного тока Б5-48 на электроды из нержавеющей стали размером 10x10 см, размещенных в торцах пластиковых ящиков. Медные измерительные электроды находились на расстоянии 15 см друг от друга в средней части ящика. Токи и напряжения измеряли при помощи цифровых мультиметров.

При изучении времени существования остаточной поляризации в тепличном субстрате с нарушенной и ненарушенной структурами было выяснено, что отличие во времени составляет 2-3 порядка. Однако условия исследования почв были слишком разными, чтобы можно было сделать какие-либо однозначные выводы. Все же мы предположили, что результаты лабораторных опытов определяются не малыми геометрическими размерами образцов, а отсутствием ЕКК. В этом случае не все противоионы входят в структуру, электропроводность почв повышается и деполяризация значительно ускоряется. Подтверждением этому служат эксперименты, проведенные Арефьевым еще в 1938г.[10], в которых было показано, что при перемешивании песчаных почв их электропроводность увеличивается.

Сделанная нами попытка восстановления коллоидной структуры образца пропиткой водой до полного влагонасыщения с последующим стеканием воды в течение суток не дала положительных результатов. Остаточная поляризация существовала лишь несколько минут.

Возник вопрос о способе восстановления ЕКК. Известно, что в тепличных хозяйствах после завоза грунта посадку растений проводят через 3-4 недели. Причем в течение этого срока его периодически поливают. Вполне логично предположить, что восстановлению ЕКК способствуют два фактора - время и движение воды. Скорость та-

кого движения не должна быть большой, чтобы не разрушать почвенную структуру, а восстанавливать ЕКК. Исходили из того, что пока ЕКК изменяется, будет меняться и разность потенциалов. Восстановление структуры должно привести к стабилизации РП.

Полученные результаты [14] свидетельствуют, что через 5-6 часов подачи воды РП стабилизируется. Возникшая при движении воды через образец поляризация исчезает только через несколько часов. Пролив 50 мл воды такого образца с восстановленным, по-нашему мнению, ЕКК приводит к существованию остаточной поляризации в течение нескольких часов.

Рис.З. Зависимость удельного сопротивлений почв с ненарушенным ЕКК от напряженности в них электрического поля

Подобный эксперимент подтверждает существование ЕКК и свидетельствует, что восстановление ЕКК процесс длительный, который в обычных условиях (без многочасовой фильтрации воды) должен, по-видимому, происходить в течение многих суток и недель.

При изучении зависимости удельного сопротивления почв с восстановленной структурой от напряженности в них электрического поля были получены результаты (рис.З), которые свидетельствуют, что во

всех изученных нами почвах при напряженности электрического поля в них меньше 1 мВ/см наблюдается, как мы и ожидали, резкий рост удельного сопротивления, объясняющий длительное существование остаточной поляризации.

Полученные нами данные позволяют предположить, что величина остаточной поляризации почв определяется увеличением их удельного сопротивления при малых напряженностях электрического поля, и является свойством почв, а точнее ЕКК почв. Из чего следует, что остаточная поляризация почв может не зависеть от величины начальной поляризации.

Определение пьезоэффекта показало, что во всех случаях, как и ожидалось, в нижнюю (противоположную ударной нагрузке) часть почвенного образца смещался положительный заряд (табл. 1). Однако почвы, с точки зрения перераспределения в них нагрузочных напряжений, несравнимо более сложный объект, чем кристаллы, для которых впервые получен пьезоэффект. Нагрузка в них передается в силу структуры ЕКК не только по самому коллоидному каркасу, но и от коллоидных частиц почвенным частицам. Грубо дисперсная фракция почвенных частиц из-за тиксотропности почвенного геля образует свой каркас. Поэтому величина пьзоэффекта должна зависеть как от свойств ЕКК, так и от свойств каркаса из почвенных частиц, степени передачи нагрузок от ЕКК к почвенному каркасу. Несмотря на невысокую воспроизводимость, полученные результаты достаточно информативны, так как важно именно наличие пьезоэффекта в почвах, что характеризует структурированность органо-минерального геля и формирование единого коллоидного каркаса в них.

Отметим, что при геофизических исследованиях пород был обнаружен подобный эффект, названный сейсмоэлектриче-ским эффектом второго рода [15]. Величина его была почти на 2 порядка меньше наблюдаемого нами в почвах пьезоэффекта, что, по-нашему мнению, связано со значительно меньшей выраженностью гелевого слоя в породах, чем в почвах. Объясняли данный

эффект наличием в пористых структурах двойного электрического слоя и смещением жидкости относительно каркаса при ударных нагрузках [16,17]. Однако получаемые при исследовании сейсмоэлектрического эффекта второго рода данные не всегда соответствовали такой простой модели. В частности, в работе [18] показано, что при волновых воздействиях на размещенный в воде образец полиметилметакрилата величина пьезоэффекта достигает максимума не сразу, а постепенно, через некоторое время. Если при этом образец вынуть из воды, а затем снова опустить в воду, то величина пьезоэффекта не изменяется. Если же протереть поверхность образца, на которую воздействуют волны, то пьезоэффект падает до нуля с последующим постепенным выходом на максимум. Объяснить такие результаты постепенным развитием двойного электрического слоя невозможно, а вот постепеннным развитием гелевого слоя под влиянием волновых воздействий можно.

Таблица

Величина пъезоэффекта при ударных нагрузках

Вид почвы Величина пъезоэффекта, мВ

Тепличный субстрат 5-7

Торфяная почва 10-15

Южный чернозем 20-30

Дерново-подзолистая почва 40-60

Все вышеизложенное подтверждает выдвинутое нами предположение о существовании в почвах единого коллоидного каркаса почвенного геля и позволяет по-новому взглянуть на ряд происходящих в почвах процессов.

Литература

1. Золотарева Б.Н. Гидрофильные коллоиды и почвообразование- М.: Наука, 1982.- 59с.

2. Тюлин А.Ф. Органо-минеральные коллоиды почв, их генезис и значение для корневого питания высших растений - М.: АН СССР, 1958 - 52 с.

3. Зубкова Т.А., Карпачевский Л.О. Матричная организация почв - М.: РУСАКИ, 2001.- 296 с.

4. Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры-Л.: Химия, 1971.-192 с.

5. Фридрихсберг Д, А. Курс коллоидной химии,-Л.: Химия, 1984,- 368 с.

6. Вертегел A.A. Синтез высокодисперсных оксидов металлов с контролируемой фрактальной структурой. Дис. ... канд. хим. наук,- М.: МГУ, 1996. -150 с.

7. Шариков Ф.Ю. Криохимический синтез высокодисперсных оксидных порошков с использованием процессов ионного обмена. Дис. ... канд. хим. наук,-М.: МГУ, 1991.- 122 с.

8. Тагер A.A. Физикохимия полимеров - М.: Химия, 1978,- 544 с.

9. Методы почвенной микробиологии и биохимии. Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: МГУ,1980,- 224 с.

10. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д. Фильтрационные электрические поля и почвенная экология растений //Экологические системы и приборы,- 2002-№4,-С. 7-12.

11. Желудев И.С. Электрические кристаллы,- М.: Наука, 1969.-216 с.

12. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д., Олиференко Г.Л. Электроды для измерения электрических полей в почвах //Экологические системы и приборы-2002,-№ 1.-С. 16-18.

13. Поздняков А,И. Полевая электрофизика почв // Наука/Интерпериодика.- 2001 - 187 с.

14. Федотов Г.Н. Единая водозаполненная капиллярная система - основной параметр, определяющий электрическое поведение почв // Лесной вестник. 2002,- №5.- С. 106-112.

15. Иванов А.Г. Сейсмо-электрический эффект второго рода // Известия АН СССР. Сер. «География и геофизика», 1940,- С. 699-727.

16. Френкель Я.И. К теории сейсмических и сейсмо-электрических явлений во влажной почве // АН СССР. Сер. «География и геофизика», 1944,- №4 -С. 8.

17. Пархоменко Э.И. Явления электризации в горных породах,- М.: Наука,- 1968,- 255 с.

18. Соболев Г.А., Демин В.М. Механоэлектрические явления в Земле,- М.: Наука, 1980 - 216 с.