ظاهرة التبادل في الأتربة القلوية ومعادلات التبادل الكاتيوني

1995 ري وصرف ومعالجة التملح

د.علي عبدالله حسن

KFAS

ظاهرة التبادل في الأتربة القلوية ومعادلات التبادل الكاتيوني الكيمياء

تلعب ظاهرة التبادل الكاتيوني دوراً أساسياً في الأتربة القلوية .  هذا إذا لم نقل الدور الأكبر  [88].  واستناداً إلى معطيات منشورة ]في [173 فإن الواقع الحاصل داخل المنظومة الترابية هو حالة توازنية بين محلول التربة ومبادلات هذه التربة .  لكن هذا التوازن ما هو إلا توازن ديناميكي . 

تعدّ حالة التوازن بين Ca⁺⁺ و Na⁺ مهمة بشكل خاص من منظور التملح   [88]، ذلك أنه في المجال العملي يمكن وصف Mg⁺⁺ مشابهاً لــ  Ca⁺⁺. 

ويمكننا القول أيضاً إنه توجد حالات معينة يكون فيها Mg⁺⁺ مشابهاً لــ Ca⁺⁺.  ويمكننا القول أيضاً إنه توجد حالات معينة يكون فيها Mg⁺⁺ عالياً على المبادل ، وبالتالي يقع Ca⁺⁺ تحت تأثير المعدل العالي لــ Mg⁺⁺ ، مما قد يؤدي إلى عدم توفره ، لكي يدمصه النبات [88]. 

لكن ، وعلى الرغم من هذا ، وفي مجال استعراض مشكلة التملح ككل ، فإن المعضلة تكمن بصورة عامة في العلاقة بين Na⁺ وكل من Ca⁺⁺ ،  Mg⁺⁺، لذا يمكن عد Mg⁺⁺Ca⁺⁺ معاً كمجموعة ، وذلك من هذا المنظور  [88].

 

معادلات التبادل الكاتيوني

نظراً للتأثيرات العديدة للماء ، سواء أكان ذلك بسبب الري ، أو بسبب الصعود الشعري فإن حالة التوازن السائدة بين مبادلات التربة ، ومحلول التربة في تغير مستمر ، ذلك أن الماء أياً كان مصدره ، يحمل معه إيونات عديدة ، من هنا فإن موضوع التحديد الرياضي للعلاقات التبادلية من منظور تملح التربة ومعالجة هذا التملح أمر بالغ الأهمية .

بشكل عام إن حالة استبدال كاتيون أحادي من على المبادل بكاتيون أحادي من محلول التربة ، وعلى سبيل المثال استبدال K⁺ بـــ Na⁺ هي الحالة الأسهل إحاطة من المنظور الرياضي ، والفيزيوكيميائي ، لكن الوضع في مجال التملح هو غير ذلك. 

والحالة العامة السائدة عند التملح ، أو عند معالجة التملح ، هي استبدال عنصر ثنائي من على المبادل ، بعنصر أحادي من المحلول (حالة التملح) ، أو استبدال عنصر أحادي من على المبادل بعنصر ثنائي من المحلول (في حالة معالجة التملح) . 

وبتعبير اكثر وضوحاً إن العلاقة السائدة عند التملح ، وعند معالجة التملح ، هي العلاقة بين Na⁺ ، Ca⁺⁺ . 

 

وفي هذا المجال توجد تقاربات لتحديد هذه العلاقة . وتستند مثل هذه التقاربات على معطيتين أساسيتين هما :

– نظرية شريط الانتشار “diffuse – layer theory”.

– النظرية القائلة بعدم وجود آن إيونات (anions) على سطح المبادل مباشرة ، أي في مجال شريط شتيرن “Stern-layer”.

 

ولتوضيح هذه المقولة سنحاول إلقاء الضوء على مفهوم الشريط المضاعف بالاستناد إلى المعطيات المنشورة في [173]. 

تنطلق هذه المعطيات من الواقع الحاصل على سطح المبادل ، سواء أكان هذا المبادل مينيرالاً طينياً “clayminenal”، أو تجمعات دبالية ، أو تجمعات دبالية طينية ، أو غير ذلك ، من أن سطح المبادل مشحون بشحنة سالبة .

وتتطب هذه الشحنة التعديل بوساطة الكاتيونات الموجودة في المحلول الترابي .  ويجب أن تتساوى كمية الكاتيونات المطلوبة لهذا التعديل بشحنتها الموجبة مع الشحنة السالبة على سطح المبادل .  وتسمى هذه الكاتيونات بالكاتيونات المقابلة . 

 

وتوجد على سطح المبادل مباشرة كاتيونات الاستبدال مع ذرات “molecule”  الماء فقط ، وكلما ابتعدنا عن سطح المبادل قل تركيز الكاتيونات ، حتى نصل إلى المحلول التوازني، الذي يتوافق مع محلول التربة .

وهكذا يمكننا تقسيم الشريط المضاعف إلى شريط شتيرن “Stern – layer”، الذي يحوي كاتيونات فقط ، ثم شريط الانتشار “diffuse layer” الذي يتزايد تركيز الآن إيونات “anions” فيه كلما ابتعدنا عن المبادل ، حتى نصل إلى المحلول التوازني ، حيث تتساوى الشحنة بين الكاتيونات “Cations” والآن إيونات  “Anions”.

وإذا انطلقنا من معطيات الشريط المضاعف ، يمكننا ، وبالاستناد إلى الشكل – 67 ، والمعطيات المنشورة ]في [88، اعتماد نظرية الشريط المضاعف لتحديد العلاقة الكمية بين كاتيون أحادي وكاتيون ثنائي في التربة . حيث تأخذ المعادلة الشكل التالي ]من  [88:

علماً أن :

= شحنة سطح المبادل (meq/cm²) .

= شحنة الأيون الأحادي المدمص .

= ثابتة .

= تركيز الإيون الثنائي التكافؤ في المحلول التوازني (mol /1) .

= عامل العلاقة بين جزيئات (Particle) التربة .

 

أما قيمة  r، فتسمى المعدل الإرجاعي “reduced ratio” وتحددها العلاقة التالية [88] :

علماً أن C₁ هي تركيز الإيون الأحادي التكافؤ في المحلول التوازني .

وبالاستناد إلى المعادلة (159) يمكننا التوصل إلى مقادير الإيونات الأحادية المدمصة كتابع للمعدل الإرجاعي “reduced ratio”، ولكثافة شحنة سطح المبادل  [88].

 

أما النموذج “model” الثاني لتوزيع الأيونات في منظومة التربة ، فيفترض أن إيونات المبادل قد أدمصت على سطوح الطين   “clay”، وتبعاً لـــ [88] فإن هذا النموذج “model” المرتكز على تحديدات معينة بالنسبة لنوعية المبادلات ، ولطرح هذه المبادلات ، يجعل من الممكن تحديد التفاعلات التبادلية بين Na⁺ و Ca⁺⁺ وذلك على النحو التالي :

علماً أن التأشيرة “ad” تعني الإيونات المدمصة ، في حين تمثل الإيونات بدون تأشيرة إيونات المحلول الترابي .

وبالارتكاز على معطيات تيرموديناميكية ، بحيث تمكننا تفاعلات من هذا النوع من إرجاع ما يسمى بعلاقة فعل الكتلة إلى ما يلي  [88]:

علماً أن K : = الثابتة التوازنية  .

وهكذا فمن الممكن أن تأخذ المعادلة الشكل التالي  [88]:

وهنا يمكننا القول إنّ معدل الفعالية للإيونات والمعبر عنه به بــ  يمكن تحديده ، وبشكل جيد ، من المنظور التيرموديناميكي ، وبالتال ييمكن حسابه تحت شروط معطية .  في حين يعدّ معدل الإيونات المدمصة على المبادل أقل وضوحاً  [88].

وتوجد في هذا المجال أكثر من فرضية ، وإحدى تلك الفرضيات تعد فعالية الإيونات المدمصة مساوية لمجموعاتها المولية (من Mole) على المبادل .  وهكذا نصل إلى العلاقة التالية ] من  [88:

ويمكن التوصل إلى قيمة K في المعادلة (163) أعلاه بالتجريب .

 

وهنا لا بد من الإشارة إلى أن كلاً من المعادلتين (159) و (163) تستندان على نماذج (model) مختلفة . فعلى سبيل المثال المعادلة (159) تنطلق من أن تركيب إيونات المبادل يتعلق بشكل رئيسي بــ أي بمعدل التركيز الإرجاعي . 

في حين تتعلق المعادلة (163) بـــ والمشتقة من معادلة   CAPON [173] .

كما لا بدّ لنا أن نضيف هنا ، وتحديداً في مجال الأتربة القلوية ، مفهوم "تأثير الكاتيون الممدد “Cation dilution effect”.  وتبعاً لذا المفهوم يأخذ التفاعل التبادلي عند تمدد محلول التربة بالماء الشكل التالي ]من [88:

 

وهكذا فعند تزايد منسوب Ca⁺⁺ في محلول التربة يحصل استبدال لـــ Ca⁺⁺ المحلول بـــ Na⁺ المدمصة على المبادل ، وهذا يؤدي في النهاية إلى تزايد Na⁺ في محلول التربة . 

وتعدّ هذه الظاهرة مهمة ، سواء بالنسبة للري أو للاستصلاح ، ذلك أن مقدار Na⁺  المدمصة على مبادلات التربة عبارة عن تابع لمقدار الماء  المستعمل لتحديد الإيونات المنحلة . 

 

كما يمكننا أن نضيف هنا أن Na⁺ المدمصة يمكن أن تستبدل بـــ  H⁺، وذلك مع التمديد ، طالما أن PH المحلول ترتفع مع مقدار الماء المضاف ، وهذا يعود إلى انحلالية CO₃^— و HCO₃^–  [88] . 

وتبعاً لمفهوم تأثير التمدد الكاتيوني ، يتزايد مقدار Na⁺ على المبادل مع تزايد جفاف التربة ، وذلك بالمقارنة مع حالة رطوبة الحقل أو حالة الإشباع  [88].

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]