Ионообменная адсорбция у растений. Почвенные комплексы реферат. Реферат по дисциплине Коллоидная химия на тему Ионнообменная адсорбция у растений (почвенные комплексы) выполнил студент группы
 Скачать 356.98 Kb.
|
|
1 МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ ИМ. ГУБКИНА Факультет Химической технологии и экологии Кафедра Физической и коллоидной химии Оценка комиссии Рейтинг Подписи членов комиссии Гришина И.Н. подпись) фамилия, имя, отчество) (подпись) (фамилия, имя, отчество) дата) Реферат по дисциплине Коллоидная химия на тему Ионнообменная адсорбция у растений (почвенные комплексы) ВЫПОЛНИЛ Студент группы ХТ-17-03 номер группы) Барнолицкий Клим Глебович фамилия, имя, отчество) подпись) дата) Москва, 20 20 2 Содержание Введение 1. Ионнообменная адсорбция 1.1 Классификация ионитов 2. Почвенные комплексы 2.1 Состав ППК…………………………………………………………………9 3. Питание растений 3.1 Ионный обмен почвы и растений Заключение Список использованной литературы 3 Введение Ионный обмен - это процесс, в результате которого ионы, находящиеся в твердой фазе, обмениваются с ионами, находящимися в растворе. Нерастворимое твердое вещество может представлять собой какой-либо природный материал либо синтетическую смолу. Процессы ионного обмена наиболее широко распространены в природе, так как заряженные частицы - ионы - встречаются в растворах чаще, чем нейтральные молекулы. Важное значение ионного обмена в природе было отмечено различными авторами. Значительное количество протекающих в природе и осуществляемых на практике процессов являются ионообменными. Ионный обмен лежит в основе миграции элементов в почвах и организме животных и растений. В промышленности его применяют для разделения и получения веществ, обессоливания воды, очистки сточных вод, концентрирования растворов и др. 4 1. Ионнообменная адсорбция Ионообменная адсорбция из растворов осуществляется на поверхностях с достаточно выраженным двойным электрическим слоем. Подвижные противоионы электрического слоя способны обмениваться на другие ионы того же знака, находящиеся в растворе. Вещества, проявляющие способность к ионному обмену и используемые для адсорбции ионов, получили название ионитов. Иониты имеют структуру в виде каркаса, сшитого обычно ковалентными связями. Каркас (матрица) имеет положительный или отрицательный заряд, который скомпенсирован противоположным зарядом подвижных ионов- противоионов, находящихся в адсорбционной и диффузной частях электрического слоя. Противоионы могут заменяться на другие ионы с зарядом того же знака. Каркас выступает в роли полинона и обусловливает нерастворимость ионита в растворителях. [1] Рисунок 1- Модель матрицы катионита — каркас 2 — фиксированный анион 3 — подвижный катион, способный к ионному обмену По знаку обмениваемых ионов различают катиониты и аниониты. Οʜᴎ состоят из каркаса (матрицы, который обладает определенным зарядом, и ионом, способным к обмену. Катионит имеет закрепленные анионогенные группы и катионы, способные к обмену с окружающей средой. В случае если обозначить каркас катионита через [...], то типичная реакция катионного обмена выглядит следующим образом Кат+ Кат Кат+ Кат 5 Анионы содержат закрепленные катионогенные группы и способные к обмену анионы. Реакция анионного обмена происходит по схеме Ан + Ан → Ан + Ан – 1 Катиониты содержат катионы Кат, которые способны обмениваться на такие ионы раствора, как H + , Na + , K + , Ca 2+ , и др. У анионов обменными являются анионы Ан ОН, Сидра каркас несет положительный заряд. Существуют еще амфолиты, которые в зависимости от условий способны проявлять катионообменные и анионообменные свойства. Процесс ионного обмена включает следующие последовательные стадии - движение адсорбированного иона к поверхности зерна адсорбента - перемещение адсорбированного иона внутри зерна адсорбента - собственно ионный обмен - перемещение вытесняемого иона внутри зерна адсорбента - переход вытесняемого иона от поверхности зерна адсорбента в раствор. Все стадии, кроме собственно химической реакции обмена, носят диффузионный характер, который и определяет суммарную скорость ионного обмена. Расчеты диффузионных стадий базируются на законах Фика. Коэффициенты диффузии определяют экспериментально их значения для внешней диффузии составляют мс, а для внутренней (на второй и четвертой стадиях ионного обмена) – от дом с. [2] Ионный обмен имеет несходство с адсорбцией – на поверхности твердого тела происходит концентрирование ионов растворенного вещества. В тоже время ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение – в обмен на адсорбцию ионит отдает в раствор эквивалентное количество другого иона с зарядом того же знака. Подобный процесс в случае адсорбции отсутствует. На практике, однако, 6 трудно провести грань между процессами адсорбции и замещения, особенно учитывая, что адсорбенты бывают одновременно и ионитами. 1.1 Классификация ионитов Иониты классифицируют - по происхождению- на природные и синтетические - по составу- на неорганические и органические - по знаку заряда обменивающихся ионов- на катиониты, аниониты и амфолиты (могут обмениваться в зависимости от условий как катионами, таки анионами) К природным неорганическим ионитам относят кристаллические силикаты типа цеолитов шабазит, глауконит и др. Их каркас представляет собой правильную сетчатую структуру алюмосиликата, в порах которой располагаются ионы щелочных и щелочноземельных металлов, выступающих в роли противоионов. Природными ионитами органического происхождения являются, например, содержащиеся в почве гуминовые кислоты. Они обладают амфотерными свойствами и могут обменивать как катионы, таки анионы. К синтетическим ионитам относятся плавленые и гелеобразные пермутиты- алюмосиликаты, гели гидроксидов алюминия и железа. Для специальных целей применяются гидроксиды циркония, хрома, олова, свинца. Также широкое распространение получили синтетические иониты на основе органических смол- ионообменные смолы. Они обладают хорошей способностью поглощать ионы и высокой химической стойкостью. [1] 7 2. Почвенные комплексы Почвы представляют собой рыхлые полидисперсные системы, состоящие из непрерывного ряда частиц разных размеров, начиная с коллоидного (менее 0,1 мкм) до крупного (более 1 мм. Отдельные, не соединенные между собой в агрегаты, далее неделимые минеральные частицы называются механическими элементами почвы, или элементарными почвенными частицами. В соответствии с классификацией механических элементов все частицы разделены по размеру на отдельные группы — фракции. В почвенном мелкоземе (частицы менее 1 мм) выделены фракции песка, пыли, ила и коллоидов. Частицы крупнее 1 мм относятся к фракции, названной скелетом. Классификация механических элементов (по НА. Качинскому, 1965) Материальным носителем обменной способности почв является почвенный поглощающий комплекс (ППК) — совокупность минеральных, органических и органо-минеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых вводе и способных к обменным реакциям. Поглотительной способностью обладала коллоидные частицы (0,001—0,200 мкм) ив меньшей степени предколлоидная фракция (0,2—1,0 мкм. 8 Основным механизмом обменной поглотительной способности почв является процесс сорбции. Природа и состав ППК связаны с типом почвообразования. Рисунок Строение почвенно-поглощающего комплекса А — минеральная коллоидная частица Б — органическая коллоидная частица Общее количество поглощенных (обменных) катионов называется емкостью поглощения, или емкостью катионного обмена (ЕКО). Она зависит от содержания в почве илистой фракции, природы ППК и реакции среды. Таблица 1. Группировка почв по емкости катионного обмена Емкость катионного обмена больше в почвах тяжелого гранулометрического состава, чем в легких. Органические коллоиды обладают более высокой ЕКО, 9 чем минеральные. Минеральные коллоиды в почвах, содержащих монтмориллонит, характеризуются большим ЕКО, чем в почвах с преобладанием каолинита и гидрослюд. [3] 2.1 Состав ППК В обменной форме находятся многие макро — и микроэлементы минерального питания растений. Наиболее важны для диагностики процессов почвообразования и плодородия почв обменные катионы почвенного поглощающего комплекса Са2+, Mg2+, Na+, НА. Обменные катионы выполняют в почве следующие экологические функции Са2+ — присутствует во всех почвах, нов разных количествах и соотношениях с другими катионами, оптимальное содержание — 80—90% ЕКО (чернозёмы), способствует оструктуриванию, гумусообразованию, кислотно-основной буферности, способен к ионе обменному поглощению корнями растений М+ — всегда сопровождает Са2+ (типичное соотношение концентраций Са2+ и М+ составляет 5:1, в этом случае действие Mg2+ аналогично действию Са2+), при увеличении долив ППК вызывав повышение щелочности, присутствуя в ППК поддерживает солонцеватость почв и приводит в отдельных случаях к образовании особых почв — магниевых солонцов К+ — играет важную роль в питании растений А+ — участвует в формировании потенциальной кислотности почв, играет важную роль в перераспределении веществ в почвенном профиле, способствует образованию труднодоступных фосфатов алюминия, при концентрации в растворе более 2 мг/л токсичен для растений, физиологически токсичен NH4+ — единственная возможная аккумуляция доступного растениям азота, легко используется корневыми системами растений не накапливается в количествах, превышающих 3 % ЕКО; 10 Н+ — источник почвенной кислотности, присутствует всегда бескарбонатных почвах, при pH от 6,5 до 7,2 присутствует в ПП в количествах менее 5 % ЕКО, при более высоком содержании начинают проявляться кислотные свойства почв, тем в большей степени, чем выше доля Н+ в ППК, максимум кислотности достигается, когда доля водорода в ППК превышает 40—50 %, почва при этом становится кислой и сильнокислой (pH 3—5); Na+ — в количествах менее 3 % ЕКО является важным условием оптимального функционирования биоценозов, обеспечивает дисперсность коллоидов, подвижность гумусовых веществ и пополнение почвенных растворов биологически необходимыми компонентами, активный пептизатор коллоидов при концентрации в почвенном растворе ниже порога коагуляции — при этом коллоидный системы переходят в состояние золя, почва приобретает признаю солонцеватости, в растворах появляются щелочные соли, pH может достигать 9,5—10,0, образуются особые почвы — солонцы Fe3+ — интенсивный коагулятор коллоидов, как и алюминий, во влажных тропических почвах, участвует в образовании труднорастворимых соединений, органо-минеральных комплексов, в реакциях окисления- восстановления, является причиной заохривания почв, ожелезненные почвы малопластичны, не набухают, склонны к образованию латеритов.[4] От состава обменных катионов зависят физические и химические свойства почвы. Обменный Na+ вызывает пептизацию коллоидов, образование корки на поверхности почвы, ухудшение водной проницаемости почвы. Обменный Са2+ способствует образованию водопрочных агрегатов, с ним связана нейтральная реакция почвы. Большое содержание в ППК обменных Ни А+ обусловливает кислую реакцию почвы. На физико-химической поглотительной способности почв основаны некоторые виды мелиорации известкование кислых почв, гипсование солонцов. 11 Важной характеристикой ППК является степень насыщенности основаниями — суммарное количество обменных катионов Са2+ и М, выраженное в процентах от емкости поглощения. По степени насыщенности основаниями определяют потребность почвы в известковании Таблица 2. Потребность почвы в известковании При взаимодействии воды с почвой, кроме растворения солей, наблюдаются явления адсорбции и ионного обмена. [2] 12 3. Питание растений Первым этапом поступления питательных веществ в растение является поглощение адсорбция) ионов на наружной поверхности цитоплазматической мембраны. Она состоит из двух слоев фосфолипидов, между которыми встроены молекулы белков. Благодаря мозаичной структуре отдельные участки цитоплазматической мембраны имеют отрицательные и положительные заряды, за счет которых может происходить одновременно адсорбция необходимых растению катионов и анионов из наружной среды в обмен на другие ионы. Обменным фондом катионов и анионов у растений могут являться ионы Ни ОН- , а также Ни НСО-3, образующиеся при диссоциации угольной кислоты, выделяемой придыхании. Адсорбция ионов на поверхности цитоплазматической мембраны носит обменный характер и не требует затраты энергии. В обмене принимают участие не только ионы почвенного раствора, но и ионы, поглощенные почвенными коллоидами. Вследствие активного поглощения растениями ионов, содержащих необходимые элементы питания, их концентрация в зоне непосредственного контакта с корневыми волосками снижается. Это облегчает вытеснение аналогичных ионов из поглощенного почвой состояния в почвенный раствор (в обмен на другие ионы. [6] 3.1 Ионообменная адсорбция растений и ППК Если при обменной адсорбции взамен поглощаемого иона нейтральной соли адсорбент отдает в раствор эквивалентное количество ионов водорода или гидроксида, такая адсорбция носит название гидролитической. Например, адсорбция на угле неорганических нейтральных солей (NaCl, KC1, KNO3) сопровождается подщелачиванием, те. в данном случае по преимуществу адсорбируются анионы, а в раствор поступают ионы ОН. К гидролитической адсорбции относятся все случаи обменного выделения адсорбентом ионов Н+ или ОН- независимо оттого, образовались ли эти ионы в результате тех или иных поверхностных процессов на адсорбенте или 13 же содержались в нем заранее как составная часть молекул. Так, глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит) могут участвовать в обменной адсорбции своими Н- ионами. Гидролитическая адсорбция имеет большое значение в почвенных условиях, а также в корневом питании растений. Обменными ионами почвы являются катионы. [7] Вначале обменной адсорбции на поверхности зоны разделения и всасывающей зоны корня происходит адсорбция ионов минеральных веществ. На положительно заряженных участках клеток корня адсорбируются анионы, а на отрицательно заряженных - катионы. Это показано на схеме на примере катионов калия и анионов азотной кислоты. Этот процесс, очевидно для сохранения электрических потенциалов клеток, имеет обменный характер. При переносе в клетку катиона белки- переносчики выносят на наружную поверхность клетки Н + -ионов, а при поглощении анионов выносятся карбонат-анионы НС. Итак, на этой фазе процесса происходит обмен ионов. Необходим для поглощения минеральных веществ фонд обменных ионов Ни НС- создается придыхании клеток корня, когда органические вещества, поступающие из листьев, окисляются кислородом воздуха. При этом образуется угольная кислота. Последняя распадается, формируя необходимые для обмена Ни НС- ионы. [5] Рисунок 3- Схема процесса обменной адсорбции 14 Заключение Обменная адсорбция имеет ряд особенностей. Во-первых, она специфична, тек обмену способны только определенные ионы, и на нее сильно влияет природа как твердой фазы, таки адсорбированного иона. Во вторых, обменная адсорбция не всегда обратима. В третьих, она протекает медленнее, чем адсорбция неэлектролитов при обычной сорбции, особенно в тех случаях, когда в обмене участвуют ионы, находящиеся в глубине адсорбента. И наконец, при обменной адсорбции может происходить изменение pH среды. Если адсорбент отдает водородный ион в обмен на другой катион, то pH среды уменьшается, иона подкисляется. Такой адсорбент называется кислотным. Если адсорбент отдает в раствор гидроксильный ион в обмен на анион, то раствор подщелачивается, а адсорбент называют основным. 15 Список использованной литературы 1. Фролов ЮГ. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов- е издю, перераб. И доп- М Химия, гс. 2. Вольф ИВ, Ткаченко НИ. Химия и микробиология природных и сточных вод/Учеб. Пособие. Изд. ЛГУ, с. 3. Апарин Б.Ф. Почвоведение. Учебник- М Издательский центр Академия, с. 4. http://www.activestudy.info/pochvenno-pogloshhayushhij-kompleks/ 5. https://studbooks.net/86598/ekologiya/pogloschenie_mineralnyh_vesches tv_rasteniyami 6. Смирнов П.М., Муравин Э.А. Агрохимия. Учебник для вузов- е изд, перераб. и доп. — М Колосс. Болдырев АИ. Физическая и коллоидная химия. Учебник для сельскохозяйственных вузов- е изд, перераб. и доп. – М Высш. Шк, 1983. – с. |