8 месяцев назад
Нету коментариев

Почвенные частицы обладают способностью связы­вать воду. Эта способность заключается в том, что поч­венные частицы, соприкасаясь с жидкой или парообраз­ной влагой, притягивают к себе некоторое количество молекул воды, вследствие чего вокруг них образуется водная оболочка той или иной толщины. Вода, входящая в состав этой оболочки, отличается, как мы увидим ниже, от остальной массы воды, содержащейся в почве, некото­рыми особыми свойствами.

Способность почвенных частиц притягивать к себе мо­лекулы воды и закреплять их на своей поверхности, на­зывается сорбционной способностью.

Природа сорбционной способности может быть схема­тически объяснена следующим образом. Почвенные час­тицы состоят из ионов различных элементов: кремния, кислорода, алюминия, железа, кальция и т. д. Эти ионы в почвенных частицах, т. е. в частицах минералов, распо­ложены не случайно, а в определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Каждый ион, входящий в состав частицы почвы, обладает, как известно, электрическим зарядом той или иной величины. Эти зарядысоздают вокруг каждого иона силовое поле Ионы с зарядами противоположного знака притягивают­ся друг к другу, что и сообщает частице соответствующую механическую прочность. Силовое поле любого иона, на­ходящегося внутри частицы, полностью уравновеши­вается, погашается силовыми полями соседних ионов, с которыми, связан этот ион.

Силовые поля ионов, образующих поверхностный слой частиц, уравновешены силовыми полями ионов внутренних слоев частицы не полностью. Неуравновешен­ная часть силового поля любого поверхностного иона, оставаясь свободной, простирается кнаружи от частицы. Эти свободные части силовых полей поверхностно рас­положенных ионов, сливаясь между собой, создают сило­вое поле вокруг частицы. Благодаря существованию та­кого силового поля почвенная частица приобретает спо­собность связывать, сорбировать на своей поверхности тела, обладающие электрическим зарядом, в том числе — дипольные молекулы воды. Последние, сорбируясь на поверхности почвенных частиц, естественно приобретают ориентированное положение, при котором моле­кула воды обращена к частице только одним своим по­люсом. Иными словами, молекулы воды около почвенной частицы располагаются так же, как и при образовании гидратной оболочки вокруг отдельного иона, находяще­гося в растворе (см. рис. 6).

Сорбционная способность присуща ионам (а также атомам или молекулам), слагающим поверхностный слой частиц. Она будет тем больше, чем больше суммарная поверхность частиц, т. е. чем мельче раздроблено данное вещество. Напомним, что в процессе дробления данного количества вещества при уменьшении диаметра частиц в 10 раз их суммарная поверхность увеличивается тоже в 10 раз. Следовательно, чем мельче раздроблено данное количество вещества, тем больше его поверхность и сорбционная способность.

 

1. Гигроскопичность почвы

Мы уже упоминали, что почвенные частицы могут притягивать молекулы как парообразной, так и жидкой влаги. Способность частиц почвы притягивать молекулы парообразной влаги называется гигроскопично­стью почвы.

Доказать гигроскопичность почвы очень легко. Возь­мем вполне сухую на вид и на ощупь почву, которая, например, длительное время хранилась в лаборатории. Такую почву принято называть воздушно-сухой. Поме­стим несколько граммов такой почвы в небольшой стек­лянный стаканчик с притертой крышкой и точно его взвесим. Затем поставим стаканчик в сушильный шкаф, нагретый до температуры, несколько превышающей 100°, и будем периодически взвешивать. Мы обнаружим, что вес стаканчика начнет постепенно убывать до тех пор, пока не достигнет какой-то определенной величи­ны, затем сделается постоянным. Этот опыт можно про­вести несколько иначе: поставить стаканчик с воздушно-Сухой почвой не в сушильный шкаф, а в эксикатор, на дне которого лежит какое-либо вещество, поглощающее воду, например фосфорный ангидрид. Результат и в этом случае будет тот же: вес стаканчика с почвой начнет убы­вать до установления постоянного веса. Убыль стаканчи­ка в весе в обоих случаях объясняется тем, что из почвы выделяется гигроскопическая вода, причем почва делает­ся вполне сухой.

Если стаканчик с высушенной почвой выставить те­перь в комнате на воздух и снова периодически его взве­шивать, то окажется, что его вес начнет возрастать, при­чем это возрастание также будет идти до известного пре­дела. Возрастание веса стаканчика, или, вернее, возрастание веса содержащейся в нем почвы, объясняется тем, что вполне высушенная почва снова поглощает влагу из воздуха, содержащуюся в нем в форме пара.

Как велика гигроскопическая способность почвы, т. е. сколько влаги почва может поглотить из воздуха и чем объясняется явление гигроскопичности?

Количество влаги, которое почва может поглотить из воздуха, зависит, во-первых, от относительной влажности воздуха и, во-вторых, от свойств почвы. Напомним, что относительной влажностью воздуха называется отноше­ние количества влаги, содержащейся в данный момент в воздухе, к тому предельному ее количеству, которое мо­жет содержаться при той же температуре, т. е. при усло­вии насыщения воздуха водяным паром. Относительная влажность воздуха выражается в долях единицы или в процентах.

Как же влияет относительная влажность воздуха на количество влаги, поглощаемое почвой? Для ответа на этот вопрос обратимся к рис. 18, из которого мы видим, что с повышением относительной влажности воздуха уве­личивается количество влаги, поглощенной почвой из воздуха. Увеличение это идет неравномерно. Вначале, в пределах относительной влажности от нуля и приблизи­тельно до 10%, кривая идет вверх очень круто, количе­ство влаги, поглощаемое почвой, возрастает быстро. За­тем наклон кривой значительно уменьшается и при нара­стании относительной влажности воздуха от 10 до 80% количество влаги, поглощенной почвой, увеличивается го­раздо медленнее. Наконец, когда относительная влаж­ность воздуха приближается к 100%, количество влаги, поглощаемое почвой, начинает нарастать снова быстрее, о чем свидетельствует круто загибающийся кверху конец кривой. Следовательно, равномерное увеличение относи­тельной влажности воздуха вызывает сначала быстрое, затем более медленное, а под конец снова более быстрое увеличение количества влаги, поглощаемой почвой.

Зависимость между относительной влажностью воздуха и количеством парообразной влаги

Зависимость между относительной влажностью воздуха и количеством парообразной влаги

Как влияют на гигроскопичность почвы другие ее свойства? Наиболее существенное влияние оказывает механический состав почвы: чем он тяжелее, чем больше в почве содержится самых мелких частичек, тем выше ги­гроскопичность почвы. На рис. 19 изображены такие же кривые поглощения парообразной влаги, как и на рис. 18. Кривые на рис. 19 относятся к четырем различным меха­ническим фракциям, выделенным из одной и той же поч­вы. Мы видим, что по общей конфигурации кривые похо­жи друг на друга. Но чем тоньше фракция, т. е. чем мельче частицы, тем выше располагается кривая и, зна­чит, тем больше они при той же относительной влажности воздуха поглощают влаги из воздуха, тем выше, следова­тельно, гигроскопичность. Практически гигроскопичность почвы зависит по преимуществу от содержания в ней илистой фракции — частиц мельче одной тысячной доли миллиметра в диаметре.

Влияние размера почвенных частиц на количество парообразной влаги

Влияние размера почвенных частиц на количество парообразной влаги

На величину гигроскопичности влияет также содержа­ние гумуса: чем оно выше, тем гигроскопичность больше. Существенное влияние на гигроскопичность почвы могут оказывать содержащиеся в ней соли, особенно такие, как хлористый кальций и хлористый магний.

Какова же природа гигроскопичности, чему она обя­зана своим происхождением?

В основе гигроскопичности лежит несколько различных явлений. По мере нарастания относительной влажности воздуха эти явления налагаются поочередно одно на дру­гое и в совокупности создают то сложное явление, которое мы воспринимаем как единое и называем гигроско­пичностью почвы.

Когда вполне сухая почва соприкасается с влажным воздухом, то в действие вступают те свободные сило­вые поля, которые присущи, как мы видели, поверх­ностному слою почвенных частиц. Почва начинает сорбировать парообразную влагу, дипольные молекулы во­ды притягиваются свободными связями и закрепляются на поверхности почвенных частиц.

Так как силы связи, исходящие от поверхности поч­венных частиц, действуют на очень небольшом расстоя­нии, то частицы непосредственно могут притянуть лишь ограниченное количество молекул воды, которые создадут вокруг почвенных частиц оболочку толщиной всего в 2—3 молекулы воды. Такая оболочка создается еще при очень низкой относительной влажности воздуха (всего не­сколько процентов), причем свободные силы связи, исходящие от поверхности почвенных частиц, насыщаются полностью.

Однако процесс поглощения, или сорбции, парообраз­ной влаги на этом не заканчивается. Каждая дипольная молекула воды обладает, как мы знаем, двумя полюсами. После того как такая молекула будет сорбирована поч­венной частицей — будет притянута одним из своих полю­сов, другой полюс обращается наружу и в свою очередь может служить точкой закрепления другой дипольной молекулы воды подобно тому, как это изображено на рис. 6, показывающем образование гидратной оболочки вокруг катиона. Таким образом, создается многослойная оболочка из молекул воды, толщина которой нарастает по мере увеличения относительной влажности воздуха. По некоторым приближенным расчетам число молекуляр­ных слоев, составляющих такую оболочку, может дости­гать нескольких десятков.

Утолщение оболочки гигроскопической воды на этом этапе процесса сорбции идет параллельно с увеличением относительной влажности воздуха. Однако по мере при­ближения воздуха к состоянию насыщения процесс сорб­ции водяного пара осложняется еще одним явлением — капиллярной конденсацией. Сущность этого явления заключается в следующем.

Упругость пара над поверхностью воды зависит не только от температуры, но и от формы поверхности воды. Когда мы наливаем воду в большой сосуд, то поверх­ность воды становится плоской, и если закрыть сосуд гер­метически, то в нем над поверхностью воды создается та нормальная упругость водяного пара, которая соответ­ствует данной температуре воды. Если же мы поместим воду не в большой сосуд, а в трубку малого диаметра, то поверхность воды примет, как известно, вогнутую форму (см. рис. 10). Оказывается, что упругость водяного пара, насыщающего пространство, в этом случае при той же температуре будет меньше, чем над плоской поверх­ностью, и тем меньше, чем больше кривизна поверхности воды. И наоборот, над выпуклой поверхностью упру­гость водяного пара, насыщающего пространство, была бы выше, чем над плоской поверхностью.

Следовательно, воздух, насыщенный водяным паром при данной температуре над плоской поверхностью, по отношению к вогнутой поверхности окажется уже пересы­щенным, а содержащаяся в нем влага начнет конденси­роваться на вогнутой поверхности воды. Такая конденса­ция и называется капиллярной.

Каким же образом капил­лярная конденсация возникает в почве? В процессе сорбции, как мы видели, вокруг почвен­ных частиц образуются водя­ные оболочки. Там, где обо­лочки двух частиц сливаются (рис. 20), образуется стыковое скопление воды, или водяная манжета, обладающая отрица­тельной кривизной (см. стр. 24). Следовательно, при насыщении почвы водяным па­ром над плоской, поверхностью воды водяной пар будет перего­няться на вогнутые поверхно­сти водяных манжет. В резуль­тате этого процесса количество «гигроскопически поглощен­ной» влаги будет возрастать. Именно наложением этого яв­ления объясняется тот факт, что кривые поглощения влаги (см. рис. 18 и 19) на своих пра­вых концах загибаются вверх.

Образование выпукло-вогнутого мениска в результате слияния пленок

Образование выпукло-вогнутого мениска в результате слияния пленок

Капиллярная конденсация принимает заметные раз­меры, начиная с относительной влажности воздуха, рав­ной около 80%.

Таким образом, гигроскопическое поглощение паро­образной влаги почвой представляет собой сложное яв­ление.

На первой его стадии, при низкой относительной влажности воздуха, имеет место сорбция влаги непосред­ственно почвенными частицами. По окончании этого про­цесса дальнейшее увеличение относительной влажности воздуха вызывает многослойную сорбцию за счет удер­жания внутренними слоями внешних слоев воды. И, на­конец, при относительной влажности воздуха, приближающейся к 100%, на процесс многослойной сорбции накладывается явление капиллярной конденсации.

Каким образом гигроскопическая способность почвы может быть охарактеризована количественно?

Пользоваться величиной содержания гигроскопиче­ской влаги в воздушно-сухой почве нельзя, так как эта величина зависит от влажности воздуха того помещения, в котором хранится почва. Вследствие этого гигроскопич­ность почвы количественно следует характеризовать при какой-то определенной относительной влажности возду­ха. Проще всего, казалось бы, делать это при относитель­ной влажности, равной 100%, в атмосфере, насыщенной водяным паром. Однако в силу капиллярной конденсации процесс насыщения почвы очень длителен и затухает постепенно.

Поэтому гигроскопичность почвы принято определять при относительной влажности воздуха, очень близкой к 100%, но все же несколько меньшей. Практически это осуществляется таким образом. Стаканчики с воздушно-сухой почвой ставят в эксикатор, на дне которого налит 10%-ный раствор серной кислоты или насыщенный рас­твор сернокислого калия. Оба раствора в замкнутом пространстве создают относительную влажность воздуха, равную 94%.

Предельное количество влаги, которое может быть поглощено почвой при этих условиях, называется максимальной гигроскопичностью. Мы бу­дем обозначать эту величину для краткости символом МГ. Именно ею принято характеризовать гигроскопиче­скую способность почвы. Количество капиллярно конден­сированной воды при относительной влажности воздуха, равной 94%, невелико, в силу чего максимальная гигро­скопичность характеризует собою по преимуществу сорбционную способность почвы в отношении парообразной влаги.

Из сказанного вытекает, что величина максимальной гигроскопичности зависит прежде всего от механического состава почвы, так как им определяется суммарная по­верхность почвенных частиц. Чем выше содержание в почве илистой фракции, тем выше должна быть макси­мальная гигроскопичность. Эта зависимость иллюстри­руется рис, 21, на котором видно, что величина максимальной гигроскопичности и содержание частиц мельче одного микрона связаны друг с другом приблизительно прямой пропорциональностью, хотя отдельные определе­ния были получены разными исследователями и относят­ся к самым разнообразным почвам. На этом же рисунке мы видим, что образцы почвы, богатые гумусом (отмеченные на рис. 21 знаком V ), при том же механическом составе обладают более высокой максимальной гигро­скопичностью. Это зависит от того, что гумус, содер­жащийся в почве, обладает большой, суммарной поверх­ностью.

Зависимость величины максимальной гигроскопичности разных почв от содержания в них частиц

Зависимость величины максимальной гигроскопичности разных почв от содержания в них частиц

Кроме того, максимальная гигроскопичность одной и той же почвы зависит и от способа подготовки почвы к ее определению.

По данным Францессона, максимальная гигроскопич­ность слабосолонцеватого чернозема равнялась:

Sh_001

Поэтому максимальную гигроскопичность следует определять всегда при одном и том же начальном состоя­нии, взяв воздушно-сухую почву.

 

2. Связывание жидкой воды почвой

Мы рассмотрели связывание, или поглощение, почвой парообразной влаги. Но почва может связывать и жид­кую влагу.

Связывание жидкой воды почвой сопровождается не­которыми особыми явлениями, наблюдения над которыми приводят к пониманию процессов связывания.

Если мы смочим вполне сухую (высушенную при 105°) почву жидкой водой, то при этом выделится неко­торое количество тепла. Это тепло называется тепло­той смачивания. Природа этого явления заклю­чается в следующем.

Тепловая энергия, присущая жидкой воде, вызывается кинетической энергией движущихся молекул воды. При связывании почвой молекулы воды, переходя в неподвиж­ное состояние, теряют присущую им кинетическую энер­гию, которая и выделяется в форме теплоты смачивания. Одновременно уменьшается поверхностная энергия, при­сущая почвенным частицам.

При связывании почвой одного грамма воды выде­ляется около 80 малых калорий тепла — величина, близ­кая к скрытой теплоте плавления льда. Это указывает на близость физической сущности процесса связывания воды и процесса кристаллизации льда.

Воду, при связывании которой почвой выделяется тепло, принято называть прочносвязанной. Прочносвязанная вода составляет примерно 60—80% макси­мальной гигроскопичности.

Наибольшее количество воды, которое почва может связать прочно, называется максимальной ад­сорбционной влагоемкостью почвы, которую можно обозначить МАВ. Ее принято определять по вели­чине теплоты смачивания почвы.

Другое явление, по которому мы можем судить о свя­зывании жидкой РОДЫ почвой, заключается в том, что при взаимодействии сухой почвы с водным раствором какого-либо вещества концентрация его увеличивается. Демонстрировать это явление очень легко. Возьмем рас­твор какого-либо вещества, например сахара или хлори­стого кальция, концентрация которого нам точно извест­на. Если мы взболтаем некоторое количество такого раствора с навеской сухой почвы, раствор отфильтруем и снова определим концентрацию растворимого вещества в фильтрате, то увидим, что она увеличилась по сравне­нию с первоначальной концентрацией. При этом, чем меньше будет соотношение вода : почва при их взаимо­действии, тем это увеличение будет больше. С другой стороны, относительное увеличение концентрации бывает тем больше, чем меньше начальная величина концентра­ции.

На что же указывает увеличение концентрации рас­твора после его взаимодействия с почвой?

Так как количество растворенного вещества не изме­нилось, то очевидно, что изменилось количество воды, участвующей в его растворении. Последнее могло прои­зойти лишь вследствие того, что часть ее оказалась свя­занной почвой, причем водные оболочки из связанной воды, образующиеся вокруг почвенных частиц, неспособ­ны растворять соли и другие вещества. Естественно, что чем меньше отношение вода : почва, тем сильнее увели­чится концентрация раствора, так как тем большая доля воды будет связана с почвой. Влияние первоначальной концентрации раствора на ее изменение при взаимодей­ствии с почвой объясняется следующим образом. Выше мы говорили уже о гидратации ионов, заключающейся в том, что ионы, притягивая дипольные молекулы во­ды, образуют вокруг себя водные оболочки. Когда в рас­твор вносится сухая почва, между нею и ионами (или молекулами) раствора возникает «конкуренция» за во­ду; почва, связывая воду, как бы стремится отнять ее у гидратированных ионов или молекул, в то время как по­следние стремятся ее удержать. Очевидно, что, чем выше первоначальная концентрация раствора (чем больше чис­ло ионов или молекул в данном количестве раствора), тем больше воды ими будет удержано и тем меньше их будет связано почвой.

Зная исходную и конечную концентрацию раствора и навеску почвы, мы можем рассчитать количество воды, связанное почвой, которое зависит от концентрации рас­твора и от соотношения раствор : почва.

На рис. 22 изображена зависимость между концентра­цией сахарного раствора и количеством воды, связанной почвой при взаимодействии с этим раствором (гумусовый горизонт мощного чернозема). На рисунке видно, что при небольших концентрациях раствора почва связывает значительное количество воды (около 10%). По мере увеличения концентрации раствора количество связанной воды уменьшается сначала быстро, а затем очень мед­ленно. В интервале концентрации от 2 до 8% количество связанной воды уменьшилось с 8 до 4,5%, т. е. почти вдвое, а при дальнейшем увеличении концентрации рас­твора от 8 до 40% количество связанной воды умень­шается лишь с 4,5 до 4,2%. Из этого следует, что вода, связанная почвой, отчетливо делится на две категории: 1) воду, прочносвязанную, о которой мы уже говорили и которая не может быть отнята от почвенных частиц раствором даже весьма высокой концентрации, и 2) воду, которая легко отнимается раствором низкой концентра­ции и которая, очевидно, удерживается силами более слабыми. Эта вторая категория воды называется водой рыхлосвязанной.

Влияние концентрации раствора на количество воды, связанной почвой

Влияние концентрации раствора на количество воды, связанной почвой

Определение количества воды, связываемого почвой из растворов высокой концентрации, является вторым методом определения величины максимальной адсорб­ционнойвлагоемкости.

Характерной чертой рыхлосвязанной воды, как и прочносвязанной, является ее ориентированность, которая заключается в том, что дипольные молекулы воды, образующие оболочки рыхлосвязанной воды, нахо­дятся не в случайном положении, а обращены к почвен­ной частице тем или иным своим полюсом, входя в состав водной оболочки, образующейся за счет многослойной сорбции. При этом слои воды, расположенные дальше от поверхности частиц, находятся в более рыхлом состоя­нии, степень их ориентированности меньше, они легче отклоняются от строго ориентированного положения под влиянием тепловых толчков со стороны соседних молекул воды, при механическом помешивании жидкости и т. д. И наоборот, чем ближе к поверхности почвенной частицы расположен слой, тем степень его ориентированности больше. Внешняя граница оболочки из рыхлосвязанной воды не является резкой, она размыта и очень подвижна.

Связанная вода, которую называют также пленочной водой, отличается от обычной некоторыми своими физи­ческими свойствами. Особенно велики эти отличия у прочносвязанной воды.

Последняя, как известно, в процессе связывания пере­ходит в неподвижное состояние. Плотность ее доходит до 1,7. Это указывает на то, что она удерживается очень большими силами, вызывающими ее уплотнение. Ее теплоемкость равна 0,5—0,8. Напомним, что теплоем­кость льда (твердой воды) равна 0,5. Прочносвязанная вода, по-видимому, лишена электропроводности, а также способности растворять электролиты и другие раствори­мые вещества. Рыхлосвязанная вода по своим свойствам гораздо меньше отличается от обычной воды. Она, ве­роятно, лишь частично лишена способности растворять электролиты и другие вещества и обладает повышенной вязкостью, более высокой у слоев, расположенных ближе к поверхности почвенных частиц.

Ввиду того, что содержание рыхлосвязанной воды яв­ляется величиной неустойчивой, зависящей от постоянно меняющейся концентрации почвенного раствора, а также и от других условий, не существует никаких величин, количественно характеризующих способность почвы рых­ло связывать воду.

Мы видели, что связанная влага удерживается сила­ми, исходящими от поверхности отдельных почвенных частиц. Спрашивается, способна ли эта влага к передви­жению в почве, и если способна, то как она передви­гается?

Прежде всего отметим, что вся прочносвязанная влага и вся или значительная часть рыхлосвязанной влаги удерживается почвенными частицами настолько прочно, что она не может стекать вниз под влиянием силы тя­жести.

Однако это не значит, что она вообще неспособна пе­редвигаться в почве. Передвижение ее совершается в раз­личной форме.

Прочносвязанная влага и, по-видимому, небольшая часть рыхлосвязанной в пределах до максимальной гигро­скопичности могут передвигаться в почве лишь в паро­образном состоянии.

Если один слой почвы имеет более высокую влаж­ность, чем соседний, и влажность обоих слоев не превы­шает максимальной гигроскопичности, то абсолютная упругость пара (концентрация водяных молекул в поч­венном воздухе) в первом слое будет выше, чем во вто­ром. В силу этого водяной пар начнет диффундировать из первого слоя во второй, и этот процесс будет идти до тех пор, пока существует разность влажностей, обуслов­ливающая различие в упругостях водяного пара.

Рыхлосвязанная влага может передвигаться в почве и иначе — в жидком виде. Она, как мы знаем, образует оболочку вокруг почвенных частиц, внутренние слои ко­торой удерживаются сильнее, чем внешние.

Представим себе две близко расположенные частицы почвы А и Б одинакового диаметра (рис. 23). Пусть на частице Б оболочка из рыхлосвязанной воды будет не­сколько тоньше. Молекула воды В находится ближе к центру почвенной частицы Б, чем к центру частицы А Поэтому молекула В начнет передвигаться в сторону частицы Б. Иными словами, более толстая пленка, имею­щаяся около частицы Л, начнет перетекать к частице Б. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока тол­щина водных оболо­чек вокруг обеих ча­стиц не сделается одинаковой. Сущест­венным в этом про­цессе является то, что связанная влага передвигается не сплошной массой, а от частицы к части­це. Гидравлического давления связанная влага не передает.

Передвижение пленочной влаги от одной частицы к другой

Передвижение пленочной влаги от одной частицы к другой

В заключение настоящего раздела укажем, что уче­ние о поведении связанной воды в почвах и грунтах нашло подробное развитие в трудах А. В. Трофимова и особенно А. Ф. Лебедева, который называл эту воду пленочной.

comments powered by HyperComments