Giáo trình Hóa học đất

nh theo những mũi tên chỉ, trong đó vận chuyển từ khí quyển đến đất (AL), vận chuyển từ đất đến sông (LR), vận chuyển này thường bằng những vận chuyển từ sông đến đại dương (RO), vận chuyển từ khí quyển đến đại dương (AO), vận chuyển từ đại dương đến khí quyển (OA) và vận chuyển từ đất đến khí quyển (LA). Quy mô của những thành phần vận chuyển này trên phạm vi toàn cầu được ước tính như số liệu trình bày ở bảng 1.1 đối với 6 nguyên tố hoá học quan trọng có trong đất. Số liệu trong bảng cho biết khối lượng của một nguyên tố đã vận chuyển mỗi năm từ bộ phận kho này đến bộ phận kho khác trên phạm vi toàn thế giới. Với oxy, dạng hoá học của nguyên tố này có số lượng vận chuyển lớn nhất là nước, số liệu trong bảng 1.1 có liên quan với pha lỏng này. Vì vậy thành phần vận chuyển đối với oxy được dẫn trong bảng này thực tế giống như chu trình nước toàn cầu. Chú ý rằng, sự vận chuyển đến và đi khỏi đại dương đóng vai trò chủ yếu trong chu trình này (AO và OA) và chu trình được cân bằng AL = LA + LR = LA + RO, AO + RO = OA Với cacbon tổng số, các tiểu chu trình liên quan với các vận chuyển đât-đại dương (AL và LA) và đại dương-khí quyển (OA và AO) có xu hướng cân bằng tách biệt nhau, bởi vì chỉ có một phần tương đối nhỏ của cacbon này bị đưa ra biển. Khoảng 6% vận chuyển LA hiện tại do đốt nhiên liệu hoá thạch và phá rừng trên phạm vi toàn cầu gây ra. Sự chênh lệch tương đối nhỏ giữa AO và OA có ý nghĩa khá lớn và phản ánh sự tích tuỹ của cacbon trong các cặn của đáy đại dương. Đối với lưu huỳnh, có một thành phần lớn của vận chuyển LA (70%) được tạo ra do sự đốt cháy và các quá trình chịu tác động của con người khác và sự tăng lên của vận chuyển AL phản ánh sự lắng đọng axit. Sự phong hoá cung cấp cho thành phần RO đáng kể và sự chênh lệch giữa OA và (AO + RO) chứng tỏ sự tích luỹ lưu huỳnh trong cặn của đại dương. Chu trình phốt pho giống như chu trình của bất kỳ nguyên tố hoá học tương đối khó tan nào trong đất bị chi phối bởi sự vận chuyển của các dạng hạt từ sông ra biển (RO) và từ đất đến khí quyển (LA). Đại dương đóng vai trò như một đầm lầy lớn chứa đựng các cặn lắng, bằng chứng là sự chênh lệch vô cùng lớn giữa (RO + AO) và OA. Chu trình chì cũng có có các đặc điểm tương tự, nhưng có điểm đặc biệt là 90% của thành phần LA có nguồn gốc từ các hoạt động công nghiệp và khai thác mỏ của con người. Nguyên tố độc này đặc trưng cho sự rủi ro môi trường quan trọng nhất trên phạm vi toàn cầu. Đồng theo một viễn cảnh như chì với khoảng 80% của thành phần LA có nguồn gốc do tác động của con người và với một lượng khổng lồ ở dạng hạt đổ ra biển, ở đó chúng được tích luỹ trong các cặn đại dương. 1.1.2 Đặc điểm của thành phần nguyên tố của đất + Khác với sinh vật và đá, khoáng vật. Sinh vật được tạo thành từ các nguyên tố chủ yếu: C, N, H, P, S. Đá và khoáng vật chứa ít nhất 2 nguyên tố. Đất chứa tất cả các nguyên tố tự nhiên theo bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleev.. 13 + Hàm lượng cao của C và Si trong đất phản ánh tác động đồng thời của cả 2 nhân tố sinh vật và đá mẹ. + Khoảng dao động của hàm lượng các nguyên tố trong đất khá rộng. Ví dụ: hàm lượng của các nguyên tố Si: 22- 44 % (trừ đất than bùn), Al: 1- 8 % (trừ đất đỏ), Fe: 0,5- 6 % (trừ đất đỏ), Ca: 0,3 - 5 %... + Thành phần nguyên tố của đất phụ thuộc vào loại đất, thành phần cấp hạt, độ sâu tầng đất, các đặc tính đặc biệt của các nguyên tố hoá học (ví dụ: đất có thành phần cơ giới nhẹ có hàm lượng Si cao, hàm lượng các nguyên tố khác giảm thấp, trừ oxy; CaCO3 có nhiều trong đất không bị rửa trôi và đất phát triển trên đá vôi; ở đất đỏ và đất đỏ vàng hàm lượng Fe và Al tăng cao... 1.1.3 Vai trò của thành phần nguyên tố + Dùng để đánh giá chiều hướng và kết quả của quá trình hình thành đất, dựa vào thành phần nguyên tố người ta có thể chia đất thành các tầng phát sinh khác nhau (ví dụ, tầng mùn thường có hàm lượng C, N, P...cao hơn các tầng khác). Thành phần nguyên tố là dấu hiệu chẩn đoán, nhận dạng các tầng phát sinh. + Dùng để đánh giá độ phì tiềm tàng của đất. Đất có hàm lượng N cao là đất có độ phì cao, đất tích luỹ nhiều Cl- là đất bị mặn nhiều, không thuận lợi cho sinh trưởng của cây trồng. Thực vật chỉ có thể sử dụng được một phần các nguyên tố dinh dưỡng trong đất. Các nguyên tố này có trong các hợp chất aluminsilicat, các muối khó tan, các hợp chất hữu cơ. Khi các hợp chất này bị phá huỷ một phần hay toàn bộ cấu trúc ban đầu sẽ chuyển sang dạng các hợp chất dễ tan hơn cây trồng có thể sử dụng được. Ví dụ: đất chernozem điển hình của nước Nga, ở lớp đất mặt 0 - 20 cm trữ lượng N có thể đạt 6 - 11 tấn/ha, P: 1,6 - 4,5 tấn/ha, K: 40 - 60 tấn/ha; nếu trồng lúa mì với năng suất 3 tấn/ha, đất có thể cung cấp N cho cây lúa mì trong khoảng từ 60 - 105 năm, P: 85 - 250 năm và K: 530 - 870 năm. + Nghiên cứu và chọn lựa các phương pháp phân tích: mỗi loại đất có chứa một tập hợp các nguyên tố, thêm vào đó hàm lượng của chúng dao động rất lớn, có thể từ hàng chục % đến 10-9 - 10-10 %. Nhiều nguyên tố có trong đất có tác dụng ngăn cản lẫn nhau khi phân tích hoá học, giữa các nguyên tố gây cản và nguyên tố cần xác định thường có những chuyển biến bất lợi, vì vậy khi phân tích hoá học người ta thường hay sử dụng phương pháp cô đặc hoặc các phương pháp khác để tách nguyên tố cần xác định khỏi các nguyên tố cản khác. 1.1.4 Phân nhóm các nguyên tố: người ta có thể phân nhóm các nguyên tố theo nhiều cách: * Dựa vào hàm lượng tuyệt đối của các nguyên tố trong đất, người ta chia các nguyên tố thành các nhóm: + Nhóm 1: gồm Si và O2 chiếm hàm lượng cao nhất, có thể tới vài chục phần trăm. Khối lượng cả nhóm chiếm 80 - 90 % khối lượng đất. + Nhóm 2: bao gồm các nguyên tố có hàm lượng ở trong đất dao động từ 0,1 đến vài % như các nguyên tố: Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C. + Nhóm 3: bao gồm các nguyên tố có hàm lượng trong đất dao động từ vài phần trăm đến vài phần nghìn như: Ti, Mn, P, S, H. + Nhóm 4: bao gồm các nguyên tố có hàm lượng trong đất dao động từ n x 10-10 đến n x 10-3 % như: Ba, Sr, B, Rb, Cu, Co, Ni... 14 Các nguyên tố của 2 nhóm đầu được gọi là các nguyên tố đa lượng. Các nguyên tố thuộc nhóm 4 được gọi là các nguyên tố vi lượng và siêu vi lượng. Các nguyên tố của nhóm 3 là các nguyên tố chuyển tiếp. Việc phân loại trên trong một số trường hợp chỉ có tính chất ước lệ, phụ thuộc vào hàm lượng của nguyên tố đó trong đất và trong thực vật. Thông thường những nguyên tố vi lượng là những nguyên tố có trong cơ thể sinh vật ở một lượng nhỏ nhưng chúng lại thực hiện những chức năng sinh lý rất quan trọng. Một số nguyên tố trong trường hợp này là nguyên tố đa lượng, trong trường hợp khác lại là nguyên tố vi lượng. Ví dụ: Ca trong đất là nguyên tố đa lượng (0,3 – 5,0 %) nhưng trong cơ thể sinh vật nó thể hiện chức năng của nguyên tố đa lượng khi tham gia vào cấu tạo của thành vách tế bào, còn khi tham gia vào thành phần của men amilaza nó thể hiện vai trò của nguyên tố vi lượng. Đối với Fe và Mg ở trong đất chúng là nguyên tố đa lượng (Fe = 0,5 – 6,0 %, Mg = 0,1 – 2,0 %) nhưng đối với sinh vật chúng là các nguyên tố vi lượng điển hình tham gia vào thành phần của hemoglobin và chlorophyl. Bảng 1.2.a Hàm lượng trung bình của một số nguyên tố trong đất Nguyên tố % Nguyên tố % Si 26,0 - 44,0 Ti 0,20 - 0,50 Al 1,0 - 8,0 Mn 0,01 - 0,30 Fe 0,5 - 6,0 Chc 0,50 - 4,00 Ca 0,3 - 5,0 N 0,05 - 0,20 K 0,2 - 3,0 P 0,02 - 0,10 Na 0,2 - 2,0 S 0,02 - 0,20 Mg 0,1 - 2,0 H 0,04 - 0,20 Nguồn: D. S. Orlov, 1992 * Phân loại địa hoá: chia các nguyên tố của vỏ trái đất thành 4 nhóm chính: + Litophyl: bao gồm các nguyên tố có ái lực hoá học mạnh với oxy hình thành các khoáng vật loại oxyt và hydroxit hoặc muối của các a xít vô cơ như: Si, Ti, S, P, F, Cl,... + Khancophyl: bao gồm các nguyên tố có khả năng kết hợp với lưu huỳnh để tạo thành các hợp chất khác nhau như: Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Mn,... + Xiderophyl: bao gồm những nguyên tố có khả năng hoà tan trong sắt và tạo thành hợp kim với sắt như: Pt, Sn, Mo,... + Atmophyl: gồm các nguyên tố có trong khí quyển như: H, N, O, He... * Phân loại các nguyên tố theo con đường di động của chúng trong tự nhiên Bảng 1.2.b Hàm lượng trung bình của một số nguyên tố trong đất Nguyên tố mg/kg Nguyên tố mg/kg Ag 0,1 - 5,0 Cu 2,0 - 100,0 As 0,1 - 40,0 F 30,0 - 300,0 Au 1,0 Hg 0,1 x 10-1 - 0,8 B 2,0 - 130,0 Li 7,0 - 200,0 Cd 0,01 - 0,7 Mo 0,2 - 5,0 Co 1,0 - 4,0 Pb 2,0 - 200,0 Cr 5,0 - 3000,0 Ra 0,8 x 10-6 Cs 0,3 - 25,0 Zn 0,1 x 10-1 - 200,0 15 Nguồn: M. B. Kyrkhem, 1979, trích từ Hoá học đất, D. S. Orlov, 1992. A.I. Perelman đã chia các nguyên tố thành 2 nhóm: nhóm di động khí và nhóm di động nước. + Nhóm di động khí: gồm các nguyên tố thụ động (khí trơ) như: He, Ne, Ar, Kr, Xe,...và các nguyên tố chủ động là những nguyên tố có khả năng hình thành các hợp chất hoá học trong điều kiện sinh quyển như: O, H, C, I. + Nhóm các nguyên tố di động theo nước: được chia thành những nhóm phụ theo tính di động trong tự nhiên và theo ảnh hưởng của điều kiện oxy hoá khử đến tính di động của các nguyên tố: - Các nguyên tố di động mạnh và rất mạnh: Cl, Br, S, Ca, Na, Mg, F,... - Các nguyên tố di động yếu: K, Ba, Rb, Li, Be, Cs, Si, P, Sn,... - Các nguyên tố di động trong môi trường glây, khử: Fe, Mn, Co - Các nguyên tố di động và di động yếu trong môi trường glây và oxy hoá và trơ trong môi trường H2S khử: Zn, Cu, Ni, Cd, Pb. - Các nguyên tố nhóm lantan ít di động trong tự nhiên: Al, Ti, Cr, Bi... * Phân nhóm theo mức độ sinh vật sử dụng: + Nguyên tố được sinh vật sử dụng cực đại: C + Nguyên tố được sinh vật sử dụng cao: N, H. + Nguyên tố được sinh vật sử dụng trung bình: O, S, P, B,... + Nguyên tố được sinh vật sử dụng ít: Fe, Al. 1.2 Thành phần pha của đất Tập hợp các phần đồng thể của một hệ dị thể có thành phần và các đặc tính động thái nhiệt giống nhau không phụ thuộc vào khối lượng được gọi là pha. Đất được coi là một hệ thống ba pha: pha rắn, pha lỏng và pha khí. 1.2.1 Các pha rắn trong đất + Vật chất rắn chiếm khoảng 1/2 đến 2/3 khối lượng đất. Trong vật chất rắn này có trên 90 % là các hợp chất vô cơ, trừ các đất than bùn và đất được bón nhiều phân chuồng, ở đó số lượng chất hữu cơ có thể chiếm > 50 % khối lượng của chất rắn. + Các pha rắn vô cơ trong đất thường xuyên ở trạng thái biến đổi từ cấu trúc nguyên tử không đều, không đồng nhất sang cấu trúc đều, đồng nhất hơn do kết quả của các quá trình phong hoá. Một số pha rắn có thành phần khá đồng nhất (các khoáng vật) trong đất đã được nhận dạng. Bảng 1.3 liệt kê những khoáng vật phổ biến nhất. Hai nguyên tố có nhiều nhất trong đất là ôxi và silíc, chúng kết hợp với nhau để hình thành 15 silicát phổ biến được liệt kê trong bảng 1.3. Sáu silicát đầu tiên trong bảng này là các khoáng vật nguyên sinh. Liên kết Si-O trong các khoáng vật này cộng hoá trị nhiều hơn và mạnh hơn các liên kết kim loại-ôxi điển hình. Độ bền vững tương đối của các khoáng vật này đối với các quá trình phong hoá liên quan chặt chẽ với tỷ số mol Si/O của đơn vị cấu trúc silicat cơ bản của khoáng vật. Tỷ số này càng lớn có nghĩa là càng ít cần kết hợp với các cation kim loại hơn vào cấu trúc khoáng vật để trung hoà điện tích của anion ôxi, khoáng vật sẽ chống chịu với tác động phá huỷ của môi trường đất tốt hơn. Đối với 6 silicát đầu tiên trong bảng 1.3, các tỷ số mol Si/O của các đơn vị cấu trúc cơ bản như sau: 0,50 (thạch anh và fenspat, SiO2); 0,40 (mica, Si2O5); 0,36 (amphibol, Si4O11); 0,33 (pyroxen, SiO3) và 0,25 16 (olivin, SiO4). Theo thứ tự giảm dần của tỷ số mol Si/O tương tự cũng quan sát thấy thứ tự giảm dần của sự chống chịu với phong hoá hoá học trong các nhóm hạt cát và limon của đất. Các khoáng vật epidot, tuốcmalin, zircon, rutin có khả năng chống chịu cao đối với sự phong hoá của môi trường đất. Các khoáng vật từ kaolinit đến thạch cao được gọi là các khoáng vật thứ sinh, chúng là kết quả của quá trình phong hoá các khoáng vật nguyên sinh. + Các chất hữu cơ đặc biệt là các hợp chất mùn cũng là một thành phần quan trọng của pha rắn của đất. Các chất mùn có cấu tạo phức tạp, có màu đen, được hình thành do sự chuyển hoá các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật. Hai hợp chất mùn được nghiên cứu nhiều nhất là a xít humic và a xít fulvic. + Các nguyên tố vết trong đất cũng là một trong những thành phần quan trọng của pha rắn. Nguyên tố vết là nguyên tố hoá học có nồng độ trong pha rắn £ 100 mg/kg. Các khoáng vật của đất giải phóng các nguyên tố vết một cách từ từ vào dung dịch đất khi diễn ra quá trình phong hoá khoáng vật. Bảng 1.3 Những khoáng vật phổ biến trong đất Tên Công thức hoá học Đặc điểm chính Thạch anh SiO2 Có nhiều trong cát và limon Fenspat (Na,K)AlO2[SiO2]3 CaAl2O4[SiO2]2 Có nhiều trong đất không bị rửa trôi mạnh Mica K2Al2O5[Si2O5]3Al4(OH)4 K2Al2O5[Si2O5]3(Mg,Fe)6(OH)4 Nguồn ka li của đất Amphibol (Ca,Na,K)2,3(Mg,Fe,Al)5(OH)2 [(Si,Al)4O11]2 Dễ bị phong hoá thành các khoáng vật sét và các oxít Pyroxen (Ca,Mg,Fe,Ti,Al)(Si,Al)O3 Dễ bị phong hoá Olivin (Mg,Fe)2SiO4 Dễ bị phong hoá Epidot Ca2(Al,Fe)3(OH)Si3O12 Tuốcmalin NaMg3Al6B3Si6O27(OH,F)4 Zircon ZrSiO4 Rutil TiO2 Rất bền vững đối với phong hoá hoá học; thường được sử dụng làm "khoáng vật chỉ thị "trong nghiên cứu thổ nhưỡng Kaolinit Si4Al4O10(OH)8 Smectit Vecmiculit Clorit Mx(Si,Al)8(Al,Fe,Mg)4O20(OH)4 Trong đó M: cation giữa các lớp Có nhiều trong sét là sản phẩm của quá trình phong hoá; nguồn của các cation trao đổi trong đất Alophan Si3Al4O12.nH2O Imogolit Si2Al4O10.5H2O Có nhiều trong các đất phát triển trên tàn tích tro núi lửa Gipxit Al(OH)3 Có nhiều trong đất bị rửa trôi Gơtit FeO(OH) Có rất nhiều oxít Fe Hematit Fe2O3 Có nhiều ở các vùng khí hậu ấm Ferihydrit Fe10O15.9H2O Có nhiều ở các tầng hữu cơ Birnesit (Na,Ca)Mn7O14.2.8H2O Có rất nhiều oxít Mn Canxit CaCO3 Có rất nhiều cácbonat 17 Thạch cao CaSO4.2H2O Có nhiều ở các vùng khí hậu khô Quá trình giải phóng các nguyên tố vết ra dung dịch đất phụ thuộc nhiều vào các đặc tính lý hoá học đất như: pH, thế năng ôxi hoá khử, hàm lượng nước...Một số nguyên tố vết có thể là nguyên tố dinh dưỡng vi lượng đối với cây: Cu, Mo...; một số khác có thể là nguyên tố độc: Cd, Pb... 1.2.2 Không khí và nước trong đất + Các pha lỏng trong đất chiếm 1 đến 2 phần 3 thể tích đất. Pha lỏng chứa khí (không khí đất) chủ yếu là hỗn hợp khí giống như không khí của khí quyển + Do các hoạt động sinh học trong đất, tỷ lệ các thành phần của không khí đất có thể khác đáng kể so với thành phần của không khí khí quyển (781 ml N2; 209 ml O2; 9,3 ml Ar và 0,31 ml CO2 trong 1 lít không khí khô). Ví dụ: đất rất thoáng khí chứa 180 - 205 ml O2 trong 1 lít không khí đất, lượng khí này có thể giảm xuống còn 100 ml/lit ở độ sâu 1 m so với mặt đất sau khi bị ngập nước do mưa hoặc tưới, hoặc thậm chí giảm xuống còn 20 ml/lít ở tiểu môi trường đất bị cô lập, gần rễ cây. Tương tự thể tích CO2 trong không khí đất dao động trong khoảng 3 - 30 ml/lít, nhưng có thể tăng lên 100 ml/lit ở độ sâu 1 m ở vùng gần rễ cây hoặc sau khi đất bị ngập nước. Hàm lượng cao hơn của CO2 trong không khí đất liên quan với hàm lượng CO2 trong khí quyển có ảnh hưởng đáng kể đến độ chua và hoá học cacbonat của đất. Không khí đất cũng chứa các thành phần khí hay thay đổi nhưng quan trọng như: NO, N2O, NH3, CH4 và H2S do vi sinh vật tạo ra trong điều kiện hàm lượng oxy thấp (điều kiện yếm khí). + Nước được tìm thấy trong đất chủ yếu ở dạng ngưng tụ, mặc dù hàm lượng hơi nước ở trong không khí đất có thể đạt 30 ml/lit ở các đất ẩm. Nước của đất là kho chứa các chất rắn và các chất khí hoà tan, chính vì vậy nó được gọi là dung dịch đất. Các chất rắn hoà tan có khả năng phân ly thành các ion trong dung dịch đất đóng vai trò quan trọng nhất đối với hoá học đất. Những nguyên tố hoá học hình thành ion mà nồng độ của nó trong dung dịch đất không bị ô nhiễm nhỏ hơn 1.0 mmol/m3 được gọi là các nguyên tố vi lượng, còn những nguyên tố khác gọi là các nguyên tố đa lượng. + Sự hoà tan của các khí từ không khí đất vào dung dịch đất là một quá trình quan trọng góp phần vào chu trình các nguyên tố hoá học của môi trường đất. Khi cân bằng tồn tại giữa không khí và nước trong đất đối với một loại khí giữa hai pha và nếu nồng độ của khí đó trong dung dịch đất thấp, thì cân bằng có thể được mô tả dưới dạng định luật Henry: KH = [A(dd)]/PA (1.1) trong đó KH là hằng số Henry (mol/m3atm), [A(dd)] là nồng độ của khí A trong dung dịch đất (mol/m3) và PAlà áp suất riêng phần của khí A trong không khí đất (atm). Ví dụ, theo phương trình 1.1, KH = 34,06 mol/m3atm ở 25oC đối với CO2 nếu áp suất riêng phần của CO2 trong không khí đất là 0,03 atm và [CO2(dd)] trong dung dịch đất là 1,02 18 Bảng 1.4 Các giá trị của hằng số Henry ở 25oC Khí KH (mol/m3atm) Khí KH (mol/m3atm) CO2 34,06 NO 1,88 CH4 1,50 O2 1,26 NH3 5,76 x 104 SO2 1,24 x 103 N2O 25,55 H2S 1,02 x 102 Nguồn: W. Stumm và J.J.Morgan, 1981. mol/m3. Bảng 1.4 liệt kê các giá trị KH ở 25oC của một vài khí tìm thấy trong không khí đất. 1.3 Sự biến đổi khoáng vật đất Nếu đất không phải là hệ thống mở thì các khoáng vật của đất sẽ không bị phong hoá. Sự thay đổi thường xuyên của nước, sinh khối và năng lượng mặt trời trong đất đã làm cho đất thay đổi theo thời gian. Những thay đổi này được phản ánh một cách rõ nét nhất qua sự phát triển về mặt hình thái của các tầng đất, nhưng chúng cũng biểu hiện rất rõ ràng về mặt khoáng vật học của nhóm hạt sét của đất. Ở bảng 1.5 tóm lược các thay đổi về mặt khoáng vật học của nhóm hạt sét quan sát được trong quá trình phát triển phẫu diện đất. Các thay đổi này được nhận biết chung là các giai đoạn phong hoá Jackson-Sherman, có thể được chia thành "giai đoạn đầu", "giai đoạn trung gian" và "giai đoạn cuối". Phong hoá giai đoạn đầu được nhận biết nhờ vai trò của các sunfat, cacbonat và các silicat nguyên sinh, trừ thạch anh và muscovit trong nhóm hạt sét của đất. Các khoáng vật này chỉ có thể tồn tại nếu phần lớn thời gian đất rất khô hoặc rất lạnh hoặc rất ẩm - tức là nếu đất thiếu nước, không khí và năng lượng nhiệt là những điểm đặc trưng của hệ thống mở. Phong hoá giai đoạn trung gian đặc trưng cho thạch anh, muscovit và các aluminsilicat thứ sinh chiếm ưu thế trong nhóm hạt sét. Những khoáng vật này có thể tồn tại trong đất dưới tác động của các điều kiện rửa trôi nhưng không không làm suy kiệt silic đioxit và các nguyên tố đa lượng và không dẫn đến sự oxi hoá hoàn toàn ion sắt [Fe(II)] là ion được liên kết chặt chẽ vào ilit và smectit. Phong hoá giai đoạn cuối thường kết hợp với các điều kiện rửa trôi mãnh liệt và oxi hoá mạnh, trong điều kiện như vậy chỉ có các oxit ngậm nước của nhôm, ion sắt [Fe(III)] và titan còn lại cuối cùng. Bảng 1.5 Các giai đoạn phong hoá Jackson-Sherman Khoáng vật đặc trưng trong nhóm hạt sét của đất Các điều kiện vật lý và hoá học đặc trưng của đất Giai đoạn đầu Thạch cao Hàm lượng nước và chất hữu cơ rất thấp, rửa trôi rất it Cacbonat Môi trường khử Olivin/pyroxen/amphibol Thời gian phong hoá hạn chế Mica mang Fe(II) Fenspat Giai đoạn trung gian Thạch anh Giữ Na, K, Ca, Mg, Fe(II) và silic đioxit: Mica bát diện kép/ilit Rửa trôi không gây tác động mạnh, có tính kiềm Vecmiculit/clorit Đá macma giàu Ca, Mg, Fe(II) nhưng không có Fe(II) oxit 19 Smectit Các silicat dễ bị thuỷ phân Sự keo tụ của silic đioxit, vận chuyển silic đioxit đến vùng phong hoá Giai đoạn cuối cùng (cấp cao) Kaolinit Sự di chuyển của Na, K, Ca, Mg, Fe(II) và silic đioxit: Gipxit Rửa trôi mạnh, nước ngọt Oxit sắt (gơtit, hematit) Sự oxi hoá Fe(II) Hợp chất có tính axit, pH thấp Oxit titan (anataza, rutil, ilmenit) Sự phân tán của silic đioxit Polyme Al-hydroxy Thứ tự tăng dần của độ bền của các khoáng vật đất được liệt kê trong bảng 1.5 theo chiều từ trên xuống cả giữa các giai đoạn lẫn trong một giai đoạn phong hoá. Vì vậy các khoáng vật nguyên sinh có khuynh hướng xuất hiện ở vị trí cao hơn trong danh sách này so với các khoáng vật thứ sinh và các khoáng vật nguyên sinh có thể được liên kết với các khoáng vật thứ sinh bằng một số các phản ứng hoá học. Phản ứng quan trọng nhất trong số các phản ứng này là phản ứng thuỷ phân. Có thể minh hoạ bằng những phương trình hoá học sau: NaAlSi3O8(rắn) + 8H2O(lỏng) = (albit) Na+(dd) + Al(OH)2+(dd) + 3Si(OH)4o(dd) + 2OH-(dd) (1.2) NaAlSi3O8(rắn) + 8H2O(lỏng) = (albit) Al(OH)3(rắn) + Na+(dd) + 3Si(OH)4o + OH-(dd) (1.3) (gipxit) Trong cả hai phản ứng này được tiến hành từ trái qua phải, sự hoà tan của của fenspat, albit do phản ứng hoá học với nước để hình thành các chất hoà tan (ký hiệu “dd” – dung dịch). Phương trình 1.2 được gọi là sự hoà tan tương hợp bởi vì sản phẩm tạo thành chỉ là các chất hoà tan. Trong khi đó phương trình1.3 được gọi là sự hoà tan không tương hợp vì có một sản phẩm pha rắn – gipxit được hình thành. Phản ứng phong hoá quan trọng khác là sự tạo phức của các anion với các khoáng vật đất, ví dụ: K2[Si6Al2]Al4O20(OH)4(rắn) + 6C2O4H2(dd) + 4H2O (lỏng) = (muscovit) 2K+(dd) + 6C2O4Al+(dd) + 6Si(OH)4o(dd) + 8OH-(dd) (1.4) Hợp chất hữu cơ ở bên trái của phương trình 1.4, axit oxalic, phân ly và giải phóng một ion, C2O42-, ion này hình thành một phức chất hoà tan với Al3+ để làm tăng sự hoà tan tương hợp của muscovit do sự thuỷ phân. Phức chất hoà tan này, C2O4Al+, giúp ngăn cản sự thuỷ phân của Al3+ nếu không có thể sẽ dẫn đến sự hình thành kết tủa gipxit như ở phản ứng 1.3. 20 Sự trao đổi cation là phản ứng phong hoá kết hợp với sự hoà tan không tương hợp của muscovit để hình thành vecmiculit trong đất, phản ứng này giữ lại cả Ca2+ và Si(OH)4o: K2[Si6Al2]Al4O20(OH)4 (rắn) + 0,8Ca2+(dd) + 1,3Si(OH)4o(dd) = (muscovit) 1,1Ca0,7[Si6,6Al1,4]Al4O20(OH)4 (rắn) + 2K+(dd) + 0,4OH-(dd) + 1,6H2O(lỏng) (1.5) (vecmiculit) Ion Ca2+ trao đổi với K+ để chiếm giữ ví trí giữa các lớp tinh thể trong vecmiculit. Loại phản ứng trao đổi này diễn ra mạnh ở các đất tích vôi tiêu nước kém có chứa nhiều ion canxi hoà tan và axit silixic trong dung dịch đất. Sự hoà tan không tương hợp cũng thường kèm theo sự oxi hoá-khử nếu sắt hoặc nguyên tố oxi hoá khử nào đó có liên quan trong phản ứng phong hoá. Ví dụ, phản ứng hoà tan không tương hợp của biotit (có chứa sắt hai) để hình thành vecmiculit (có chứa cả sắt ba và sắt hai) và gơtit (chỉ chứa sắt ba). Phản ứng oxi hoá-khử sẽ được trình bày kỹ ở chương 8. Cuối cùng là phản ứng hydrát hoá-khử hydrát hoá có thể được bổ sung vào danh sách năm phản ứng phong hoá quan trọng nhất. Các ví dụ điển hình nhất là sự biến đổi của hematit thành ferihydrit và anhydrit thành thạch cao: 5Fe2O3(rắn0 + 9H2O(lỏng) = Fe10O15.9H2O(rắn) (1.6) (hematit) (ferihydrit) CaSO4(rắn) + 2H2O(lỏng) = CaSO4.2H2O(rắn) (1.7) (anhydrit) (thạch cao) Cả hai phản ứng hydrat hoá khoáng vật này diễn ra thuận lợi khi độ ẩm tương đối của nước trong đất đạt khoảng 100%. Các loại phản ứng phong hoá đã được xem xét một cách tóm tắt trong mục này cung cấp cơ sở hoá học của sự biến đổi các khoáng vật trong đất cả trong từng giai đoạn lẫn giữa các giai đoạn phong hoá Jackson-Sherman. Câu hỏi ôn tập chương 1 1. Chu trình vận chuyển của các nguyên tố trong tự nhiên và ý nghĩa của nó. 2. Đặc điểm, vai trò của thành phần nguyên tố. 3. Phân nhóm các nguyên tố. 4. Pha đất là gì? Đặc điểm các pha đất 5. Sự biến đổi của khoáng vật đất, chuỗi phong hoá Jackson-Sherman. 21 Chương 2 CÁC KHOÁNG VẬT CỦA ĐẤT 2.1 Các chất rắn ion Các nguyên tố hoá học tạo nên các khoáng vật của đất được tìm thấy chủ yếu là các loại ion có cấu hình điện tử duy nhất và cấu hình này vẫn giữ nguyên như vậy ngay cả khi các ion bất kỳ khác có thể xuất hiện trong cấu trúc của khoáng vật đó. Sự tương tác giữa một ion với ion khác mang điện tích ngược dấu trong cấu trúc đó khá mạnh để hình thành một liên kết ion. Các liên kết ion khác với liên kết cộng hoá trị - là liên kết sinh ra do sự dùng chung điện tử, kéo theo sự biến dạng của cấu hình điện tử của các nguyên tử liên kết. Sự dùng chung điện tử làm trộn đều các cấu trúc chi tiết của các nguyên tử đó, vì nó không thể chia cấu hình điện tử duy nhất cho mỗi nguyên tử, dẫn đến sự kết hợp chặt chẽ hơn các cấu trúc nguyên tử và làm cho các liên kết cộng hoá trị mạnh hơn các liên kết ion. Các liên kết ion và liên kết cộng hoá trị chỉ là những khái niệm gần đúng. Nói chung, một liên kết hoá học chỉ ra một mức độ nào đấy đặc tính ion và một mức độ nhất định của sự dùng chung điện tử. Ví dụ, liên kết Si-O có đặc tính ion và đặc tính cộng hoá trị bằng nhau, còn liên kết Al-O có khoảng 40% đặc tính cộng hoá trị, 60% đặc tính ion. Tuy nhiên, trong trường hợp này nhôm là ngoại lệ. Hầu hết các liên kết kim loại – oxy xuất hiện trong các khoáng vật đất đều có đặc tính ion mạnh hơn. Như vậy sự cộng hoá trị đóng vai trò thứ yếu trong cấu trúc của hầu hết các khoáng vật đất, ngoài đặc trưng quan trọng đó ra các liên kết Si – O còn mang lại độ bền đặc biệt với quá trình phong hoá, như đã trình bày ở phần 1.2. Bảng 2.1 Bán kính ion (IR), số phối trí (CN) và hoá trị (Z)