Toprak Katyon Değişimi

Bir toprak örneği HN4Cl çözeltiyle bir süre çalkalanırsa H4 iyonlarının bir kısmının toprak tarafından tutulduğu, bazı katyonların da topraktan çözeltiye geçtiği görülür. Bu olayda HN4 iyonları, sorbentlerce tutulmuş bazı katyonları yerinden sökerek kendisi onların yerine geçmiştir. Bu olaya Katyon Değişimi denir. HN4 iyonları bu olayda adsorbe edilmiş, çözeltiye geçen iyonlar ise desorbe olmuşlardır.

Bir katyonla yer değiştirerek çözeltiye geçen Na, Ca, K, Mg, Al, H gibi katyonlara değişebilir katyonlar denilir. Birim aralıkta kuru toprağın adsorbe edileceği katyon miktarına tanım olarak “Katyon Değişim Kapasitesi” (KDK) denir. Başka bir tanımlamayla topraktaki değişebilir katyonların miktar olarak toplamları KDK’ yı verir denilebilir. Her bir katyonun KDK içindeki % miktarına söz konusu elementin doygunluğu denir. Özel olarak Na, K, Ca ve Mg katyonların KDK içindeki total % miktarına Baz Doygunluğu denir. Bir toprakta baz doygunluğu %80’dir denirse, bunun anlamı KDK’ nın %80’nini Ca, Mg, K ve Na oluşturuyor demektir.

KDK, ekstraksiyonda kullanılan çözeltinin bileşimine ve pH’sına göre değişmekte ve pH arttıkça artmaktadır. KDK ölçümü için en uygun pH derecesi 7-7.5 dir. Bu pH’da ölçülen kapasite maksimal kapasitedir. Buna potansiyel KDK denir. Bir de gerçek kapasite (effektif) vardır. Toprağın sabit olduğu pH derecesinde ve tamponlanmış nötral bir çözeltiyle belirlenen kapasite gerçek KDK’dır. Karbonat içeren topraklarda her iki kapasite değeri ayınıdır. Fakat asit reaksiyonlu topraklarda potansiyel kapasite daha yüksektir. Örnek olarak bazı toprakların potansiyel ve efektif kapasiteleri aşağıda karşılaştırılmıştır.



1. Katyon değişim kapasitesini etkileyen faktörler

1.1. Kil mineralleri ile ilgili faktörler

Bilindiği gibi toprağın değişim kompleksleri asal olarak kil mineralleri ve organik maddedir. Az miktarda da silis asitleri ve serbest oksitler iyon değişimine katılırlar. Az miktarda da silis asitleri ve serbest oksitler iyon değişimine katılırlar. Bunların topraktaki miktarları ne kadar fazla ise KDK’de o oranda yükselir olur. Ancak bu öğelerin miktarı yanında bileşim ve bazı özellikleri de KDK üzerine etkili olmaktadır. Örneğin, organik madde ve kil kapsamı aynı olan iki toprağın birinde kaolonit diğerinde montmorillonit minerali başat durumda ise montmorillonit kapsayan toprağın KDK’sı kaolonite oranla daha yüksektir. Bu nedenlerle KDK üzerine etkili faktörlerin ayrı ayrı incelemek gerekir.

Özgül Yüzey : Toprak zerrecikleri toprak havasından gazları, toprak çözeltisinden ise iyonları yüzeylerine adsorbe edebilmektedirler. Toprak zerreciklerinin katı-gaz, katı-katı ve katı-sıvı biçimindeki bu değinim yüzeyleri gr/m2 olarak “ Özgül Yüzey” denir. İyonların bağlanabileceği yüzey olması nedeniyle özgül yüzey arttıkça sorbentin KDK’sı de artmaktadır.

Çizelgeden de görüldüğü gibi kil mineralleri içerisinde görüldüğü gibi, kil mineralleri içerisinde en yüksek özgül yüzeye üç tabakalı ve tabakaları genişleyen killer sahiptir. İllit ve Kaolonit’in ise özgül yüzeyi oldukça düşüktür. KDK özgül yüzeye bölünürse “ Yük yoğunluğu” elde edilir. Birimi me/m2 dir. Yük yoğunluğu bir katyona ne kadar alan düştüğünü gösteren bir kriterdir.



Elektrik Türü ve Yükü: Kil mineralleri iyonik yer değiştirme veya OH gruplarındaki hidrojenlerin dissosiye olmasıyla negatif yük kazanmaktadır. Bu yüklere kristal kafese bağlı oldukları için daimi “Permanent yük” denir. Bu tür yükten başka kil minerallerinde bir de değişken yük vardır. Değişken yük pH’a ve ortamdaki tuz konsantrasyonuna göre değişir. Değişken yük üzerine pH daha etkili olduğu için bu yüke pH’ya bağlı yükte denir. Kil minerallerinde pH’ya bağlı yük yanal yüzeylerde bulunan fonksiyona grupların amfoter özelliklerinden kaynaklanır. Bu fonksiyonel gruplar pH 5-6’nın anyon üzerinde ise katyon değişimi yaparlar. Ayrışma ve parçalanma olayları sonucunda Si-O-Si ve Al-O-Al balarında kopmalar olur. Ortaya çıkan serbest yükler suyun iyonları tarafından nötralize edilir.

Kil Minerallinin Türü: Bazı önemli mineralinin KDK’ları aşağıda belirtilmiştir.



Çizelgeden de izlenebileceği gibi kil minerallerinin KDK’ları yapı ve özelliklerine göre değişir. Bunun nedeni silikat tabakalarındaki ve tabakaların genişleme özelliklerinin farklı olmasıdır.

Kaolonite katyon değişimi esas olarak yanal yüzeylerindeki OH gruplarıyla gerçekleşmektedir. Montmorillonit ve Vermikulit ise hem iyonik değişim ile sağlanan yük fazladır hem de tabakaların genişleme özellikleri vardır. Bu nedenle KDK’ ları fazladır. İllitin daimi yükünün fazla olmasına karşılık tabakaları genişlemediği için diğer üç tabakalı killere oranla KDK’sı düşüktür. Kloritte de bu durum aynıdır. Ancak tabakaları arasında gibsit bulunan sekonder klorit de KDK biraz daha yüksektir.

1.2. Organik madde ile ilgili faktörler

Organik madde poröz “ Gözenekli” bir yapıya sahip olduğu için özgül yüzeyi çok fazladır. Yaklaşık 800-1000 m2/gr ‘dir. Yük yoğunluğu da kil minerallerine oranla daha yüksektir. Organik maddenin kazandığı yük tamamen pH’ye uygun bağlı yüktür, pH arttıkça –COOH, -OH, -NH gibi fonksiyonel grupların dissosiyasyon gücüde artar. Böylece pH artışı organik maddenin KDK’sını artırır.

Organik kolloidlerde pH arttıkça KDK’ da artmaktadır. Oysa montmorollonitte de pH 6 dolaylarında daimi yük görev yapmakta ve KDK’ da pH artışına paralel olarak bir artış olmamaktadır. Ancak pH> 6 da daimi yükün sabit miktarı yanında pH’ya bağlı yük artmakta, fakat bu artış önem taşımamaktadır.

Organik maddenin KDK’sı üzerine fonksiyonel grupların asitlik dereceleri de önemli rol oynar. İyi ayrışmış organik maddenin 8 pH derecesinde KDK’sı ( 80-300 me/100 gr) dır. Bu değer kil minerallerine oranla daha yüksektir. Bunun nedenler ise;

1. Organik maddenin daha geniş özgül yüzeye sahip olması
2. Fonksiyonel grupların sayısının fazlalığı
3. Organik maddedeki fonksiyonel grupların daha kolay dissosiye olarak reaksiyona girmeleridir.

Hümik maddelerin KDK’sı organik maddeden daha yüksektir. Çünkü organik madde içerisinde hümik maddeler de vardır ve bunlar iyon değişimi yapamazlar.

Hümik maddeler içersinde fulvik asitlerin katyon değişim kapasiteleri diğerlerine oranla daha yüksektir. Çünkü fulvik asitlerde fonksiyonel grupların sayısı daha fazladır. İyi ayrışmış organik maddede hümik ve fulvik asitler oluştuğundan, KDK’da artar. Humik asitlerde pH’ya bağlı olarak sağlanan KDK artışları aşağıdaki çizelgeden incelenebilir.



1.1. Katyon değişimini etkileyen diğer faktörler

Katyonun Türü : Katyonların sorbentler tarafından adsorbe ve desorbe edilmeleri farklı olmaktadır. Bu durumu Na ve K iyonları için bir örnekle açıklayalım. İyon örtüsü tamamen NH4 iyonlarından oluşan montmorilloniti eş değer miktarlarda KCL ve NaCl çözeltileriyle çalkalayalım. Bu durumda Na ve K’nın aynı değerlerde olmalarına karşın farklı miktarlarda tutuldukları görülür. Katyonların farklı miktarlarda tutulmaları;

1. Katyonun değerliğine
2. Katyonun hidratasyon derecesine
3. Katyonun polarizasyonuna bağlıdır

Katyonların sorbent düzeylerinde adsorbe edilmeleri Coulomb kuvvetleriyle asçıklanmaktadır. Bu nedenle bir katyonun adsorbsiyon gücü elektrik yüküne ( değerliğine) ve büyüklüğüne bağlıdır. Diğer faktörler dikkate alınmaz ise katyonun yükü ne kadar fazla olursa tutulma gücü o oranda yüksek olur. Örneğin;

Al+3 > Mg+2> K- şeklinde bir tutulma söz konusudur.

Değerliğinin etkisi altında daha çok çözeltinin konsantrasyonuna bağlıdır. Konsantrasyon azaldıkça, değerliliği yüksek ve düşük olan katyonlar arasındaki adsorbsiyon farkı artmaktadır.

Doğada toprak çözeltisinin konsantrasyonu yağış, sulama, buharlaşma gibi olaylar sürekli değişmektedir. Aynı değerli katyonların tutulma güçleri üzerine ( K, Na, Ca, Mg ) bu olayların pek etkisi olmaz. Farklı değerdeki katyonlar söz konusu olunca yüksek değerliğinin adsorbsiyon gücünün, düşük değerli olanın ise desorbsiyon gücünün arttığı söylenebilir.

Hidratasyonun etkisine gelince; bilindiği gibi hidratasyon dipol karakterli su moleküllerinin iyonlar tarafından çekilmesinden ileri gelir. Hidratasyon derecesi, iyon tarafından çekilerek bağlanan su moleküllerinin sayısıyla ölçülür. Hidratasyon derecesi elektrik yüküne ve iyonun çapına bağlıdır. Yük arttıkça ve çap küçüldükçe hidratasyon derecesi azalır. Alkali ve toprak alkalisi metallerin hidratasyon durumları aşağıdaki gibidir.

Li Na K Rb Cs Mg Ca Sr

Çok hidrate olan iyon daha zayıf tutunur. Buna göre tutunma gücü bakımından iyonlar aşağıdaki gibi sıralanırlar.

Li Na NH4 K Rb Cs Mg Ca Sr Al

Tutunma gücünün zayıftan kuvvetliye doğru durumunu gösteren bu sıralamaya “LIOTROP SIRA” denir.

Coulomb kanununa göre iki kütlenin birbirini çekmesi aradaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır. Bu nedenle çap arttıkça hidratasyon derecesi azalır. Hidrojen iyonlarının adsorbsiyonu bağlanma şekilleriyle ilgilidir. Eğer H organik maddedeki zayıf asit bulutlarınca bağlanıyorsa bu durumda adsorbsiyon şiddeti oldukça yüksektir. Fakat kil yüzeylerinde tutuluyorsa tutunma şiddeti Na ile K arasındadır.

Bir katyonun polarizasyon, aşırı dehidrataasyon nedeniyle negatif ve pozitif yük merkezlerinde kaymalar olmasıdır. Adsorbsiyon sırasında bir katyon büyük ölçüde hidratasyon suyu kaybederse elektron tabakaları deformasyona uğrar. Yani yük merkezleri katar. Alkali ve toprak alkalisi metallerde çap büyüdükçe polarize olma gücü artar. Polarizasyon etkisi özellikle Cs ve Rb elementlerinde görülür. Polariza olan katyonlar daha zayıf bağlanırlar.

Katyonun Konsantrasyonu : Bir katyonun toprak çözeltisindeki konsantrasyonu ya da diğer katyonlara oranı arttıkça adsorebe edilen miktarları da artmaktadır.

dostum çok teşekkür ederim raporum için lazımdı....

zeus*´isimli üyeden Alıntı

dostum çok teşekkür ederim raporum için lazımdı....

Faydalı olduysa ne mutlu bize. Başarılar.