CHƯƠNG 3: DUNG DỊCH ĐẤT

TS. Võ Nguyễn Xuân Quế

NỘI DUNG CHÍNH

Khái niệm dung dịch đất

Độ ẩm đất

Thành phần ion trong dung dịch đất

Phân bố các dạng hóa học của thành phần ion trong dung dịch

đất

DUNG DỊCH ĐẤT

o Nguồn nước cho thực vật phát triển

o Dung môi hòa tan muối

o Kiểm soát không khí và nhiệt độ đất

o Kiểm soát tình trạng xói mòn

Vai trò nước trong đất:

o Dung dịch đất là thành phần pha lỏng trong đất, bao gồm nước và các chất hòa tan là các ion ở trạng thái hydrate hóa hoặc tạo phức với các phối tử vô cơ và hữu cơ.

Khái niệm:

THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA DUNG DỊCH ĐẤT

Các thành phần hòa tan: cation, carbon anion, hữu cơ hòa tan

Thay đổi

theo không

gian và thời gian.

Là sản phẩm của các phản ứng xảy ra trong đất.

ĐỘ ẨM

Khái niệm: Độ ẩm là khái niệm chỉ lượng nước được giữ

trong đất

o Sấy đất ở 105oC cho đến khi khối lượng không đổi

o Độ ẩm khối lượng (%) =

x 100%

𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑛ướ𝑐 𝑏𝑎𝑦 ℎơ𝑖 (𝑔) 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 đấ𝑡 𝑘ℎô (𝑔)

o Chuyển đổi sang độ ẩm thể tích thông qua dung trọng đất

Phân tích độ ẩm:

CÁC LOẠI ĐỘ ẨM

Độ ẩm bảo hòa (độ ẩm toàn phần - Maximum Retentive Capacity) Độ ẩm đồng ruộng

Độ

(field capacity) héo ẩm cây (Permanent Wilting Percentage )

Độ hút ẩm khô kiệt

(Hygroscopic Coefficient)

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐỘ ẨM ĐẤT

Sa cấu và cấu trúc đất

Hàm lượng chất hữu cơ

Sự hiện diện của muối

Độ sâu

THÀNH PHẦN ION TRONG DUNG DỊCH ĐẤT

o Thành phần thực tế (intensity factor)

o Thành phần bổ sung từ khoáng vô cơ (capacity factor)

Thành phần ion trong dung dịch đất được xác định thông qua:

Phân tích thành phần ion trong dung dịch đất giúp dự đoán các phản ứng xảy ra trong môi trường đất (bioavailability, mobility và chu trình địa hóa của dinh dưỡng và các thành phần vô cơ, hữu cơ trong đất)

o Hút chân không

o Ly tâm

o Chiết bão hòa

Phương pháp phân tích:

THÀNH PHẦN ION TRONG DUNG DỊCH ĐẤT

Các thành phần ion trong dung dịch đất gồm có:

+, Al3+, Si4+

-

o Cation: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4 -, SO4 o Anion: HCO3

2-, Cl-, NO3

THÀNH PHẦN ION TRONG DUNG DỊCH ĐẤT

Nồng độ: lượng chất tan trong một đơn vị thể tích dung dịch

Hoạt độ: nồng độ hiệu dụng của ion trong dung dịch, biểu thị

khả năng phản ứng của ion trong dung dịch

a 𝑖 = 𝑖 C𝑖 Cường độ ion của dung dịch: đặc trung cho tổng nồng độ hiệu dụng của các ion trong dung dịch (tổng tương tác tĩnh điện giữa các ion trong dung dịch)

hoặc

THÀNH PHẦN ION TRONG DUNG DỊCH ĐẤT

 Tồn tại ở 3 dạng hòa tan:

o Ion tự do ở trạng thái hydrate hóa o Ion pair (outer-sphere complex) o Ion soluble complex (inner-sphere complex)

 Điều kiện thúc đẩy phản ứng tạo phức giữa các ion trong dung

- và Cl-)

dịch: o Các cation và anion có điện tích lớn (>=2) o Sự hiện diện của các phối tử là các anion vô cơ (trừ NO3 o Sự hiện diện của các kim loại chuyển tiếp (hoặc kim loại nặng) và các phối

tử hữu cơ (không có điện tích hoặc điện tích âm)

o Sự hiện diện ở nồng độ cao của các phối tử o pH cao

PHẢN ỨNG HYDRATE HÓA & PHẢN ỨNG THỦY PHÂN CỦA CÁC CATION

Phản ứng hydrate hóa:

n+

Mn+ + x H2O  M(H2O)x Phản ứng thủy phân xảy ra khi H+ tách khỏi phân tử nước bao xung quanh các ion hydrate hóa, hình thành inner-sphere complex

[M(H2O)x]n+ [M(OH)y (H2O)x-y](n-)+ + H+

pH thấp

pH cao

dung dịch có tính acid

Dạng tồn tại của các cation trong dung dịch phụ thuộc vào

thế ion IP = Z/r

THẾ ION (IONIC POTENTIAL)

Z: ionic charge, r: ionic radius

Ionic potential IP = Z/r

2+

2+

Ion có bán kính nhỏ, điện tích lớn thì thế ion càng cao

Hydrate hóa

IP thấp

IP cao

Thủy phân

PHÂN BỐ CÁC DẠNG HÒA TAN CỦA ION TRONG DUNG DỊCH ĐẤT (SPECIATION)

2- và

Tổng nồng độ của một thành phần hòa tan trong dung dịch đất là tổng nồng độ các dạng hòa tan bao gồm ion tự do và các dạng phức hòa tan khác (chemical species) o VD: trong dung dịch đất có pH = 4 chứa các phối tử SO4

oxalate2- , thì Al có thể tồn tại ở các dạng sau:

Để xác định phân bố các dạng hòa tan của một thành phần hòa tan trong dung dịch đất ở điều kiện cân bằng, ta có thể tính toán dựa vào hằng số cân bằng, hằng số cân bằng nhiệt động và lý thuyết acid-bazơ của Lewis

PHÂN BỐ CÁC DẠNG HÒA TAN CỦA ION TRONG DUNG DỊCH ĐẤT (SPECIATION)

HẰNG SỐ CÂN BẰNG (K)

aA + bB = cC + dD

𝐾𝑒q =

(𝐸)𝑐 (𝐷)𝑑 (𝐴)𝑎 (𝐵)𝑏

 Biều diễn trạng thái cân bằng của các phản ứng:

o Tạo phức ion pair hoặc ion dissolve complex o Chelation o Thủy phân o Acid-bazơ o Hòa tan chất rắn o Hấp phụ hóa học o Trao đổi ion

HẰNG SỐ KẾT HỢP/ PHÂN LY (ASSOCIATION/DISSOCIATION CONSTANT)

Ion pair:

HẰNG SỐ TẠO PHỨC (COMPLEXATION CONSTANT)

Ion soluble complex:

HẰNG SỐ THỦY PHÂN (HYDROLYSIS CONSTANT)

PHÂN BỐ CÁC DẠNG HÒA TAN CỦA ION TRONG DUNG DỊCH ĐẤT (SPECIATION)

Dung dịch đất có thể chứa 100-200 dạng hòa tan khác nhau, bao gồm các cation kim loại và các phối tử hữu cơ.

Dạng hóa học của theo

chúng thay đổi pH

XÁC ĐỊNH CÁC DẠNG HÒA TAN CỦA ION TRONG DUNG DỊCH ĐẤT BẰNG MÔ HÌNH

Available at https://vminteq.lwr.kth.se/

TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA PHẢN ỨNG

Năng lượng Gibbs là thông số dùng đề xác định khả năng xảy ra của một phản ứng hóa học

H = E + PV G = H – TS ΔG = ΔH - T ΔS

o ΔG = 0: cân bằng o ΔG < 0: xảy ra theo chiều

thuận

o ΔG > 0: không xảy ra

TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA PHẢN ỨNG

Đối với phản ứng:

LÝ THUYẾT ACID-BAZƠ

Lewis acid – electron acceptor

Lewis base – electron donor

Degree of hardness = Z2/r

o Acid cứng: các ion kim loại có bán kính nhỏ, điện tích lớn

o Bazơ cứng: các phân tử nhỏ, không dễ phân cực, hình thành liên

kết ion, có xu hướng phản ứng với acid cứng

• Acid mềm: các ion kim loại có bán kính lớn, điện tích nhỏ

• Bazơ mềm: các phân tử lớn, dễ phân cực, hình thành liên kết

cộng hóa trị, có xu hướng phản ứng với acid mềm

PHÂN LOẠI ION THEO LÝ THUYẾT ACID-BAZƠ

ĐỘC TÍNH SINH HỌC CỦA CÁC ION KIM LOẠI

Độ cứng/ mềm của các ion còn là chỉ thị cho độc tính sinh học.

Các kim loại gây độc đối

o As, Hg, Be, Ni, Sb, Se, Cd,

Ag, Cr, Tl, Cu, Zn, Pb

với con người:

ĐỘ BỀN CỦA CÁC PHỨC KIM LOẠI HÒA TAN

Các phức hòa tan của kim loại trong dung dịch đất liên tục

tham gia các phản ứng trao đổi trong dung dịch đất.

o Tốc độ phản ứng nhanh: thành phần có hoạt tính cao (labile)

o Tốc độ phản ứng chậm: thành phần có hoạt tính thấp (non-labile

hoặc trơ)

o Kim loại dạng tự do:

gây độc cấp tính

o Tổng nồng độ các dạng kim loại hòa tan: gây độc mãn tính

Đối với sinh vật:

HOẠT TÍNH CỦA ION

(available pool)

o Khả năng tách chiết bằng phương

pháp hóa học

Định lượng các dạng có hoạt tính cao của các ion kim loại (lability hoặc availability) dựa vào: o Mức độ di động của chúng o Khả năng bị hấp thu bởi thực vật

Gồm có 5 cơ chế kiểm soát hoạt tính của các ion kim loại trong đất.

Ví dụ: HẤP THU CADMIUM TRÊN HẠT LÚA MÌ

YẾU TỐ QUYẾT ĐỊNH HOẠT TÍNH CỦA ION

Rất khó dự đoán hoạt tính của ion trong dung dịch đất do phụ

thuộc vào nhiều yếu tố:

o Dạng và tính chất của nguyên tố hóa học

o Dạng và tính chất của thành phần khoáng trogn đất

o Mội trường (nhiệt độ, pH, Eh, hàm lượng rắn, độ ẩm,…)

PHÂN NHÓM THEO HOẠT TÍNH CỦA ION

 Nhóm 1: hấp phụ mạnh bởi sét

và chất mùn

 Nhóm 2: có thể trao đổi tính trừ Pb và

(exchangeable) và hoạt trung bình (ngoại Cu)

 Nhóm 3: không có hoạt tính tồn tại ở dạng

(immobile), oxide không tan  Nhóm 4: có hoạt

tính cao

3-)

(ngoại trừ PO4