7.3. Механізм катіонного обміну

За Гедройцем, катіони, які беруть участь у реакціях обміну (обмінні катіони), знаходяться у хімічному зв'язку з поверхневими молекулами ґрунтових частинок. Можливості цього хімічного зв'язку "зумовлюються, з одної сторони, наявністю поверхневої енергії, а з другої тим, що ґрунтові колоїднодисперсні частинки, будучи зарядженими від'ємними зарядами, притягують до своєї поверхні катіони електролітів ґрунтового розчину, де ці катіони і вступають в реакцію обміну з аніонами молекул, розміщених на поверхні частинок".

Разом з тим причину вбирання катіонів Гедройц вважав у поверхневій енергії і наявності у частинок електричного заряду. Дослідження природи обмінних реакцій, проведені в останні роки, показують, що обмін іонів відбувається як у дифузному і адсорбційному шарах міцел, так і кристалічній решітці самих частинок. Механізм катіонного обміну багато в чому залежить від характеру кристалічної решітки мінералів. Частинки каолініту мають жорстку кристалічну решітку, доступ іонів розчину у міжпакетний простір виключений. Базальні поверхні частинок каолініту електронейтральні. Тому обмінні реакції у частинок каолініту протікають тільки по зломах кристалічної решітки. Звідси ємність вбирання каолініту невелика, 3-15 мг-екв на 100 г.

Гідрослюди мають також жорстку кристалічну решітку, але їхні базальні поверхні несуть значний від'ємний заряд, який виникає завдяки некомпенсованості зарядів всередині кристалічної решітки при заміщенні Sі⁴⁺ на АІ³⁺ або АІ³⁺ іонами більш низької валентності, переважно Мg²⁺. У результаті цього іонний обмін у гідрослюд проходить не тільки по зломах, але і по всій площі базальних поверхонь. Ємність вбирання гідрослюд значно перевищує ємність вбирання каолініту, величина її складає 10-40 мг-екв на 100 г.

У обох розглянутих випадках обмін проходить на зовнішній поверхні частинок. Обмінні іони також можуть проникати у міжпакетний простір рухомої кристалічної решітки мінералів. Такий випадок характерний для монтморилоніту.

У монтморилоніту ізоморфні заміщення проходять у меншій мірі, ніж у гідрослюд, тому його базальні поверхні мають дещо менший від'ємний заряд, ніж базальна поверхня гідрослюд. Але в результаті рухомого характеру кристалічної решітки для обмінних реакцій є доступними не лише зовнішня, але і внутрішня поверхня частинок. Величина ємності вбирання при поєднанні зовнішнього і внутрішнього обміну найбільша, для монтморилоніту вона складає 80-150 мг-екв на 100 г.

При насиченні ґрунтів різними катіонами спостерігається неоднакове вбирання їх у процесі обмінних реакцій. Одні катіони енергійно витісняють іони, які знаходяться у ввібраному стані, і самі, бувши ввібраними ґрунтом, важко переходять у розчин; другі - менш активно беруть участь у обмінних реакціях і легко переходять із ввібраного стану у вільний. Це положення було добре проілюстровано Гедройцем на зразках ґрунту, штучно насичених Ва²⁺ і Са²⁺ (табл. 7.1).

Таблиця 7.1

Витіснення барію і кальцію із ґрунту хлористими солями

(при відношенні розчину до ґрунту у співвідношенні 10:1, за К. К. Гедройцем)