Minerały Glebowe

Poza składnikami mineralnymi w strukturze gleby występują stałe cząstki organiczne (próchnica), organiczno-mineralne, roztwór glebowy, gazy (powietrze i para wodna) oraz organizmy żywe (edafon).

Informacje o chemicznym składzie minerałów najczęściej występujących w glebach zawierają tabele.

 

 

O sorpcyjnych właściwościach minerałów glebowych decyduje obecność podstawowych jednostek struktury krystalicznej (komórek elementarnych), w których:

• węzły sieci krystalicznej są obsadzone przez atomy tlenu,
• jony Si zajmują luki tetraedryczne (w modelu kulowym – przestrzenie otoczone czterema stykającymi się kulami),
• jony Al zajmują luki oktaedryczne (przestrzenie otoczone sześcioma stykającymi się kulami).

Największą wartość z punktu widzenia chemii rolnej mają minerały zbudowane z naprzemianległych warstw czworościanów i ośmiościanów, połączonych mostkami Al–O–Si. Z takich elementów powstają pakiety podwójne, potrójne kub poczwórne. Są oddzielone przestrzeniami międzypakietowymi o różnych wymiarach, od których zależy możliwość sorpcji różnych kationów i skłonność do pęcznienia w wodzie.

• Strukturę kaolinitu tworzą pakiety dwuwarstwowe. Szerokość przestrzeni między warstwami wynosi 0,28 nm, wskutek czego minerał nie pęcznieje i ma niewielką pojemność sorpcyjną.

• Minerałami trójwarstwowymi, w których warstwa oktaedryczna (glinowa) jest z obu stron związana z warstwami tetraedrycznymi (krzemowymi), są smektyt i wermikulit. Minerały te pęcznieją pod wpływem wody i mają bardzo dużą pojemność sorpcyjną. Jest to związane z szeroką przestrzenią międzypakietową (zmienną w zakresie 0,5–1,76 nm), w której mogą się zmieścić cząsteczki wody. Illit ma również pakiety trójwarstwowe, jednak jego pojemność sorpcyjna i skłonność do pęcznienia są nieznacznie większe niż w przypadku kaolinitu. W przestrzeni między pakietami (0,3 nm) występują silnie związane jony potasu K⁺ oraz Ca²⁺, Mg²⁺ i inne.

• Przedstawicielem minerałów o pakietach czterowarstwowych jest chloryt. Pakiety tworzą: warstwa 1 – Si–O, warstwa 2 – Al–O, warstwa 3 – Si–O, warstwa 4 (oktaedryczna) – Al, Fe, Mg–OH. Chloryt charakteryzuje się małą pojemnością sorpcyjną i nie pęcznieje.

W glebach Polski dominują składniki mineralne o pakietach mieszanych smektyt/illit oraz tlenki i uwodnione tlenki metali.

Z punktu widzenia prawidłowych stosunków powietrzno-wodnych ważna jest nie tylko struktura sieci krystalicznej minerałów glebowych, ale w dużym stopniu również porowatość gleby, mieszcząca się w szerokim zakresie od ok. 30% do nawet 90% (dla większości roślin wartość optymalna wynosi 50-60%)

Porowatość zależy przede wszystkim od wielkości ziaren mineralnych. Zasady oznaczania i klasyfikowania gruntów w Europie precyzuje norma PN-EN ISO 14688-1:2006 (EN ISO 14688-1:2002).

Mineralne składniki gleb o wymiarach <0,002 mm (ił koloidalny) oraz próchnica i cząstki organiczno-mineralne tworzą łącznie tzw. „glebowy kompleks sorpcyjny”, uczestniczący w zatrzymywaniu i dostarczaniu roślinom jonów biogennych, a w niekorzystnych warunkach również substancji szkodliwych (np. Al). Koloidy glebowe charakteryzuje się podając m.in. wartości:

• powierzchni właściwej,
• gęstości ładunku elektrycznego na powierzchni (zob. podwójna warstwa elektryczna),
• pojemności sorpcyjnej wyrażanej np. ilością centymoli kationów sorbowanych przez kilogram sorbentu.

Energie adsorpcji poszczególnych kationów przez kompleksy sorpcyjne są zależne od ładunku jonów i ich wymiarów w postaci uwodnionej.

Tworzą szereg:

Na⁺ < K⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < Al³⁺

Pojemność wymienna gleby w stosunku do kationów – pojemność wymiany kationów PWK – jest w dużym stopniu zależna od pH roztworu glebowego. Określane są rzeczywiste wartości PWK_r, odnoszone do naturalnego pH gleby (inaczej – pojemność efektywna) i wartości pojemności potencjalnej (PWK_pot, PWK_8,2), często odnoszone do standardowej wartości pH = 8,2.