المعادن الاولية والثانوية في التربة

كيمياء التربة- المحاضرة الثانية
مدرس المادة: انتصار رحيم
المعادن الاولية والثانوية في التربة
تتكون التربة من جزء صلب قوامه مواد معدنية ومواد عضوية بالأضافة الى مجموعة الاملاح والاكاسيد الحرة .اما الجزء السائل فيتمثل بماء التربة ومايحتويه من مواد ذائبة والجزء الاخير هوالجزء الغازي ويتكون من نسب متفاوتة من الغازات الذائبة او الحرة والتي تتفاوت نسبها بالنسبة للظروف المحيطة بالتربة.
ان معادن التربة يمكن ان تصنف الى:
أ‌- المعادن الاولية Primary minerals: وهي المعادن المتأينة من الصخور الام غالبا نتيجة التجوية الفيزياوية او الميكانيكية وتتألف غالبا من المعادن الشديدة المقاومة لعمليات التجوية وأهم هذه المعادن الكوارتز والفلدسبار والمايكا والبايروكسينات وبعض المعادن الاخرى وتكون هذه المعادن معظم الجزء الخشن من التربة أي الجزء الرملي والغريني منها.
ب‌- المعادن الثانويةSecondary minerals : وهي المعادن المتكونة من نواتج عمليات التجوية الكيمياوية وأهمها المعادن الطينية على اختلافها والاكاسيد والكاربونات وتؤلف هذه المعادن الجزء الناعم (الجزء الطيني) من التربة.
ان اهمية دراسة المعادن الطينية والتي تمثل الجزء الغروي هامة واساسية لان هذا الجزء يعد الجزء الفعال في التربة نظرا للصفات التي يتصف بها الغروي ومنها مسك امتزاز الايونات وتثبيت البعض منها ومدى اهمية هذه الصفات في تغذية النبات وقابلية الغروي ايضا على مسك الماء والاحتفاظ به وعلى ثبات بناء حبيبات التربة بالاضافة لما يحتويه هذا الجزء من معادن وعناصر اساسية وثانوية هامة يحتاجها النبات في نموه الطبيعي.
يمكن تقسيم معادن الطين ضمن الجزء المتبلور كالاتي:
1- الجزء الغير المتبلور من المعادن الطينية ونسبة وجوده في الطبيعة قليل جدا.
2- الجزء المتبلور من المعادن الطينية( (Crystalineويقسم بدوره الى:
أ‌- النوع المكون من طبقتين (( Two- layer type وهي مركبات بشكل صفائح تتكون من وحدات تكون صفيحة من السليكا يحيط بها الاوكسجين بشكل وحدات تتراهيدرال تليها صفيحة ثانية قوامها الالمنيوم المحاط بذرات الاوكسجين او الهيدروكسيل والذي يشكل وحدات الاوكتاهيدرال ويقع ضمن هذا النوع:
1- المعادن الطينية متساوية الابعاد ومنها معادن الكافؤلين.
2- المعادن الطينية ذات الاستطالة وهي معادن طينية ثنائية الطبقات تتكون من طبقة سليكا – واوكسجين تكون تتراهيدرال ومن طبقة الومينا-اوكسجين تكون اوكتاهيدرال ومن اهم هذه المعادن معدن الهلوسايت.

ب‌- النوع المكون من ثلاث طبقات قوامها طبقتين مكون كل منها من السليكا- اوكسجين ذات تركيب تتراهيدرون تقع بينهما طبقة من الالومينا-اوكسجين ذات تركيب اوكتاهيدرون ومن أنواعها:
1- المتمددة الطبقات ويقع ضمنها نوع متساوي الابعاد مثل المونتمورلونايت والمستطيلة مثل الفيرموكييولايت
2- الغير متمددة الطبقات من ضمنها معادن الالايت.

ج- النوع المكون من مزيج من طبقات:وهي عبارة عن تراكم او تتابع طبقات من مختلف المجاميع تتراصف على بعضها ومنها مجموعة المعادن الطينية المسماة بالكلورايت .
د- نوع من مركبات تشبه السلسلة وقد تتكون من وحدات السليكا- اوكسجين ذات التركيب التتراهيدرال تتصل مع بعضها بواسطة وحدة الاوكتاهيدرال من الاوكسجين او الهيدروكسيل وهذه بدورها ترتبط بذرة مغنسيوم ومن انواع هذه المعادن السبيولايت.


اما اهم المعادن الاولية الموجودة في التربة فهي الاتية:
1- الفلدسبار:هو مركب من الالومينو سليكات الغير المائية للصديوم والبوتاسيوم اوالكالسيوم او احيانا الباريوم يكون هذا المعدن الهام حوالي 60بالمائة من الصخور النارية. اما التركيب الجزيئي لهذا المعدن فهو مكون من وحدات السليكا ذات التكافؤ الرباعي مع الاوكسجين مكونة وحدة رباعية تترهيدرون تمتد في ثلاث اتجاهات وقد تستبدل السليكون الرباعية Si4+ بالالومنيوم الثلاثي التكافؤ Al3+ جزئيا.وقد يمكن للبوتاسيوم او الصديوم او حتى الكالسيوم ان يعادل الشحنة الحاصلة عن هذا الاستبدال.ولامجال لكل من الحديد او المغنسيوم من ان يحل نظرا لصغر نصف قطرهما.
تقسم معادن الفلدسبار الى مجموعتين هما:ا- الاورثوكليز ب- البلاكليوكيز
ان مجموعة الاورثوكليز ذات التركيب الكيميائي لسليكات الالومينوم البوتاسية اما المجموعة الثانية من البلاكليوكليزفيستعاض عن البوتاسيوم بالصديوم او الكالسيوم.


2- المايكا: تعتبر المايكا من المعادن الاولية السهلة التجوية.وهي مركبات من سليكات الالمنيوم مسطحة التركيب يمكن فصل طبقاتها المتراصة فوق بعضها في مستوى القاعدة من مواقع التسطح.
ان المكونات لجزيئة البلورة الواحدة لمعدن الماطبيكا مكون من ثلاث وحدات ثانوية فوحدة البلورة المكونة للمعدن مكونة من ثلاث طبقات:
الطبقة الوسطى هي طبقة الالمنيوم – اوكسجين المكونة للمركب الاوكتاهيدرون حيث تقع هذه الطبقة في الوسط بين طبقتين من السليكون-اوكسجين المكونة للمركب التتراهيدرون ومن اهم انواع المايكا البيوتايت ورمزه الكيميائي
K( Mg.Fe,Mn) Al Si3O10(OH)2



3- المعادن الكاربونية: اكثر المعادن انتشارا في الطبيعة هو كاربونات الكالسيوم (CaCO3) ويعم انتشاره في ترب المناطق الجافة والشبه الجافة وينحسر عن الافاق العليا في المناطق المعتدلة والممطرة.ان مركب كاربونات الكالسيوم قليل الذوبان جدا في الماء غير ان الذوبان يزداد بأزدياد وجود محتوى عال من غاز ثاني اوكسيد الكاربون ذائبة في محلول التربة.كلما زاد تركيز ثاني اوكسيد الكاربون في محلول التربة انخفض محيط التفاعل نحو الحامضية وازدادت كمية كاربونات الكالسيوم الذائبة وعند ذوبان هذا المركب تتكون عند الاذابة البيكاربونات.
CaCO3 +H2CO3 2Ca2(HCO)3
حيث يكون البيكاربونات مركب ذائب يمد محلول التربة بالكالسيوم الجاهز.والدولومايت من نفس معدن الكاربونات الاانه كاربونات مزدوجة لكل من الكالسيوم والمغنسيوم وهذا المعدن قليل الذوبان في الماء وتوجد كاربونات لكل من الحديد مكونة كاربونات الحديد واخرى للمغنسيوم وتوجد بنسب ضئيلة في التربة.

4- الاكاسيد والهيدروكسيدات :قد يكون مصدرها الصخور النارية او عند عملية التجوية وقد تختلف في احجامها فاذا كان مصدرها المعادن الاولية تقع ضمن احجام الرمل او السلت.واذا كان مصدرها تجوية كيميائية جاءت عن طريق العمليات المتعاقبة من الاختزال والاذابة ثم الاكسدة والترسيب فتكون احجامها ضمن احجام الغرويات والتي لاتتجاوز (الواحد مايكرون) وتقع ضمن الجزء الغروي الطيني.
ان اكاسيد الليمونايت Fe2O3.3H2O والجبسايت Al2(OH)6 تكون جزءا من حبيبات الرمل .
5- معدن البيروكسين والامفيول: تدعى هذه المعادن بمعادن الحديد والمغنسيوم وهي عموما معادن داكنة اللون تكون 17 بالمائة من الصخور النارية تختلف عن التركيب البلوري للفلدسبار في تكوين التركيب البلوري بجزيئاتها فتكون سلسلة من التركيب البلوري للسليكا مع الاوكسجين.
في البيروكسين تكون السلسلة مفردة في حين في مركبات الامفيبول تكون السلسلة مزدوجة وترتبط هذه السلسلة بواسطة ايون الحديد والمغنسيوم او الكالسيوم. ويكثر البيروكسين في جزء السلت ومن مركباته الشائعة في التربة معدن الاوجيت في حين مجموعة الامفيبول تتمثل في معادن الهورن بلند وتركيبها الكيميائي العام هو:
(Na ,Ca) (Mg, Fe, Al)5 (Si,Al)8 O22(OH)2


6- معدن الاولفين: هذا المعدن مكون من سليكا تتراهيدرون والفرق الرئيسي بين هذا المعدن وبين البيروكسين من جهة والفلدسبار من جهة ثانية كون الاولفين يتكون من مجاميع مستقلة من السليكا تتراهيدرون وتكون معادلة كهربائيا وليس هناك مجال للتبادل الحاصل للسليكا بالالومينا.


من اهم المعادن الثانوية في التربة كالاتي:

1- المعادن الطينية: هي معادن ثانوية اساسها سليكات الالومنيوم تمتاز بصفات معينة كالمطاطية والانتشار وبشكلها الصفيحي ويدخل الماء في تركيبها. كما ان لها خصائص كيميائية معينة كامتزاز الايونات وتبادلها مع الايونات في المحلول وامتزاز الماء. تتالف اساسا من وحدتين وحدة رباعي السطوح من مجموعة السليكات أي من ذرة الالومنيوم تحيطها ستة ذرات من الاوكسجين والهيدروكسيل وعندما تكون كل الاواصر مشبعة بالهيدروكسيل يتكون معدن الجبسايت Al2(OH)6 ويمكن ان يحل المغنسيوم محل الالومنيوم في الشبكة وعندما يحتل المغنسيوم جميع مواقع الالومنيوم تتكون معدن البروسايت Mg3(OH)6.

2- الجبس (Gypsum): هو اكثر الاملاح الحاوية على الكبريتات شيوعا نظرا لقلة ذوبانه بالمقارنة بالكبريتات الاخرى. يوجد الجبس في بعض الترسبات الجيولوجية خاصة تلك المتكونة في قاع البحار والمياه الضحلة. كما انه يوجد في ترب المناطق الجافة نتيجة ترسب.
ان ذوبان الجبس يفوق ذوبان كاربونات الكالسيوم ولذلك تكون نسبته اقل وتنتشر الترب الجبسية في مساحات واسعة في المناطق الجافة وشبه الجافة ويعتبر وجوده في التربة مفيدا عندما تكون نسبته قليلة اذ يعتبر مصدر للكالسيوم والكبريتات ولكن عندما يوجد بشكل ترسبات كثيفة فان مثل هذه الترب تعتريها مشاكل ادارية تتعلق بالري والتسميد تحول دون كونها اقتصادية من الوجهة الزراعية .

3- الصودا: يمكن ان تتكون المركبات الصودية في التربة كيمياويا كالذي يحصل عند ابدال ايون الكالسيوم بالصديوم عند امرار محلول ملحي مشبع بالصديوم في التربةوحسب التغاعلات التالية:

CaX+2NaCl Na2X+CaCl2
Na2X + 2H2O H2X+2NaOH
2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O

او من تجوية الصخور النارية حيث يتكون ايون البيكاربونات لايونات الكالسيوم والصديوم والمغنسيوم وعند الجفاف تترسب كاربونات الكالسيوم والمغنسيوم وتتكون بيكاربونات الصديوم ومن ثم كاربونات الصديوم وكذلك يمكن ان تتكون بايولوجيا نتيجة اكسدة الكبريتات. ووجود الصودا في التربة له اثارسلبية على مجاميع التربة وعلى تفاعلها وبالتالي على نمو النبات وادارة هذه الترب.

4- الاكاسيد: توجد في التربة عدد من الاكاسيد المعدنية مثل اكاسيد الحديد والالومنيوم والمنغيز .وتوجد هذه الاكاسيد في كل الترب ولكن بنسب متفاوته كما توجد باشكال مختلفة. ان هذه الاكاسيد تلعب دور مهم في العمليات التي تجري في التربة مثل عمليات الاكسدة والاختزال . وكذلك بتكوينها سطوح لها القابلية على امتزاز الايونات الموجبة والسالبة كما انها مهمة في دراسات تطور التربة نتيجة تاثرها المباشر على لون التربة.وعادة توجد بشكل اغلفة حول المعادن والمركبات الاخرى في التربة مثل الجيوتايت ,برنسايت.
5- الكاؤولين: نوع من المعادن الطينية ذات اللون الابيض تحوي نسبة منخفضة من الحديد وهي من نوع سليكات الالومنيوم المائية ورمزها Si4Al4O10 (OH)8 يتكون هذا المعدن من صفائح من السليكا واوكسجين (تتراهيدرال) تليها طبقة من الالومنيوم –اوكسجين (اوكتاهيدرال) تتشكل باتجاهين متعامدين لتكون صفائح تتجمع فوق بعضها.
الكاؤولينات هذه من مركبات الاولومينا سليكات المائية يقع ضمنها الكاولينايت والهلويسايت ونسب اكاسيدها من الالومينا الى السليكا الى الماء Al2O3:SiO2:H2O هي نسبة 1:2:2 وتعد هذه المركبات من اهم المعادن الطينية والترسبات الطينية.




دراسة التركيب البلوري – للمعادن الطينية:
لعد امكن التعرف على التركيب الداخلي للتركيب الداخلي للتركيب البلوري للمعادن الطينية بواسطة استعمال الاشعة السينية (X-ray) حيث تمت بهذه الواسطة معرفة ترتيب الذرات او مجاميع الذرات او الجزيئات داخل البلورة الواحدة ومعرفة شكل هذه البلورة.
ومن استعمال تقنية الاشعة السينية والمنحنيات الحاصلة عن انعكاس الاشعة السينية من اسطح البناء السليكاتي الصفائحي نستطيع تحديد مايلي:

1- نوع المعدن.
2- نوع الايون الموجب على مواقع التبادل.
3- درجة التأدرث بالنسبة الى نوع الايون المشبع به ومقدار الماء الداخلي في العملية حيث ان كل ايون له قابلية معينة لمسك الماء (water of hydration).
4- معرفة مقدار مايحصل من تمدد في البعد كنتيجة لعملية التأدرث hydration او مقدار مايحدث من تقلص كنتيجة لطرد الماء من بين صفائح المعدن الطيني في عملية عكس التأدرث dehydration.
5- معرفة مايحصل في تثبيت بعض العناصر كالفوسفور والبوتاسيوم.
6- معرفة مايحدث من تبدل في البناء البلوري crystal structure في المعاملات الحرارية مع اختلاف في الايون – الموجب المتبادل الذي تم تشبع المعدن الطيني به.
7- معرفة مايحدث من تحول في المعدن نفسه الى معدن مغاير كذلك معرفة التحول الكيميائي وميكانيكة الترسيب لبعض المكونات الثانوية.

كل هذا يتم باستعمال تقنية الاشعة السينية .ان هذه الاشعةRay X- هي اشعة كهرومغناطيسية ذات موجة قصيرة تترواح مابين 0.01-100 A تستطيع السير في الفراغ بسرعة 3×10 ملم / ثانية قد تؤثر على اللوح الفوتوغرافي وتمتلك التاثير على الفلورسنت وتمتلك قدرة فائقة والسير بخطوط منتظمة غير متأثرة بحقل كهربائي او مغناطيسي وباستطاعة هذه الاشعة (كأشعة الضوء تماما) بالامكان انعكاسها او تفريقها او جمعها في نقطة وحدة غير ان انكسارها ضمن طول موجة يستعمل للدراسة المعادن الطينية.