ظاهرة التبادل ألايوني والسعة التبادلية الايونية واهمية التبادل الايوني في تجهيز العناصر الغذائية

كيمياء التربة- المحاضرة الرابعة
مدرس المادة: انتصاررحيم عبيد
ظاهرة التبادل ألايوني والسعة التبادلية الايونية واهمية التبادل الايوني في تجهيز العناصر الغذائية
السعة التبادلية الكاتيونية والكاتيونات المتبادلة Cation exchange capacity (CEC ): هي مجموع الكاتيونات المتبادلة في وحدة وزنية معينة من التربة اوالمعدن والوحدة المستخدمة عادة للتعبير عن السعة التبادلية الكاتيونية هي الملي مكافئ/ 100غم.
وتعتبر السعة التبادلية الكاتيونية قيمة وصفية مهمة للتربة حيث تعتبر دالة لعدد من الخواص والظروف المختلفة لها.كما ان لها اهمية كبيرة من ناحية علاقتها بالصفات الكيميائية والفيزيائية للتربة وكذلك من ناحية علاقتها بتغذية ونمو النبات , حيث تعكس لنا مدى قابلية التربة على الاحتفاظ بالعناصر الغذائية ومدى تجهيزها لهذه العناصر أي تعكس لنا الاحتياطي الغذائي للنبات في التربة.
وتختلف الترب من ناحية قيمة السعة التبادلية الكاتيونية وبشكل عام تترواح من 10الى 50 ملي مكافئ /100غم تربة وبالنسبة للترب العراقية فانها تترواح 7,5 الى 45.0 وكمعدل 18- 22 ملي مكافئ /100 غم تربة.
تعتمد قيمة السعة التبادلية الكاتيونية على عدد من العوامل والظروف والتي من أهمها مايلي:
1- نسجة التربة (التحليل الحجمي للدقائق)
2- نوع الغرويات المعدنية:ان دور الطين في تحديد قيمة السعة التبادلية الكاتيونية يرتبط بنوع المعدن الداخل في تركيبه.
3- المادة العضوية: ان الغرويات العضوية تحمل الشحنة السالبة على سطوحها وذلك بسبب تحلل جذور المجاميع الوظيفية المتواجدة في حوامض الهيوميك والفولفيك مثل مجموعة الكاربوكسيل والفينول هيدروكسيل والكاربونيل. لذلك فان هذه الغرويات لها القابلية على امدصاص الكاتيونات.كما وتتميز هذه الغرويات عن باقي غرويات التربة الاخرى بأنها تمدص الكاتيونات وذلك بسبب وجود الشحنة السالبة فقط على سطوحها. لذلك نتوقع ان وجود المادة العضوية في التربة يؤدي الى رفع قيمة السعة التبادلية الكاتيونية له.
4- درجة التفاعل: ان السعة التبادلية الكاتيونية للمعادن تزاد مع زيادة التفاعل وتقل بانخفاضها حيث تعتمد على طبيعة الشحنة السالبة في المعدن.


سرعة التبادل الكاتيوني في التربة:
لقد اصبح معلوما ومنذ اكتشاف ظاهرة التبادل الكاتيوني في التربة من قبل ثومبسن سنة 1850 بان تفاعلات التبادل الكاتيوني تجري في التربة بسرعة فائقة لدرجة لم يتمكن الباحثون الاوائل من قياس سرعة هذه التفاعلات بالاساليب والطرق المتوفرة انذاك. واول من حاول قياس سرعة تفاعلات التبادل الكاتيوني في التربة هي كيدرويتس واستنتج بان التبادل بين الصديوم والكالسيوم يجري بسرعة عالية جداً وذلك استناداً الى نتائج تجربته التي قام بها.
وتعتبر فوزبوتسكايا ان التبادل الكاتيوني يجري بسرعة فائقة جدا (يمكن ان تكون لحظات) خاصة بالنسبة للكاتيونات الممدصة على السطوح الخارجية للمعادن. اما بالنسبة للكاتيونات الممدصة على السطوح الداخلية فان الوصول الى حالة الاتزان يتطلب وقت اطول.
اما كيلي فيعتقد ان سرعة التبادل الكاتيوني تعتمد على نوع المعادن السائدة في التربة.
اما ويكلندر بين ان سرعة التبادل الكاتيوني تكون سريعة جدا في الكاؤلينايت وذلك لان التبادل يجري على الحافات بينما يجري معظم التبادل الكاتيوني في المونتمورولينات مابين الوحدات البلورية لذلك فان سرعة التبادل الكاتيوني تكون بطيئة في المعدن الاخير وعند انتفاخ معدن المونتمورولينايت عند ترطيبه عندئذ يمكن ان تكون سرعة التبادل الكاتيوني عالية نسبيا ولكن تبقى اوطئ من سرعة التبادل الكاتيوني.
اما في معدن الالايت فان التبادل الكاتيوني يجري ببطئ ايضا وممايعقد الموضوع هنا هو انه من الصعوبة التمييز بين حالة التثبيت وحالة اللاتثبيت (التبادل) بالنسبة لبعض الكاتيونات.
سؤال/ هل تجري تفاعلات التبادل الايوني في الظروف الطبيعية للتربة بنفس السرعة التي تجري في التجارب المختبرية؟
ان الاجابة على هذا السؤال لاتزال نظرية وهي ان سرعة التبادل الكاتيوني في الظروف الحلقية يمكن ان تكون اقل بكثير من سرعة التبادل الكاتيوني في الظروف المختبرية.



وفي الوقت الحاضر تجري محاولات لقياس سرعة التبادل الكاتيوني بواسطة استخدام الالكترود (القطب) الزجاجي الحساس للبوتاسيوم من قبل مالكولن وكنيدي وذلك لقياس سرعة التبادل الكاتيوني في الانظمة المختلفة التالية:
الباريوم- البوتاسيوم والكالسيوم- البوتاسيوم والمغنسيوم- -البوتاسيوم والالكترود الحساس للصديوم .

القوة الاستبدالية النسبية للكاتيونات:
من المواضيع التي لها أهمية تطبيقية كبيرة والتي لها علاقة وثيقة بالتبادل الكاتيوني هي التنافس بين الكاتيونات المختلفة على مواقع التبادل. ويمكن تعيين هذا التنافس من خلال القوة الاستبدالية النسبية ويقصد بها هي قدرة كاتيون ما على ازاحة كاتيون اخر موجود اصلا على سطح الغرويات وذلك عند حالة الاتزان.
وعبر عنها بالنسبية وذلك لان هذه القدرة الاستبدالية ليست كمية مطلقة وانما تنسب عادة الى كاتيون معين يستخدم عادة كمرجع للمقارنة بين تنافس الكاتيونات المختلفة المراد دراستها.

ومن اهم العوامل التي تلعب دور مهم في تحديد القابلية الاستبدالية للكاتيونات:
1- طبيعة الكاتيون:
من المتفق عليه الان ان طبيعة الكاتيون من ناحية تكافؤه وتأدرته وعدده الذري تحدد القابلية الاستبدالية له. حيث ثبت بأن القوة الاستبدالية للكاتيونات تزداد بزيادة شحنتها, معنى هذا ان الكاتيون الثنائي الشحنة له قابلية استبدالية أعلى من الكاتيون الاحادي الشحنة والكاتيون الثلاثي الشحنة له قابلية استبدالية اعلى من الكاتيون الاحادي الشحنة والكاتيون الثلاثي الشحنة له قابلية استبدالية اعلى من الكاتيون الثنائي الشحنة ويمكن ترتيب الكاتيونات المختلفة التكافؤ بالشكل التالي:
M+< M++< M+++


حيث يرمز M للكاتيون.
وحاولت فوزبوتسكايا وبناء على معطيات الابحاث السابقة ان تفسر سبب ذلك بالشكل التالي:-
انه بالرغم من وجود علاقة طردية بين قوة جذب الكهربائي بين اسطح الغرويات وتكافؤ الكاتيون والتي تلعب دوراً رئيسياً في هذا المجال الا ان ذلك يرتبط ايضاً بقابلية تحلل المركبات المتكونة على اسطح الغرويات نتيجة الامدصاص , أي المركبات المتكونة نتيحة اتحاد الكاتيون الممدص مع الجذور السالبة المتواجدة في الطبقة المحددة لشحنة الغروية (AlO-,SiO3-,COO-,OH-) حيث ان المركبات المتكونة مع الكاتيونات الاحادية الشحنة تكون اكثر تحللا من المركبات المتكونة نتيجة امدصاص الكاتيونات الثنائية الشحنة وهذه تؤكدها الحقيقة التالية, وهو ان الكاتيون الذي يتصف بقدرة استبدالية عالية ليس من السهل ازاحته بسهولة من سطح الغرويات.
تشير اكثر المصادر الى انه الكاتيونات السائدة في التربة يمكن ترتيبها على النحو التالي:-
اللثيوم < الصديوم < الهيدروجين < البوتاسيوم < الامونيوم < المغنسيوم < الكالسيوم < الالمنيوم.
وبالطبع ان هذا الترتيب يعتمد على نوع الجسم الامدصاص (نوع الكاتيون المستخدم للمقارنة وتركيز المحاليل المستخدمة .

2- طبيعة جسم الامدصاص:
ان القوة الاستبدالية للكاتيونات تعتمد ليس فقط على طبيعة الكاتيونات وانما على طبيعة الجسم الذي يجري عليه التبادل. وقد ثبت ذلك من نتائج التجارب التي اجريت على غرويات (معادن) التربة المختلفة حيث لوحظ بوضوح ان هذه الغرويات تمدص الكاتيونات بدرجات متفاوته.

3- تركيز المحلول:
من خلال التجارب اثبتت ان قوة استبدال الصوديوم بالكالسيوم والمغنسيوم تزداد مع زيادة تركيز المحلول ثم اشارت الابحاث اللاحقة الى ان تأثير التركيز على التبادل الكاتيوني هو ليس علاقة بسيطة وانما يرتبط بنوع الكاتيونات المتبادلة وطبقا لقانون فعل الكتلة فان الكاتيون يشارك في التبادل بجذر تكافؤه _مثال ذلك الكالسيوم يشارك في التبادل بالجذر التربيعي لتركيزه . لذلك نتوقع انه في حالة التبادل بين الكاتيونات المتشابهه الشحنة فان التخفيف او التركيز سوف لايؤثر على نسبة الكاتيونين في الجزء الصلب. اما في حالة تبادل كاتيونين مختلفي الشحنة ( مثلا الكالسيوم مع الصديوم) فان التخفيف يسبب نقصان في تركيز الصديوم اسرع بكثير من النقصان في تركيز الكالسيوم. بعبارة أخرى ان التخفيف يؤدي الى تشبع معقد التبادل بالكاتيون العالي الشحنة (الكالسيوم) , ويعمل زيادة التركيز على العكس أي زيادة تشبيع معقد التبادل بالصديوم. وقد اطلق على هذه السلوكية بتأثير التكافؤ- التخفيف. وتحمل هذه العلاقة أهمية كبيرة في استصلاح الترب الملحية والقلوية وكذلك عند استخدام المياه المالحة وتخفيفها عند غسل هذه الترب.




4- نوع الكاتيونات المتبادلة المرافقة في معقد التبادل:
لقد أثبتت التجارب التي اجريت مؤخرا على ان ازاحة أى كاتيون من معقد التبادل تعتمد ليس فقط على طبيعة وكمية هذا الكاتيون في معقد التبادل وتركيزه في المحلول وانما على نوع وكمية الايونات المرافقة له في معقد التبادل والمحلول ايضا ويطلق تعبير الكاتيونات المتبادلة المرافقة على الكاتيونات الاخرى المتواجدة في معقد التبادل بالاضافة الى الكاتيون المعني. حيث ان معقد التبادل يحوي في معظم الترب على خليط من الكاتيونات التالية: البوتاسيوم والصديوم والكالسيوم والمغنسيوم وكمية محسوسة من الهيدروجين وكميات قليلة جدا من الكاتيونات الاخرى لذلك يطلق على هذه الكاتيونات ( باستثناء البوتاسيوم مثلا) بالكاتيونات المتبادلة المرافقة للبوتاسيوم. لذلك يصبح من الضروري التعبير عن كمية الكاتيون الممدص ليس من خلال كميته المطلقة وانما كميته النسبية.

5- نوع الانيون المرافق:
من المعلوم ان هنك اختلاف كبير في الصفات الاساسية للايونات وخاصة من ناحية التكافؤ ونصف القطر والسرعة. وهذه الاختلافات يجب ان تتواجد ايضا بين الانيونات السائدة في الترب: الكلوريدات والكبريتات والهيدروكسيل والكاربونات والى اخره من الايونات . لقد اشار ايفانوف الى هذه الحقيقة وذلك عند مقارنته لامدصاص الصديوم من قبل التربة من مختلف المحاليل الصديومية المختلفة. وظهر له ان كمية الصديوم الممدصة تعتمد على نوع الملح الصديومي او بعبارة اخرى على نوع الانيون المرافق للصديوم.
واستنتج ايفانوف من هذه النتائج انه بالرغم من ان كمية الصديوم الممدصة من محاليل الاملاح المتعادلة لاتختلف كثيرا. الا ان كمية الصديوم الممدصة من محلول كاربونات الصديوم وفوسفاته اكثر من تلك الممدصة من محاليل الاملاح المتعادلة.


تأثير الكاتيونات المتبادلة على صفات التربة وأهمية هذه الكاتيونات في تغذية النبات:
ان لنوعية وكمية الكاتيونات المتبادلة تأثير كبير على الصفات الكيميائية والفيزيائية وحتى البايولوجية للتربة. فالكالسيوم المتبادل يؤثر – كماهو معلوم – ايجابيا على الصفات الفيزيائية حيث يعمل على تجميع الدقائق الغروية وتكوين المجاميع الثابته وبذلك يحسن من بناء التربة وصفاتها المائية.
اما الصديوم المتبادل فان زيادة كميته في معقد التبادل يعمل على العكس حيث تؤدي الى تشتيت الدقائق الغروية وتحطيم البناء وتكوين الافاق ذات البناء العمودي الصلد غير النفاذة للماء والهواء وجذور النبات. ويطلق عادة على التربة الحاوية على مثل هذه الافاق بالسولونيتس (Solonets) . وللبوتاسيوم المتبادل تأثير مشابه بتأثير الصديوم المتبادل اذا ماوجد بنسبة هائلة في التربة. ألا ان هذا الايون نادرا مايتواجد بنسب عالية في معقد التبادل للترب. كما ان هناك ابحاث تشير الى ان للمغنسيوم المتبادل تأثير مشابه للصديوم على صفات التربة خاصة عندما يتواجد بنسب عالية في التربة.
اما من ناحية الصفات الكيميائية فتؤثر كمية ونوعية الكاتيونات المتبادلة تأثيرا مباشرا على هذه الصفات حيث تعتمد صفة او سعة الاس الهيدروجيني للتربة ضد التغيرات الكيمائية المختلفة على كمية ونوعية الكاتيونات ويطلق تعبير درجة التشبع بالقواعد (Base saturation) على النسبة المئوية للكاتيونات المتبادلة من السعة التبادلية الكاتيونية بأستثناء الهيدروجين المتبادل. ويعتبر هذا التعبير معيار جيد لدرجة الاس الهيدروجيني ضد التأثيرات الحامضية .
يعمل الكالسيوم المتبادل على الحفاظ على درجة تفاعل متعادلة في الترب التي يتواجد فيها بنسبة عالية ووجود الصديوم المتبادل بنسبة عالية في التربة يسبب تطور مظاهر القلوية فيها حيث يعمل على تكوين الصودا ويرفع درجة التفاعل الى الحد الذي لايناسب نمو النبات ولغرض استصلاح مثل هذه الترب يجب اضافة الجبس لها وذلك لاستبدال الصديوم المتبادل بالكالسيوم .
ويعتقد كيلي ان لكمية ولنوعية الكاتيونات المتبادلة تأثير ايضا على نمو الاحياء الدقيقة (المجهرية) في التربة وذلك بأعتبار التربة وسط نمو لهذه الاحياء حيث يتأثر نشاط ونمو هذه الاحياء بدرجة تفاعل هذا الوسط وكذلك بالصفات الكيميائية والفيزيائية له والتي تتأثر بدورها بكمية ونوعية الكاتيونات المتبادلة.
وللكاتيونات المتبادلة تأثير واضح على تغذية ونمو النبات ويكون هذا التأثير اما غير مباشر من خلال تأثير كمية ونوعية الكاتيونات المتبادلة على صفات التربة. او بشكل مباشر وذلك من خلال تأثيرها بشكل سلبي او ايجابي على نمو النبات. حيث تعتبر الكاتيونات المتبادلة الاحتياطي الغذائي القريب المدى للنبات. لذلك هناك علاقة ايجابية جيدة بين السعة التبادلية الكاتيونية ( عند ظروف التشبع الجيدة) وخصوبة التربة وبالتالي مع نمو النبات .








يمكن تقسيم الكاتيونات المتبادلة الى مجاميع من ناحية تأثيرها على نمو النبات:

1- المجموعة الاولى تشمل الكاتيونات التي لو شبعت بها التربة لاعطيت حاصلا طبيعيا ومثالها الكالسيوم والسترونتيوم. ولما كان الكاتيون الاخير ليس له أي اهمية تطبيقية لذلك يمكن القول بان الكالسيوم هو الكاتيون الوحيد الذي يكون ظروفا جيدة لنمو النبات عند تشبيع التربة به.
2- المجموعة الثانية من الكاتيونات تضم كل من المغنسيوم والحديد والالمنيوم والهيدروجين والتي عند تشبيع التربة بأحدها فان النبات سيموت. الا انه عند اضافة كاربونات الكالسيوم لمثل هذه الترب فانها يمكن ان تقتل من التأثير السلبي لهذه الكاتيونات.
3- وتشمل المجموعة الثالثة الكاتيونات التي لها تأثير سمي على النبات واضافة كاربونات الكالسيوم للتربة المشبعة لايحد ولا يقلل من تاثيرها السلبي ومثل هذه الكاتيونات الامونيوم والصديوم والبوتاسيوم والكاديميوم والباريوم والكوبلت والنحاس.
الا ان فوز بوتسكايا تؤكد انه بالرغم من ان نتائج كيدروتس تشير الى ان تشبع التربة كليا بالكالسيوم يعتبر جيدا ومرغوبا به من وجهة نظر تكوين ظروف جيدة لنمو النبات والحصول على محاصيل جيدة خاصة اذا اعتبرنا ان هذا الكاتيون يعتبر محسنا للصفات الفيزيائية للتربة . ان تشبيع التربة بالكالسيوم 100% يجب ان لايكون الهدف النهائي لمشاريع الاستصلاح الكيميائي. حيث ان المحاصيل الزراعية ستعاني نقصا بالنسبة للعناصر الغذائية الاخرى مثل المغنسيوم والبوتاسيوم والامونيوم والهيدروجين.