Chemische Bodeneigenschaften Flashcards
Chemische Eigenschaften und Prozesse
Im Boden finden eine Vielzahl von chemischen Prozessen statt, bei denen die Einzelbestandteilde des Bodens miteinander reagieren. Wichtige Prozesse sind der Ionenaustausch (Desorption und Adsorption) und die Bildung, Abbau und Verlagerung von chemischen Verbindungen. Diese Prozesse stehen in enger Wechselwirkung mit den chemischen Bodeneigenschaften, wie z.B. pH-Wert oder Redoxverhältnisse.
Chemische Prozesse
Adsorption
Im Boden können Bestandteile der festen Matrix mit hoher spezifischer u. elektrisch geladener Oberfläche (Tonminerale, organo-mineralische Verbindungen, Oxide des Si, Al und Fe, Huminstoffe), Ionen oder Moleküle der Bodenlösung oder Bodenluft an ihren Oberflächen locker binden
- Vorgang der Anlagerung: Adsorption
- den Vorgang der Abgabe: Desorption
- die Wechselwirkung beider: Austausch
reversivbel: adsorbierte Ionen können gegen äquivalente Mengen anderer Ionen aus-getauscht werden
Kationenbindung und –austausch
- viele Pflanzennährstoffe und einige Schadstoffe liegen im Boden als Kationen vor
- wichtigste austauschbare Kationen: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, H+, Al3+
auch Schadstoffe wie: Pb2+, Cd2+
wenn sie im Bodenwasser gelöst vorliegen–> verfügbar für Pflanzen und Mikroorganismen also mobil und damit Auswaschungsgefahr!
Kationenaustausch
Kationen gehen keine stabile chemische Bindung mit den negativen Oberflächenladungen ein, sondern werden nur durch elektrostatische Kräfte sorbiert
- Bindung ist relativ schwach und reversibel
- alle Bindungsplätze sind immer mit Kationen belegt
- werden neue Kationen gebunden (z.B. Zufuhr durch Düngung), müssen entsprechend deren Ladung andere Kationen freigesetzt werden
- Kationenaustausch erfolgt immer in äquivalenten Mengen
- erfolgt nur zwischen fester und flüssiger Phase–> Gegenwart von Wasser ist notwendig
- Austausch: bis zur Gleichgewichtseinstellung
Ursachen des Kationen-Austausches
Permanente-und Variable Ladung
Permanente Ladung:
- durch isomorphen Ersatz von Zentral-Ionen in Si-Tetraedern u. Al-Oktaedern haben v.a. Dreischicht- Tonminerale negativen Ladungsüberschuß
- wird kompensiert durch austauschbare Kationen (aber auch durch fest in Gitterzwischenräume eingebaute und nicht austauschbare K-Ionen)
- Ladungen sind immer vorhanden, nicht vom pH-Wert abhängig, sondern beruhen auf im stabilen Kristallgitter verankerten Ladungsdifferenzen –>„permanent“
- Ionenaustauch nur dann, wenn sie sich an der Oberfläche befinden, also anderen Kationen aus der Bodenlösung zugänglich sind
- Dreischichttonminerale, die aufweitbar sind, haben große innere Oberflächen und damit viele austauschbare Kationen–>die spezifische Oberfläche beeinflußt den Umfang des Katioenaustausches
- beträgt bei: Kaoliniten 0,2*106 cm2/cm3< Illiten 0,6*106 cm2/cm3< Smectiten 5*106 cm2/cm3< Huminstoffen 6*106 cm2/cm3
Ursachen des Kationen-Austausches
Permanente-und Variable Ladung
Variable Ladung:
- ist pH-abhängig
Metallhydroxid: Me-OH Me-O- + H+ Carboxyl: R-COOH R-COO- + H+
Bei höheren H+-Konzentrationen (=niedriger pH) ist Gleichgewicht nach links verschoben –> im sauren Bereich stehen diese Bindungsplätze daher nicht zur Verfügung!
- bei Tonmineralen an seitlichen Bruchflächen können je nach pH-Wert mehr oder weniger H+-Ionen angelagert sein und so die Ladung des Tonminerals verändern
- ab pH 5 – 6 mit steigender OH-Ionenkonzentration zunehmende Dissoziation von H-Ionen der COOH- und OH-Gruppen (von Si-OH-Gruppen bei Ton-mineralen oder funktionellen Gruppen der Humin-stoffe), die durch andere Kationen austauschbar sind
- mit abnehmendem pH (steigende H-Ionen-Konzen-tration) Anlagerung von H-Ionen an Al-OH-Gruppen –> ergibt positive Ladung und Anionen-Austausch!
Aufbau der elektrischen Doppelschicht
Zone zwischen der Oberfläche von Kationenaus-tauschern und Bodenlösung;
2 Bereiche
- direkt an Austauscheroberfläche: dünne Lage von Kationen sehr fest und gut geordnet (Stern-Schicht)
- zur Bodenlösung hin: diffuse Schicht; Kationen umgeben Kolloid schwarmartig, wobei sich die Konzentration allmählich verdünnt und auch Anionen auftreten
Dicke der Doppelschicht hängt ab von: Kationenzusammensetzung- je mehr zweiwertige Kationen, desto schmaler ist sie
- Konzentration der anschließenden Bodenlösung:
ist diese sehr schwach, so wird von der diffusen Schicht Wasser angezogen–> sie dehnt sich aus und wird breiter
- Gehalt einwertiger / zweiwertiger Kationen: eine sehr mächtige Innenlösung umgibt das Kolloid bei einwer-tigen Ionen –> es kommt zur Quellung
Na+ ist quellungsfördernd und hat zerteilende Wirkung und wirkt somit Krümelstruktur entgegen (Beregnung mit Brackwasser; natriumreiche Kali-DM)
- schmale Doppelschicht:
bei normaler Durchfeuchtung, guter Ca- und Mg-Versorgung und hoher Ionenkonzentration in Bodenlösung –> positive Wirkung auf Strukturbildung
Kationenaustauschkapazität KAK
- Maß für die Anzahl an negativen Bindungsplätzen im Boden
- Summe der austauschbaren Kationen (bestimmt durch Austausch mit Neutralsalzlösung)
- Angaben in: mmolc / 100 g Boden
- Es werden potentielle und effektive Kationenaus-tauschkapazität unterschieden (KAKpot und KAKeff)
Potentielle Austauschkapazität
- maximale Anzahl von Kationanbindungsplätzen im Boden
- wegen pH-Abhängigkeit der variablen Ladung ist KAKpot nur bei pH > 7 verfügbar
- da mitteleuropäische Böden meist pH << 7, ist meistens KAKpot > KAKeff
effektive Austauschkapazität
Anzahl der Kationenplätze, die tatsächlich bei dem bodeneigenen pH-Wert zur Verfügung stehen, in sehr sauren Böden mit geringem Tongehalt ist die KAKeff < 10 % der KAKpot
Mit steigendem pH-Wert steigt KAK: je pH-Einheit um 40…50 mmolc
Humus hat 5fache KAK wie Ton!
1% Humus kann einen wesentlich höheren Beitrag zur KAK eines Bodens liefern als 1% Ton
Beispiel: 1% Humusgehalt 18 – 30 mmolc / kg Boden 1% Illit 2 - 5 mmolc / kg Boden
Basensättigung
Basensättigung BS - Maßzahl für den Prozentanteil der Summe aus Ca2+, Mg2+, K+, Na+ an der KAK (Ca, Mg, K, Na)
Summe der basisch wirkenden Kationen:
S-Wert
- in neutralen Böden (pH 7 – 8): BS > 90%
- in sauren Böden (pH < 4):
BS < 10% Da Ca, Mg und K wichtige Pflanzennährstoffe sind, ist BS entscheidender Parameter für Bodenfruchtbarkeit. Den Prozentanteil von nur einem der erwähnten aus-tauschbaren Kationen an der KAK – etwa des Kaliums – nennt man K-Sättigung
H-Wert
Menge an austauschbar gebundenem H+ - und Al3+ -und Fe3+ -Ionen, kann zur Ermittlung des Kalkbedarfes herangezogen werden