(Introduction to Soil Science) ปฐพีศาสตร์เบื้องต้น (Introduction to Soil Science) (361212) โดย ดร. นิวัติ อนงค์รักษ์

(Chemical Properties of Soil) บทที่ 4 สมบัติทางเคมีของดิน (Chemical Properties of Soil)

คำนำ 1. ระบบคอลลอยด์ (colloidal system) ระบบคอลลอยด์ หรือสถานะคอลลอยด์ (colloid state) คือ สภาพหรือระบบที่มีประกอบด้วย 2 วัฏภาค (phase) - วัฏภาคที่กระจาย (disperse phase) ประกอบด้วยอนุภาคซึ่งเล็กมากและ กระจาย - ตัวกลางทำกระจาย (dispersion medium) เป็นของแข็ง ของเหลว หรือ แก๊สก็ได้ (ยกเว้น แก๊สจะไม่แขวนลอยในแก๊ส)

ตัวกลางทำกระจาย(dispersion medium) วัฏภาคที่กระจาย (disperse phase) ระบบคอลลอยด์ (colloidal system)

2. คอลลอยด์ดิน (soil colloids) คอลลอยด์ดิน หรือดินจัดเป็นคอลลอยด์เพราะดินมีส่วนของแร่ต่างๆ และอินทรียวัตถุที่มีขนาดเล็กมาก และสามารถแขวนลอยอยู่ได้ในน้ำและอากาศในดิน

3. ขนาดอนุภาคคอลลอยด์ดิน อนุภาคของแข็งในดิน ที่สามารถแขวนลอยในน้ำได้อย่างถาวรส่วนใหญ่ต้องเล็กกว่า 1 µm โดยแร่ทุติยภูมิในดิน เช่น แร่ดินเหนียว (clay mineral) ส่วนใหญ่จะเล็กกว่า 2 µm 4. ชนิดของคอลลอยด์ดิน 1) อนินทรีย์คอลลอยด์ (inorganic colloids) ได้แก่ แร่ดินเหนียวซิลิเกต (silicate clay) หรืออลูมิโนซิลิเกต (alumino silicate mineral) และไฮดรัสออกไซด์ (hydrous oxide) 2) อินทรีย์คอลลอยด์ (organic colloids) ได้แก่ ฮิวมัส (humus)

อนินทรีย์คอลลอยด์ (inorganic colloids) 1. แร่ดินเหนียวหรือแร่อะลูมิโนซิลิเกต แร่ดินเหนียว (clay mineral) คือ กลุ่มแร่อะลูมิโนซิลิเกต (alumino silicate minerals) ซึ่งประกอบด้วยแผ่นซิลิกา (silica sheet) และแผ่นอะลูมินา (alumina sheet) ซ้อนกัน โดยทั่วไปจะมีขนาดเล็กกว่า 2 µm

แร่กลุ่มซิลิเกต (silicate mineral group)

1.1 สมบัติที่สำคัญของแร่ดินเหนียว 1) รูปร่างและขนาด - รูปร่าง โดยทั่วไปมีลักษณะเป็นแผ่นบางๆ (flake-like) ซ้อนกัน บางครั้งจะเห็นผลึกชัดเจน เช่น เป็นแผ่นหกเหลี่ยม (hexagonal) - ขนาด ขึ้นกับชนิด ลักษณะองค์ประกอบทางแร่ และสภาพที่เกิดขึ้น ปกติจะมีขนาด 0.01-5.0 µm 2) พื้นที่ผิว (surface area) จากรูปร่างที่เป็นแผ่นบาง ทำให้แร่ดินเหนียวมีพื้นที่ผิวจำเพาะ (specific surface) สูงมาก พื้นผิวประกอบด้วย - พื้นผิวภายนอก (external surface) เป็นพื้นผิวภายนอกของแร่ดินเหนียว - พื้นผิวภายใน (internal surface) เป็นพื้นผิวที่อยู่ในหลืบระหว่างแผ่นผลึกของแร่ดินเหนียว ที่ซ้อนทับกันเป็นอนุภาค (micelle) ของแร่

3) ความเชื่อมแน่น (cohesion) และสภาพพลาสติก (plasticity) 4) การขยายตัว (swelling) และการหดตัว (shrinking) - การขยายตัว เกิดขึ้นในแร่ดินเหนียวบางชนิด โดยเมื่อชื้นโมเลกุลน้ำสามารถแทรกเข้าไปในหลืบระหว่างแผ่นผลึก แล้วเกาะยึดอยู่กับพื้นที่ผิวภายในของแร่ดินเหนียวมาขึ้นเรื่อยๆ ทำให้ดินเกิดการพองตัวขึ้น - การหดตัว เกิดขึ้นเมื่อแร่ที่เกิดการพองตัวสูญเสียน้ำที่อยู่ภายในหลืบระหว่างแผ่นผลึกจากการระเหย ทำให้หลืบยุบตัว ดินเกิดการหดตัว

การขยายตัว (swelling) และการหดตัว (shrinking) ของแร่ดินเหนียว

5) ประจุลบ (electronegative charge) และการดูดซับแคตไอออน (adsorption of cation) - ประจุลบ โดยทั่วไปเกิดจากการแทนที่ของไอออนบวกที่ขนาดเท่ากันแต่มีประจุบวกน้อยกว่าในแผ่นอะลูมินาโดยโครงสร้างไม่เปลี่ยนแปลง ทำให้แร่ดินเหนียวมีลักษณะคล้ายแอนไอออน (anion) - การดูดซับแคตไอออน เกิดขึ้นบริเวณผิวของแร่ดินเหนียวซึ่งดูดซับกันอย่างหลวมๆ หรือเรียกว่าแคตไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ (exchangeable cation) แคตไอออนที่ถูกดูดซับ ได้แก่ H+, Ca+2, Mg+2, K+ และ Na+

ตัวอย่างการดูดซับแคตไอออน (H+, Al3+) ของแร่ดินเหนียว

6) โครงสร้างและชนิดของแร่ดินเหนียว 6) โครงสร้างและชนิดของแร่ดินเหนียว - Silica tetrahedral unit ประกอบด้วยซิลิกา 1 อะตอม ล้อมรอบด้วยออกซิเจน 4 อะตอม เกิดเป็นรูปที่มี 4 ด้าน หน่วยโครงสร้างจะเกาะเชื่อมกันเป็นแผ่นเหมือนรังผึ้ง เรียกว่า แผ่นซิลิกา - Alumina octahedral unit เกิด ประกอบด้วยอะลูมินัม 1 อะตอม ล้อมรอบด้วยออกซิเจน 6 อะตอม เกิดเป็นรูปที่มี 8 ด้าน หน่วยโครงสร้างจะเกาะเชื่อมกันเป็นแผ่นแน่นทึบ เรียกว่า แผ่นอะลูมินา

องค์ประกอบของแร่ดินเหนียว (clay mineral component)

โครงสร้างของแร่ดินเหนียว (clay mineral structure)

1.2 ชนิดของแร่ดินเหนียวที่สำคัญ 1) แร่เคโอลิไนต์ (kaolinite) - สูตรเคมี Si4Al4O10(OH)8 - โครงสร้าง ประกอบด้วยแผ่นซิลิกาและอะลูมินาประกบกันอย่างละแผ่น (1:1 type clay) มีผลึกรูปหกเหลี่ยม ต่อกันในแนวระนาบไม่จำกัด แผ่นโครงสร้างมีความหนา 7 A0 - สมบัติแร่ พันธะระหว่างผลึกเป็นพันธะไฮโดรเจน ทำให้เกาะกันอย่างเหนียวแน่น ทำให้หลืบระห่างแผ่นผลึกแคบและขยายออกไม่ได้ แร่ไม่ขยายตัวเมื่อเปียกหรือหดตัวเมื่อแห้ง - แร่อื่นๆ ที่มีสูตรเคมีและโครงสร้างเหมือนเคโอลิไนต์ ได้แก่ halloysite และ dickite

แร่เคโอลิไนต์ หรือ แร่ดินขาว (kaolinite)

2) แร่สเม็กไตต์ (smectite) 2) แร่สเม็กไตต์ (smectite) - สูตรเคมี มีความซับซ้อนและไม่แน่นอน สูตรที่เสถียร ได้แก่ pyrophyllite มีสูตร Si8Al4O20(OH)4 - โครงสร้าง ประกอบด้วยแผ่นซิลกา 2 แผ่น ประกบกับแผ่นอะลูมินา 1 แผ่น (2:1 type clay) แผ่นโครงสร้างและหลืบระหว่างแผ่นที่ซ้อนทับกันมีความหนา 9-21 A0 - สมบัติแร่ เนื่องจากพันธะระหว่างผลึกไม่เป็นพันธะไฮโดรเจน แต่เกิด oxygen-oxygen linkage ที่มีแรงเบาบาง โมเลกุลของน้ำและแคตไอออนต่างๆ สามารถแทรกซึมเข้าไปดูดซับอยู่ที่ผิวภายในหลืบได้ง่าย ทำให้เกิดการพองตัวและเมื่อมีการระเหยเอาน้ำออกแร่จะมีการหดตัว - แร่ในกลุ่มสเม็กไตต์ ได้แก่ montmorillonite, beidellite, nontronite, saponite และอื่นๆ

แร่มอนต์มอริลลอไนต์ (montmorillonite)

3) แร่อิลไลต์ (illite) - สูตรเคมี เนื่องจากมี Al แทนที่ Si ในแผ่นซิลิกา และประจุที่เหลือค้างถูกชดเชยให้เป็นกลางโดย K ทำให้มีสูตร K1.33(Si6.66Al1.33)Al4O20(OH)4 - โครงสร้าง มีโครงสร้างทั่วๆ ไปเหมือนแร่ smectite จึงเป็นพวก 2:1 type clayแผ่นโครงสร้างและหลืบระหว่างแผ่นที่ซ้อนทับกันมีความหนา 10 A0 - สมบัติแร่ เนื่องจาก K ที่อยู่ในหลืบดูดยึดระหว่างแผ่นซิลิกาทำให้แร่ขยายและหดตัวไม่ได้ เมื่อเปียกและแห้ง มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างแร่ kaolinite และ smectite - แร่ในกลุ่มอิลไลต์ เนื่องจากมีสูตรและโครงสร้างคล้ายแร่ไมกา (mica) บางครั้งจึงเรียก ไฮดรัสไมกา (hydrous mica)

แร่อิลไลต์ (illite or hydrous mica)

โครงสร้างผลึกของแร่ดินเหนียวที่สำคัญ

4) แร่ดินเหนียวชนิดอื่นๆ 4) แร่ดินเหนียวชนิดอื่นๆ - แร่เวอร์มิคิวไลต์ (vermiculite) เป็นพวก 2:1 type clay คล้ายกับ illite แต่ Al ในแผ่นอะลูมินาซึ่งเป็น dioctahedral ถูกแทนที่ด้วย Mg ซึ่งเป็น trioctahedral และระหว่างหลืบจะมี Ca และ Mg ดูดยึดอยู่เป็นส่วนใหญ่ หดตัวได้พอๆ กับ illite - แร่คลอไรต์ (chlorite) แผ่นผลึกคล้ายคลึงกับไมกา (mica-like unit) และมีแผ่นคล้ายแร่บรูไซต์ (brucite) มีสูตร Mg(OH)2 ประกบทับอย่างมีระเบียบอีกต่อหนึ่ง (brucite-like unit)

คุณสมบัติต่างๆ ของแร่ดินเหนียวที่สำคัญ 3 ชนิด ชนิดของแร่ Smectite Illite Kaolinite ขนาดของผลึก (µm) 0.01-1.0 0.1-2.0 0.1-5.0 รูปร่าง แผ่นบางมีขอบ ไม่สม่ำเสมอ แผ่นบาง รูปหกเหลี่ยม พื้นที่ผิวภายนอก สูง ปานกลาง ต่ำ พื้นที่ผิวภายใน สูงมาก ความเชื่อมแน่นและสภาพพลาสติก การขยายตัว ความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน (cmol kg-1) 80-100 15-40 3-15

1.3 เทคนิคที่ใช้ในการแจกแจงเอกลักษณ์ของแร่ดินเหนียว การแจกแจงเอกลักษณ์ของแร่ดินเหนียว ส่วนใหญ่จะใช้หลายๆ วิธีประกอบกัน เช่น 1) วิธีการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (x-ray diffraction, XRD) 2) ความแตกต่างในเชิงความร้อน (differential thermal analysis, DTA) 3) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (electron microscopy) 4) การวิเคราะห์ทางเคมี

ชั้น Bt ช่วงความลึก 35/40-75/82 เซนติเมตร K = Kaolinite G = Gibbsite I = Illite V = Vermiculite Go = Goethite Q = Quartz C = 1.0&1.4 nm Clay minerals X-ray pattern ขององค์ประกอบเชิงแร่ในกลุ่มอนุภาคขนาดดินเหนียวของดินพีดอน 1 ชั้น Bt ช่วงความลึก 35/40-75/82 เซนติเมตร

ผลการวิเคราะห์ทางแร่วิทยา (XRD)

2. คอลลอยด์ดินชนิดอื่นนอกจากแร่ดินเหนียว 1) ไฮดรัสออกไซด์ (hydrous oxide) ของเหล็กและอะลูมินัม - ขนาด มีขนาดตั้งแต่เล็กในระดับสารคอลลอยด์ถึงใหญ่กว่าก้อนหิน - โครงสร้าง มีเฉพาะพื้นที่ผิวภายนอกทำให้พื้นที่ผิวต่ำ - สมบัติ การดูดน้ำและแคตไอออนต่างๆ น้อย สภาพพลาสติกและความเชื่อมแน่นต่ำ - การเกิด มักเกิดในดินที่มีพัฒนาการมานาน พื้นที่อุณหภูมิสูงและฝนตกชุก 2) อินทรียวัตถุ (organic colloid) หรือฮิวมัส (humus) - โครงสร้าง เป็นแบบอสัณฐาน (amorphous) - สมบัติ มีประจุลบที่เกิดจาก carboxyl group (COOH) ทำให้การดูดน้ำและแคตไอออนต่างๆ สูง

การแพร่กระจายของแร่ดินเหนียวในภูมิประเทศที่ต่างกัน 1. ลักษณะทั่วไปของแร่ดินเหนียว 1) ปัจจัยที่กำหนดชนิดและสัดส่วนแร่ดินเหนียว ได้แก่ ชนิดของหินและแร่ต้นกำเนิด ฟ้าอากาศ อายุของดิน และภูมิประเทศ 2) การสลายตัวของแร่ ในพื้นที่เขตร้อนการสลายตัวของแร่เกิดขึ้นสูง ทำให้พบ kaolinite และ hydrous oxide (Fe, Al) เป็นส่วนใหญ่ ส่วนเขตหนาวการสลายตัวต่ำ ทำให้พบแร่ montmorillonite และ illite 3) แร่ดินเหนียวในประเทศไทย ส่วนใหญ่จะเป็น kaolinite, montmorillonite และ illite สลายตัวปะปนกัน แร่อื่นที่พบ ได้แก่ vermiculite, chlorite และ interstratified clay mineral

humid tropical zone and equatorial zone kaolinite, gibbsite tropical zone with contrasting seasons smectite temperate zone mixed layers, vermiculites cold zone illite, chlorite อิทธิพลของภูมิอากาศต่อการเกิดของแร่ดินเหนียว

2. การเกิด (genesis) ของแร่ดินเหนียว 1) Alteration คือ กระบวนการที่แร่ปฐมภูมิ (primary mineral) เปลี่ยนแปลงทางฟิสิกส์หรือเคมีเพียงเล็กน้อย โครงสร้างเดิมจะยุบและเรียงตัวใหม่เกิดเป็นแร่ดินเหนียวซึ่งเป็นแร่ทุติยภูมิ (secondary mineral) ตัวอย่างเช่น K2Al4(Al2Si6)O20(OH)4 + Si4+ K0.2K0.8Al4(AlSi7)O20(OH)4 + K + + Al3+ 2) Recrystallization คือ กระบวนการที่เกิดจากแร่ปฐมภูมิผุพังทางเคมีอย่างรุนแรงถูกพัดพามาสะสมร่วมกันแล้วเกิดการสร้างผลึกเป็นแร่ดินเหนียวขึ้นใหม่ ชนิดแร่จะขึ้นกับสภาพดินฟ้าอากาศ และสัดส่วนของไอออนของธาตุต่างๆ ที่ถูกพัดพามา

ขั้นตอนการเกิดแร่ดินเหนียวซิลิเกตและออกไซด์ของเหล็กและอะลูมินัม

3. ที่มาของประจุลบในแร่ดินเหนียว 1) เกิดจากการแตกหักบริเวณขอบของผลึก (exposed crystal edges) - เกิดจากบริเวณที่ขอบของผลึกที่แตกหักออกไป ทำให้แผ่นซิลิกาและแผ่น อะลูมินาบางส่วนหลุดไป ทำให้ออกซิเจนมี electronegative charge ตกค้างอยู่ - เกิดในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง โดย H+ ที่เกาะอยู่กับผิวของแผ่นอะลูมินา ทำปฏิกิริยากัน OH- ของด่างกลายเป็นน้ำ พบในพวก 1:1 type clay 2) เกิดจากขบวนการ isomorphous substitution เกิดจากอะตอมของธาตุอื่นเข้าไปแทนที่อะตอมที่มีอยู่เดิมในโครงสร้างของแร่ อะตอมที่เข้าไปแทนที่จะมีขนาดใกล้เคียงกับอะตอมในโครงสร้าง แต่วาเลนซ์ต่ำกว่าทำให้เกิดประจุลบส่วนเกิน เช่น Mg2+ แทนที่ Al3+ ในแผ่นอะลูมินา

4. การแลกเปลี่ยนแคตไอออนของดิน 1) ประวัติการศึกษาแร่ดินเหนียว - สมัยโบราณ พบว่าดินมีอำนาจในการดูดยึดและแลกเปลี่ยนไอออนบวกได้ - Hendricks และ Fry (1930) พบว่าอนุภาคของดินเหนียวอยู่ในสภาพ ของผลึก 2) แคตไอออนดูดซับ (adsorbed cation) คือ แคตไอออนที่ถูกดูดซับโดยประจุลบในพื้นผิวของแร่ดินเหนียว ในดินเขตร้อน แคตไอออนที่ดูดซับ ประกอบด้วย H+(Al3+) > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ แคตไอออนเหล่านี้จะถูกไล่ที่ได้ง่าย บางครั้งจึงเรียก exchangeable cation [Clay]-Ca 40 + 5H2CO3 [Clay]-Ca 38 + 2Ca(HCO3)2 - H 40 -H 45 KHCO3 - K 20 -K 19

การแลกเปลี่ยนแคตไอออนบวกของดิน

5. ปัจจัยที่ควบคุมการแลกเปลี่ยนไอออนบวกในดิน 1) ชนิดของแคตไอออนดูดซับและแคตไอออนเข้าแทนที่ ลำดับของอำนาจการเข้าแทนที่ (replacing power) เป็นดังนี้ Li+ < Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < NH4+ < Al3+ (H+) สาเหตุของการเข้าแทนที่ต่างกันเนื่องจาก - วาเลนซ์ของแคตไอออน เมื่อสภาพอย่างอื่นเหมือนกันแคตไอออนที่มี วาเลนซ์สูงย่อมมีอำนาจการไล่ที่สูงและเกาะยึดที่ผิวดินเหนียวแน่น - ขนาดไอออน เป็นขนาดของ hydrated cation คือ รวม water shell (hull) ที่ห่อหุ้มแคตไอออนนั้นๆ ด้วย หากมีขนาดใหญ่จะมีแรงดูดซับต่ำตามกฏ ของ Coulomb ตัวอย่างเช่นพวก Monovalent - dehydrated ionic size Li+<Na+<K+<NH4+<Rb+<Cs+ - hydrated ionic size Li+>Na+>K+>NH4+>Rb+>Cs+

ขนาดไอออนที่ถูกดูดยึดด้วยน้ำ (hydrate ionic size)

2) ความเข้มข้นของแคตไอออนเข้าแทนที่ ถ้าปริมาณของไอออนเข้าแทนที่มากจะทำให้การไล่ที่แคตไอออนที่อยู่ที่ผิวดินเหนียวง่ายขึ้น ตามหลัก mass action 3) ปริมาณการอิ่มตัว ปริมาณของการอิ่มตัวของแคตไอออนบางชนิดที่ดูดซับอยู่ที่ผิวดินเหนียวจะมีอิทธิพลต่อความยากง่ายที่แคตไอออนนั้นจะถูกไล่ที่ออกมาเป็นอย่างมาก เช่น Ca2+ และ Na+ 4) แคตไอออนอื่นที่อยู่ร่วมด้วยบนผิวของดินเหนียว เช่น exchangeable K+ จะถูกไล่ที่ได้ง่ายขึ้นเมื่ออยู่ร่วมกับ exchangeable Al3+ หรือ H+ แต่จะถูกไล่ที่ยากเมื่ออยู่กับ exchangeable Ca2+

6. ศักย์ซีตา (zeta potential) ของแร่ดินเหนียว 1) Electric double layer คือ เมื่อคอลลอยด์ยิ่งมีประจุมากขึ้นเท่าใดศักย์ (potential) หรือแรงที่จะดูดดึงหรือผลักดันของคอลลอยด์นั้นก็จะยิ่งมีมาก และระยะทางระหว่างกลุ่มประจุบวก (outer layer) ที่อยู่รอบนอกห่างไกลจากกลุ่มประจุลบ (inter layer) มากเท่าใด ศักย์ของคอลลอยด์นั้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น 2) ศักย์ซีตาของแร่ดินเหนียว คือ ประจุลบหรือศักย์ (potential) ของ clay micelle ที่เหลือตกค้างอยู่ภายหลังที่ผิวของ clay micelle นั้นมีแคตไอออนดูดซับอยู่เต็มไปหมดแล้ว 3) ความสำคัญของศักย์ซีตา - การจับกลุ่ม (flocculation) เกิดเมื่อ clay micelle มีศักย์ซีตาต่ำ - การกระจาย (dispersion) เกิดเมื่อ clay micelle มีศักย์ซีตาสูง

ประจุไฟฟ้าสองชั้น (electric double layer)

ความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน (C.E.C.) 1. ความหมายความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน ความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน (cation exchange capacity, C.E.C.) ของดินหรือของคอลลอยด์ คือ ปริมาณแคตไอออนทั้งหมดที่ดินหรือคอลลอยด์นั้นสามารถจะดูดยึดไว้ได้ 2. ปัจจัยที่มีผลต่อความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน 1) ชนิดของคอลลอยด์ดิน ดินที่มีฮิวมัสหรือแร่มอนต์มอริลโลไนต์เป็นองค์ประกอบ จะมีความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออนสูง

การแลกเปลี่ยนแคตไอออน (cation exchange)

2) ปริมาณของดินเหนียวที่มีอยู่ในดิน ดินที่มีเปอร์เซ็นต์ดินเหนียวสูงจะมีความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออนสูง 3) ปริมาณของอินทรียวัตถุในดิน ดินที่มีเปอร์เซ็นต์อินทรียวัตถุสูงจะมีความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออนสูง

3. ความสำคัญของการแลกเปลี่ยนแคตไอออนในดิน 1) ด้านปฐพีวิทยา - เกี่ยวกับธาตุอาหารพืช การดูดยึดพวกแคตไอออนไม่ให้สูญหายไปจากดิน - เกี่ยวกับสมบัติทางฟิสิกส์ของดิน เช่น ความร่วนซุย ความเหนียวของดิน - ความเป็นกรดของดิน มีการดูดซับ H+ ที่ผิวดินเหนียวเป็นจำนวนมาก 2) ด้านธรณีวิทยา - ขบวนการผุพังอยู่กับที่ (weathering) และการสังเคราะห์ (synthesis) แร่ ทุติยภูมิจาก แคตไอออนที่สลายตัวมาจากแร่ปฐมภูมิ 3) ด้านวิศวกรรมก่อสร้าง - การสร้างถนน การยืดหดตัวของดินเมื่อเปียกและแห้งทำให้ถนนเสียหาย

จบการสอนบทที่ 4 ดอยอินทนนท์