سعة التبادل الكاتيوني

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

تُعدّ السعة التبادلية الكاتيونية ( CEC ) مقياسًا لعدد الكاتيونات التي يمكن الاحتفاظ بها على أسطح جزيئات التربة. [ 1 ] ترتبط الشحنات السالبة على أسطح جزيئات التربة بالذرات أو الجزيئات الموجبة الشحنة (الكاتيونات)، ولكنها تسمح لها بالتبادل مع جزيئات أخرى موجبة الشحنة في ماء التربة المحيط. [ 2 ] هذه إحدى الطرق التي تُغيّر بها المواد الصلبة في التربة تركيبها الكيميائي. تؤثر السعة التبادلية الكاتيونية على جوانب عديدة من التركيب الكيميائي للتربة، وتُستخدم كمقياس لخصوبة التربة ، إذ تُشير إلى قدرة التربة على الاحتفاظ بالعديد من العناصر الغذائية (مثل البوتاسيوم ، والأمونيوم ، والكالسيوم ) في صورة قابلة للامتصاص من قِبل النبات. كما تُشير أيضًا إلى قدرة التربة على الاحتفاظ بكاتيونات الملوثات (مثل الرصاص ) .

التعريف والمبادئ

تبادل الكاتيونات على سطح جزيء التربة

تُعرَّف سعة التبادل الكاتيوني بأنها كمية الشحنة الموجبة التي يمكن تبادلها لكل وحدة كتلة من التربة، وتُقاس عادةً بوحدة سنتيمول كاتيون /كجم. تستخدم بعض المراجع الوحدات القديمة المكافئة، وهي ملي مول/100 جم أو ملي مكافئ/100 جم. تُقاس سعة التبادل الكاتيوني بمولات الشحنة الكهربائية، لذا فإن سعة تبادل كاتيونية تبلغ 10 سنتيمول كاتيون /كجم يمكن أن تستوعب 10 سنتيمول من كاتيونات الصوديوم (Na + ) (بشحنة واحدة لكل كاتيون) لكل كيلوغرام من التربة، ولكن 5 سنتيمول فقط من أيونات الكالسيوم (Ca2 + ) (بشحنتين لكل كاتيون). [ 1 ] تنشأ سعة التبادل الكاتيوني من الشحنات السالبة المختلفة على أسطح جزيئات التربة، وخاصةً على معادن الطين والمواد العضوية في التربة . تتكون طينات السيليكات الصفائحية من طبقات من أكاسيد الألومنيوم والسيليكون . يمكن أن يؤدي استبدال ذرات الألومنيوم أو السيليكون بعناصر أخرى ذات شحنة أقل (مثل استبدال Al3 + بـ Mg2 + ) إلى إعطاء بنية الطين شحنة سالبة صافية. [ ٢ ] لا تتضمن هذه الشحنة نزع بروتون، ولذلك فهي مستقلة عن الرقم الهيدروجيني ، وتُسمى الشحنة الدائمة. [ ١ ] إضافةً إلى ذلك، تكشف حواف هذه الصفائح عن العديد من مجموعات الهيدروكسيل الحمضية التي تُنزع منها البروتونات لتترك شحنات سالبة عند مستويات الرقم الهيدروجيني في العديد من أنواع التربة. كما تُسهم المادة العضوية إسهامًا كبيرًا في تبادل الكاتيونات، نظرًا لكثرة مجموعاتها الوظيفية المشحونة . عادةً ما تكون سعة التبادل الكاتيوني (CEC) أعلى بالقرب من سطح التربة، حيث يكون محتوى المادة العضوية في أعلى مستوياته، وتنخفض مع العمق. [ ٣ ] وتعتمد سعة التبادل الكاتيوني للمادة العضوية اعتمادًا كبيرًا على الرقم الهيدروجيني. [ ١ ]

تُمتص الكاتيونات على أسطح التربة بفعل التفاعل الكهروستاتيكي بين شحنتها الموجبة والشحنة السالبة للسطح، لكنها تحتفظ بغلاف من جزيئات الماء ولا تُكوّن روابط كيميائية مباشرة مع السطح. [ 4 ] تُشكّل الكاتيونات القابلة للتبادل جزءًا من الطبقة المنتشرة فوق السطح المشحون. يكون الارتباط ضعيفًا نسبيًا، ويمكن إزاحة الكاتيون بسهولة من السطح بواسطة كاتيونات أخرى من المحلول المحيط.

درجة حموضة التربة

تأثير درجة حموضة التربة على قدرة التبادل الكاتيوني

تعتمد كمية الشحنة السالبة الناتجة عن فقدان البروتون من مجموعات الهيدروكسيل في الطين أو المواد العضوية على درجة حموضة المحلول المحيط. زيادة درجة الحموضة (أي تقليل تركيز كاتيونات الهيدروجين ) تزيد من هذه الشحنة المتغيرة، وبالتالي تزيد من قدرة التبادل الكاتيوني.

قياس

مبدأ قياس السعة التبادلية الكاتيونية في التربة

تُقاس سعة التبادل الكاتيوني بإزاحة جميع الكاتيونات المرتبطة بمحلول مركز من كاتيون آخر، ثم قياس الكاتيونات المُزاحة أو كمية الكاتيون المُضاف الذي تم الاحتفاظ به. [ 1 ] يُستخدم الباريوم (Ba²⁺ ) والأمونيوم (NH₄⁺ ) بشكل متكرر ككاتيونات تبادل، على الرغم من توفر العديد من الطرق الأخرى. [ 4 ] [ 5 ]

تعتمد قياسات السعة التبادلية الكاتيونية (CEC) على درجة الحموضة (pH)، ولذلك تُجرى غالبًا باستخدام محلول منظم عند قيمة pH محددة. إذا اختلفت درجة الحموضة هذه عن درجة الحموضة الطبيعية للتربة، فلن يعكس القياس السعة التبادلية الكاتيونية الحقيقية في الظروف العادية. تُسمى هذه القياسات "السعة التبادلية الكاتيونية الكامنة". في المقابل، يُطلق على القياس عند درجة حموضة التربة الأصلية اسم "السعة التبادلية الكاتيونية الفعالة"، وهو ما يعكس القيمة الحقيقية بشكل أدق، ولكنه قد يُصعّب المقارنة المباشرة بين أنواع التربة المختلفة. [ 1 ] [ 5 ]

القيم النموذجية

تتحدد قدرة التربة على تبادل الكاتيونات بمكوناتها، والتي قد تختلف اختلافًا كبيرًا في قيم قدرتها الفردية على تبادل الكاتيونات. ولذلك، تعتمد قدرة التربة على تبادل الكاتيونات على المواد الأم التي نشأت منها التربة، والظروف التي نشأت فيها. وتُعد هذه العوامل مهمة أيضًا في تحديد درجة حموضة التربة، والتي تؤثر بشكل كبير على قدرة التربة على تبادل الكاتيونات.

النطاقات النموذجية لسعة التبادل الكاتيوني لمواد التربة [ 1 ] [ 6 ] [ 7 ]
النطاقات النموذجية لسعة التبادل الكاتيوني لمواد التربة
متوسط ​​السعة التبادلية الكاتيونية (الأس الهيدروجيني 7) لبعض أنواع التربة الأمريكية بناءً على تصنيف التربة التابع لوزارة الزراعة الأمريكية [ 9 ]
رتبة تصنيف التربةCEC (سمول ج /كغ)
ألتيسول3.5
تربة ألفيسول9
سبودوسول9.3
التربة المتحولة11.6
تربة موليسول18.7
التربة الطينية المتشققة35.6
الهستوسولات128

تشبع القاعدة

يعبّر تشبّع القواعد عن النسبة المئوية من السعة التبادلية الكاتيونية المحتملة التي تشغلها الكاتيونات Ca²⁺ ، Mg²⁺ ، K⁺ ، أو Na⁺ . [ 1 ] [ 4 ] تُسمى هذه الكاتيونات تقليديًا "كاتيونات قاعدية" لأنها غير حمضية، على الرغم من أنها ليست قواعد بالمعنى الكيميائي المعتاد. [ 1 ] يوفر تشبّع القواعد مؤشرًا على تجوية التربة [ 4 ] ويعكس مدى توافر العناصر الغذائية الكاتيونية القابلة للتبادل للنباتات. [ 1 ]

سعة التبادل الأنيوني

تستطيع الشحنات الموجبة للمعادن الموجودة في التربة الاحتفاظ بالأنيونات باستخدام نفس مبدأ التبادل الكاتيوني. غالبًا ما تحمل أسطح الكاولينيت والألوفان وأكاسيد الحديد والألومنيوم شحنات موجبة. [ 1 ] في معظم أنواع التربة، تكون سعة التبادل الكاتيوني أكبر بكثير من سعة التبادل الأنيوني. ومع ذلك، قد يحدث العكس في التربة شديدة التجوية، [ 1 ] مثل التربة الحديدية ( الأوكسيسول ).

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 برادي، نايل سي؛ ويل، راي آر. (2008). طبيعة وخصائص التربة (  الطبعة الرابعة عشرة). أبر سادل ريفر، الولايات المتحدة الأمريكية: بيرسون.
  2. 1 2 بيركلاند، بيتر دبليو. (1999). التربة والجيومورفولوجيا ( الطبعة الثالثة). أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. 
  3. ^ زيك، وولفجانج. شاد، بيتر. هنتيرماير-ايرهارد، جيرد (2014). بودن دير فيلت (بالألمانية) ( الطبعة الثانية). برلين: سبرينغر سبيكتروم. 
  4. 1 2 3 4 شاتزل، راندال جيه؛ طومسون، مايكل إل. (2015). التربة: التكوين والجيومورفولوجيا ( الطبعة الثانية). كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. 
  5. 1 2 بانسو، مارك؛ غوتييرو، جاك (2006). دليل تحليل التربة . برلين: سبرينغر-فيرلاغ. ص 709-754 . Bibcode : 2006hsa..book.....P . 
  6. ↑ كارول، د. (1959). "تبادل الكاتيونات في الطين والمعادن الأخرى". نشرة الجمعية الجيولوجية الأمريكية . 70 (6): 749-780 . doi : 10.1130/0016-7606(1959)70 [ 749:ieicao ] 2.0.co ; 2 .
  7. ↑ "الكاتيونات وسعة التبادل الكاتيوني" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يونيو 2017 .
  8. "الكاتيونات وسعة التبادل الكاتيوني" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يونيو 2017 .
  9. ↑ هولمغرين، جي جي إس؛ ماير، إم دبليو؛ تشاني، آر إل؛ دانيلز، آر بي (1993). "الكادميوم والرصاص والزنك والنحاس والنيكل في التربة الزراعية في الولايات المتحدة الأمريكية". مجلة جودة البيئة . 22 (2): 335-348 . Bibcode : 1993JEnvQ..22..335H . doi : 10.2134/jeq1993.00472425002200020015x .

مراجع عامة

راموس، ف. ت.؛ دوريس، إ. ف. ج. س.؛ ويبر، أ. ل. س.؛ بيبر، د. س.؛ كامبيلو الابن، ج. هـ.؛ مايا، ج. س. س. (2018). "المادة العضوية في التربة تضاعف قدرة التبادل الكاتيوني للتربة الاستوائية في ظل الزراعة بدون حراثة في البرازيل". مجلة علوم الأغذية والزراعة. 10.1002/jsfa.8881