Поиск

Некоторые специфические физические свойства засоленных почв
26.06.2015

Коагуляция илистых суспензий под влиянием электролитов

Явление коагуляции илистых суспензий под влиянием электролитов заключается в свертывании и оседании их под действием электролитически диссоциирующих воднорастворимых солей. Причина коагуляции лежит в уменьшении отрицательного заряда почвенных частиц под влиянием заряда катиона соли и следовательно в уменьшении сил взаимного, отталкивания частиц между собой.
Состояние коагуляции ила является вполне устойчивым, пока в растворе присутствует соль (электролит).
Если однако мы удалим прибавленную нами соль (например промывкой на фильтре или диализом), то суспензия возвратится к своему исходному распыленному состоянию и оседать не будет.
Таким образом, данный вид коагуляции является процессом обратимым. Однако это справедливо лишь в тех случаях, когда катион соли не вступает в химическое взаимодействие с поглощающим комплексом почвы. В противном случае, как это например обычно происходит при действии солей железа и частью иона водорода, коагуляция может стать необратимой.
Способность к коагуляции начинает проявляться с размеров частиц около 0,01—0,02 мм, затем достигает своего максимального проявления в области собственно коллоидальных степеней раздробления и затем вновь затухает по направлению к молекулярным растворам.
Явления коагуляции подчинены следующим закономерностям:
а) Каждая индивидуальная соль начинает производить коагулирующее действие на суспензии лишь при некоторой минимальной концентрации, которая носит название электролитического порога ее.
Для иллюстрации порядка величин, с которыми приходится здесь иметь дело, приведем некоторые цифры, полученные акад. К. Гедройцем (табл. 34).
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

б) Электролитический порог каждой соли изменяется в зависимости от химических свойств почвенной суспензии, ее концентрации и размера почвенных частиц. Увеличение концентрации суспензии и увеличение размеров частиц обычно ускоряют коагуляцию.
Для иллюстрации последнего приведем следующую таблицу коагулирующего действия 0,1 N раствора NaCl на суспензии разной крупности:
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

в) Как видно из вышеприведенной таблицы, величина электролитического порога различных солей весьма различна. Эти различия подчиняются определенным закономерностям, а именно: коагулирующее действие катиона возрастает с увеличением его валентности, а в пределах группы одной валентности возрастает с атомным весом элементов.
Для иллюстрации приведем нижеследующую сравнительную таблицу относительных способностей коагуляции частичек каолина различными катионами, связанными во всех случаях с серной кислотой:
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

Мы видим, что в этом ряду названные закономерности совершенно отчетливо выражены за исключением одного элемента, именно водорода. Своеобразное поведение водорода в настоящее время твердо доказано, и лишь абсолютное выражение его коагулирующей силы остается пока не вполне установленным: в некоторых исследованиях он оказывается аналогичным по силе элементам трехвалентным, в других же — двухвалентным.
г) Действие смесей солей проявляется следующим образом: при смешении однозначных солей действие их суммируется, при смешение же разнозначных действие их обычно оказывается меньшим суммы. Исключением из этого правила является опять-таки прибавка к любой соли иона водорода (кислоты). Последний даже в очень малых позах весьма резко повышает коагулирующее действие соли.
Так например в одном из опытов хлористый натр в концентрации 0,0125 N совершенно не давал осаждения, тогда как прибавка серной кислоты в концентрации всего 0,000075 N вызвала полное оседание суспензии уже через 20 минут.
д) Оригинально ведут себя как коагулянты сильные щелочи, как NaOH, Na2CO3, Ca(OH)2.
При концентрациях их выше электролитического порога действие их на суспензии оказывается мало отличающимся от соответствующих хлористых солей. Однако в концентрациях весьма малых действие этих солей оказывается прямо противоположным, т. е. не коагулирующим, а стабилизирующим. Так например в одном из экспериментов были получены следующие результаты: раствор NaCl в концентрации 0,015 N давал полное осаждение суспензии; при прибавлении сюда добавочно раствора NaOH в концентрациях 0,005 N и 0,00025 N осаждение полностью предотвращалось, и только при понижении концентрации NaOH до величины 0,00005 N появлялись вновь следы осаждения.
Причина такого своеобразного поведения щелочных солей заключается в сильном отрицательном заряде гидроксильного иона ОН2 который, увеличивая отрицательный заряд суспензии, тем самым и повышает ее стабильность.
Ознакомившись с общими закономерностями явлений коагуляции, отметим те случаи мелиоративной практики, в которых с ними приходится считаться.
Явление коагуляции аналогично укрупнению механического состава. Соответственно этому при коагуляции фильтрационные свойства грунта резко возрастают, и поэтому глина засоленная будет фильтровать значительно лучше, чем та же глина не засоленная.
Так например в одном случае на Мугани Ф.П. Саваренский наблюдал, что тяжелые по механическому составу глины, но сильно засоленные, фильтруют аналогично супесям.
А.Н. Poзaнов для почв Куйган-Яра (Фергана) дает следующие цифры фильтрации по наблюдениям в монолитах размером 16х10 см:
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

Ho, как мы знаем, явление коагуляции обратимо. Это значит, что при вымыве солей почва будет восстанавливать свое первоначальное дисперсное состояние, и фильтрация ее будет соответственно уменьшаться.
Таким образом явление коагуляции под влиянием электролитов является мощным фактором общей динамики коэффициента фильтрации почвогрунтов. При всех мелиоративных расчетах, относящихся к засоленным землям, как например расчеты дренажных расстояний, фильтрация через дамбы и плотины и пр., с этим фактором нужно серьезным образом считаться.
Серьезное значение явления коагуляции имеют не только в почвогрунтах, но также и в открытых потоках и водоемах всякого рода. Все водотоки, как известно, несут в себе временно или постоянно взвешенные наносы. Оседание их как в русле, так и в долине весьма часто связано с явлением коагуляции. Так например формирование такого важнейшего элемента ландшафта, как «зернистая пойма», связывается с коагуляцией паводковых илов солями, выступающими в пойму с грунтовыми водами.
Бризель в Северной Америке изучал динамику наносов в реке Колорадо в связи с изменением солевого режима воды на разных участках ее течения и пришел к выводу, что явления коагуляции или диспергирования илов имеют крупнейшее значение в формировании как русла реки, так и всей долины в целом.
Большинство ирригационных каналов несет в себе обычно значительное количество ила. Оседание его, или, вообще говоря, заиление каналов является весьма тяжелым отрицательным явлением в ирригации, почему расчет так называемых незаиляющихся каналов всегда является серьезной заботой мелиоратора. В основании этого расчета естественно кладется крупность несущихся по Каналу наносов. Однако элементарные наблюдения показывают, что здесь часто несутся не раздельно-частичные элементы, а скоагулировавшиеся хлопья их. Солевой состав воды на протяжении по крайней мере больших каналов едва ли может оставаться постоянным, и потому естественно, что на разных участках канала осадки могут то коагулировать, то вновь диспергировать.
Наконец отметим, что вопрос о коагуляции наносов возникает иногда при производстве кольматационных работ.
Так например при постановке крупного опыта кольматирования Колхидских болот (площадью около 3 000 га) наблюдалось, что ил р. Риона оседает настолько медленно, что иногда приходится сбрасывать с кольматационного участка воду почти такой же мутности, как она поступала в голове участка. Кольматация таким образом практически не осуществлялась. Оставлять же воду на участке для оседания наноса на более длительный период времени было бы невыгодно, так как это замедляет проектные темпы кольматажа. Из этого комплекса обстоятельств и возникла принципиально правильная мысль о возможности применения здесь искусственной коагуляции путем прибавки какой-либо соли. К сожалению по техническим обстоятельствам опыт этот не был до сих пор осуществлен.
Капиллярное движение солевых растворов

О капиллярном движении солевых растворов приходится упомянуть потому, что передвижение последних совершается несколько иначе, чем чистой воды.
Общая высота капиллярного поднятия определяется следующим выражением (Xвольсон):
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

При полном смачивании стенок капилляра θ равен нулю, и потому для этого случая выражение приобретает следующий вид:
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

По Quincke, натяжение α растет приблизительно пропорционально числу J эквивалентов соли, растворенной в 100 эквивалентах воды. Forch нашел, что это правило пропорциональности верно между прочим и для солей NaCl и Na2SO4. Heydweiller для определения величины а вводит еще показатель степени диссоциации соли в растворе, и тогда общее выражение поверхностного натяжения растворов приобретает такой вид:
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

Скребницкий выражает а для растворов из двух веществ как линейную функцию концентраций их, а Антонов нашел, что в критической области растворимости (у предела насыщения) поверхностное натяжение растворов не зависит от концентраций.
Что касается плотности солевых растворов, то в эксперименте она проще всего может быть определена непосредственно, но кроме того есть попытки дать способы ее расчета. Так Valson установил, что плотность 1,0 N растворов определяется приложением к третьему десятичному знаку числа 1,015 так называемых «модулей», которые выражаются для разных элементов и радикалов следующими величинами:
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

По этой таблице плотность например 1,0 N раствора Ca(NO3)2 определяется выражением:
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

Bender распространил это правило и на растворы, кратные нормальным.
Таким образом физика устанавливает ясную зависимость высоты капиллярного поднятия солевых растворов от их химического характера, концентрации и степени электролитической диссоциации.
Преломление всех этих физических закономерностей в почвенных условиях остается к сожалению почти совершенно не изученным. Причина этого заключается главным образом в тех специфических трудностях, которые возникают при экспериментировании с почвами. Главные из этих трудностей заключаются в следующем:
1) соли, двигаясь в почве, реагируют с ее массой химически, и потому в капиллярах получается часто не тот раствор, который был взят для эксперимента;
2) соли и химически и физически действуют на почву иначе, чем вода, и потому сравнение этих показаний практически становится невозможным.
Некоторые соли, как известно, коагулируют почвенные частицы, другие, наоборот, сильно дисперсируют почву. И в том и другом случае мы получаем совершенно иную капиллярную систему, чем то имеет место при движении чистой воды.
В силу этих причин имеющийся все же некоторый, очень ограниченный, экспериментальный материал по капиллярному движению солей в почвенных колоннах (не естественных, а искусственно насыпанных в трубки) носит характер лишь грубо эмпирических данных, из которых никаких общих выводов делать пока совершенно нельзя. Учитывая это, и лишь для иллюстративных целей, мы приведем ниже некоторые итоги производившихся экспериментов.
При сравнительном испытании высоты капиллярного поднятия чистой воды, хлористого и углекислого натрия в разных концентрациях были получены следующие результаты (табл. 39, Кравков, 1900 г. Опытный материал — дилювиальный песок, насыпанный в трубки высотой 45 см):
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

В этом опыте мы видим, что скорость капиллярного поднятия солей существенно ниже скорости воды. Скорость эта уменьшается с увеличением концентрации соли. Сравнивая соли между собой, было замечено, что скорость движения соды заметно ниже, чем скорость хлористого натрия. В настоящее время мы можем пытаться объяснить этот результат дисперсирующим влиянием соды.
Близкий по характеру эксперимент был поставлен с илистым песком и некоторыми другими солями. Растворы солей взяты в концентрации 5,8%, а гипса и углекислого кальция прибавлено на каждую трубку по 5,8 г сухой соли (на 312,5 г материала). Результат, выраженный по времени, необходимом для поднятия раствора на высоту 45 см, получился следующий:
Некоторые специфические физические свойства засоленных почв

Этот опыт показывает, что одновалентные металлы замедляют капиллярное поднятие, причем в наибольшей мере это проявляется у щелочей, в наименьшей — у сернокислых солей, а среднее положение заняли соли хлористые и азотнокислые. Соли кальция заметно ускорили как капиллярное поднятие (26 час. вместо 31 ч. 30 м.), так и просачивание воды вниз (около 9 час. вместо 16 ч.). С современной точки зрения ускоряющее действие солей кальция может быть связано с укрупнением дисперсного состояния илистой части почвы под влиянием иона кальция.
В последнее время Полыновым и Философовым были поставлены некоторые опыты в целях определения относительных скоростей капиллярного поднятия растворов хлористых и сернокислых солей натрия.
Эта задача имеет существенное практическое значение ввиду того, что в природе это главные соли солончаков, и относительные скорости их движения определяют собой возникновение хлоридного или сульфатного типа осолонения.
Опыт ставился таким образом, что к основанию насыпной почвенной колонны подводилась определенная смесь названных двух солей и затем, по достижении раствором верха колонны, аналитически определялось отношение ионов хлора и серной кислоты на разных уровнях колонны.
В ряде опытов оказалось, что отношение этих ионов изменяется вверху в пользу хлора, т. е. хлористый натр как бы перегоняет в своем движении сернокислый натр. Однако ближайший анализ явления заставил авторов признать, что в данном случае происходит химическое взаимодействие соли с почвой, в результате которого вытесняется кальций. Последний образует с серной кислотой гипс, который выпадает в осадок и таким образом изменяет в растворе соотношение ионов хлора и серной кислоты. Опыт, поставленный с материалом, не реагирующим с солями (чистый кварцевый песок), не дал сколько-либо отчетливых результатов. К сожалению материал этих предварительных опытов не проанализирован пока с точки зрения тех общих физических закономерностей движения солевых растворов, которые приведены были выше.
Итак следовательно мы в общем виде можем лишь констатировать, что соли почвы могут существенно и ускорять и замедлять капиллярное движение, аналогично тому, как это мы видели выше для явлений фильтрации.
Следовательно капиллярность почв есть также явление динамическое, а не статическое, однако оно до сих пор еще не изучено и лишь ждет своих исследователей.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Введите два слова, показанных на изображении: *