Поиск

Связывание жидкой воды почвой
28.03.2015

Мы рассмотрели связывание, или поглощение, почвой парообразной влаги. Ho почва может связывать и жидкую влагу.
Связывание жидкой воды почвой сопровождается некоторыми особыми явлениями, наблюдения над которыми приводят к пониманию процессов связывания.
Если мы смочим вполне сухую (высушенную при 105°) почву жидкой водой, то при этом выделится некоторое количество тепла. Это тепло называется теплотой смачивания. Природа этого явления заключается в следующем.
Тепловая энергия, присущая жидкой воде, вызывается кинетической энергией движущихся молекул воды. При связывании почвой молекулы воды, переходя в неподвижное состояние, теряют присущую им кинетическую энергию, которая и выделяется в форме теплоты смачивания. Одновременно уменьшается поверхностная энергия, присущая почвенным частицам.
При связывании почвой одного грамма воды выделяется около 80 малых калорий тепла — величина, близкая к скрытой теплоте плавления льда. Это указывает на близость физической сущности процесса связывания воды и процесса кристаллизации льда.
Воду, при связывании которой почвой выделяется тепло, принято называть прочносвязанной. Прочносвязанная вода составляет примерно 60—80% максимальной гигроскопичности.
Наибольшее количество воды, которое почва может связать прочно, называется максимальной адсорбционной влагоемкостью почвы, которую можно обозначить МАВ. Ее принято определять по величине теплоты смачивания почвы.
Другое явление, по которому мы можем судить о связывании жидкой воды почвой, заключается в том, что при взаимодействии сухой почвы с водным раствором какого-либо вещества концентрация его увеличивается. Демонстрировать это явление очень легко. Возьмем раствор какого-либо вещества, например сахара или хлористого кальция, концентрация которого нам точно известна. Если мы взболтаем некоторое количество такого раствора с навеской сухой почвы, раствор отфильтруем и снова определим концентрацию растворимого вещества в фильтрате, то увидим, что она увеличилась по сравнению с первоначальной концентрацией. При этом, чем меньше будет соотношение вода : почва при их взаимодействии, тем это увеличение будет больше. С другой стороны, относительное увеличение концентрации бывает тем больше, чем меньше начальная величина концентрации.
На что же указывает увеличение концентрации раствора после его взаимодействия с почвой?
Так как количество растворенного вещества не изменилось, то очевидно, что изменилось количество воды, участвующей в его растворении. Последнее могло произойти лишь вследствие того, что часть ее оказалась связанной почвой, причем водные оболочки из связанной воды, образующиеся вокруг почвенных частиц, неспособны растворять соли и другие вещества. Естественно, что чем меньше отношение вода : почва, тем сильнее увеличится концентрация раствора, так как тем большая доля, воды будет связана с почвой. Влияние первоначальной концентрации раствора на ее изменение при взаимодействии с почвой объясняется следующим образом. Выше мы говорили уже о гидратации ионов, заключающейся в том, что ионы, притягивая дипольные молекулы воды, образуют вокруг себя водные оболочки. Когда в раствор вносится сухая почва, между нею и ионами (или молекулами) раствора возникает «конкуренция» за воду; почва, связывая воду, как бы стремится отнять ее у гидратированных ионов или молекул, в то время как последние стремятся ее удержать. Очевидно, что, чем выше первоначальная концентрация раствора (чем больше число ионов или молекул в данном количестве раствора), тем больше воды ими будет удержано и тем меньше их будет связано почвой.
Зная исходную и конечную концентрацию раствора и навеску почвы, мы можем рассчитать количество воды, связанное почвой, которое зависит от концентрации раствора и от соотношения раствор : почва.

Связывание жидкой воды почвой

На рис. 22 изображена зависимость между концентрацией сахарного раствора и количеством воды, связанной почвой при взаимодействии с этим раствором (гумусовый горизонт мощного чернозема). На рисунке видно, что при небольших концентрациях раствора почва связывает значительное количество воды (около 10%). По мере увеличения концентрации раствора количество связанной воды уменьшается сначала быстро, а затем очень медленно. В интервале концентрации от 2 до 8% количество связанной воды уменьшилось с 8 до 4,5%, т. е. почти вдвое, а при дальнейшем увеличении концентрации раствора от 8 до 40% количество связанной воды уменьшается лишь с 4,5 до 4,2%. Из этого следует, что вода, связанная почвой, отчетливо делится на две категории: 1) воду, прочносвязанную, о которой мы уже говорили и которая не может быть отнята от почвенных частиц раствором даже весьма высокой концентрации, и 2) воду, которая легко отнимается раствором низкой концентрации и которая, очевидно, удерживается силами более слабыми. Эта вторая категория воды называется водой рыхлосвязанной.
Определение количества воды, связываемого почвой из растворов высокой концентрации, является вторым методом определения величины максимальной адсорбционной влагоемкости.
Характерной чертой рыхлосвязанной воды, как и прочносвязанной, является ее ориентированность, которая заключается в том, что дипольные молекулы воды, образующие оболочки рыхлосвязанной воды, находятся не в случайном положении, а обращены к почвенной частице тем или иным своим полюсом, входя в состав водной оболочки, образующейся за счет многослойной сорбции. При этом слои воды, расположенные дальше от поверхности частиц, находятся в более рыхлом состоянии, степень их ориентированности меньше, они легче отклоняются от строго ориентированного положения под влиянием тепловых толчков со стороны соседних молекул воды, при механическом помешивании жидкости и т. д. И наоборот, чем ближе к поверхности почвенной частицы расположен слой, тем степень его ориентированности больше. Внешняя граница оболочки из рыхлосвязанной воды не является резкой, она размыта и очень подвижна.
Связанная вода, которую называют также пленочной водой, отличается от обычной некоторыми своими физическими свойствами. Особенно велики эти отличия у прочносвязанной воды.
Последняя, как известно, в процессе связывания переходит в неподвижное состояние. Плотность ее доходит до 1,7. Это указывает на то, что она удерживается очень большими силами, вызывающими ее уплотнение. Ее теплоемкость равна 0,5—0,8. Напомним, что теплоемкость льда (твердой воды) равна 0,5. Прочносвязанная вода, повидимому, лишена электропроводности, а также, способности растворять электролиты и другие растворимые вещества. Рыхлосвязанная вода по своим свойствам гораздо меньше отличается от обычной воды. Она, вероятно, лишь частично лишена способности растворять электролиты и другие вещества и обладает повышенной вязкостью, более высокой у слоев, расположенных ближе к поверхности почвенных частиц.
Ввиду того, что содержание рыхлосвязанной воды является величиной неустойчивой, зависящей от постоянно меняющейся концентрации почвенного раствора, а также и от других условий, не существует никаких величин, количественно характеризующих способность почвы рыхло связывать воду.
Мы видели, что связанная влага удерживается силами, исходящими от поверхности отдельных почвенных частиц. Спрашивается, способна ли эта влага к передвижению в почве, и если способна, то как она передвигается?
Прежде всего отметим, что вся прочносвязанная влага и вся или значительная часть рыхлосвязанной влаги удерживается почвенными частицами настолько прочно, что она не может стекать вниз под влиянием силы тяжести.
Однако это не значит, что она вообще неспособна передвигаться в почве. Передвижение ее совершается в различной форме.
Прочносвязанная влага и, по-видимому, небольшая часть рыхлосвязанной в пределах до максимальной гигроскопичности могут передвигаться в почве лишь в парообразном состоянии.
Если один слой почвы имеет более высокую влажность, чем соседний, и влажность обоих слоев не превышает максимальной гигроскопичности, то абсолютная упругость пара (концентрация водяных молекул в почвенном воздухе) в первом слое будет выше, чем во втором. В силу этого водяной пар начнет диффундировать из первого слоя во второй, и этот процесс будет идти до тех пор, пока существует разность влажностей, обусловливающая различие в упругостях водяного пара.
Рыхлосвязанная влага может передвигаться в почве и иначе — в жидком виде. Она, как мы знаем, образует оболочку вокруг почвенных частиц, внутренние слои которой удерживаются сильнее, чем внешние.
Представим себе две близко расположенные частицы почвы А и Б одинакового диаметра (рис. 23). Пусть на частице Б оболочка из рыхлосвязанной воды будет несколько тоньше. Молекула воды В находится ближе к центру почвенной частицы Б, чем к центру частицы А. Поэтому молекула В начнет передвигаться в сторону частицы Б. Иными словами, более толстая пленка, имеющаяся около частицы А, начнет перетекать к частице Б. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока толщина водных оболочек вокруг обеих частиц не сделается одинаковой. Существенным в этом процессе является то, что связанная влага передвигается не сплошной массой, а от частицы к частице. Гидравлического давления связанная влага не передает.
В заключение настоящего раздела укажем, что учение о поведении связанной воды в почвах и грунтах нашло подробное развитие в трудах А. В. Трофимова и особенно А. Ф. Лебедева, который называл эту воду пленочной.
Связывание жидкой воды почвой


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: *