Keo đất là gì? Phân loại, cấu tạo và sự hình thành keo đất

Keo đất là tiêu điểm của các phản ứng trao đổi ion, ảnh hưởng rất lớn đến dinh dưỡng cây trồng.

1. Thế nào là keo đất?

Keo đất là những phần tử có kích thước khoảng dưới 1μm, không hòa tan trong nước mà ở trạng thái huyền phù (trạng thái lơ lửng trong nước).

2. Các tính chất tổng quát của keo đất đất.

– Kích thước. Một hạt có tính keo thường có kích thước rất nhỏ, chỉ có thể quan sát bằng kính hiển vi điện tử. Phần lớn kích thước hạt keo < 002mm.

– Diện tích riêng bề mặt riêng. Do có kích thước rất nhỏ nên hạt keo có diện tích riêng bề mặt ngoài rất lớn. Diện tích riêng bề mặt của 1g hạt sét lớn hơn 1000 lần so với hạt cát. Ngoài diện tích bề mặt ngoài, một số loại sét còn có diện tích bề mặt trong, và diện tích bề mặt trong còn lớn hơn cả diện tích bề mặt ngoài. Tổng diện tích bề mặt của keo đất biến thiên từ 10m²/g của sét chỉ có bề mặt ngoài, đến 800m²/g đối với sét có cả diện tích bề mặt

– Điện tích bề mặt. Bề mặt trong và bề mặt ngoài của keo đất đều có thể mang điệ tích (-) hoặc (+). Phần lớn điện tích trên bề mặt keo đất là điện tích (-), mặc dù có 1 số loại keo mang điện tích (+) trong điều kiện chua. Mật độ điện tích ảnh hưởng rất lớn đến sự hấp thu, phân tán các hạt keo, nên ảnh hưởng đến cá tính chất vật lý và hóa học đất.

– Khả năng hấp phụ cation và nước. Các hạt keo, còn gọi là micelle (microcell), có thể hấp thu hàng trăm ngàn ion như H+, Al3+, Ca2+, Mg2+ trên bề mặt. Sự hấp thu này hình thành nên tầng bù ion. Tầng ion bề mặt trong là 1 tầng anion khổng lồ, xung quang bề mặt ngoài và trong hạt keo mang điện tích (-). Tầng ion ngoài hình thành từ đám mây cation hấp phụ yếu trên bề mặt điện tích (-). Do đó hạt keo luôn mang theo 1 đám mây cation được hấp phụ trên bề mặt chúng.

Ngoài các cation hấp phụ, keo đất còn hấp phụ 1 lượng lớn các phân tử nước. Nước được hấp phụ bới các cation, hình thành cation ngậm nước, và nước cũng được hấp thụ trên bề mặt keo, do nước cũng có tính phân cực. Nước hấp phụ này có vai trò quan trọng đối với các tính chất vật lý, hóa học đất.

3. Các loại keo đất.

Có 4 loại keo đất chính

– Phiến sét silicate. Là loại keo vô cơ chiếm tỉ lệ cao nhất trong hầu hết các loại đất. Đặc điểm quan trọng của sét silicate là cấu trúc tinh thể, xếp thành từng phiến/lớp và bề mặt mang điện tích (-). Mỗi hạt keo được hình thành bởi bhie62u lớp như các trang trong quyển sách. Các phiến bao gồm các mặt pha73ng xếp chồng lên nhau, các nguyên tử Oxygen được liên kết với nhau bởi các nguyên tử Al, Mg, H và Fe. Công thức hóa học của sét kaolinite [(Si₂Al₂O₅ (OH)]

– Sét allophane và imogolite. Nhiều loại đất có khoáng sét silicate nhưng có cấu trúc tinh thể không rõ ràng, đó là khoáng allophane và Các khoáng này còn gọi là khoáng alumino-silicate vô định hình, do chúng có thành phần cấu tạo là Al₂O₃.2H₂O, nhưng không có cấu trúc tinh thể rõ ràng. Các khoáng này thường có hàm lượng cao trên đất Andisol. Khả năng hấp phụ ion của keo này phụ thuộc vào pH đất, các cation được hấp phụ ở pH cao, và anion hấp phụ ở pH thấp. Allophane và imogolite hấp phụ lân rất cao khi đất chua.

– Khoáng oxide Fe và Al. Loại khoáng sét hiện diện với hàm lượng cao trên đất phong hóa mạnh (Ultisol, Oxisol) vùng nhiệt đới. Tính chất vàng đỏ của đất chịu ảnh hưởng mạnh bởi khoáng này.Các oxide Fe phổ biến là khoáng geothite (FeOOH), hematite (Fe₂O₃) và oxide Al phổ biến là khoáng gibbsite Al(OH) ₃. Các khoáng này được gọi chung là sesquioxide. Sesquioxide có cấu trúc vô định hình, không dính, không dẽo khi ướt như phiến sét silicate. Điện tích bề mặt thay đổi theo pH

– Mùn-keo hữu cơ. Phân tử mùn không có cấu trúc tinh thể nhưng bề mặt có mật độ điện tích cao như sét silicate. Chúng tạo thành chuổi các nối hóa học giữa C với O, H, và N. Điện tích của keo mùn hình thành do sự phân ly của các gốc enolic (-OH), carboxyl (-COOH), phenolic. Điện tích (-) trên keo mùn liên kết với sesquioxide, phụ thuộc vào pH đất, khi pH thấp

4. Cation hấp phụ trên bề mặt hạt keo.

Các cation hấp phụ trên bề mặt keo đất chủ yếu là H, Al, Ca, Mg, K, Na và 1 số cation có hàm lượng thấp khác.

Trong vùng khí hậu ẩm các cation chiếm ưu thế trên bề mặt hấp phụ: Ca, Mg, H và Al. Ngược lại vùng khô hạn các cation chiếm ưu thế: Ca, Mg, K, Na.

a. Tỉ lệ các cation hấp phụ. Tỉ lệ các cation hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố:

• Lực hấp phụ ion. Mức độ giữ chặt các ion trên bề mặt keo phụ thuộc vào lực Lực ion theo thứ tự: H⁺=Al³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺ = NH₄⁺>Na⁺.
• Nồng độ tương đối của cation trong dung dịch. Nồng độ càng cao, tỉ lệ hấp phụ càng cao. Vì vậy, khi đất chua, nồng độ H⁺ ,Al³⁺ cao, nên chúng chiếm tỉ lệ cao trên keo đất, và trên đất trung tính, Ca²⁺, Mg²⁺ chiếm tỉ lệ cao. Trên đất mặn tỉ lệ Na⁺ cao so với Ca²⁺, Mg²⁺ .

b. Trao đổi cation. Là phản ứng của các cation hấp phụ trên bề mặt keo đất được trao đổi với các cation khác hiện diện trong dung dịch đất. Ví dụ, 1 ion Ca hấp phụ trên keo đất sẽ được trao đổi với 2 ion H trong dung dịch đất.

Keo đất-Ca²⁺ +2H⁺ ↔ Keo đất-2H⁺ + Ca²⁺ .

Vì vậy keo đất chính là tiêu điểm của các phản ứng trao đổi ion, ảnh hưởng rất lớn đến dinh dưỡng cây trồng.

5. Cấu trúc cơ bản của phiến sét silicate.

a. Phiến cấu trúc cơ bản.

Sét silicate quan trọng nhất được gọi là phyllosilicate do cấu trúc của chúng có dạng phiến và các phiến sắp xếp thành từng lớp/tầng. Có 2 loại phiến:

– Phiến Tứ diện silica. Chuổi đơn vị cấu trúc silica, đơn vị này bao gồm 1 nguyên tử Si được bao quanh bởi 4 nguyên tử O, tạo thành khối tứ diện. Các đơn vị này nối với nhau do các nối của O. Thường được gọi là phiến tứ điện Silica.

– Bát diện aluminum. Đơn vị cơ bản là 1 nguyên tử Al được bao quanh bởi 6 nguyên tử O hay hydroxy, tạo nên cấu trúc bát diện. Thường gọi là phiến bát diện aluminum.

Các phiến tứ diện và bát diện là những đơn vị cấu trúc cơ bản của các loại khoáng sét. Các phiến này nối vớ nhau bằng các nguyên tử O tạo thành các tầng khác nhau. Ính chất và cách sắp xếp các phiến trong tầng cũng rất khác nhau tùy theo loại sét.

– Thay thế đồng hình trong đơn vị cấu trúc. Là sự thay thế 1 ion này bởi 1 ion khác có kích thước tương tự, nhưng khác điện tích, và sự thay thế này không làm thay đổi cấu trúc của tinh thể. Trong tự nhiên, thành phần hóa học của sét silicate rất phức tạp. Trong quá trình phong hóa, nhiều loại khoáng biến đổi, hình thành nên các cation có kích thước tương tự nhau, các cation này sẽ thay thế các ion Si, Al trong các phiến tứ điện và bát diện. Ví dụ Al³⁺ (bán kính ion: 0.051nm) có thể thay thế vị trí của Si⁴⁺ (bán kính ion: 0.042nm) trong phiến tứ diện mà không có sự thay đổi nào về cấu trúc của tinh thể. Tương tự Mg²⁺ ( bán kính: 0.066nm) có thể thay thế ion Al³⁺ trong phiến bát diện.

b. Nguồn gốc điện tích trên keo sét silicate.

Phản ứng thay thế đồng hình là nguyên nhân c4⁺ trong phiến tứ diện , tinh thể sẽ còn thừa 1 điện tích (-) trên O. Tương tự 1 ion Mg²⁺ thay thế 1 ion Al³⁺ trên phiến bát diện.

6. Khoáng học của phiến sét silicate.

Dựa trên số lượng và sự sắp xếp của các phiến tứ diện và bát diện trong mỗi tầng, sét silicate được chia thành các kiểu sau:

a. Kiểu sét 1:1.

Mỗi tầng của sét bao gổm 2 phiến: 1 phiến tứ diện và 1 phiến bát diện xếp xen kẽ nhau. Các khoáng sét liểu 1:1 như sét kaolinite, haloysite, nacrite, dickite, trong đó kaolinite chiếm tỉ lệ cao nhất.

Các phiến Al và Si trong 1 tầng của tinh thể kaolinite được giữ rất chặt bởi nối hóa học giữa O với các cation Si và Al. Các tầng này được nối với nhau bằng nối Hydrogen, do đó các tầng được gắn chặt với nhau, các cation khác, nước không thể xâm nhập vào khoảng trống giữa các tầng. Vì vật điện tích bề mặt của sét kaolinite chủ yếu ở bề mặt ngoài, và có khả năng hấp phụ cation thấp.

Các tinh thể koalinite có kích thước lớn hơn so với các khoáng khác, 0.2-2μm, và do lực nối chặt nên kaolinite khó bị phong hóa, ít dính, ít dẽo ít trương nở khi ướt, ít co ngót khi khô. Do đó kaolinite không có tính keo. Sử dụng đất có hàm lượng sét kaolinite cao cần chú ý bón đầy đủ phân bón hữu cơ và vô cơ, tưới đềy đủ, thường xuyên.

b. Kiểu sét 2:1.

Mỗi tầng bao gồm 3 phiến: 1 phiến bát diện nằm giữa 2 phiến tứ diện. Kiểu sét 2:1 gồm 2 nhóm chính là smectite và vermiculite.

Nhóm smectite trương nở khi nước xâm nhập vào khoảng rống giữa các tầng. Nhóm này gồm các khoáng sét: montmorillonite, chiếm tỉ lệ cao trên đất phù sa, saponite…Các tầng của tinh thể liên kết bởi các nối hóa học yếu (O-O và Cation-O). Các cation dễ dàng trao đổi với các phân tử nước nên tạo nên sự trương nở của mạng lưới tinh thể. Do bề mặt trong được phơi bày, nên mật độ điện tích bề mặt trong lớn hơn bề mặt ngoài.

Phản ứng thay thế đồng hình của Al bởi Mg trong phiến bát diện hình thành nên điện tích (-) của smectite.

Smectite có tính dính, dẽo cao, trương nở, co ngót mạnh, tạo nên các vết nứt nẽ khi đất khô, rất cứng, khó làm đất.

Vermiculite cũng là khoáng sét kiểu 2:1, nhưng điện tích (-) hình thành chủ yếu do thay thế đồng dạng trên phiến tứ diện. Các cation, nước, kể cả Al-OH được hấp phụ chặt trong các tầng của sét vermiculite. Tuy nhiên do lực nối của các tầng rất mạnh nên mức độ trương nở của sét vermiculite kém lơn so với smectite.

Khả năng hấp phụ cation của vermiculite cao hơn các sét silicate khác, do vermiculite có mật độ điện tích (-) rất cao trong phiến bát diện. Kích thước tinh thể vermiculite lớn hơn smectite nhưng nhỏ hơn kaolinite.

c. Kiểu sét 2:1:1.

Nhóm này gồm khoáng mica và chloride. Nhóm mica gồm các khoáng muscovite (mica trắng) và biotite (mica đen), ít bị phong hóa, hiện diện trong thành phần cát và thịt của đất. Ngoài ra còn có các khoáng đã phong hóa nhưng có cấu trúc tương tự mica hiện diện trong thành phần sét, gọi là khoáng mica hạt mịn. Mica hạt mịn có cấu trúc tinh thể kiểu 2:1. Điện tích chủ yếu nằm trên phiến bát diện. K được hấp phụ chặt để trung hòa các điện tích này, ngoài ra, K cũng liên kết chặt các tầng với nhau, nên ngăn cản sự trương nở này. Mica không có tính trương nở, do K hình thành nên cầu nối chặt giữa các tầng, nên gọi là kiểu sét 2:1:1; cấu trúc gồm 2 phiến Si, 1 phiến Al, và 1 phiến K. Sự hoạt động của khoáng mica hạt mịn kem hơn nhiều so với sét 2:1.

7. Sự hình thành keo đất.

a. Phiến sét silicate.

Khoáng sét silicate được hình thành từ sự phong hóa vật lý, hóa học các khoáng nguyên sinh và được tổng hợp bởi một số sản phẩm phong hóa này.

– Phong hóa vật lý, hóa học. Ví dụ sự biến đổi khoáng muscovite thành khoáng mica hạt mịn.

KAl₂(AlSi₃)O₁₀(OH)₂ +0.2Si⁴⁺ +0.1M⁺ → M⁺_0.1(K_0.7)Al₂ (Al_0.8Si_3.2)O₁₀(OH)₂+_0.3K⁺+_0.2Al³⁺

– tái tổng hợp tinh thể. Ví dụ sự hình thành khoáng kaolinite từ quá trình phong hóa các khoáng nguyên sinh

– Hình thành sét silicate. Khoáng sét silicate hình thành từ sự tác động của nhiều tiến trình. Mica hạt mịn, chlorite hình thành từ muscovite và biotite, vemiculite cũng hình thành từ tiến trình này nhưng cũng có thể từ sự phong hóa mica và chlorite.

Smectite hình thành từ sự tái tổng hợp hợp trong môi trường trung tính và kiềm. Kaolinite hình thành trong điều kiện chua mạnh. Trong điều kiện nhiệt đới, phong hóa mạnh hình thành nhiều oxide Fe và Al.

b. Hình thành các oxi Fe và Al.

– Oxide Fe. Goethite (FeOOH), hematite (Fe₂O₃) được hình thành bởi các khoáng nguyên sinh có chứa Fe. Geothite hiện diện nhiều trong vùng ôn đới ẩm, hematite có màu đỏ, hiện diện nhiều trong vùng nhiệt đới, khô.

– Oxide Al. Gigbbsite [(AlOH)₃] là oxide Al phổ biến nhất, là sản phẩm của sữ phong hóa các khoáng aluminosilicate. H ion thay thế các cation làm vỡ cấu trúc khoáng, Al và Si được giải phóng và Al hình thành gibbsite khi phong hóa từ đá kiềm như gabbro và basalt. Các đá chua như granite, gneiss khi phong hóa hình thành kaolinite và haloysite, sau đó các khoáng này được phong hóa tiếp hình thành gibbsite. Gibbsite hình thành trong thời kỳ phong hóa muộn nhất của đất. Có sự thay thế đồng hình giữa Fe³⁺ và Al³⁺ trong các khoáng oxide, nhưng không hình thành điện tích do cùng hóa trị.

c. Hình thành khoáng allophane và imogolite.

Bụi núi lửa giải phóng 1 lượng lớn khoáng Si(OH)_x và Al(OH) _x. Các khoáng này không có cấu trúc nhất định. Trong tự nhiên, imogolite có thời kỳ phong hóa muộn hơn allophane.

d. Hình thành mùn (keo hữu cơ).

Vi sinh vật phân giải dư thừa thực vật, đồng thời tổng hợp các hợp chất mới, bền vững hơn, có tính keo, màu sậm được gọi là mùn. Các đơn vị cấu trúc hữu cơ khác nhau, kết hợp với sự phân giải và tổng hợp hình thành nên điện tích bề mặt có thể hấp phụ cả cation và anion.

8. Nguồn gốc điện tích trên keo đất.

Điện tích trên bề mặt keo đất hình thành từ 2 nguồn chính: các gốc chức năng trên bề mặt hạt keo, các gốc này có thể nhận hay giải phóng H⁺, và do sự mất cân bằng điện tích trong thay thế đồng hình xảy ra trong cấu trúc tinh thể sét.

a. Điện tích thường xuyên (không thay đổi).

Có thể hình thành điện tích (-) hay (+).

– Điện tích âm. Khi 1 ion có điện tích cao hơn được thay thế bởi 1 ion có điện tích thấp hơn nhưng có kích thước tương tự. Ví dụ Mg²⁺ thay thế Al³⁺ trên phiến bát điện và Al³⁺ thay thế Si⁴⁺ trên phiến tứ diện.

– Điện tích dương.Khi ion có diện tích thấp được thay thế bởi ion có điện tích cao hơn. Ví dụ Al³⁺ có thể thay thế Mg²⁺ trong phiến bát diện. Điện tích (+) là tính chất đặc trưng của phiến bát diện-Mg có tầng OH xen vào giữa, như sét chlorite, vượt quá sự cân bằng điện tích (-) trong phiến Si.

– Thành phần hóa học và điện tích. Do có nhiều ion thay thế khác nhau, nên không thể dùng thành phần hóa học để định danh khoáng sét.

M⁺: Cation trao đổi bao gồm: Ca²⁺, Mg²⁺, H⁺

b. Điện tích phụ thuộc pH. Khi pH thay đổi, điện tích này sẽ thay đổi..

– Điện tích (-). Hình thành do các gốc OH trên các cạnh vỡ và bề mặt ngoài của keo vô cơ và hữu cơ. Các gốc OH liên kết với Fe, Al trong keo vô cơ (Al-OH) và gốc CO trong mùn (-CO-OH). Trong điều kiện chua ít, keo này không mang điện tích, nhưng khi pH tăng, H⁺ phân ly từ OH và điện tích (-) hình thàng trên O.

Al-OH +OH^– → Al-O^– +H₂O

-CO-OH +OH^– → -CO-O^– +H₂O

Một nguyên nhân hình thành điện tích (-) do điện tích (+) trên các phức Al được trung hòa khi pH tăng.

Al-(OH)₂^–Al(OH)₂⁺ + OH^– → Al-(OH)₂^– + Al(OH)₃

– Điện tích (+). Trong điều kiện rất cghua, các oxide Al, Fe mang điện tích (+), do các gốc OH bị proton hóa (OH được gắn thêm ion H⁺)

Al-OH +H⁺ → Al-OH₂⁺

Do tính chất này nên một loại đất chứa nhiều oxide Fe, Al, mùn có thể mang điện tích (-), (+) hoặc không mnag điện tích.

Trong đất luôn có keo vô cơ, hựu cơ, nên điện tích (-) và (+) luôn hiện diện, nhưng điện tích (-) thường chiếm ưu thế trong đất nông nghiệp do đất ít chua.

9. Hấp phụ ion của keo đất.

Các điện tích trên keo đất không tồn tại tự do mà chúng được trung hòa bởi các ion trái dấu trong dung dịch.

Điện tích của 1 số loại keo đất (cmol_c/kg, hay meq/100g).

Đơn vị sử dụng: cmol_c/kg hay mili đương lượng điện tích/100g keo (meq/100g)

Tài liệu tham khảo: Khoa học đất cơ bản, Lê Văn Dũ, Trường đại học nông lâm TP.HCM