6. İYON DEĞİŞİMİ

1. 6. İYON DEĞİŞİMİ

3. İyon değişimi • Toprak yüzeylerinde adsorbe olan iyonlar toprak çözeltisinde bulunan iyonlarla yer değiştirebilir.

4. Organikkolloidler veinorganik miseller (killer) iyon değişim yerleridir. • Toprakta iyonlar nereden gelir? • Organik maddeden salınır • Yağmur ile • Ana materyalin ayrışması ile

5. Değişebilir katyonlar (toprak yüzeyindeki) yıkamayla uzaklaştırılamaz. • Eriyebilir katyonlar (çözeltideki) Yıkamayla uzaklaştırılabilir.

6. Toprak kuruduğunda… …değişebilir katyonlar toprak yüzeyindeki adsorpsiyon yerlerinde tutulur. …eriyebilir katyonlar (ve anyonlar) çökelir veya tuzlar halinde kristalize olur.

7. Eriyebilir katyonların çökelmesine örnek

8. Toprak yüzeyinde değişebilir ve değişemez iyonlar bulunur.: Değişebilir: zayıf halde tutulmuş, toprak çözeltisi ile temas halinde, hızlı değişime hazır halde. “outer sphere complex”: dış daire kompleksi Değişemez: “inner sphere complex”: iç daire kompleksi • Kuvvetli bağlarla adsorbe edilmiş veya ulaşılamayan yerde tutulmuş iyonlar • (ör:İllitin katları arasında K+ ) • İyon değişiminin bir parçası değildir!

9. İyon değişiminin kuralları: • 1-Olay geri dönüşümlüdür • 2-Ekivalanmiktarlardea değişim olur • 3-Oran kanunu: • Değişebilir katyonların oranı ile çözeltideki katyonların oranı aynı olmalıdır.

10. K gübrelemesi… K+ Ca+2 Ca+2 K+ Ca+2 + K+ + K+ K+ Ca+2 K+ K+ K+ 1 Ca : 2 K 1 Ca : 2 K Aynı oran

11. Adsorpsiyon enerjisi kuvvetli----------------------------Zayıf Al+3 > Ca+2 > Mg+2 > [K+ = NH4+ ] > Na+ > H+ (yük ve hidrate yarıçap esas alınarak

12. milieşdeğerlik sayısı 6.1.Katyon Değişim Kapasitesi (KDK) değişebilir katyonlar olarak bilinirler • toprak çözeltisinden katyonları çekme – alma kapasitesi (örneğin, kil mineralleri net negatif yüklerinin bir ölçüsüdür) • meq/100g biriminde ölçülür (100 g kilin içerdiği net negatif yük) • yüksek değerlikli ve yalın yarı-çapları büyük olan katyonların iyonik yer değiştirme gücü daha fazladır. Al3+ > Ca2+ > Mg2+ >> NH4+ > K+ > H+ > Na+ > Li+

13. KATYON DEĞİŞİMİ: Kolloid yüzeyinde adsorbe edilmiş olan değişebilir katyonlarla toprak çözeltisi içinde bulunan katyonların yer değiştirmesi • Katyon Değişim Kapasitesi: Bir toprağın adsorbe edebileceği değişebilir katyonların toplam miktarıdır. • me/ 100 g toprak • 1 miliekivalan, 1 miligram H ile bağlanan yada onun yerine geçen diğer bir iyonun miktarıdır. • KDK ‘ si 10 me/100g ise 100g toprak 10mg H veya ona eşdeğer katyon tutmaktadır anlamına gelir.

14. 6.2.ADSORPSİYON: • kolloidin dışına elektrostatik çekilme ; • NOT: (absorpsiyon ile aynı olay değil)! - Katyonlar toprak çözeltisinin dışına çıkarak anyonik toprak kolloidlerine yaklaşarak daha önce tutulmuş katyonları toprak çözeltine geri iterek (kil veya humus) tutulurlar Kil parçacıkları ve toprak organik maddesi(Humus) • Her bir kolloid, (kil veya organik) negatif yüklüdür. (+) yüklü parçacıkları çeker, (-) yüklü parçacıkları iterler.

15. 6.3.Killerin elektrik yükleri nereden gelir? • İyonik (izomorfik) Yer-değiştirme • Kil mineralleri iyonik yer değiştirme veya OH gruplarındaki hidrojenlerin dissosiye olmasıyla negatif yük kazanmaktadır. • Bu yüklere kristal kafese bağlı oldukları için daimi “Permanentyük” denir. • Bu şekilde yük kazanımı en çok 2:1 tipi kil minerallerinde görünür. • Bu şekilde elde edilen yüklerle hem H iyonları hem metalik iyonlar (Na, K, Mg, Ca) değişim yapabilir.

16. 6.4.BAZLA DOYGUNLUK YÜZDESİ • Bir toprağın kolloidal komplekslerinin içerdiği değişebilir bazların ( Ca, Mg, K, Na) katyon değişim kapasitesinin yüzdesi olarak ifade edilen miktarlarına bazlarla doygunluk yüzdesiadı verilir. • Bir toprağın bazla doygunluk yüzdesi 80 ise, kolloidin negatif yüklerinin % 80’i bazlar, % 20’si H+ tarafından doyurulmuş demektir. Bazla doygunluk%= Değişebilir bazlar (meq/100g) KDKx100 • Hidrojenle doygunluk yüzdesi: Bir toprağın kolloidal komplekslerinin içerdiği değişebilir hidrojenin kapasitesinin yüzdesi olarak ifade edilen miktarlarına hidrojenle doygunluk yüzdesi adı verilir. değişebilir H meq/100 g= KDK (meq/100)x 100 • Kurak bölge topraklarının bazla doygunluk yüzdeleri %100 ve pH 8-10

17. Örnek: 1 toprağın KDK: 16 me/100g, değişebilir bazları oluşturan katyon toplamı 12 me/100 g ise bazla doygunluk yüzdesi? 12/16 x 100= % 75 Yani: • Toprağın KDK’sinin % 75’ini Ca, Mg, Na, K katyonları ile %25’ini H ve Al iyonları oluşturmaktadır. KDK üzerine; • Kil tipi, Kil miktarı, • Organik madde miktarı, • pH etkilidir.

18. 6.5. Katyon değişim kapasitesine toprak tekstürü ve organik madde miktarının etkisi • Kil tipi aynı kalmak koşulu ile toprağın kil yüzdesi arttıkça katyon değişim kapasitesi de artmaktadır. Kumlu olan hafif topraklarda kil kolloidleri ve humus miktarları düşük olduğundan dolayı, killi olan ağır bünyeli topraklara göre katyon değişim kapasiteleri daha düşüktür. Katyon değişim kapasitesine kolloid tipinin etkisi • Humus miktarı eşit olmak koşulu ile aynı miktarda kil içeren topraktan montmorillonite sahip olanın katyon değişim kapasitesi, kaolinite sahip olan toprağa göre 10-12 kat daha fazladır. • Buradan anlaşılacağı üzere bir topraktaki kil tipi ve miktarı ile humus miktarı belirlendiğinde, o toprağın katyon değişm kapasitesini tahmin etmek mümkündür.

19. Problem: 1 HA: 1,15 g/cm3 olan killi bir bir toprağın KDK=10me/100g ise değişebilir H iyonları (tutulabilir) miktarı?

20. Çözüm 1: • HA=1 olduğunda 1 da arazide 200.000 kg toprak • 200.000 x 1.15= 230.000 kg toprak var. • 1 me H= 1mg H • 100 g toprak 10 mg H • 100.000 mg toprak 10mg H • 230.000 kg toprak 23kg H tutulabilir

21. Problem 2:HA: 1,15 g/cm3 olan killi bir toprağın KDK=10me/100g ise değişebilir Ca iyonları (tutulabilir) miktarı?

22. Çözüm: • 1 mg H ile yer değiştirebilmek için • (20 mg Ca= 1 meCa, tesir değerliği 2) 40:2=20 mg Ca • 10 me x 20 mg = 200 mg Ca • 100.000 mg toprak 200mg Ca • 230.000 kg toprak 460 kg Ca tutulabilir

23. Problem 3: Eğer 100 g toprak 300 mg Ca tutuyor ise bu toprağın KDK?

24. Çözüm • KDK= 300: 20= 15 me/100g

25. Soru: Hangisinde Ca’un yarayışlılığı (bitkiler tarafından kolayca alımı) daha fazladır? • 1. toprak 2. toprak • KDK=10 me/100g KDK=40 me/100g • 8 me Ca 8 me Ca • Not: Toprak kolloidleri tarafından adsorbe edilen bir katyonun yarayışlılığı toplam miktarına değil yüzde oranının yüksekliğine bağlıdır.

26. ÇEŞİTLİ MADDELERİN KDK DEĞERLERİ

28. + + kiltaneciği + - -- -- -- -- -- -- - + + + katyonlar + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Serbest su Elektriksel çift katman 6.6. Toprak Çözeltisi Katyon Konsantrasyonu • katyon konsantrasyonu kil tanesinden uzaklaştıkça azalır

29. H Kolloid yüzeyi Kolloid yüzeyi Ca + 2H2CO3 + Ca(HCO3)2 H Toprakta Kalsyum’un Yarayışlı Hale Getirilmesi Çözünebilir bikarbonat Adsorbe-edilmiş Ca+2 Adsorbe-edilmiş H+

30. Karşılaştırma

31. Açık kristal kenarlarındaki kırılmalar:pH ya bağlı yük • Kaolinit gibi kil minerallerinin düz olan dış yüzeylerine dahil olmak üzere bütün slikat killerinde kenarların kırılması ile hidroksil grupları açığa çıkar. • Bu şekilde elektrik yük kazanımı en çok 1:1 killerde olur • Değişken yük pH’a ve ortamdaki tuz konsantrasyonuna göre değişir. • Değişken yük üzerine pH daha etkili olduğu için bu yüke pH’ya bağlı yükte denir.

32. Negatif yüklü killer ve organik madde (humus) Kırık kenarlar ve izomorfik yer değişim – 2:1 silikat killeri Hidroksil gruplarından H+ kaybı – 1:1 killer (kaolinit) – oksit killeri (gibsit, hematit, götit) – amorf killer (allofan) – humus Kırık kenarlardaki yükler ile hidroksil yükleri değişkendir ve pH’ya bağlıdır. İzomorfik yerdeğişimi ile oluşan yükler daimi yüklerdir ve pH’ya bağlı olarak değişmez

33. -Bir iyonun ne kadar kuvvetli tutulacağı? 1) İyonun hidrate çapının büyüklüğü küçük çaplılar= daha sıkı tutulur 2) iyon yükünün büyüklüğü yük arttıkça= daha sıkı tutulur Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+, NH4+ > Na+ > Li+ H+ farklıdır, Al dan daha güçlü tutulur 3) Toprak çözeltisindeki iyon türlerinin konsantrasyonunun etkisi 1.0 N Ca+2 ve 1.0 N Na+1 çözeltilerinin eşt hacimdeki karışımlarında bunların kolloide bağlanma oranı 2:1 iken 0.01 N lik seyreltik çözeltilerinde bu oran 3:1 olur. Yüksek değerlikliler daha sıkı tutulur. 4) Ortamda bulunan üçüncü bir iyonun etkisi: Yüksek değerli bir iyon Al+3 Ca+2 nin tutulumunu azaltır. Ortama NH4+ girince Ca yer değiştirir. 5)Katyon değiştiricilerin tercihi: KDK sı yüksek topraklarda tercih daha çok yüksek değerli katyonlardan yanadır. Fakat bazı kolloidler farklılık gösterebilir. 6) pH nın etkisi: pH yükseldikçe KDK artar. Organik maddede bu killere göre daha fazla olur.

34. Tekrar hatırlatma:Baz doygunluğu • Bazik katyon saturasyonu yüzdesi-kısaca: baz doygunluğu% • Değişebilir bazik katyonların (Ca2+, Mg2+, K+, and Na+) toplamının KDK’ya oranıdır. • Genellikle KDK nın (%)’si olarak ifade edilir. • BD(%)= Ca + Mg + K +Na • CEC x100

35. Baz saturasyonunu bilmek neden önemli? • Eğer BS yüksekse (>70%), Ca, Mg and K da sorun yok! • Eğer BS düşükse (30%), Al sorunu var demektir.!

36. - - - - - - Basit bir örnek: Ca+2nin Na+ ile yer değiştirmesi - - - - - - ..Na+ [Ca2+] [Na+] ..Ca2+ ..Na+ [Na+] Dissolved in soil solution Toprak çözeltisinde çözünmüş halde Negatively-charged clay (-) yüklü yüzey 2XNa+ + Ca2+ XCa2+ + 2Na+ X = exchangeable değişebilir

37. NOT: • Kil artıkça , KDK artar • OM artıkça, KDK artar • 2:1 tipi kil artıkça, KDK artar • 1:1 killer: 1-10 meq/100g • 2:1killer: 80-150 meq/100g

38. Bitki kökleri tarafından besin iyonları adsorpsiyonu

39. Aşağıda bir toprak için verilen analiz sonuçlarına göre bu toprağın KDK kaç cmol kg-1 dir?

40. Kolloidlerin KDK’daki etkisinin belirlenmesi Toprak % 7 oranında illit kili içeriyorsa illitin KDK daki Katkısı cmol/ kg olarak nedir? Cevap:0.07x 30 cmol/kg=2.1 cmol/kg

41. Herbir toprak kolloidinin KDK sını birbirine ilave ederek KDK yı bulma Cevabı burada Cec2.pdf

42. KDK/ADK ve pH ilişkisi Katyon değişim kapasitesi Anyon değişim kapasitesi Katyon/anyon değişim kapasitesi

43. 7. Toprakta anyonların tutulması • Topraklarda anyonlar katyonlar gibi kolloidlerin yüzey ve iç boşluklarında tutulabilir. • Ancak toprakların anyon tutma kapasiteleri katyon tutuma kapasitelerinin yanında çok küçük kalır. • 0-15 meg /100 g arasında değişir.

44. Anyon ve katyon tutulmaların dışında moleküler tutulmada vardır. • Pestisit ve organik artıkların toprakta tutulma yollarından biriside budur.

45. Anyon tutulması ikiye ayrılır: spesifik olmayan anyon değişimi • Kilin • a-kolloid yüzeyinde (+) yük açığı varsa normal olarak (-) ler burada tutulur • b- kolloid yüzeyinde (-) yük fazlası varsa anyonlar da (-) yüklü olduğu için uzklaştırılmaya çalışılır. Buna itilme denir.

46. Pozitif yük taşıyan (killerin kenar köşeleri, demir ve al oksit yüzeyleri) allofan gibi materyaller anyonları elektrostatik kuvvetlerin etkisi altında adsorbe ederler.

47. Anyon itilmesini etkileyen faktörler: • -anyonun yükü ve konsantrasyonu • -değişebilir haldeki katyonların çeşidi • -ortam pH sı • -diğer anyonların çeşit ve miktarı • -kolloidin yüzey elektrik yükünün çeşit ve miktarı • Anyon değerliliği arttıkça kolloid yüzeyinden uzaklaşma-itilme artmaktadır.

48. SO42-> NO3-yüke bağlı olarak • İtilme artar (negatif adsorpsiyon) • ------------------------- • Bilindiği gibi pH’ya bağlı olarak (-) yük ve dolayısıyla KDK pH arttıkça artar. • Buna karşılık (+) yük pH düştükçe artmaktadır. • Ortam pH sı arttıkça (-) adsorbsiyon yani itilmede artar.

49. Kolloidler üzerinde özellikle Fe ve Al’un sulu oksitleri, (+) yükün artması pHnın düşmesine neden olacak ve negatif adsorpsiyon yani itilme azalır. • Anyonların negatif adsorpsiyonla toprak çözeltisine itilmesi anyon halindeki bitki besin elementlerinin topraktan kolayca yıkanmasına neden olur.

50. Toprakta oluşan (+) yükler ve bunun sonucunda anyon adsorpsiyonu 3 yolla ortaya çıkar: • a-özellikle 1:1 tipi kil minerallerinde kırılmış uç ve kenarlar nedeniyle (OH) grupları ortaya çıkar. Bu gruplar proton alarak (+) yük kazanır, bu sayede anyonlar adsorbe edilir.