양이온교환능력

Cation-exchange capacity

양이온 교환 용량(CEC)은 토양 입자 표면에 얼마나 많은 양이 유지될 수 있는지를 측정하는 척도다.[1] 토양 입자 표면의 음전하가 양전하를 띤 원자나 분자(양전)를 결합시키지만, 이를 주변 토양수에서 다른 양전하를 띤 입자와 교환할 수 있도록 한다.[2] 이것은 토양의 고체 물질이 토양의 화학 작용을 변화시키는 방법 중 하나이다. CEC는 토양 화학의 많은 측면에 영향을 미치며, 식물이 이용 가능한 형태로 여러 영양소(예+: K, NH4+, Ca2+)를 보유할 수 있는 토양의 용량을 나타내기 때문에 토양 다산의 척도로 사용된다. 또한 오염 물질 계량 유지 용량(예2+: Pb)을 나타낸다.

정의와 원칙

토양 입자 표면에서의 양이온 교환

양이온 교환 능력은 토양 질량 당 교환할 수 있는 양의 전하량으로 정의되며, 보통 cmolc/kg 단위로 측정된다. 일부 텍스트는 오래된 등가 단위 me/100g 또는 meq/100g을 사용한다. CEC는 전하의 몰로 측정되기 때문에 10 cmolc/kg의 양이온 교환능력은 토양 1kg당 10+ cmol(양당 1 단위 충전량)을 가질 수 있지만, 5 cmol2+ Ca(양당 2 단위 충전량)에 불과하다.[1]

양이온 교환 능력은 토양 입자 표면, 특히 점토 광물과 토양 유기 물질의 다양한 음전하로부터 발생한다. 필로실리케이트 클레이는 알루미늄과 실리콘 산화물 층으로 이루어져 있다. 알루미늄 또는 실리콘 원자를 낮은 전하를 가진 다른 원소2+(예: Mg로 대체된 Al3+)에 의해 점토 구조물에 순 음전하를 부여할 수 있다.[2] 이 전하에는 감응이 수반되지 않으며 따라서 pH에 독립적이며 영구 전하라고 한다.[1] 또한 이러한 시트의 가장자리는 많은 토양에서 pH 수준에서 음전하를 남기기 위해 감압된 많은 산성 히드록실 그룹을 노출시킨다. 유기 물질은 또한 많은 수의 충전된 기능 그룹 때문에 양이온 교환에 매우 중요한 기여를 한다. CEC는 일반적으로 유기 물질 함량이 가장 높은 토양 표면 근처에서 더 높으며, 깊이와 함께 감소한다.[3] 유기물질의 CEC는 pH 의존도가 높다.[1]

양이온들은 양전하와 표면의 음전하 사이의 정전기적 상호작용에 의해 토양 표면에 흡착되지만, 그것들은 물 분자의 껍질을 가지고 있고 표면과 직접적인 화학적 결합을 형성하지 않는다.[4] 따라서 교환 가능한 양이온들은 충전 표면 위의 확산 층의 일부를 형성한다. 결합은 상대적으로 약하며, 양이온은 주변 용액의 다른 양이온에 의해 표면에서 쉽게 옮겨질 수 있다.

토양 pH

토양 pH가 양이온교환능력에 미치는 영향

점토 하이드록시군 또는 유기물질의 감응으로 인한 음전하의 양은 주변 용액의 pH에 따라 달라진다. pH(즉+, H 양이온 농도의 감소)를 증가시키면 이 가변 전하가 증가하므로 양이온 교환 용량도 증가한다.

측정

토양에서의 CEC 측정 원리

양이온 교환 용량은 모든 바운드 양이온을 다른 양이온의 농축 용액으로 대체한 다음 양이온 또는 유지되는 양이온의 양을 측정하여 측정한다.[1] 바륨(Ba2+)과 암모늄(NH4+)은 다른 방법들이 많이 있지만 교환기 양이온으로 자주 사용된다.[4][5]

CEC 측정은 pH에 따라 달라지기 때문에 특정 pH 값으로 완충용액을 사용하는 경우가 많다. 이 pH가 토양의 자연 pH와 다를 경우, 측정은 정상 조건에서 실제 CEC를 반영하지 않는다. 그러한 CEC 측정은 "잠재적 CEC"라고 불린다. 또는, 토양의 pH에서의 측정을 "유효 CEC"라고 부르는데, 이는 실제 값을 보다 가깝게 반영하지만 토양의 직접적인 비교를 더욱 어렵게 할 수 있다.[1][5]

일반적인 값

토양의 양이온 교환 능력은 토양의 구성 물질에 의해 결정되며, 토양의 개별 CEC 값에 따라 크게 달라질 수 있다. 그러므로 CEC는 토양이 발달한 모재와 그것이 발달한 조건에 의존한다. 이러한 요인은 CEC에 큰 영향을 미치는 토양 pH를 결정하는 데도 중요하다.

토양 물질의 CEC에 대한 일반적인 범위[1][6][7]
Typical ranges for CEC of soil materials[1][6][7]
USDA 토양 분류법에[8] 기초한 일부 미국 토양의 평균 CEC(pH 7)
토양 분류 순서 CEC(cmolc/kg)
울티솔스 3.5
알피솔스 9
스포도솔 9.3
엔티솔스 11.6
몰리졸스 18.7
버티솔스 35.6
히스토솔 128

염기 포화

염기 포화도는 양이온2+ Ca2+, Mg+, K 또는+ Na가 점유한 잠재적 CEC의 비율을 나타낸다.[1][4] 이것들은 일반적인 화학적 의미에서는 기초가 아니지만 비산성이기 때문에 전통적으로 "기초 양이온"이라고 불린다.[1] 염기 포화도는 토양 풍화[4] 지수를 제공하고 식물에 대한 교환 가능한 양이온 영양소의 가용성을 반영한다.[1]

음이온교환능력

토양 광물의 양전하도 양이온 교환과 같은 원리로 음이온을 유지할 수 있다. 카올리나이트, 알로판, 철 및 알루미늄 산화물의 표면은 종종 양의 전하를 띤다.[1] 대부분의 토양에서 양이온 교환 용량은 음이온 교환 용량보다 훨씬 크지만, 페랄솔([1]옥시솔)과 같은 고보습 토양에서는 그 반대의 현상이 발생할 수 있다.

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l Brady, Nyle C.; Weil, Ray R. (2008). The nature and properties of soils (14th ed.). Upper Saddle River, USA: Pearson.
  2. ^ a b Birkeland, Peter W. (1999). Soils and geomorphology (3rd ed.). Oxford: Oxford University Press.
  3. ^ Zech, Wolfgang; Schad, Peter; Hintermeier-Erhard, Gerd (2014). Böden der Welt (in German) (2nd ed.). Berlin: Springer Spektrum.
  4. ^ a b c d Schaetzl, Randall J.; Thompson, Michael L. (2015). Soils: Genesis and geomorphology (2nd ed.). Cambridge: Cambridge University Press.
  5. ^ a b Pansu, Marc; Gautheyrou, Jacques (2006). Handbook of Soil Analysis. Berlin: Springer-Verlag. pp. 709–754.
  6. ^ Carroll, D. (1959). "Cation exchange in clays and other minerals". Bulletin of the Geological Society of America. 70 (6): 749–780. doi:10.1130/0016-7606(1959)70[749:ieicao]2.0.co;2.
  7. ^ "Cations and Cation Exchange Capacity". Retrieved June 23, 2017.
  8. ^ Holmgren, G.G.S.; Meyer, M.W.; Chaney, R.L.; Daniels, R.B. (1993). "Cadmium, Lead, Zinc, Copper, and Nickel in Agricultural Soils of the United States of America". Journal of Environmental Quality. 22 (2): 335–348. doi:10.2134/jeq1993.00472425002200020015x.

일반 참조

라모스, F.T.; Dores E.F.G.C.; Weber O.L.S.; Beber D.C.; Campelo Jr. J.H.; Maia J.C. (2018) "토양 유기물은 브라질에서 무경작 하에서는 열대 토양의 양이온 교환 능력을 배가시킨다." J Sci Food Agric. 10.1002/jsfa.8881