Bài giảng Khoa học đất - Chương 6: Các tính chất hóa học cơ bản của đất - Bài 2: Trao đổi ion

Chương 6. bài 2
 TRAO ĐỔI 
 ION
 Cây trồng hấp thu 
 dinh dưỡng từ đất 
 như thế nào
Mục tiêu
Mô tả tiến trình trao đổi ion và động lực 
 thúc đẩy tiến trình này
khả năng trao đổi cation (CEC) của đất
Giải thích sự tương quan giữa CEC và khả 
 năng cung cấp dinh dưỡng của đất
 Trao đổi Ion
Sự thay thế 1 ion này bởi 1 ion khác trên bề 
 mặt ngoài hay mặt trong của tinh thể khoáng 
 sét, mùn (chất keo)
 Trao đổi Cation (vd., Ca2+ trao đổi K+)
 - -
 Trao đổi Anion (vd., H2PO4 trao đổi NO3 )
Ý nghĩa của trao đổi ion
 Làm chậm quá trình ô nhiễm nước ngầm
 ảnh hưởng đến tốc độ thấm nước thải. 
 ảnh hưởng đến khả năng hữu dụng của các chất 
 dinh dưỡng (cung cấp liên tục, hạn chế rửa trôi)
“sau quang hợp và hô hấp, có lẽ không có tiến 
trình nào trong tự nhiên có tầm quan trọng đến 
sự sống còn của sinh vật là sự trao đổi ion giữa 
đất và rễ cây trồng” 
 Nyle C. Brady
 Các yếu tố kiểm soát trao đổi ion
Lực hấp phụ- trao đổi 
 Liên quan đến bán kính và hóa trị (điện tích) ion
 Bán kính càng nhỏ và hóa trị càng lớn, lực hấp phụ của ion 
 càng mạnh. 
 điện tích
 Định luật Coulomb F =
 r2
Nồng độ tương đối của ion trong dung dịch đất
 ái lực trao đổi
Giữ chặt Giữ yếu
 + 3+ 2+ 2+ + + +
H Al > Ca > Mg > NH4 = K > Na
 “lực hấp phụ-trao đổi”
Lực hấp phụ tỉ lệ thuận với hóa trị (điện 
tích) và ÷ với bán kính ion khi ngậm 
 nước
 Định nghĩa
 cation: 1 ion mang điện tích (+)
 anion: 1 ion mang điện tích (-)
 Trao đổi cation : tiến trình – các cations trong dung 
 dịch được trao đổi với các cations trên các vị trí trao 
 đổi của khoáng hay chất hữu cơ
 Khả năng trao đổi cation (CEC) : tổng cation có thể 
 trao đổi , đất có thể hấp phụ ở một pH nhất định
 Khả năng trao đổi anion (AEC) : tổng anion có thể trao 
 đổi , đất có thể hấp phụ ở một pH nhất định
 Trao đổi Ion - CEC
 Đất rất Cần bao nhiêu ion để 
Đất thịt pha chua trung hòa các điện tích 
cát này???
 Ca2+ H+
 NO - -
 3 NO3
 2+
 Mg HSO -
 - 4
 Cl -
 NO3
 H+ H+
 + +
 NH4 H
 -
 K+ NO3
Cạnh tinh thể
 CEC = 7; 
 H+ AEC = 2
 Khả năng trao đổi cation (CEC)
  Tổng điện tích cations có khả năng trao đổi, 1 loại 
 đất có thể hấp phụ. 
  Được xác định trong phòng thí nghiệm
  Được diễn tả bằng điện tích (+) được hấp phụ trên 1 
 đơn vị trọng lượng đất [cmolsđiện tích/kgđất], lđl/100g 
 đất
 1 mol = 6.022 X 1023 nguyên tử/điện tích
 (1 cmol = 1/100 mol)
 Trọng lượng khác nhau do trọng lượng nguyên tử
  Nếu : CEC = 10 cmolc/kg vậy :
 đất hấp phụ 10 cmol ion H+ , có thể được trao đổi 
 với 10 cmol K+, hay 5 cmol Ca2+
Số lượng điện tích, không phải số lượng ion, đó là 
 vấn đề của trao đổi ion
 Khả năng trao đổi cation của đất
 hầu hết các loại đất, 99% 
 cation được hấp phụ trên bề 
 mặt keo đất (sét và mùn) và 
 1% hòa tan trong dung dịch. 
 Cations trong đất (chủ yếu là 
 Ca++, Mg++, K+ và Na+) duy 
 trì sự cân bằng giữa phần hấp 
 phụ trên các vị trí điện tích âm 
 và phần trong dung dịch đất. 
 Sự cân bằng này hình thành 
 sự trao đổi – khi 1 cation rời 
 khỏi vị trí hấp phụ, 1 cation 
 khác sẽ thay thế vào vị trí đó. 
 Vì vậy, các vị trí mang điện 
 tích âm được gọi là các vị trí 
 trao đổi cation. 
 Tổng các vị trí trao đổi được 
 gọi là khả năng trao đổi 
 cation- CEC
CEC phụ thuộc vào
 Mùn 
 trong đất
 Hàm lượng sét và 
 chất hữu cô (keo đất)
 Kiểu sét hiện diện 
 trong đất CEC (cmolc/kg )
 (vd. kaolinites, smectites, vermiculites, micas, Phân ủ
 chlorites) hoai
 Thịt-
 sét
Điện tích trên keo đất*
Loại keo Điện tích (-) Điện tích (+)
Mùn (chất hữu 
cơ) 200 cmolc/kg 0 cmolc/kg
Sét Silicate
 100 cmolc/kg 0 cmolc/kg
Oxides Al và Fe 
 4 cmolc/kg 5 cmolc/kg
 Vậy ion nào sẽ được hấp phụ trên các điện tích (-)?
Nguồn gốc điện tích trên sét 1:1
 Cạnh tinh thể
Cạnh vỡ của tinh thể 
kaolinite phơi bày các 
nguyên tử oxygen như là 
nguồn gốc hình thành
ĐIỆN TÍCH (-)
 Điện tích này là điện tích phụ thuộc pH
Nguồn gốc điện tích của sét smectites
 ở đây có sự thay thế 
 đồng hình, trong phiến 
 bát diện, hình thành 
 nên ĐIỆN TÍCH (-) 
 THẬT
Đây là điện tích thường xuyên
Nguồn gốc điện tích trên micas
 1. Thay thế đồng 
 hình trong phiến tứ 
 K+ K+ Lieân taàng diện
 2. K+ trung hòa điện 
 tích và “đóng chặt” cấu 
 trúc không có sự trao 
 đổi ở bề mặt trong của 
 khoáng 
 3. Mất cân bằng địên 
 tích chủ yếu ở các cạnh 
 của khoáng
Điện tích thường xuyên
 Điện tích (-) trên mùn
TẬP TRUNG ở diện tích bề mặt! (nhưng 
không có bề mặt trong – tất cả ở các cạnh)
 đơn vị trung tâm của 
 1 keo mùn
 (chủ yếu là C và H)
 Điện tích phụ thuộc pH
 Điện tích (-) Ions được 
 hấp phụ
So sánh điện tích bề mặt
 13/ 18 “vị trí” 3 / 9 “vị trí” là 
 là điện tích (-) điện tích (-) 
 (72%) ( 33%) 
 Sét silicate 1:1 Sét oxide Fe, Al
Các cation được hấp phụ trên các loại đất khác nhau
Bộ đất “cation chua” “cation base”
 (H+, Al3+) (các cation khác, vd., 
 Ca2+, Mg++, K+, Na+
 vv.)
Ultisol 65 35
Alfisol 45 55
Mollisol 30 70
Các cation hấp phụ
 Đất vùng khí hậu ẩm Đất vùng khô hạn
 + +
 NH4 K
 H+ H+
 2+
 K+ Mg Ca2+
 H+
 Al3+
 H+
 Mg2+
 pH thấp (chua) pH cao (kiềm)
 Ví dụ về trao đổi cation
Giöõ chaët Giöõ yeáu
 + 3+ 2+ 2+ + + +
H Al > Ca > Mg > NH4 = K > Na
 K+ Ca2+
 + Ca2+ + 2K+
 K+
 K+
 + 3+
 + 3K + + Al
 3+ K
 Al K+
 Sự trao đổi giữa 1 cation trong dung dịch đất với 1 
 cation hấp phụ trên bề mặt keo đất phải CÂN BẰNG 
 ĐIỆN TÍCH. 
ỨNG DỤNG THỰC TIỂN:
 Cần bón bao nhiêu vôi để nâng pH (giảm 
 độ chua) --
 + 2+
 CaCO3 + 2H H2O + CO2 + Ca
 Mùn có CEC cao nhất
 Sét 2:1
 (cmolc/kg)
CEC
 Đất có lượng sét thấp
 Sét 1:1
 Khoáng oxide phong hóa cao
CEC (cmolc/kg): bộ đất
 Ultisols
 Sét 1:1 Thấp
 3.5
 Alfisols 9.0
 Mollisols 18.7 pH tb
 Vertisols 35.6
 Sét 2:1
 Histosols
 128.0 Chất hữu cơ cao
Xác định CEC
Dung dòch
 ñaát
 Giaáy 
 loïc
 +
 Bảo hòa với Rửa NH4+ Rửa NH4 Xác định 
 ammonium Không hấp hấp phụ NH4+ 
 phụ
Tính CEC
 • Mỗi điện tích là 1 đơn vị hấp phụ trao đổi
 2+ + 3+ +
 • 4 cmolc/kg = 2 Ca hay 4 K hay 1 Al và 1 H
Ghi nhớ, CEC phụ thuộc vào
Hàm lượng sét và chất hữu cơ
Kiểu khoáng sét hiện diện trong đất
Cách tính dễ nhớ
 CEC = (% O.M. x CECOM) + (% sét x (CECsét)
 CECOM=200meq/100g và 
 của khoáng sét thay đổi từ 3 đến 150!
 Chất hữu cơ và CEC
Nồng độ chãt hữu cơ 
phổ biến trong tầng A 
 y (CEC)y (CEC)= 4.9X= 4.9X + 2.4 + 2.4
đất canh tác ~4%
 /kg)
 c
 ol
 Nên : y (CEC) = (4.9 * X4 ) + 2.4; . 
 (cm
 EC
 C k y (CEC) = 22 cmolc/kg
 C hữu cơ (%)
 CEC của một số khoáng sét
 phổ biến trong đất
Khoáng sét (cmolc/kg)
 Thấp
 cao
 Rất cao
 Tính toán mẫu
 Tính điện tích (-) của 1 mẫu đất có chứa 5% chất hữu 
 cô (OM) và 20% sét montmorillonite (smectite).
 CEC OM ~ 200 cmolc/kg
 CEC montmorillonite ~100 cmolc/kg
Điện tích (-) thật = (% OM * CECOM) + (% sét * CECsét smectite)
Điện tích (-) thật =
[(5/100) kg * 200 cmolc/kg] + [(20/100) kg * 100 cmolc/kg]
 10 cmolc/kg + 20 cmolc/kg = 30 cmolc/kg
Ví dụ khác. . .
 đất nào sau đây có CEC cao hơn, 
(a) Đất có 5% O.M và 20% sét kaolinite, hay, 
 (0.05 * 200) + (0.20 * 3) = 10.6
(b) Đất có 1% O.M và 20% sét montmorillonite?
 (0.01 * 200) + (0.20 * 100) = 22
CEC và pH
 cao
 Na+ hấp phụ yếu, dễ 
 trao đổi
 CEC
 H+ hấp phụ 
 chặt, khó trao 
 đổi
 Thấp
 3 8
 pH đất
Ảnh hưởng của pH đến CEC của 
smectite và mùn
 Keo hữu cơ
 Điện tích trên cạnh
 Điện tích phụ thuộc pH
 Điện tích thường xuyên = điện tích bề mặt trong
 CEC
 pH đất
Các tính chất của điện tích
 Điện tích Điện tích 
 Thường xuyên phụ thuộc pH
Loại keo Tổng Không Thay đổi Điện tích 
đất điện tích đổi (%) (%) (+)
Chất hữu 200 10 90 0
cơ
Smectite 200 95 5 0
Kaolinite 8 5 95 2
CEC và cường độ phong hóa
 Khả năng trao đổi Khả năng trao đổi 
 cation anion
n keo sét Alfisols, 
 Vertisols, Ultisols Oxisols
ch trê Argiudolls
 Sét 2:1 Sét 1:1 Oxide Fe, Al
iện tí
Đ Yếu Trung bình Mạnh
 Cường độ phong hóa
Độ bảo hòa (độ no) Base-BS
Tỉ lệ các cations base chiếm giữ trên các vị 
 trí trao đổi (trên CEC) 
cations base là các ion không hình thành 
 acid
 2+ 2+ + + +
 Ca , Mg , K , Na , NH4 . . .,
 Các ions KHÁC VỚI H+ và Al3+
Công thức tính độ bảo hòa base
 2 2 
 BS(%)= 100* (Ca +Mg +K+Na)/CECCa , Mg , K , NH ,...
 BaseSaturation  4 100
 CEC
 “cations acid” “cations Base”
 (H+, Al3+) (các cation khác, vd., 
 Ca2+, Mg2+, K+, Na+.)
Tại sao chúng ta phải chăm sóc
 cây trồng.
Khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng
Độ bảo hòa cation: nếu cao, khả năng cung 
 cấp dinh dưỡng dễ dàng
Ảnh hưởng của sự bổ sung các cation hấp 
 phụ: nếu các ions được giữ mạnh hơn, chất 
 dinh dưỡng dễ dàng hữu dụng hơn. 
Ảnh hưởng của kiểu sét: 1 số dễ dàng, số 
 khác thì không (vd., illite)
 Độ bảo hòa Cation
 • So sánh khả năng hữu dụng của 
 2+
 • 6 cmolc Ca /kg đất (CEC = 8 cmolc/kg)
 2+
 • 6 cmolc Ca /kgđất (CEC = 30 cmolc/kg)
 Ca2+ thay thế dễ 
dàng hơn và nhanh 
 hơn
 • 6/8 = 75% & 6/30 = 20%
 • Nhu cầu của cây trồng khác nhau: 
 – Cây họ đậu có nhu cầu độ bảo hòa 
 Ca2+ ~ 80%.
 Các cation bổ sung
 Cần nhớ lực hấp phụ-trao đổi??
 Giữ mạnh Giữ yếu
 + 3+ 2+ 2+ + + +
 H Al > Ca > Mg > NH4 = K > Na
 +
 Có thể chúng ta sợ thiếu NH4 trong đất chua hay đất kiềm 
 (base) (nhiều Na+)? 
 pH = 5
 Chỉ chú ý đến pH = 8.5
 3+
 ái lực - Al 2+
 - NH + - Ca
 4 - Na+
 -
 + NO3 +
 - NH4
 - H+ - Na+
 - H+ - Na+
 - H+ - Ca2+
 Khả năng hữu dụng của chấ dinh dưỡng phụ thuộc vào nồng độ tương đối 
 Của các ion khác trong dung dịch đất
Khả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng:cơ chế
 Ions H+ được giải phóng từ lông hút của rễ 
 và hô hấp của vi sinh vật sẽ thay thế các 
 cation dinh dưỡng trên phức hệ trao đổi
 Các chất dinh dưỡng được giải phóng vào 
 dung dịch đất, ở đây chúng sẽ được hấp thu 
 bởi rễ cây, hay bị mất do rửa trôi. 
 Cơ chế trao đổi cation
 Keo đất Keo đất
 Các cation bị giữ yếu Các cation bị giữ chặt
Khả năng hữu dụng của K bị hạn chế do sự hiện diện của các cation khác 
 trong dung dịch đất
Rễ hấp thu chất dinh dưỡng
 Keođất • dòng chảy 
 Khuếch tán khối lượng
 • khuếch tán
 Rễ
 Dòng chảy khối lượng • tiếp xúc trực 
 tiếp
 Tiếp xúc trực tiếp