Prof. Dr. Günay Erpul erpul@ankara.edu.tr TOPRAK KOLLOİDLERİ Toprak Bilimi Dersi Prof. Dr. Günay Erpul erpul@ankara.edu.tr.

... konulu sunumlar: "Prof. Dr. Günay Erpul erpul@ankara.edu.tr TOPRAK KOLLOİDLERİ Toprak Bilimi Dersi Prof. Dr. Günay Erpul erpul@ankara.edu.tr."— Sunum transkripti:

1 Prof. Dr. Günay Erpul erpul@ankara.edu.tr
TOPRAK KOLLOİDLERİ Toprak Bilimi Dersi Prof. Dr. Günay Erpul

2 Toprak kil mineralojisi ve kimyası

3 Yerkabuğu Elementleri
yeryüzü kabuğundaki atom ağırlık %’leri 8-35 km kabuk O = 49.2 Si = 25.7 Al = 7.5 Fe = 4.7 Ca = 3.4 Na = 2.6 K = 2.4 Mg = 1.9 diğer = 2.6 82.4% 12500 km çap

4

5 Toprak Kolloidleri Toprağın kimyasal, fiziksel ve fiziko-kimyasal yönden en etkin ve en önemli yapı maddeleri mineral ve organik kolloidlerdir. Mineral kolloidler = kil tipleri Organik kolloidler = humus

6 Toprak Kolloidleri = “Kil”ler
İkincil silikat killeri Fe – Al Oksi-hidrat killeri

7 Silikat Killerinin Yapıları
Phyllosilicate Minerals = Philosilikat Mineralleri = İnce-levhalı Silikat Mineralleri Phyllo- (ince levhalı)

8 Silikat Killerinin Yapıları
Silikat killeri, “silis tetra-ederleri”nin yan yana dizilip bağlanması ile oluşan silis levhaları ile “aluminyum okta-ederleri”nin yan yana dizilip bağlanması ile oluşan aluminyum levhalarının 1:1 (Si-Al) ve 2:1 (Si-Al-Si) oranlarında bağlanmaları sonucunda oluşan kristal ünitelerinin, kitap sayfaları gibi üst-üste dizilmeleri ile meydana gelmektedirler.

9 Philosilikatlar, katman yükü yoktur
trioctahedral = üçoktaeder dioctahedral = ikioktaeder T:O (sınıf) oct oct oktahedra brucite = brusit gibbsite = jipsit tet tet 1:1 oct oct serpentine = serpentin kaolinite = kaolinit tet tet oct oct 2:1 tet tet talc = talk pyrophyllite = pirofillit

10 Tetra-eder Levhaların İnşası
SiO4 tetra-eder Tetra- (four = 4)

11 SiO4 Tetra-eder Silisyum (Si) atomları, “tetra-eder” şeklinde dizilmiş 4 oksijen (O) atomu içerisindeki boşluğa yerleşmiştir

12 Temel Yapısal Birim nanometer (nm = m x 10-9) Silisyum tetra-eder
oksijen silisyum 0.26 nm Silisyum tetra-eder nanometer (nm = m x 10-9)

13 z y x

14 Si6O18

15 Tetra-eder Levhalarının Oluşumunda Halkaların Biraraya-gelmesi

16 Tetra-eder Levha Si:O 2:5

17 Birçok tetra-eder biraraya gelerek bir tetra-eder levhası oluşturur
hekzagonal boşluk

18 Okta-eder Levhaların İnşası
Ochta- (six = 6)

19 Al(OH)6 veya Mg (OH)6 Okta-eder
Aluminyum (Al) atomları, “okta-eder” şeklinde dizilmiş 6 hidroksid (OH) atomu içerisindeki boşluğa yerleşmiştir

20 Temel Yapısal Birim Aluminyum Okta-eder hidroksil veya oksijen
0.29 nm aluminyum veya magnezyum hidroksil veya oksijen Aluminyum Okta-eder

21

22 Okta-eder Levha OH

23 Oktaeder – Tetraeder Bağlantıları

24 “Oktaeder – Tetraeder” Bağlantıları
Daha kolay anlaşılır olması için, silisyum “tetra-eder levhası”: Si ile ve aluminyum “okta-eder levhası” da: Al ile gösterelebilir

25 “trapez” ve “dikdörtgen” bloklar
Kolay-çizim Simgeleri = Bloklar tet oct “Blok” notasyonu “trapez” ve “dikdörtgen” bloklar

26 “Tetra-eder Levhası” Uç-noktalarındaki Oksijenler
İle “Okta-eder Levhası” Hidroksillerinin Ortak Kullanımı Serpentin (1:1 üçokta-eder mineral) tet oct

27 “Tetra-eder Levhası” Uç-noktalarındaki Oksijenler
İle iki “Okta-eder Levhası” Hidroksillerinin Ortak Kullanımı Talk (2:1 üçokta-eder mineral) tet oct tet

28 Philosilikatlar, katman yükü yoktur
trioctahedral = üçoktaeder dioctahedral = ikioktaeder T:O (sınıf) oct oct oktahedra brucite = brusit gibbsite = jipsit tet tet 1:1 oct oct serpentine = serpentin kaolinite = kaolinit tet tet oct oct 2:1 tet tet talc = talk pyrophyllite = pirofillit

29 Farklı Kil Mineralleri
“Tetra-eder Levhaları” ve “Okta-eder Levhaları” nın farklı kombinasyonları farklı kil minerallerini meydana getirir: 1:1 Kil Minerali (örneğin, kaolinit, halloysit): Tetra-eder Levha Okta-eder Levha

30 Farklı Kil Mineralleri
“Tetra-eder Levhaları” ve “Okta-eder Levhaları” nın farklı kombinasyonları farklı kil minerallerini meydana getirir: 2:1 Kil Minerali (örneğin, montmorillonit, illit) Tetra-eder Levha Okta-eder Levha

31 Kaolinit Kristal birim Genel olarak 70-100 levha
Si Al güçlü bir “H-bağı” kolaylıkla açılmaz 0.72 nm Genel olarak levha Oksijen paylaşımı Kristal birim

32 Kaolinit boyalarda, kağıt ve çömlekçilikte ve ilaç endüstrisinde kullanılır (OH)8Al4Si4O10 Halloysit kaolinit ailesi; sulu ve çubuk yapılı kil mineralleri (OH)8Al4Si4O10.4H2O

33 su ile kolaylıkla açılır
Montmorillonit smektit olarak da adlandırılır; su ile temasta genişler Si Al 0.96 nm zayıf van der Waal’s bağı (O – O köprüleri) ile bağlanmıştır su ile kolaylıkla açılır Kristal birim

34 Montmorillonit Bentonit
Yüksek derecede tepkisel (şişebilen) bir kil mineralidir (OH)4Al4Si8O20.nH2O Su ile temasta şişer-genişler Bentonit aşırı su çekim eğilimi montmorillonit ailesi sızıntıları önlemek için, delgi çamuru olarak veya hendek duvar sıvalarında başarıyla kullanılırlar

35 İllit K+ iyonları ile birleşiklerdir Al Si
0.96 nm K+ iyonları ile birleşiklerdir K+ iyonları büyğklüğü Si-tetra-eder levhalarındaki hekzagonal boşlulara tamamiyle uygundur

36 İnce-tabakalı silikatlar: yüklü 2:1 levhaları
mikalar 2:1 kil mineralleri tet tet oct oct tet tet K+ K+ K+ Ca2+ H2O K+ H2O H2O tet tet oct oct tet tet Her bir formül biriminde 1 birim (-) levha yükü Her bir formül biriminde < 1 birim (-) levha yükü

37 Diğerleri… Klorit Vermiculit Attapulgit
Bir 2:1:1 (???) minerali Si Al Al veya Mg Vermiculit montmorillonit ailesi; kristal üniteler arasında 2 molekül su Attapulgit zincir yapılı (levhasız); iğne benzeri bir görünüm

38 Özet KAOLİNİT İLLİT VERMİKULİT HALLOYSİT SMEKTİT KLORİT

39 Silikat Killerinin Oluşmaları
2KAlSi3O8 + H2CO3 + H2O  H4Al2Si2O9 + K2CO3 + 4SiO2 Mikroklin Çözünebilir karbonat Hidrate silikat

40 Killerin Ayrışması Birincil Mineraller Artan ayrışma

41 Smektit Toprak Demir ve Al-oksitçe Zengin Toprak ? Vertisol Oxisol

42 Kil mineralojisi ayrışma süreçlerini yansıtır
Mikalar  Vermikulit  Smektit  Kaolinit  Al,Fe-Oksitler Genç, az ayrışmış topraklar = ince-taneli mika, klorit, vermikulit (Entisol, Inceptisol) Orta derecede ayrışma = vermikulit, smektit, kaolinit (Mollisol, Alfisol, Ultisol) Yüksek derecede ayrışma = kaolinit, hidrate oksitler (Ultisol--> Oxisol)

43 Kaolin and Oksitçe Zengin Ultisol

44 Silikat Killerinin Negatif (-) Yüklerinin Kaynakları
İyonik (izomorfik) Yer-değiştirme  devamlı (levha) yükler

45 İyonik Yer-değiştirme
tet Al3+ Si4+ oct Al3+, Fe3+ Mg2+ Kristal şebeke içinde, bir iyonun yerini, düşük değerlikli diğer birinin alması ile “-” yük kazanımı

46 -2 NET Yük - - - - - - - ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ - - - - - - -
İyonik Yer-değiştirme -2

47 Silikat Killerinin Negatif (-) Yüklerinin Kaynakları
Uç Bağlar ; Bağlantı Uçları pH bağımlı yükler (iyonlaşabilen fonksiyonel gruplar)

48 Bağlantı Uçları Uç bağlar Kil minerallerinin kırılan kenar ve köşelerinde doymamış “-” elektriksel yük alanları ortaya çıkar

49 Kenar-köşe Bağlantı Uçları: İyonlaşabilen Fonksiyonel Gruplar
Al-OH2+  Al-OHo + H+  Al-O- + H+ Düşük pH Yüksek pH Hidroksil grupları (OH-), yüksek pH derecelerinde iyonize olurlar ve kil kenar-köşelerinde oksijene (O) bağlı “-” elektriksel yük alanları ortaya çıkar pH-bağımlı yükler Philosilikat kenarları; Fe- and Al-oksitlerdeki tüm yüzeyler

50 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) milieşdeğerlik sayısı yüksek değerlikli ve yalın yarı-çapları büyük olan katyonların iyonik yer değiştirme gücü daha fazladır. Al3+ > Ca2+ > Mg2+ >> NH4+ > K+ > H+ > Na+ > Li+

51 Özgül Yüzey birim kütlenin yüzey alanı (m2/g)
tane büyüklüğü ne kadar küçülürse, özgül yüzeyi o kadar artar örneğin, özgül ağırlığ 2.7 olan bir toprak tanesi 10 mm küp 1 mm küp özgül yüzey = mm2/g özgül yüzey = mm2/g

52 Toprak Çözeltisi Katyon Konsantrasyonu
katyon konsantrasyonuı kil tanesinden uzaklaştıkça azalır + katyonlar kil taneciği Elektriksel çift katman Serbest su

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

54 Karşılaştırma Mineral Özgül yüzey (m2/g) KDK (meq/100g) Kaolinit 10-20
3-10 Illit 80-100 20-30 Montmorillonit 800 80-120 Klorit 80

55 Organik Madde organik madde - tepkisel fonksiyonel gruplar: karboksil, hidroksil, fenolik * Humus, Humik Asid, Fulvik Asid

56 Kümeleşme (Flokülasyon ve Agregasyon)
+ Flokülasyon (kimyasal) Agregasyon (organik)

57 Organik Madde Destekli Kümeleşme