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

Toprak kil mineralojisi ve kimyası

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

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

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

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

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.

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

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

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

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)

z y x

Si6O18

Tetra-eder Levhalarının Oluşumunda Halkaların Biraraya-gelmesi

Tetra-eder Levha Si:O 2:5

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

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

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

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

Okta-eder Levha OH

Oktaeder – Tetraeder Bağlantıları

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Özet KAOLİNİT İLLİT VERMİKULİT HALLOYSİT SMEKTİT KLORİT

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

Killerin Ayrışması Birincil Mineraller Artan ayrışma

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

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)

Kaolin and Oksitçe Zengin Ultisol

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

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

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

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

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

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

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+

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 = 222.2 mm2/g özgül yüzey = 2222.2 mm2/g

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

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

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

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

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

Organik Madde Destekli Kümeleşme