ОПЫТ РАСЧЕТА ЭНЕРГИИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОЧВ

При изучении природных процессов определенное место должно занимать использование представления об энергии кристаллической решетки минералов.
А. Е. Ферсман в 1934—1937 гг., как уже отмечено, впервые широко использовал это представление в анализе геохимических процессов. Однако, справедливо заметил И. И. Гинзбург (1963), в этом направлении за прошедшее время сделано весьма мало. И. И. Гинзбург (1963) плодотворно применил расчеты энергии решеток минералов при рассмотрении реакций процессов выветривания. Но следует иметь в виду существование и других представлений об энергии решеток (Лебедев, 1957). Было отмечено также, что при исследовании процессов преобразования минералов полезно вычисление энергии атомизации (Урусов, 1965).
При рассмотрении минеральной части почв энергетические расчеты вообще не производили. Поэтому, несмотря на известные ограничения в понятии энергии решеток, было решено произвести некоторые расчеты по энергии решеток почвенных минералов, рассматривая эту попытку как поиск в направлении дальнейшей разработки этой проблемы почвообразования (Волобуев, 1968а).
В расчетах энергии решеток минералов почвы, как это обычно и принимается, мы исходили из принципа аддитивности энергии отдельных компонентов. Минеральная часть почвы рассматривалась как сумма окислов. Количество энергии, которое вносится в решетку минералов отдельными окислами, брали в основном из таблиц, приведенных А. Е. Ферсманом (1958), и в случае отсутствия необходимых табличных данных рассчитывали долю энергии окислов по формуле А. Ф. Капустинского (1934). По этой формуле при определении энергии «решетки моля окисла» принимается во внимание число атомов в молекуле, валентность, радиусы соответствующих ионов и некоторые другие параметры [III]
В наших вычислениях были рассчитаны ве71дчины энергии решетки окислов в килокалориях на грамм вещества. С использованием этих величин дальнейшие расчеты легко вести непосредственно по данным валовых анализов;

Окислы	Энергия ОКИСЛОВ, ккал(г	Окислы	Энергия ок лов, кпал/г
Н 20	55,55	со2	93,18
SiCh	51,61	SOs	1,87
ТЮ2	36,78	МпО	13,50
А120з	35,07	Р2Об	3,61
Fe203	24,12	Р04	4,04
FeO	13,38	S04	1,87
СаО	15,20	NaCl	3,05
MgO	23,50	СаСОз	6,48
К20	6,63	MgCOe	8,84
Na20	9,93

Итоговые результаты выражены в килокалориях на 100 г минеральной части почвы, включая химически связанную почву.
Из данных, приведенных в табл. 9, видны довольно большие различия в энергии решетки почв разных типов. Наибольшую энергию решетки имеют подзолистые почвы и почвы влажных тропиков, сформированные на гранитах; наименьшая энергия решетки отмечается у некоторых разновидностей сероземов, черноземов, красноземов латеритизированных, сформированных на базальте.
Из этого первого наблюдения намечается вывод, что наибольшая энергия решетки минералов присуща почвам, богатым остаточными минералами, тогда как почвы с малой энергией решетки богаты новообразованными минералами. Среди остаточных минералов наибольшая роль принадлежит кремнезему. Среди почв с малой энергией решетки наблюдаются очень большие различия в составе новообразованных минералов: это почвы, богатые или карбонатом кальция, или полутораокисями. Можно прийти к заключению, что новообразованные минералы обладают решеткой с пониженной энергией связи сравнительно с остаточными минералами, которые, очевидно, потому и накапливаются в почве, что их решетка более прочна и, следовательно, труднее разрушается.
Было отмечено, что изменение суммарной величины энергии решетки находится в определенной связи с относительной долей энергии, приходящейся на кремнезем. Эту связь хорошо иллюстрируют данные, приведенные на рис. 21, 22. Нанесение всех дан- пользованием принципа аддитивности энергии связей в решетке из энергетических коэффициентов отдельных ионов. Учитывая это обстоятельство, а также имея в виду полезность большего сопоставления с энергетическими расчетами А. Е. Ферсмана, мы на этом первом этапе исследования решили быть ближе к данным и методам, использованным им.

в
s
*
g
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
ргия кристаллической решетки минеральной для некоторых характерных почв и

Почва, порода	Энергия кристаллической решеткиК^), ккал/100 г вещества	Энергия решетки бескремне- земной части (и), ккал/Ш г	тг%	Литературные источники
Сильноподзолистая	4540	680	15,0	Почвы СССР, т. II, 1939
То же	4950	650	13,2	* » т. I, 1939
Чернозем тучный	4130	490	22,0	* » т. I, 1939
То же, обыкновенный	4640	1040	23,4	* * т. III, 1939
» » »	4260	800	18,8	Розанов, 1951
Темно-каштановая	4210	1050	25,0	Почвы СССР, т. I, 1939
Серозем обыкновенный	4630	1070	23,2	Розанов, 1951
То же	4330	950	21,9	» 1951
Серозем темный	4150	890	21,6	» 1951
То же	4370	1020	23,9	* 1951
Серозем светлый	3830	970	20,1	* 1951
То же, без СаСОз	4450	840	18,8	* 1951
Коричневая	4710	1210	25,6	Ковалев, 1966
То же	4640	1480	31,9	» 1966
Желтозем	4040	1390	34,5	* 1966
То же	4460	1320	29,7	» 1966
» »	4480	1340	29,8	» 1966
» »	4510	1540	34,1	* 1966
Краснозем субтропический	3970	2140	53,9	Сабагавили, 1948
Черная тропическая	4370	1430	33,4	Данные автора
Почва на пятнистой глине	4590	1000	21,7	» »
Опесчаненная тропическая	4950	380	7,7	» *
Краснозем латерити-	4410	1410	31,8	» *
зированный То же	4000	2220	552	Chaing-Kwei Lee and Shio- Ni Chang, 1956
Илистая фракция этой почвы	4120	2910	70,6	To же
Латеритная желтая на граните	4860	620	12,7	» »
Илистая фракция этой почвы	4290	2350	54,7	» »
Красная почва на четвертичной глине	4770	760	15,9	» »

й ш л р. S п	Почва, порода	Энергия кристаллической решетки (U), ккал/100 г вещества	Энергия решетки бескремнеземной части (и), ккал/100 з	-Гgt;%	Литературные источники
29	Илистая фракция этой почвы	4110	2130	51,7	Chaing-Kwei Lee and Shio- Ni Chang. 1956
30	Красная почва на деривате гранита	4420	1610	36,4	To же
31	Красная оподз о ленная	4700	840	17,5	» »
32	Горные породы уль- траосновные	3540	1292	36,5	Виноградов, 1956
33	То же, основные	3930	1350	34,3	» 1956
34	То же, средние	4080	1140	27,9	* 1956
35	То же, кислые	4440	770	17,4	» 1956
36	Изверженные породы, средний состав	4060	1060	26,1	» 1956
37	Глины, средний состав	4130	1240	30,0	Ронов и Хлебников, 1957

ных на график, где абсцисса — суммарная энергия решетки, а ордината — доля ее за вычетом энергии кремнезема (энергия бес- кремнеземной части) в %, показало распределение их как бы в некотором секторе, выявляющем существенные энергетические соотношения.

В общем виде можно сказать, что чем меньше доля энергии кремнезема в сумме всей энергии решетки минералов почвы, т. е. чем большая часть ее представлена новообразованными минералами, тем меньше общая величина энергии решетки минеральной части почв.
Однако это общее заключение, как следует из рис. 21, 22, надо воспринимать очень дифференцированно. У одной группы почв повышение доли энергии бескремнеземной части сопровождается относительно более заметным понижением суммарной энергии решетки, тогда как у другой это соотношение меняется существенно по-другому.
Наряду с этим при более детальном рассмотрении общего сектора распределения отметок на рис. 21, 22 можно заметить, что отметки по почвам отдельных типов образуют в свою очередь некоторые частные поля. Эти поля на рис. 21 обозначены римскими цифрами: I—V [IV].

Рис. 21. Изменение энергии кристаллической решетки минеральной части почв
1 — положение на графике отметок разрезов, указанных в табл. 9 (цифры в кружках — образцы почв по табл. 9); 2 — положение отметок основных типов горных пород (у — ультраосновные; о — основные; с — средние; к — кислые; г — средний состав глин; п — средниВДсостав изверженных пород); з —номера (римские цифры) характерных полей графика; 4 —положение на графике точек, с которых сняты энергетические показатели полей, обозначенных римскими цифрами

В размещении выделенных полей по общему сектору распределения отметок характерно прежде всего то, что все они отклоняются в ту или другую сторону от положения отметок по основным типам горных пород. Как видим, энергетические данные в этом случае превосходно выявляют глубокие изменения, происходящие в горных породах в процессе почвообразования.
В пределах поля II находятся черноземы, каштановые почвы, сероземы. При этом, судя по резкому смещению влево положения отметки серозема (11) сравнительно с отметкой серозема, полученной при расчете на бескарбонатное вещество (12), надо заключить, что при одной и той же примерно доле кремнезема меньшие энергии решетки имеют почвы, обогащенные карбонатами кальция. Поле I характеризуется наличием отметок почв, обогащенных

Рис. 22. Распределение отметок почв СССР, Африки, Австралии разных генетических типов в сопряженности их с основными видами коры выветривания
1 — опесчаненной; 2 — сиаллитной; 9 — глинной и ферсиаллитной; 4 — ферраллит- ной; 5 — обызвесткованной

кремнеземом. Это подзолы, влажнотропическая латеритная желтая почва на граните и оподзоленная красная.
Поля I и II можно рассматривать как стадийно связанные, отражающие последовательные этапы выветривания, протекающего в направлении все большего разрушения менее стойких минеральных компонентов и накопления наиболее стойкого кремнезема.
Совершенно своеобразно поле III, в пределах которого расположены отметки коричневых почв, желтоземов, черных тропических почв, некоторых тропических ферсиаллитных почв. Для всех их характерна обогащенность вторичными глинистыми минералами монтмориллонитовой группы.
Наконец, почвы, сформировавшиеся на основных породах (красноземы западной Грузии, латеритизированный краснозем на базальте — Китай), а также ло другим данным, ряд влажнотропических красноземов занимают крайнее положение на графике вместе с отметками по илу из влажнотропических почв (поле IV). Очевидно, в этих случаях мы сталкиваемся с явлением наиболее значительного накопления новообразованных продуктов с относительно слабой энергетической связью между составляющими их нонами.
Почвы выделенных полей различаются еще и по такой величине, как количество энергии решетки несиликатной (бескремне- земной) их части; она последовательно увеличивается от I к IV полю, что видно из следующих данных (относящихся к участкам отдельных полей, отмеченных залитым кружком):

Порядковый номер поля	I	II	ш	IV	V
Энергия решетки бес- кремнеземной части, ккал! 100 г почвы	650	950	1400	2200	1100

Особого внимания заслуживает поле III в сопоставлении его с полями II и V. В энергии решетки минеральной части почв, приуроченных к этому полю, доля энергии кремнезема относительно меньше, чем в почвах поля И, и, следовательно, в них больше новообразованных веществ. Однако отметки поля III в большинстве случаев заметно сдвинуты вправо, т. е. эти почвы обладают решеткой с большей энергией. Из всего сказанного можно сделать вывод, что в процессе образования представленных здесь почв в них происходит накопление (новообразование?) минералов с более прочной решеткой, чем в случае почв полей II и V.
Из распределения типов почв по выделенным полям графика нетрудно заметить, что почвы каждого из полей сопряжены с определенными фазами минеральных превращений в процессе выветривания. Так, почвы поля I следует рассматривать связанными с опесчаненной корой выветривания, поля II — с сиаллит- ной, поля III — с глинной, поля IV — с ферраллитной, поля V — с обызвесткованной. Распределение соответствующих почв с использованием более обширного материала представлено на рис. 22.
Как видим, использование такого энергетического показателя, как энергия решетки минералов, привело к группировке почв, весьма содержательной в генетическом отношении. Располагая лишь данными о суммарной величине энергии решетки и доли ее, приходящейся на окись кремнезема и остальные компоненты, мы получаем возможность определить принадлежность почвы к одному из характерных полей на графике с указанными энергетическими координатами.
Уже одно это заключение убедительно свидетельствует о полезности использования характеристик энергии решетки для почвенно-генетического анализа. Но, видимо, этим не исчерпываются возможности использованных энергетических показателей для почвенно-генетического анализа. Понятно, что полезно рассмотреть изменение энергии решетки и по профилю почв разных типов.
Следовало бы попытаться использовать данные энергетических показателей для выяснения длительности почвообразования, хотя бы в некотором относительном аспекте (например, в сопоставле-

нии с соответствующими показателями по почвообразующим породам). Несомненно, интересным будет сравнение энергии решеток минеральной части почв с запасами энергии, аккумулированной в гумусе. Изучение изменений свободной энергии компонентов разных типов почв — самостоятельная задача.

Очевидно, оправданны и такие попытки более точного расчета энергии решеток, как использование и других показателей прочности структур почвенных веществ (например, энергии атомиза- чии).
В качестве примера работ в этом направлении укажем исследования И. Ш. Искендерова (1970), по данным которого энергия кристаллической решетки минералов в почвах Кура-Араксин- ской низменности (Азербайджан) лежит в пределах 3970— 4870 ккал/ЮО г минерального вещества. Им же найдено, что изобарный потенциал в минеральной части почв изменяется в пределах 324—368 ккал/100 г. Наибольшим изобарным потенциалом характеризуются черноземные, каштановые и сероземные почвы. Но содержание данных табл. 9 и рис. 21, по-видимому, не исчерпывается рассмотренным материалом.
По рис. 21 можно заметить, что почвы распределены на поле графика как бы центробежно по отношению к некоторому центру, занимаемому отметкой почвообразующих пород «наносов». При этом почвы с наиболее преобразованной минеральной мае-

сой — подзолы и латеритизированные красноземы — оказываются наиболее удаленными от указанного центра. Возникло предположение, что радиальные векторы от центральной отметки «наносы» — своего рода векторы стадийного развития почв. Чтобы подтвердить это допущение, поле графика с отметками условно расчленено на шесть концентрических полей и каждому из них придан порядковый номер в качестве некоторого энергетического индекса (рис. 23).
После этого все рассматриваемые почвы сгруппированы по связи с соответствующими стадийными преобразованиями их минеральной части (как это понимает автор) на сиаллитные, глинные, опесчаненные, аллитные. В итоге получены весьма любопытные результаты: выделенные группы почв расположились по величине среднего энергетического индекса в полном соответствии с их стадийным положением:
Почвенные группы              Средний ^гетический
Сиаллитные (№ 3, 4, 6—11)              1,3
Глинные (№ 13—18, 20, 21)              2,0
Опесчаненные (№ 1, 2, 22)              3,7
Ферраллитные (№ 19, 23, 24, 28,30, 31)              3,2
Мы ограничимся произведенным сопоставлением. Но вместе с этим полагаем, что подмеченное соотношение заслуживает внимания.
Цель проведенного исследования — выяснение полезности использования расчетов энергии решеток минеральных веществ почв для генетического анализа. Мы считаем, что результаты исследования, несомненно, интересны. Развитие работ в направлении использования энергетических показателей для характеристики превращений минеральной части почв вполне перспективно.

<< | >>

Источник: Волобуев В. Р.. Введение в энергетику почвообразования.. 1974

Еще по теме ОПЫТ РАСЧЕТА ЭНЕРГИИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОЧВ:

- Болотоведение - Метеорология и климатология - Научно-популярная история - Океанология (океанография) - Почвоведение -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -