Soil Chemistry Notes PDF

‫جامــعة املنيـ ـا‬ ‫كليــة الزراع ـة‬ ‫قسـم ألاراض ـي‬ ‫إعداد‬ ‫أ‪.‬د‪ /‬محمود أحمد مرس ى‬ ‫أستـاذ بقسم ألاراض ى‬  ‫كيمياء ألاراض ي‬ ‫‪Soil Chemist...

‫جامــعة املنيـ ـا‬ ‫كليــة الزراع ـة‬ ‫قسـم ألاراض ـي‬ ‫إعداد‬ ‫أ‪.‬د‪ /‬محمود أحمد مرس ى‬ ‫أستـاذ بقسم ألاراض ى‬  ‫كيمياء ألاراض ي‬ ‫‪Soil Chemistry‬‬ ‫مقدمة ‪ :‬األرض مصدر احتياجات اإلنسان (غذاء ‪ -‬كساء )‬ ‫موقع علم كيمياء ألاراض ي من علوم ألاراض ي‬ ‫* كيمياء األراضي –تكنولوجيا األراضي ‪...‬الخ‬ ‫تصنيف األراضي – تقسيم األراضي ‪......‬الخ‬ ‫‪2‬‬  ‫أهداف دراسة كيمياء ألاراض ي ‪:‬‬ ‫‪ ‬دراسة النواحي الكيميائية لعناصر التربة لتفي بمتطلبات النبات ‪ -‬تعديلها ‪ -‬تقليل‬ ‫التلوث من العناصر السامة‪.‬‬ ‫‪ ‬معرفة مسار التفاعالت التي تتم على سطوح غرويات التربة ‪ (.‬طين ‪ -‬دبال ) ‪.‬‬ ‫‪ ‬دراسة المشاكل التي تواجه خواص التربة الفيزيائية والمائية والحلول المناسبة لها‬ ‫من خالل برنامج اإلصالح الكيميائي لألراضي ‪ (.‬األراضي القلوية – األراضي‬ ‫الجيرية )‪.‬‬ ‫‪ ‬دراسة التغيرات في طبيعة العمليات الكيميائية التى تحدثها العمليات الزراعية فى‬ ‫التربة (الخدمة ) للكشف عن الظروف المثلى لنمو النباتات فى األراضي المختلفة ‪.‬‬ ‫*سؤال ؟‬ ‫قطعة أرض أنتجت أطنانا من المحاصيل ومازلت باقية لم تتالشى ما السر في ذلك ؟‬ ‫كيمياء األراضي ؟!!‬ ‫‪3‬‬  ‫ ؟‬Earth – Land - Soil ‫*ما الفرق بين‬ :Earth ‫ الكرة ألارضية‬: ‫أوال‬ Earth is the third planet from the Sun, and the densest and fifth-largest of the eight planets in the Solar System. Earth formed approximately 4.54 billion years ago, and life appeared on its surface within its first billion years. 4  ‫كوكب من كواكب املجموعة الشمسية وتتكون من ‪:‬‬ ‫‪-1‬الغالف الجوى ‪: Atmosphere :‬‬ ‫طبقة الهواء المحيطة باألرض) ‪(N= 78% - O = 21% - CO2 = 0. 03%‬‬ ‫‪-2‬الغالف المائي ‪:Hydrosphere‬‬ ‫مياه المحيطات ‪ -‬البحار ‪ -‬األنهار ‪ -‬البحيرات‬ ‫تغطى ‪ % 71‬من سطح الكره األرضية – باإلضافة إلى المياه الجوفية ‪.‬‬ ‫‪-3‬الغالف الصخري ‪Lithosphere‬‬ ‫أو القشرة األرضية ‪ –Earth crust‬القشرة الصلبة الخارجية من الكرة األرضية – سمكها ‪– 30‬‬ ‫‪ 100‬كيلو متر معظمها صخور نارية ‪ %95‬والباقي صخور رسوبية ومتحولة‪.‬‬ ‫‪-4‬الغالف الحيوي ‪Biosphere‬‬ ‫الكائنات الحية الموجودة على سطح الكرة األرضية ( حيوانية ‪ -‬نباتية ‪ -‬راقية – متدنية )‪.‬‬ ‫*عنصر األكسجين ‪ :‬يمثل ‪ % 94‬من الغالف الصخري‪ % 65 -‬من الغالف المائي – ‪ %21‬من‬ ‫الغالف الجوى‬ ‫‪5‬‬  ‫ثانيا‪ :‬ألارض ‪Land‬‬ ‫‪Land is the solid surface of the Earth, that is not‬‬ ‫‪covered by water.‬‬ ‫نظام طبيعي مفتوح فى حالة مستمرة من التغير و يتكون من معادن ومواد عضوية‬ ‫ويشكل البيئة الطبيعية التى تزود النبات بالدعم الميكانيكي ومتطلبات الحياة والنمو‪.‬‬ ‫‪6‬‬  Soil ‫ التربة‬: ‫ثالثا‬ Soil is a natural body consisting of layers (soil horizons) that are primarily composed of minerals, mixed with at least some organic matter, which differ from their parent materials in their texture, structure, consistency, color, chemical, biological and other characteristics. It is the loose covering of fine rock particles that covers the surface of the earth. Soil is the end product of the influence of the climate, relief (slope), organisms, parent materials (original minerals), and time. ‫التربة هى الطبقة السطحية من القشرة األرضية تنتج من تفتت الصخور أو من تحلل المادة‬ ‫ تكون هذه الطبقة صالحة كيماويا وطبيعيا وحيويا لتكون مهدا لجذور‬- ‫العضوية أو منهما معا‬. ‫النباتات وتظل فى حالة تحول مستمر بتأثير عوامل البيئة‬ Land ‫*األرض قبل استصالحها واستزراعها تسمى أرض‬ Soil ‫) وبعد استصالحها تسمى تربة‬Land Reclamation ‫(علم استصالح األراضى‬ ) Sandy Soil ‫( التربة الرملية‬ 7  ‫التركيب الذرى ملعادن التربة‬ ‫‪Atomic structure of soil minerals‬‬ ‫‪‬يتكون الصخر ‪ rock‬فى الغالب من عدة معادن أولية ‪primary minerals‬‬ ‫ويتكون كل معدن ‪ mineral‬من جزيئات ويتكون الجزيئ ‪ molecule‬من عدة‬ ‫ذرات ‪.atoms‬‬ ‫‪‬الذرة ‪ Atom‬هى أصغر وحدة من المعدن يمكن أن توجد على حالة انفراد –‬ ‫متعادلة الشحنة ‪.‬‬ ‫‪‬تتكون الذرة من جسم مركزى مستدير يسمى النواة ‪ nucleus‬تحاط بمدارات‬ ‫بيضاوية غير مرئية تسبح فيها جسيمات سالبة الشحنة – تسمى اإللكترونات ‪.‬‬ ‫‪‬النواة عبارة عن جسم تخيلى غير مرئى له كتلة يحتوى على بروتونات ‪ :‬أجسام‬ ‫تحمل شحنة موجبة ونيوترونات‪ :‬أجسام متعادلة الشحنة وتتميز بثقل وزنها النوعى‬ ‫عن البروتونات‪.‬‬ ‫‪‬اإللكترونات ‪ :‬سالبة الشحنة ‪ -‬أساس السلوك الكيميائى للعنصر‪.‬‬ ‫‪8‬‬  ‫القوانين التى تحكم حركة إلالكترونات حول النواة ‪:‬‬ ‫‪.1‬لكل مدار من المدارات مستوى طاقة معين ‪Quantum number N‬وال‬ ‫يوجد إلكترون يحمل طاقة تقع بين المستويات وال يوجد تدرج فى طاقة‬ ‫اإللكترونات فتترتب اإللكترونات فى مدارات ثابته حول النواة ( ‪.) KLMNO‬‬ ‫‪.2‬أقصى عدد لإللكترونات فى المدار األول = ‪ - 2‬الثانى = ‪ - 8‬الثالث = ‪- 18‬‬ ‫الرابع = ‪ - 32‬الخامس = ‪32‬‬ ‫‪.3‬يتكون كل مدار من مدار أو عدة مدارات ثانوية ( ‪.)s- p- d- f- l‬‬ ‫‪.4‬يمأل المدار الثانوى ‪ S‬قبل مأل أى مدار ثانوى آخر ‪.‬‬ ‫‪.5‬تقل قوة جذب النواه لإللكترونات كلما بعدنا عن مركز الذرة ولهذا تكون‬ ‫اإللكترونات فى المدارين ‪ N,O‬أكثرحرية فى الحركة‪.‬‬ ‫‪9‬‬  ‫أساس تكوين املواد والعناصر ‪:‬‬ ‫هو انتقال إلكترون من ذرة عنصر الى ذرة أخرى ويحكم هذا االنتقال عامالن ‪:‬‬ ‫‪ - 1‬الجهد األيوني ‪ - Ionization potential‬هو كمية الطاقة الالزمة لجذب‬ ‫إلكترون من ذرة متعادلة كهربائيا ويعبر عنه باإللكترون ‪ /‬فولت ‪e\v‬‬ ‫‪ - 2‬قوة الجذب اإللكتروني ‪ - Electron affinity‬هى كمية الطاقة المنبعثة عند‬ ‫إضافة إلكترون الى ذرة متعادلة كهربيا وتقيس كمية ربط اإللكترون االضافى الى بقية‬ ‫اإللكترونات األخرى للذرة ‪.‬‬ ‫‪10‬‬  ‫الرابطة ‪Bond :‬‬ ‫هى قوة التجاذب بين ذرتين فى الجزيئ تتحدان معا لتكوين مركب ثابت‪.‬‬ ‫أنواع الروابط ‪:‬‬ ‫‪.1‬الرابطة األيونية ‪ Ionic bond‬أو الرابطة الكيميائية ‪ Chemical bond‬أو‬ ‫الرابطة الكهربائية ‪.Electrovalent B‬‬ ‫تحدث هذه الرابطة بين ذرات ذات جهد أيونى منخفض مع ذرات ذات جذب إلكتروني‬ ‫عالي وتنتج بانتقال اإللكترون كليا من مدار ذرة إلى مدار ذرة آخري‪.‬‬ ‫مثال ‪NaCl :‬‬ ‫ ‪ Na 11‬يفقد إلكترون ويصبح ‪Na 10‬‬ ‫ ‪ Cl 17‬يكتسب إلكترون ويصبح ‪Cl 18‬‬ ‫‪NaCl‬‬ ‫ اتحاد ‪ Na‬مع ‪Cl‬‬ ‫الخطوة األولى ‪ :‬تحتاج طاقة تساوى الجهد األيوني للصوديوم‬ ‫الخطوة الثانية ‪ :‬تنتج عنها طاقة تساوى قوة الجذب اإللكتروني للكلور ‪.‬‬ ‫الخطوة الثالثة ‪ :‬يحدث عنها خروج طاقة نتيجة التجاذب بين الشحنات ‪- ، +‬‬ ‫تحدث الرابطة ألن كمية الطاقة فى الخطوتين الثانية والثالثة تفوق كمية الطاقة التى‬ ‫‪11‬‬ ‫لزمت للخطوة األولى ‪.‬‬  ‫‪ -2‬الرابطة التآذرية ( التساهمية ‪ -‬االشتراكية ‪ -‬المشتركة ) ‪Co-Valent B.‬‬ ‫فى هذه الحا لة ت كون اإللكترو نات فى ال مدارات األخ يرة تاب عة ل لذرات المت شابكة‬ ‫وليس لذرة واحدة ويكون عدد اإللكترونات الموجود فى حا لة م شاركة م حدودة ( زوج‬ ‫أو ‪ 2‬أو ‪ 3‬أزواج )‬ ‫‪Cl 17‬‬ ‫ زوج واحد ‪Cl 17 Cl2‬‬ ‫)‪(2 – 8 – 7‬‬ ‫) ‪(2 – 8 – 7‬‬ ‫‪12‬‬  O8 C6 O 8 CO2 ‫ زوجان‬ (2 – 6 ) (2 – 4 ) (2–6) 13  ‫‪N7‬‬ ‫‪N7‬‬ ‫‪ 3‬أزواج ‪N2‬‬ ‫)‪( 2 – 5‬‬ ‫)‪( 2 – 5‬‬ ‫‪14‬‬  ‫‪Co – ordinate Bond‬‬ ‫‪ - 3‬الرابطة التناسقية المحورية‬ ‫هى نوع من الروابط التساهمية ولكن هنا تساهم ذرة واحدة بإلكترونين لتكمل مدار ذرة‬ ‫آخري لتأخذ الترتيب الثمانى ويعبر بسهم يتجه من الذرة المعطية إلي الذرة المكتسبة ‪.‬‬ ‫‪O8=2–6‬‬ ‫‪S 16 = 2 – 8 – 6‬‬ ‫مثل ‪SO4‬‬ ‫‪15‬‬  ‫‪ - 4‬رابطة فان ديرفال ‪Vanderval B.‬‬ ‫نوع من القوى الطبيعية تكون مسئولة عن ربط الجزيئات مع بعضها وليس هنا أى‬ ‫إنتقال او مشاركة لإللكترونات بين الذرات ‪ -‬رابطة ضعيفة توجد بين الغازات ‪.‬‬ ‫‪ - 5‬الرابطة المعدنية ‪Metallic B.‬‬ ‫فى المعادن نجد أن نوايا كل الذرات عبارة عن كتلة مع بعضها واإللكترونات تكون‬ ‫ما يشبه سحابة تدور حول كل النوايا وال يتبع إلكترون نواة معينة ‪ -‬وهذه الرابطة‬ ‫أساس صفات المعادن مثل انتقال الحرارة والكهرباء ‪.‬‬ ‫‪ - 6‬الرابطة الثانوية ‪Secondery B.‬‬ ‫ رابطة الهيدروجين ‪ H. Bond‬توجد فى حاالت خاصة عند تذبذب ذرة ‪ H‬فى وضع‬ ‫متوسط لذرات االكسجين وال تكون تابعة ألحدهما فى وقت معين ‪.‬‬ ‫‪Si – OH‬‬ ‫‪Si – O‬‬ ‫¦‬ ‫¦‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫¦‬ ‫¦‬ ‫‪Al – O‬‬ ‫‪Al – O‬‬ ‫‪16‬‬  ‫رابطة الهيدروكسيل ‪OH – B.‬‬ ‫فى المحاليل المائ ية نتي جة و ضع م جاميع –‪ OH‬ب جوار بع ضها م ما ين شأ ع نه جذب‬ ‫الكتروستاتيكى بين األجزاء السالبة والموجبة ‪.‬‬ ‫‪H ------ O‬‬ ‫‪H ------ O‬‬ ‫‪H ------ O‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫حجم الذرات واأليونات ‪:‬‬ ‫الكاتيون ‪ :‬ذرة فقدت إلكترون أو اكثر ولهذا فهو أصغر حجما من الذرة ‪.‬‬ ‫األنيون ‪ :‬ذرة أكتسبت إلكترون أو أكثر ولهذا فهو اكبر حجما من الذرة ‪.‬‬ ‫‪17‬‬  ‫البلورى‬ ‫البناء‬ ‫‪Crystallatus‬‬ ‫‪‬لثبات بناء المعدن البد أن يكون له بناء ثابت ‪.‬‬ ‫‪‬البناء الداخلي للمعدن يمثله الترتيب أو البناء الدورى لاليونات ( الوحدات البنائية ) فى االبعاد الثالثة‬ ‫‪‬تترتب الكاتيونات فى البناء البلورى بحيث تحتل الفراغات ما بين األنيونات ‪.‬‬ ‫‪‬لثبات البناء البد من مالءمة وضع الكاتيون لحجم الفراغ ما بين األنيونات ‪.‬‬ ‫‪‬يعبر عن البناء عادة برقم اإلحاطة ( التآزر)‬ ‫رقم اإلحاطة ( التآذر ) ‪Co-ordination number‬‬ ‫عدد األنيونات التى يمكنها أن تحيط بكاتيون مركزى بحيث تكون جميعها مالمسة له وخالية من الفرغات‬ ‫يتوقف رقم اإلحاطة على‪ :‬نصف قطر الكاتيون ‪:‬نصف قطر األنيون‬ ‫‪18‬‬  ‫أرقام اإلحاطة للعناصر الهامة فى تركيب األرض‬ ‫العدد العملى املشاهد‬ ‫العدد النظرى‬ ‫العنصر‬ ‫‪4‬‬ ‫‪4‬‬ ‫السيليكون ‪Si‬‬ ‫‪6-5–4‬‬ ‫‪6-4‬‬ ‫األلومنيوم ‪Al‬‬ ‫‪6–5–4‬‬ ‫‪6–4‬‬ ‫الحديديك ‪Fe3+‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪6‬‬ ‫الحديدوز ‪Fe2+‬‬ ‫‪9–8–7‬‬ ‫‪8‬‬ ‫الكالسيوم ‪Ca‬‬ ‫‪12 – 8 – 6‬‬ ‫‪8‬‬ ‫البوتاسيوم ‪K‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪6‬‬ ‫الماغنسيوم ‪Mg‬‬ ‫‪19‬‬  ‫* أنصاف أقطار بعض األيونات الهامة‬ ‫باألنجستروم (‪) A = 1 x 10-7 mm‬‬ ‫نصف‬ ‫نصف‬ ‫نصف‬ ‫ألايون‬ ‫ألايون‬ ‫ألايون‬ ‫القطر‬ ‫القطر‬ ‫القطر‬ ‫‪1.84‬‬ ‫‪S‬‬ ‫‪0.26‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪0.72‬‬ ‫‪Cu++‬‬ ‫‪1.80‬‬ ‫‪Cl‬‬ ‫‪0.71‬‬ ‫‪Li‬‬ ‫‪0.93‬‬ ‫‪Cu+‬‬ ‫‪1.33‬‬ ‫‪K‬‬ ‫‪1.35‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪0.54‬‬ ‫‪Si‬‬ ‫‪1.32‬‬ ‫‪OH‬‬ ‫‪1.34‬‬ ‫‪F‬‬ ‫‪0.63‬‬ ‫‪Co+++‬‬ ‫‪0.99‬‬ ‫‪Ca‬‬ ‫‪0.95‬‬ ‫‪Na‬‬ ‫‪0.74‬‬ ‫‪Co++‬‬ ‫‪0.66‬‬ ‫‪Mn+++‬‬ ‫‪0,76‬‬ ‫‪Fe++‬‬ ‫‪0.62‬‬ ‫‪Cr‬‬ ‫‪0.57‬‬ ‫‪Al‬‬ ‫‪0,36‬‬ ‫‪Fe+++‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪0.66‬‬ ‫‪Mg‬‬ ‫‪0.73‬‬ ‫‪Mn++‬‬  )C.N ‫نظام التركيب البنائى للسيليكات وااللومينوسيليكات (حسب رقم التآذر‬ Name C.N R.cation/R.anion Two fold structure 2