방송통신대학교 농학과, 농업직, 지도사 - 토양학 핵심 요약정리 - 4 토양콜로이드의 화학적 성질

4. 토양콜로이드의 화학적 성질

 

■  학습개요
점토광물의  작은  입자는  토양유기물인  부식과  함께  콜로이드상태로  존재하며  이들은  일반적으로  음으로  하전되어  있다.  토양의  콜로이드는  양이온  등의  양분을  흡착할  수  있으며  흡착된  양이온은  용탈이  되지  않으
나  식물에  흡수  이용된다.  이  장에서는  점토광물의  구조와  특성,  분류, 토양콜로이드의  음전하의  생성원인,  양이온흡착과  이온교환을  공부하게 된다.

■  학습목표
1   토양의  화학적  조성을  설명할  수  있다.
2   규산염점토광물의  구조를  설명할  수  있다.
3   카올리나이트,  일라이트,  몽모리오나이트를  설명할  수  있다.
4   토양  콜로이드의  전하  특성을  설명할  수  있다.
5   양이온교환용량을  설명할  수  있다.

■  주요용어

규산4면체
: 규소  이온이  그를  둘러싸고  있는  4개의  산소원자와  결합하여  기하학적  모양이  4면체로  되는데  이것이  규산  4 면체라고  한다.
알루미나8면체
: 알루미늄이  6개의  산소원자  또는  수산기(OH-)와  이온결합을  이루고  있는  모양으로  8면체(alumina  sheets)을  이루고  있다.
양이온교환용량
: 토양이나  교질물이  양이온을  흡착,  교환할  수  있는  능력을  양이온  교환용량(cation  exchange  capacity, 
CEC)이라  하며,  단위는  cmolc/kg  또는  cmol+/kg이다.
염기포화도
: 염기포화도는  교환성  염기(K,  Ca,  Mg,  Na  등)를  양이온교환용량으로  나눈  값이다.

 

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■  연습문제

1.  토양과  지각을  이루고  있는  성분  중에서  가장  함량이  적은  것은?
①  O ②  Si ③  Al ④  Mg
정답  :  ④
해설  :  Mg는  8번째  원소임.

2. 문제 : 2차광물을 주로 함유하고 있는 토양의 무기입자는?

① 거친모래 ② 고은모래 ③ 미사 ④ 점토

 

정답 : ④

해설 : 토양의 무기입자 중에서 모래와 미사는 토양의 모재 또는 암석에 함유되었던 광물, 즉 1차광물로 구성되어 있다. 그러나 점토를 이루고 있는 광물은 모래나 미사에 있는 것과는 다르며 주로 점토에는 특유한 광물로 구성되어 있다. 점토를 구성하는 주된 광물은 암석이나 또는 모재가 풍화되는 과정에서 원광물의 변질, 또는 가용성 성분의 재결합에 의하여 새로 생성된 것이므로 2차광물이라고 하며 1차광물과 구분된다. 점토는 대부분 2차광물로 구성되어 있기 때문에 흔히 점토광물과 2차광물은 동의어로 사용된다.

3. 문제 : 결정질 규산염 점토광물이 아닌 것은?

① 카올리나이트 ② 리테라이트 ③ 몽모리오나이트 ④ 일라이트

 

정답 : ②

해설 :규산 4면체층과 알루미나 8면체층은 규산염 점토광물을 구성하는 기본 단위로서, 이들이 서로 결합하여 마치 생물체의 세포와 같은 하나의 구조단위(unit cell)가 형성되는 것이다. 규산 4면체층과 알루미나 8면체층이 결합하는 방식과 구조단위 사이에 작용하는 힘의 종류에 따라 점토광물은 여러 가지 종류로 분류된다. 이들 층이 겹치는 모양과 성질에 따라 결정질 규산염과 점토광물을 분류하는데 주요한 세 가지는 카올리나이트(Kaolinite)군, 일라이트(illite)군, 몽모리오나이트(montmorillonite)군이다.

 

4. 문제 : 결정질 규산염 점토광물 중 우리나라 토양의 주된 점토광물은?

① 카올리나이트 ② 리테라이트 ③ 몽모리오나이트 ④ 일라이트

 

정답 : ①

해설 :카올리나이트는 규산 4면체층과 알루미나 8면체층이 1:1로 결합하여 하나의 결정단위를 이루고, 이와 같은 결정단위가 7.2A의 간격을 두고 여러 층이 겹쳐서 이루어진 점토광물이다. 규산 4면체층과 알루미나 8면체층이 1:1의 비율로 결합되어 있으므로 1:1형 점토광물 또는 2층형 광물이라고도 한다. 화학식은 Al4Si4O10(OH)8이지만 Al2O3·2SiO2·2H2O라 쓸 수 있으며, 규산과 알루미나의 분자비 즉 규반비 SiO2/Al2O3는 2이다. 팽창하지 않는 성질이 있어 도자기, 타일 등의 원료로 쓰인다. 온난습윤지대의 배수가 양호한 곳에서 나타나는 토양의 주요 규산염 점토광물이다. 우리나라 토양의 주된 점토광물은 카올리나이트이다.

 

5. 문제 : 점토광물 중 8면체층에서 Al3+의 일부가 Mg2+에 의해서 동형치환이 되어 있는 것은?

① 카올리나이트 ② 리테라이트 ③ 몽모리오나이트 ④ 일라이트

 

정답 : ③

해설 :몽모리오나이트군은 동형치환이 일어나는 이온의 종류와 다소에 의해서 몇 가지로 분류된다. 알루미나 8면체의 Al3+이 Mg2+(때로는 Fe2+)으로 동형치환된 것이 몽모리오나이트이며, 규산 4면체의 Si4+가 Al3+으로 치환된 것은 베이델라이트(Beidellite)이다.

 

6. 문제 : 일라이트군과 관계가 없는 것은?

① 가수운모 ② 3층형광물 ③ 팽창성 ④ 2:1형 광물

 

정답 : ③

해설 :일라이트는 가수운모(hydrous mica)라고도 불린다. 일라이트군은 한 개의 알루미나 8면체층이 두 개의 규산 4면체층 사이에 끼어서 하나의 결정단위를 이루고 있는 2:1형 점토광물이며 3층형 광물이라고도 한다. 몽모리오나이트군은 일라이트 점토광물과 같이 2:1형 점토광물이지만 팽창성 점토광물이다.

 

7. 문제 : 다음 중 비결정 점토광물과 거리가 먼 것은?

① 알로팬(allophane) ② 불규칙적 원자배열

③ 화산회로 부토 생성된 토양에 존재 ④ 제주도 토양의 점토광물

 

정답 : ②

해설 :비정질 점토광물로서 대표적인 것은 알로팬(allophane)이다. 이것은 주로 규산과 알루미나 가수산화물로 구성되며 구조 내에 Si-O-Al결합을 갖지만 부정형 점토광물이다. 화학적 조성은 일정치 않지만 SiO2/Al2O3 분자비는 2정도이다. 비정질이라고 해서 원자의 배열에 전혀 규칙성이 없는 것은 아니다. 예를 들면, 규소원자를 둘러싸서 4면체를 이루도록 산소원자가 알루미늄원자를 둘러싸서 8면체를 이루도록 OH기가 위치하고 있다. 이와 같은 원자집단이 존재하기 때문에 원자가 배열되는 데 있어서 어느 정도 규칙성이 나타난다. 알로팬은 화산회로부터 생성된 토양에 존재하는 점토광물이다. 제주도토양의 점토광물은 대개의 경우 알로팬이다.

8.  다음  중에서  콜로이드(교질물)가  아닌  것은?
①  모래           ②  점토     ③  유기물        ④  철,  알루미늄  수산화물
정답  :  ①
해설  :  모래는  표면에  전하가  없으며,  크기가  0.05mm  이상이기  때문에 
콜로이드라고  하지  않는다.

9.  다음  점토광물  중에서  양이온교환용량이  가장  낮은  것은?
①  일라이트군             ②  카올리나이트
③  몽모리오나이트군       ④  벤토나이트
정답  :  ②
해설  :  카올리나이트의  양이온교환용량은  10  cmolc/kg으로  여러  점토광
물  중에서  가장  낮다.

 

10. 문제 : 토양의 염기포화도가 낮을수록 상대적 함량이 증가하는 양이온은?

① Ca2+ ② Mg2+ ③ K+ ④ H+

 

정답 : ④

해설 : 토양의 양이온 교환용량은 pH의 변화에 따라 변한다. 산성인 경우에는 H+농도가 높아 ─Si─OH, ─Al─OH, ─COOH기의 해리가 잘 일어나지 않기 때문에 양이온 교환용량이 낮다. 그러나 pH가 높아지면 이들의 해리가 증가하므로 양이온 교환용량이 높아지게 된다.

 

11.  양이온교환용량이  10  cmolc/kg인  토양의  교환성  K  1.5,  Ca  4.5,  Mg 
1.0/kg  일  때  %로  나타낸  염기포화도는?
①  15%              ②  45% ③  55%              ④  70%
정답  :  ④
해설  :  염기포화도  =  [(1.5  +  4.5  +  1.0)/100]  x  100=  70%

 

12. 문제 : 당량농도가 같다면 토양의 교환성(치환성) 양이온 중에서 용탈이 가장 쉽게 되는 것은?

① Ca2+ ② Mg2+ ③ Na+ ④ Al3+

 

정답 : ③

해설 : 교환침입력 : Al3+∼H+>Ca2+>Mg2+>K+‗NH4+>Na

교환침출력 : Al3+∼H+<Ca2+<Mg2+<K+‗NH4+<Na

 

13. 문제 : 다음 양이온 중에서 교환침입력이 가장 큰 것은?

① Ca2+ ② Mg2+ ③ NH4+ ④ Na

 

정답 : ①

해설 : 교환침입력 : Al3+∼H+>Ca2+>Mg2+>K+‗NH4+>Na

교환침출력 : Al3+∼H+<Ca2+<Mg2+<K+‗NH4+<Na

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■ 핵심요약정리

1.  점토광물의  작은  입자는  토양유기물인  부식과  함께  콜로이드상태로  존재하며  이들은  일반적으로  음으로  하전되어  있다.  따라서  토양의  콜로이드는 양이온을  흡착할  수  있으며  흡착된  양이온은  용탈이  되지  않으나  식물에  흡수  이용된다.
2.  이  장에서는  1)  화학적  조성,  2)  점토광물,  3)  토양  콜로이드의  전하,  4) 양이온의  교환을  다루었다.
3.  토양에서  가장  많은  원소는  O,  Si,  Al,  Fe이며,  점토광물은  이들  원소를 중심으로  규산4면체,  알루미나8면체를  기본  구조로  만들어진다.  규산4면체 와  알루미나8면체의  결합상태에  따라  1:1형,  2:1형으로  나눈다.
4.  점토광물은  카올리나이트,  일라이트,  몽모리오나이트  등  다양하며,  이 중 에  카올리나이트는  우리나라  대표  점토광물로  1:1형  구조를  갖고  있다.
5.  토양  콜로이드는  규산염  점토광물,  수산화물,  유기콜로이드  등이며,  동형치환,  변두리  전하,  pH  의존전하  특성을  갖고  있다.  이들  토양  콜로이드는 NH4,  K,  Ca,  Mg,  Fe,  Zn,  Mn  등의  양이온성  양분을  흡착  또는  교환하며, 식물양분을  저장하는  역할을  한다.
6.  염기포화도는  토양  콜로이드에  흡착된  염기(K,  Ca,  Mg)의  비율을  나타내는  것으로  염기포화도가  클수록  토양은  중성에  가깝게  된다.

 

 

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