농업직, 농업연구사, 농촌지도사, 방통대 - 토양학 정리- 9 토양화학성

제 9 장 토양의 화학성

**주요 학습 내용**

1. 주요 점토광물의 구조와 성질에 대한 이해

2. 작물생육과 관련한 점토광물의 양이온 치환에 대한 이해

3. 토양환경에 따른 확산이중층에 대한 이해

Ⅰ. 점토광물 = 2차광물ㆍ(무기)교질물ㆍ콜로이드 

점토광물은 입경이 0.002mm 이하인 소립자이므로 활성표면적이 매우 크며, 이의 함량이 결국 토성을 지배하는 기본이 된다. 또한 비료성분의 흡착ㆍ방출ㆍ고정ㆍ산도ㆍ토양반응ㆍ통기성ㆍ통수성 등 물리화학적 성질을 결정하는데 가장 큰 영향을 끼치므로 작물의 생육과 밀접한 관계가 있다

 

1. 점토광물의 일반적 구조

점토광물은 일반적으로 판상격자 모양을 하고있는 결정형 구조로서, 규산4면체판과 알루미나8면체판이 결합되어 결정단위를 이루고 있다

1) 규산 4면체판

① 4개의 산소이온이 1개의 규소원자를 둘러싸는 4면체가 구성단위로 되어 판상으로 배 열된 판이다

② 판모양 형성 후 판상 내부에 정육각형의 공간이 생기고 이 공간에 NH4+과 K+이 고정 된다

2) 알루미나 8면체판

① 6개의 산소나 수산기이온(OH-)이 Al+3나 Mg+2를 둘러싸는 8면체가 구성단위로 되어 판상으로 배열된 판이다

② 1 : 1 점토광물에서는 외부로 노출되어 OH-들이 PO4-3 및 그 밖의 음이온을 고정한다

 

2. 점토광물의 분류

1) 판상배열에 따른 분류

 

 

2) 팽창 유무에 따른 분류

① 팽창형 점토광물

ⅰ) 수분이 결정단위 사이로 자유로이 침투하여 층간의 간격이 팽창ㆍ수축한다.

ⅱ) 토양의 팽창과 수축이 심하면 응집성과 점착성 등이 커서 토양구조가 불안정하므 로 물리적 성질이 좋지 않다.

ⅲ) K+나 NH4+가 규산판의 내부에 고정되기도 한다

ⅳ) 보수력이나 보비력이 비팽창형에 비해 우수하다

ⅴ) montmorillonite, vermiculite 등

② 비팽창형 점토광물

ⅰ) 결정단위 사이에 강한 결합력이 작용하여 단위 사이간격이 일정하게 유지된다

ⅱ) 팽창과 수축이 심하지 않으며 응집성과 점착성 등이 작으므로 토양구조를 안정적 으로 유지해준다

ⅲ) 팽창형에 비해 양이온치환용량이 낮다

ⅳ) illite, kaolinite 등

 

3. 주요 점토광물의 구조와 성질

1) Kaoline 계

① 1 : 1 형 광물이며 표면에 OH-가 노출되어 인산고정이 이루어진다

② 비팽창형 점토광물로서 단위 사이에 O-H 결합에 의해 간격이 일정하다

③ 입자가 크므로 점착성ㆍ응집성ㆍ수축성이 적어 토양구조가 안정적으로 유지된다

④ 고령토라고도 하며, 우리나라 점토광물의 대부분을 차지한다

⑤ podzol 토양의 주요 점토광물로서 온난ㆍ습윤한 기후에서 염기물질이 신속히 용탈 될 때 생성된다

⑥ kaolinite, halloysite, metahalloysite 등이 있다

2) Montmorillonite 계

① 2 : 1 형이며 팽창형 점토광물이다

② 입자가 미세하며, 점착성ㆍ응집성ㆍ수축성 등이 크다

③ 산성백토라고도 하며, 울산 및 포항 근처에 많이 있다

③ 염기가 서서히 용탈되는 조건에서 고토가 많을 때 생성된다

④ 규산4면체의 규소는 Al+3로 치환되는 정도가 15% 이하로 한정된다

⑤ 생성조건에 따라 알루미나8면체의 Al+3이 다른 양이온으로 다양하게 치환된다

ⅰ) saponite - 2개의 Al+3이 3개의 Mg+2로 치환되어 생성된다.

ⅱ) nontronite - Al+3이 Fe로 치환되어 생성된다.

ⅲ) volkonskoitte - Al+3이 Cr으로 치환되어 생성된다.

ⅳ) sauconite - Al+3이 Zn으로 치환되어 생성된다.

3) Illite 계

① 가수운모라고도 하는데, 2 : 1 형 광물이며, 비팽창형 광물이다

② 생성과정에서 규산4면체의 일부 규소가 Al+3으로 치환되면서 부족한 이온을 충 족하기 위해 K+이 층간에 침입하여 단위 사이에 K+ 이온의 결합으로 간격이 일정하다

③ 점토광물 중 가장 많은 SiO2 함량과 K2O(K+) 함량을 보인다.

④ glauconiteㆍpyrophylliteㆍmuscoviteㆍbiotiteㆍtalc 등이 이에 속한다.

4) Chlorite

① 2 : 1 격자형광물(운모층)과 1 : 1 격자형광물(brucite 층)이 합쳐진 구조이다

② 생성이 가장 빠르다

**참 고**

점토광물의 생성순서

: chlorite > illite > vermiculite > montmorillonite > kaolinite

 
5) Vermiculite

① 2 : 1 형이며, 팽창형 점토광물이다

② 2개 분자의 수분층과 운모층이 엇갈려 조합된 결정단위를 가진 광물이다.

③ 칼륨고정 능력이 가장 크다

6) 산화철과 산화알루미늄

① 철과 알루미늄 분자에 결합된 수산기(OH-)에서 H+의 일부가 해리되어 주위의 양이온 을 흡착할 수 있는 점 등이 규산염 점토광물과 비슷한 성질을 갖는다

② 규산염 점토광물보다 점착성, 가소성, 응집성이 낮으므로 물리성이 비교적 좋다

③ 산화철의 수화물에는 침철광ㆍ갈철광이 있고 산화알루미늄의 수화물에는 gibbsite가 있다

7) Allophane

① 일정한 형태가 없는 부정형 점토광물이다

② 화산회토에서 볼 수 있으며, 우리 나라에서는 제주도에 많이 있다

③ 부식을 흡착하는 힘이 강하며, 강한 인산 고정력을 나타낸다

④ 음전하 발생은 주로 pH 의존전하이다

[ 주요 2차광물의 화학적 조성 (단위 : %) ]

 

 

 

Ⅱ. 양이온 치환

 

1. 점토광물의 음전하 생성

점토광물의 표면에는 음전하가 존재하기 때문에 각종 양이온의 흡착력을 가진다. 이러한 음전하의 생성원인에 대하여 이제까지 알려져 있는 사실들을 종합해 보면 다음과 같다.

1) 영구적 전하

① 동형치환 - ⅰ) 규산4면체의 Si+4나 알루미나8면체의 Al+3이 이보다 낮은 원자가의 다 른 양이온으로 치환된 후 음전하의 과잉 또는 양전하의 부족으로 인하 여 점토 표면에 음전하가 발생한다

ⅱ) 크기와 구조가 비슷한 원자끼리 치환되므로 치환 후에도 점토광물의 구조는 변화되지 않는다.

ⅲ) 2 : 1 형 광물이나 2 : 2 형 광물에서만 발생한다

② 변두리전하 - ⅰ) 판상 결정형의 연결이 a축 방향이나 c축 방향으로 끊어질 때 변두 리에서 음전하가 발생한다

ⅱ) 분말도를 크게 할수록 음전하 발생이 증가한다

ⅲ) 1 : 1 형 광물에서만 발생한다

☞ 이상 두 가지 원인에 의하여 생긴 음전하는 동형치환이 더 일어나거나 분말도가 증가하 여 입경이 더 작아지기 전에는 변동하지 않는 전하이기 때문에 영구적 음전하라고 한다.

2) 잠시적 전하 (pH 의존 전하)

① 교질에 결합된 H+이 토양 용액의 pH에 따라 해리와 결합을 하면서 음전하의 발생이 변화한다

② 염기성에서는 교질물에 흡착된 H+이 쉽게 용액 중으로 해리되므로 음전하는 증가한다

③ 산성에서는 토양용액 중 H+ 증가되어 해리되는 H+ 감소되며 용액 중의 H+이 교질에 흡착하기도 하므로 음전하는 감소하고 양전하는 증가한다

 

2. 유기물의 양면성

1) 음전하발생 - 수산기(OH)와 카르복실기(COOH)에서의 H+ 해리로 인하여 음전하가 발 생한다. 따라서 유기물의 음전하 발생은 pH 의존 전하이며 pH가 증가하 면 음전하가 증가하고 pH가 감소하면 음전하는 감소한다

2) 양전하발생 - 아미노기(NH3+)에 의하여 양전하가 발생한다. 따라서 산성에서는 토양용 액 중의 H+이 유기물에 흡착되어 양전하는 더욱 증가한다.

**참 고

교질물의 음전하 발생의 기여 정도

ⅰ) 1 : 1 형 광물 = 변두리전하 + pH 의존 전하(主)

ⅱ) 2 : 1 형ㆍ2 : 2 형 광물 = 동형치환(3/4) + pH 의존 전하(1/4)

ⅲ) 부식 = pH 의존 전하

 

3. 양이온치환용량(CEC) = 염기치환용량(BEC)

1) 정의 - 양이온치환용량은 일정량의 토양 또는 교질물이 가지고 있는 치환성양이온의 총량을 당량으로 표시한 것이며, 보통 토양이나 교질물 100g이 보유하는 치환성 양이온의 총량을 mg 당량(milli equivalent ; me)으로 나타낸다. 즉, 양이온치환 용량이란 토양이나 교질물 100g이 보유하고 있는 음전하의 수와 같다.

 

 

☞ 이것이 의미하는 것은 토양 교질물이 양이온을 흡착함에 있어서 수소 1당량은 칼슘 20당량과 대체될 수 있다는 것이다. 즉, 수소 1mg을 완전히 대체하려면 칼슘 20mg 이 필요하다는 것을 의미한다.

2) 당량(me)과 질량(mg)과의 관계

 

 

☞ CEC가 100me/100g인 토양 100g을 전부 Ca로 포화시키려면

⇒ 토양 CEC × Ca의 당량 = 100 × 20 = 2000mg의 Ca이 필요하다.

3) 토양조건에 따른 CEC의 변화

① 토양 용액의 pH에 따라 CEC는 다르게 나타나는데, pH가 증가하면 CEC는 증가하고 pH가 감소하면 CEC도 감소한다

② 부식과 점토가 많을수록 CEC가 높은 토양이다

4) 작물생육과 CEC 와의 관계

- CEC가 클수록 pH에 저항하는 완충력이 크며, 양분을 보유하는 보비력이 크므로, 비옥한 토양이다. 따라서 작물을 안정적으로 재배 할 수 있다

5) 완충력 - 산성물질이나 알카리성 물질이 가해질 경우 pH의 변화를 저지하는 능력을 완충력이라 하는데, 토양의 완충력이 클수록 토양내 pH 변화가 적으므로 안 정적인 pH에서 작물을 재배할 수 있다

 

[ 주요 토양교질물의 양이온 치환 용량 (me/100g) ]

 

 

 

4. 염기포화도

CEC 중에서 치환성양이온(Ca+2ㆍMg+2ㆍK+ㆍNa+ 등)이 차지하는 비율로서, 일반적으로CEC 중 H+나 Al+3을 제외한 양이온의 비율을 말하기도 한다.

 

 

1) 염기포화도와 pH와의 관계

① 교질물의 종류와 함량이 일정한 토양

- 본질적으로 염기포화도는 pH와 깊은 관계가 있는데, 교질물의 종류와 함량이 일 정한 토양에서는 pH가 증가하면 염기포화도가 증가하고, pH가 감소하면 염기포화 도가 감소하는 경향이 있다.

② 교질물의 종류가 다른 토양

ⅰ) 염기포화도가 같은 경우에 kaolinite가 많은 토양의 pH가 montmorillonite가 많은 토양의 pH보다 높은 경향이 있다.

ⅱ) pH가 같은 경우에 kaolinite가 많은 토양의 염기포화도가 montmorillonite가 많은 토양의 염기포화도보다 낮은 경향이 있다.

2) 염기포화도와 완충력과의 관계

- 염기포화도가 50% 일 때 완충력이 최대이며, pH가 같은 경우에는 완충력이 클수록 염기포화도가 크다

 

** 참 고

cecil 토양 - 1:1 광물인 kaolinite의 함량이 많은 토양

iredell 토양 - 2:1 광물인 montmorillonite 계의 점토광물이 많은 토양

 

[ 우리 나라 주요 토양의 양이온 치환 용량 및 치환성 양이온 ]

 

 

 

**참 고

우리나라 토양에는 일반적으로 Ca과 Mg이 많이 흡착되어 있다

 

5. 주요 양이온의 이액순위 = 침입력

토양용액 중의 양이온이 교질물과 흡착되는 순위를 나타낸다. 즉, 유리양이온들의 농도가 모두 일정할 때 어느 양이온의 치환침입력이 큰가를 규정하는 순위를 말한다.

1) 순위에 관여하는 요인

① 수용액 중에서 이동이 좋을수록 침입력이 크다

② 원자가가 높을수록 침입력이 크다

③ 이온의 크기가 작을수록 침입력이 크다

④ 가수도(수화도)가 작을수록 침입력이 크다

⑤ 양이온의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다

☞ 결론적으로, 양이온의 이액순위는 양이온의 단위중량에 대한 전하량과 가수도에 따라 달라진다

2) 주요 양이온의 이액순위

① 일반적 순서 : H+ ≥ Ca+2 > Mg+2 > K+ ≥ NH4+ > Na+ > Li+

② CEC가 큰 토양에서의 순서 : Ca+2 ≥ H+ > …

3) 침출순위 - 교질물과 해리되는 순위로서 침입력과 정반대 순위이다.

 

6. 음이온의 흡착

토양교질입자가 음이온으로 하전되어 있다는 것은 교질입자가 지니고 있는 음전하량이 양전하량보다 훨씬 많기 때문에 전체적으로 볼 때 음전하가 지배적이라는 것이며, 양전하를 전혀 띠지 않고 있다는 것은 아니다. 즉, 토양교질입자가 이와 같이 전체적으로 볼 때에는 음전하를 띠고 있다 하더라도 약간의 양전하도 띠고 있는 것이다.

① 토양무기교질 중 SiO2는 음성교질이고, Al과 Fe 등의 수산화물은 양성교질이다. 따라 서 SiO2/R2O3의 분자비가 적을수록 음이온교환이 증대된다. 즉, Al과 Fe 등의 수산화 물이 많을수록 음이온 교환이 증대된다

② 음이온 흡착은 pH의 지배를 받으므로 양이온 흡착과 같이 일정하지 않다. 그러나 pH가 낮아질수록 H+이 교질표면에 흡착되어 교질의 양전하가 증대되므로 음이온 흡착이 증 대된다

③ 토양교질에 있어서의 음이온 치환 순서를 보면 SiO4 > PO4 ≥ SO4 > NO3 ≒ Cl 이다.

 

[ 여러 가지 점토광물의 양이온치환용량(CEC)과 음이온치환용량(AEC) ]

 

 

 

5. 등전점 - 음성을 띠는 교질 표면에 양이온이 흡착하면 점차 교질의 음성이 약해져서 결국 교질의 음성과 양이온의 양성이 균등해지는데, 이 때의 토양용액의 pH 가 등전점이며 보통 pH 3∼4를 나타낸다

 

Ⅲ. 확산이중층

교질입자 표면의 음전하 층과 교질입자에 흡착되어 있으면서 용액 중으로 확산해 나가려고 하는 양전하 층, 즉 교질입자 주위의 음전하층과 양전하층의 이온층을 말한다

 

1. Coulomb의 법칙

- 교질입자의 표면과 가까울수록 전기적 인력이 강하고 반대로 멀어질수록 전기적 인력이 감소한다는 법칙이다. 따라서 확산이중층 내부에는 양이온의 밀도가 높고, 외부 즉 토양 용액과 가까운 부분일수록 양이온의 밀도가 점차 낮아져서 확산2중층의 가장 바깥쪽 양 이온의 농도와 토양용액 중의 농도가 거의 같아져서 어떠한 평형점에 이르게 된다.

 

2. 확산 이중층과 전위 (ψs)

교질물의 전기적 이중층에 의하여 생기는 전위(potential)를 교질화학에서는 제타전위(zeta potential)라고 하는데, 몇몇 토양학자들이 토양교질에도 이것을 적용해 왔었다. 그러나, 최근에 와서 토양물리학에서는 제타전위 대신 ψS(electrical potential)를 이용하고 있다. 이 전위는 확산 2중층의 내부한계인 토양입자의 표면과 외각표면 사이에서 양전하의 밀도차이로 말미암아 생기는 전기력학적인 전위차를 말한다.

① 교질에 의해 강하게 흡착되어 있는 이중층 내부는 교질과의 전위차가 작고, 이중층의 외곽에 존재하는 양이온은 약한 힘으로 흡착되어 있어 전위차가 크다.

② 이중층 두께가 두껍다는 것은 전위차가 큰 것을 의미하며 양이온이 약하게 결합되어 있 다는 뜻이다

③ 이중층 두께가 얇다는 것은 전위차가 작은 것을 의미하며 양이온이 강하게 결합되어 있 다는 뜻이다

 

3. 환경조건에 따른 이중층의 변화

① 토양용액 중 염류가 가해지면 흡착되어 있는 양이온의 확산이 억제되므로 이중층이 감 소한다

② 2가의 양이온은 1가의 양이온보다 교질입자의 음전하에 의하여 견인되는 힘이 크기 때 문에 교질입자의 표면을 향하여 모이게 되므로 2중층의 두계는 감소한다

③ 확산2중층의 두께는 토양교질 본래의 하전밀도와는 거의 관계없이 토양에 따라 대체로 일정한 값을 지니고 있다

④ 이중층의 전기용량은 그 두께가 적을수록 커진다. 따라서 전해질이나 양이온원자가의 증가는 확산2중층의 전기용량을 증가시킨다

 

4. 교질물의 응집과 분산

1) 응집 - 확산 2중층의 두께가 얇을수록 토양입자간의 간격이 가까워 교질물은 응집된다. 즉, 토양용액 중에 양이온의 농도가 높을수록, 전위차가 작을수록 응집이 잘 된다

2) 분산 - 확산2중층의 두께가 두꺼울수록 입자간의 간격이 멀어져 교질물은 분산된다. 즉, 토양 용액중의 이온이 점차 감소하면서 교질물에 흡착되었던 양이온이 계 속 확산해 나가므로 이중층의 두께가 두꺼워지고 따라서 전위차도 커지면서 교질물들이 분산된다



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