토양환경기술사시험자료집 - 토양일반(26)

※ 양이온교환(Cation Exchange) [염기교환(Base Exchange)]

 

1. 정의

       확산이중층 내부의 양이온과 용액중의 유리양이온이 서로 위치를 바꾸는 현상을 양이온교환

       (염기교환)이라 한다. 양이온교환이 일어날때 양이온의 흡착력 즉 교환침입력은 토양교질의 

       종류 또는 음전하발생 부위에 따라 달라진다.

 

2. 양이온교환(흡착)의 요인(같은 토양교질에서도 CEC가 다른 이유)

    (1) 토양용액 이온의 상대적 농도

            흡착과 해리는 질량작용의 법칙에 따른다.

            ⊙ 질량작용의 법칙 : '화학평형에서, 반응물질의 농도의 곱과 생성물질의 농도의 

                                            곱의 비는 일정한 온도에서 일정한 값을 가진다' 는 법칙.

    (2) 이온의 전하수(원자가)

            - 전하수가 클수록 이온교환효율이 높다.

            - 같은 원자가일 경우 원자량이 클수록 이온교환효율이 높아진다.

    (3) 이온의 활성도(운동속도)

            수화이온의 크기가 작은 이온이 활성도가 커서 이온교환효율이 높다.

            (이온은 단독으로 물 중에 존재하는 것이 아니고 물과 수화 Hydration되어 있다).

 

3. 이온의 교환효율(해리순서의 역순)

 

                 H+(Al3+) > Sr2+> Ca2+> Mg2+> Cs+> K+≑ NH4+> Na+> Li+

 

4. 미셀표면에서의 이온교환                       

          

 

5. 양이온교환반응의 크기를 결정하는 요인(CEC가 토양마다 다른 이유 + PH)

    (1) 점토의 함량 : 점토 > 실트 > 모래

    (2) 유기물의 함량 : Humus 함량이 높을수록 CEC가 크다.

    (3) 점토의 종류 : Montmorillonite > Kaolinite

    (4) PH : PH가 증가할수록 CEC가 증가한다.

                          

 

6. 양이온교환의 중요성

    (1) 토양 중에서 가장 중요한 반응의 하나.

    (2) 물질의 변화와 이동, 광물의 풍화를 지배.

    (3) 토양의 물리성, 식물양분공급과 중요한 관계 

 

 

※ 이액순위(Lyotropic Series)

 

1. 콜로이드입자 표면의 양이온들은 농도가 일정할 경우, 원자가와 이온반경 차이 등에 따라

    해리되는 순위가 달라지는데, 이 순위를 이액순위라 한다.

 

2. 콜로이드입자 표면에 결합되어 있는 양이온의 해리도는 농도가 일정할 경우 이온의 종류에 따라 

    달라진다. 일반적으로 1가 양이온은 다가의 양이온보다, 동일 원자가의 이온은 반경이 작아짐에 

    따라 해리도가 더 커진다. 이것은 원자가가 작은 것이 더 많은 물분자를 수반(수화)하여, 콜로이드

    입자 표면에 근접이 어렵기 때문이다(단 H+는 예외이다, H+는 수화도가 낮기 때문이다)  

    

                    Li+> Na+> K+> NH4+ > Rb+> Cs+> Mg2+> Ca2+> Sr2+> Ba2+> H+ 

 

 

 

※ 음전하 생성기원

 

1. 동형치환(Isomorphous Substitution)

    (1) 영구적 음전하이다.

    (2) 점토교질에서 규산4면체의 Si4+이 Al3+로 교환되고, 알루미늄8면체의 Al3+이 Mg2+, Mn2+, 

         Fe2+로 교환되면서 전자 e-가 남게되어(양이온이 부족하게 되어) 음전하를 띠게 된다.

    (3) 전하는 PH의 영향을 받지 않는다(Constant Charge)

    (4) Montmorillonite에서 약 80%정도가 영구전하이고, 약 20%정도가 PH 의존전하이다.

 

2. 변두리전하(Edge Charge) 또는 일시적전하(Temporary Charge)

    (1) PH 의존전하이다(PH-dependent Charge)

    (2) 점토광물의 변두리에서 생성되는 전하로서, 음전하가 과잉되어 있고, 양전하가 부족상태이다.

    (3) 규산염점토광물의 결정단위가장자리에 있는 Si-OH, Al-OH가 PH 변화에 따른 해리에 의하여 

         발생한다.

    (4) 점토광물 주위에서 음전하가 PH 환경이 달라짐에 따라 변동을 가져오는 전하이다.

          1) PH가 상승하면 음전하가 증가한다.

          2) PH가 하강하면 음전하가 감소한다.

    (5) Kaolinite에서 주로 발생한다.

    (6) 가수산화물(Al, Fe의 산화물 등)은 동형치환이 일어나지 않으며, 입자표면에 수많은 OH기가 

         노출되어 PH 의존전하를 유발한다.