आयन सोखना और बाद में विनिमय महत्वपूर्ण प्रक्रियाएं हैं जो मिट्टी के कोलाइडल कणों (soil colloidal particles - क्ले, कार्बनिक पदार्थ, मृदा कार्बनिक पदार्थ और मृदा कार्बनिक पदार्थ / clays, organic matter, sesquioxides, and amorphous minerals) और विभिन्न आयनों के बीच होती हैं।
मिट्टी के कोलाइड (Soil colloids) आधुनिक भंडार के रूप में बहुत काम करते हैं। ये मिट्टी के भीतर (within the soil) वे स्थान हैं जहाँ आवश्यक पौधों के पोषक तत्वों के आयनों को रखा जाता है और निक्षालनिंग द्वारा अत्यधिक हानि से बचाया जाता है।
बाद में, पोषक तत्वों को कोलाइडल "बैंक" साइटों से "निकाला" ("withdrawn") जा सकता है और पौधों की जड़ों द्वारा लिया जा सकता है। परिवर्तिते में, इन तत्वों को व्यावसायिक उर्वरकों, चूना, उर्वरक और पौधों के अवशेषों को शामिल करने के माध्यम से कोलाइड्स में "जमा" ("deposited") या वापस किया जा सकता है।
मिट्टी के कणों (soil particles) से जुड़े आवेश विपरीत आवेश के आयनों (सरल और जटिल) को आकर्षित करते हैं। समशीतोष्ण क्षेत्र की मिट्टी (temperate region soils) में, नकारात्मक आवेश आमतौर पर मिट्टी के कणों (कोलाइड्स) (soil particles / colloids) पर हावी होते हैं, इसलिए सोखे गए धनायन आयनों की तुलना में बड़ी मात्रा में मौजूद होते हैं।
अधिक अत्यधिक धनायन विनिमयित मिट्टी (more highly weathered soils) में (उदा. उष्णकटिबंधीय में / e.g. in tropics) जहाँ 1:1 प्रकार की क्ले और Fe/Al ऑक्साइड (1:1 type clays and Fe/Al oxides) कोलाइड का सबसे प्रमुख प्रकार हैं, आयन सोखना और विनिमय अपेक्षाकृत अधिक प्रमुख है।
आयन विनिमय घटना पहली बार हैरी स्टीफन थॉम्पसन द्वारा 1850 में इंग्लैंड में पहचानी गई थी। जब मिट्टी को अमोनियम सल्फेट से निक्षालित किया गया था, तो निक्षालनेट में कैल्शियम सल्फेट का पता चला था। घोल में मौजूद अमोनियम आयन ने मिट्टी में कैल्शियम (calcium in the soil) की जगह ले ली।
$(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4 + \text{Soil Ca} \rightarrow \text{Soil} (\text{NH}_4)_2 + \text{CaSO}_4$
वह प्रक्रिया जिसके द्वारा ठोस और तरल चरणों के बीच और / या ठोस चरणों के बीच यदि एक दूसरे के निकट संपर्क में हो, तो आयनों का आदान-प्रदान किया जाता है, आयन विनिमय कहलाता है।
सामान्य विनिमेय धनायन $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{H}^+$, $\text{K}^+$, $\text{NH}_4^+$ और $Na$ हैं। सामान्य आयन $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{Cl}^-$, $\text{PO}_4^{3-}$ और $\text{NO}_3^-$ हैं।
मिट्टी में आयन विनिमय (ion exchange in soil) मिट्टी के कोलाइड्स पर अवशिष्ट धनात्मक और [हिंदी करें]ों की उपस्थिति के कारण होता है। ये अवशिष्ट आवेश आइसोमॉर्फस प्रतिस्थापन (isomorphous substitution) की प्रक्रिया और हाइड्रोजन और हाइड्रॉक्साइड कार्यात्मक समूहों के आयनीकरण के कारण होते हैं।
नकारात्मक आवेश सकारात्मक आवेश वाले आयनों को आकर्षित करते हैं और सकारात्मक आवेश कोलाइड के संपर्क में आने वाले मृदा घोल (soil solutions) से नकारात्मक आवेश वाले आयनों को आकर्षित करते हैं। इस प्रकार आकर्षित आयन प्रतिवर्ती हैं और समान अनुपात में हैं।
धनायन के विनिमय को धनायन विनिमय कहा जाता है और आयन के विनिमय को आयन विनिमय कहा जाता है। धनायन विनिमय घटना को पहली बार थॉमसवे द्वारा खोजा गया था। आयन विनिमय प्रकृति में दूसरी सबसे महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया है। पहली हरी पौधों द्वारा प्रकाश संश्लेषण है।
मिट्टी की धनायन धारण करने की क्षमता (capacity of the soil to hold cation) को धनायन विनिमय क्षमता कहा जाता है। इकाई $\text{C mol (P}^+) / \text{kg}$ है। आयन धारण करने की क्षमता को आयन विनिमय क्षमता (Anion exchange capacity - AEC) कहा जाता है। अभिव्यक्ति की इकाई $\text{C mol (e}^-) / \text{kg}$ है।
क्ले कोलाइड में नकारात्मक आवेश होते हैं। धनायन क्ले के कणों की ओर आकर्षित होते हैं। ये धनायन क्ले की सतहों पर इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से रखे जाते हैं। उन्हें क्ले और कार्बनिक पदार्थों के छोटे कणों द्वारा रखा जाता है। इन छोटे कणों को मिसेल (Micelle - माइक्रो सेल / Micro cell) कहा जाता है।
धनायन जिन्हें अन्य धनायनों द्वारा धनायन विनिमय पर परिवर्तिता जा सकता है, विनिमेय धनायन कहलाते हैं। उन्हें कमजोर रूप से रखा जाता है और वे मृदा घोल (soil solution) के सीधे संपर्क में होते हैं। उन्हें काफी आसानी से परिवर्तिता जा सकता है।
आयन जो कोलाइड के साथ बहुत हल्के ढंग से रखे जाते हैं, वे क्ले मिसेल की परतों के बीच फंस सकते हैं। वे बहुत आसानी से धनायन विनिमय में नहीं जाते (do not pass to the soil solution very easily)। उन्हें गैर विनिमेय धनायन कहा जाता है।
जब कोई धनायन मिट्टी में जोड़ा जाता है जैसे $\text{Ca}^{++}$, $\text{K}^+$ या $\text{NH}_4$ उर्वरकों और मिट्टी के संशोधनों (fertilizers and soil amendments) के माध्यम से, तो उनका उन आयनों के साथ आदान-प्रदान किया जाता है जो कोलाइड पर होते हैं। जब एक अम्लीय मिट्टी (acid soil) में कैल्शियम मिलाया जाता है तो निम्न प्रतिक्रिया (following reaction) होती है:
$\text{micelle } \text{H}^+ + \text{Ca} \rightarrow \text{micelle } \text{Ca} + 2\text{H}^+$
इसी तरह जब कार्बनिक पदार्थों के धनायन विनिमय या अम्लीय पदार्थों (acidic materials) के माध्यम से धनायन विनिमय में $\text{H}^+$ जोड़ा जाता है, तो विनिमय परिसर से $\text{Ca}^{2+}$ को $\text{H}^+$ द्वारा परिवर्तित दिया जाता है।
$\text{Micelle } \text{Ca}^{2+} + 2\text{H} \rightarrow \text{micelle } \text{H} + \text{Ca}^{2+}$
उदाहरण: $\text{Ca}^{2+}$ विनिमय विनिमेय $Na^+$ को विस्थापित करता है ($\text{Ca}^{2+}$ exchange displaces exchangeable $\text{Na}^+$)
$2\text{XNa}^+ + \text{Ca}^{2+} \rightarrow \text{XCa}^{2+} + 2\text{Na}^+$
$X = \text{exchangeable}$ (विनिमेय)
विनिमेय धनायनों का कुल निर्माण / तैयारी जिसे एक मिट्टी सोख सकती है, धनायन विनिमय क्षमता कहलाता है।
इसे "pH 7.0 पर बाध्य धनायन प्रजातियों की मात्रा" (“amount of cationic species bound at pH 7.0”) के रूप में भी परिभाषित किया गया है।
कुछ लेखक pH 4.0 को उपयुक्त बिंदु मानते हैं।
| बनावट | CEC ($\text{C mol (P}^+) / \text{Kg}$) |
|---|---|
| धनायन विनिमय | 0-5 |
| रेतीली दोमट | 5-10 |
| दोमट | 10-15 |
| क्ले लोम | 15-30 |
| क्ले | 30.0 |
| खनिज (Mineral) | CEC ($\text{C mol (P}^+) / \text{Kg}$) |
|---|---|
| काओलिनाइट | 7-10 |
| मोंटमोरिलोनाइट | 80-100 |
| वर्मीक्यूलाइट | 100-150 |
| इलिट | 25-30 |
| क्लोराइट | 25-30 |
| $Fe$ और $Al$ ऑक्साइड (Fe & Al oxides) | 5.0 |
| धनायन विनिमय | 200-400 |
आयनों की प्रतिस्थापन शक्ति परमाणु भार के साथ बढ़ती है। द्विसंयोजक धनायनों में एकसंयोजी आयनों की तुलना में अधिक प्रतिस्थापन शक्ति होती है। हाइड्रोजन एक छूट है। $H$ आयन अन्य एकसंयोजी या द्विसंयोजक आयनों की तुलना में अधिक दृढ़ता से सोख लिए जाते हैं।
धनायनों की प्रतिस्थापन शक्ति आयन के प्रकार, आकृति, जलयोजन की डिग्री, वैलेंस, एकाग्रता और शामिल क्ले खनिज के प्रकार के साथ भिन्न होती है। चूंकि इसे कई कारकों द्वारा नियंत्रित किया जाता है, इसलिए प्रतिस्थापन का कोई एक क्रम नहीं दिया जा सकता है।
अन्य सभी कारक समान होने पर (All other factors being equal), एकसंयोजी धनायनों की प्रतिस्थापन शक्ति निम्नलिखित क्रम में बढ़ती है: $\text{Li} < \text{Na} < \text{K} < \text{Rb} < \text{Cs} < \text{H}$ और द्विसंयोजक धनायनों (divalent cations) के लिए: $\text{Mg} < \text{Ca} < \text{Sr} < \text{Ba}$।
एकसंयोजी और द्विसंयोजक धनायनों के मिश्रण के मामले में जैसा कि वे सामान्य मिट्टी (normal soils) में मौजूद होते हैं, प्रतिस्थापन शक्ति निम्नलिखित क्रम में बढ़ती है: $\text{Na} < \text{K} < \text{NH}_4 < \text{Mg} < \text{Ca} < \text{H}$। इसका अर्थ है कि $K$ की तुलना में $Na$ अधिक आसानी से परिवर्तित दिया जाता है और $\text{NH}_4$ की तुलना में $K$ अधिक आसानी से परिवर्तित दिया जाता है।
सामान्य तौर पर प्रतिस्थापन की शक्ति है:
$\text{H}^+ > \text{Ca}^{2+} > \text{Mg}^{2+} > \text{NH}_4^+ > \text{K}^+ > \text{Na}^+$
सीईसी का वह प्रतिशत जो आधार बनाने वाले धनायनों से संतुष्ट होता है, आधार संतृप्ति प्रतिशत कहलाता है।
% Base saturation = [Exchangeable base forming cations] x 100
एल्युमिनियम और हाइड्रोजन (Aluminium and hydrogen) को अम्ल बनाने वाले आयन माना जाता है। कैल्शियम, मैग्नीशियम, पोटेशियम और सोडियम को आधार बनाने वाले आयन माना जाता है।
आधार बनाने वाले पदार्थों को बेसोइड कहा जाता है और अम्ल बनाने वाले पदार्थों को एसिडोइड (acidoids) कहा जाता है। कुल सीईसी में सोडियम का प्रतिशत विनिमेय सोडियम प्रतिशत (Exchangeable sodium percentage - ESP) $[(\text{Na} / \text{CEC}) \times 100]$ कहलाता है।
समस्याग्रस्त मिट्टी (problem soils) के लिए धनायन विनिमय नुस्खे और संशोधन प्राप्त करते समय इन मापदंडों पर विचार किया जाता है। आधार संतृप्ति प्रतिशत का ज्ञान कई मायनों में उपयोगी है:
धनात्मक रूप से आवेशित कोलाइड्स पर एक ऋणायन का दूसरे ऋणायन द्वारा प्रतिस्थापन आयन विनिमय कहलाता है, सकारात्मक आवेश लोहे और एल्यूमीनियम, 1:1 क्ले और एलोफोन (अनाकार क्ले) के $OH$ के कारण होते हैं।
आयन विनिमय pH पर निर्भर है। pH जितना न्यून होगा आयन विनिमय उतना ही अधिक होगा। काओलिनाइट प्रभावी क्ले वाली मिट्टी में मोंटमोरिलोनाइट या इलिट की तुलना में उच्च आयन विनिमय क्षमता होती है।
आयन विनिमय का सापेक्ष क्रम है:
$\text{OH}^- > \text{H}_2\text{PO}_4^- > \text{SO}_4^{2-} > \text{NO}_3^- > \text{Cl}^-$
प्रकाश संश्लेषण के बाद आयन विनिमय दुनिया में सबसे महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया है। पौधे अपनी खाद्य सामग्री मिट्टी से केवल आयन विनिमय के माध्यम से लेते हैं। पौधों की जड़ें जो धनायन विनिमय के संपर्क (contact with the soil solution) में होती हैं, जड़ के बालों की सतहों पर मौजूद $\text{H}^+$ आयनों के लिए धनायन विनिमय से पोषक तत्वों का आदान-प्रदान करती हैं।
एक मिट्टी को तब उपजाऊ माना जाता है जब आधार संतृप्ति प्रतिशत 80 से अधिक हो। धनायन विनिमय का प्रत्येक प्रतिशत सीईसी (CEC) के लगभग $2\text{ C mol/kg}$ का योगदान देता है। मोंटमोरिलोनाइट प्रत्येक एक प्रतिशत के लिए लगभग $1\text{ C mole}$ का योगदान देता है और काओलिनाइट लगभग $0.08\text{ C mol/kg}$ का योगदान देता है।
जब पौधों के पोषक तत्वों की आपूर्ति के लिए धनायन विनिमय लगाए जाते हैं तो $K$, $Ca$, $Mg$ और $\text{NH}_4$ जैसे तत्व धनायन विनिमय में घुल जाते हैं। धनायन विनिमय में ये पोषक तत्व विनिमय परिसर में मौजूद $\text{H}^+$ जैसे अन्य धनायन के लिए परिवर्तिते जाते हैं।
यदि कोई धनायन विनिमय नहीं होता है, तो लागू पोषक तत्व जल निकासी के पानी में खो जाएंगे। यही स्थिति $\text{PO}_4$, $\text{NO}_3$, $\text{SO}_4$ आदि जैसे ऋणायन रेडिकल्स के साथ है।
उच्च सीईसी वाली मिट्टी पोषक तत्वों की अधिक मात्रा को सोख सकती है। इसलिए, क्ले मिट्टी (clay soils) में हम एक खुराक में उर्वरकों की बड़ी मात्रा लागू कर सकते हैं। रेतीली मिट्टी (Sandy soils) में बहुत न्यून सीईसी होता है और ऐसी मिट्टी में उर्वरकों को स्प्लिट्स में लगाया जाना चाहिए।
जब मिट्टी के विनिमय परिसर (soil exchange complex) में कैल्शियम होता है तो मिट्टी में वांछित भौतिक गुण होंगे। मिट्टी के सूक्ष्म जीवों की गतिविधि (activity of soil micro organisms), अमोनिफिकेशन (ammonification) और नाइट्रिफिकेशन प्रक्रियाएं भी विनिमय परिसर के धनायनों द्वारा निर्धारित की जाती हैं।
जब विनिमय परिसर में कैडमियम, निकल और सीसा जैसी धातुएँ सोख ली जाती हैं तो वे फसल के पौधों के लिए विषैली होती हैं।
$\text{H}^+$ वाली क्ले अम्लीय (acidic) होती हैं और $Na^+$ वाली क्षारीय होती हैं। मिट्टी की अम्लीय और क्षारीय प्रकृति (acidic and alkaline nature of soil) का मिट्टी के गुणों (soil properties) पर अपना प्रभाव होता है।
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