18. मृदा कोलाइड (SOIL COLLOIDS)

मृदा कोलाइड - गुण, प्रकृति, प्रकार और महत्व (Soil colloids – Properties, nature, types and significance)

मृदा कोलाइड (SOIL COLLOIDS)

कोलाइडल अवस्था एक दो-चरण प्रणाली (two-phase system) को संदर्भित करती है जिसमें बहुत बारीक विभाजित अवस्था में एक सामग्री दूसरे चरण के माध्यम से छितरी होती है।
उदाहरण हैं: तरल में ठोस (Solid in liquid - पानी में क्ले का फैलाव / Dispersion of clay in water) और गैस में तरल (Liquid in gas - वायुमंडल में कोहरा या बादल / Fog or clouds in atmosphere)।
मिट्टी के क्ले अंश (clay fraction of the soil) में 0.002 मिमी से न्यून आकृति के कण होते हैं। 0.001 मिमी से न्यून आकृति के कण कोलाइडल गुण रखते हैं और उन्हें मिट्टी के कोलाइड (soil colloids) के रूप में जाना जाता है।

मृदा कोलाइड के सामान्य गुण (General Properties of Soil Colloids)

1. आकृति:
   अकार्बनिक और कार्बनिक कोलाइड आकृति में बहुत छोटे होते हैं - व्यास में 2 माइक्रोमीटर से छोटे। इन कणों को एक साधारण प्रकाश सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करके नहीं देखा जा सकता है बल्कि केवल एक इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के साथ देखा जा सकता है।
2. सतह क्षेत्र:
   अपने छोटे आकृति के कारण, सभी मिट्टी के कोलाइड (all soil colloids) में प्रति इकाई द्रव्यमान एक बड़ा बाहरी सतह क्षेत्र होता है। $1\text{ g}$ कोलाइडल क्ले का बाहरी सतह क्षेत्र $1\text{ g}$ मोटे मृदा कोलाइड से 1000 गुना अधिक होता है।
   कुछ सिलिकेट क्ले में प्लेट जैसी क्रिस्टल इकाइयों के बीच व्यापक आंतरिक सतहें होती हैं जो प्रत्येक कण बनाती हैं और अक्सर बाहरी सतह क्षेत्र से बहुत अधिक होती हैं।
   मिट्टी के कोलाइड्स का कुल सतह क्षेत्र (total surface area of soil colloids) केवल बाहरी सतहों वाली क्ले के लिए $10\text{ m}^2/\text{g}$ से लेकर व्यापक आंतरिक सतहों वाली क्ले के लिए $800\text{ m}^2/\text{g}$ से अधिक तक (more than $800\text{ m}^2/\text{g}$) होता है। एक हेक्टेयर क्ले मिट्टी (hectare of a clay soil) के ऊपरी $15\text{ cm}$ में कोलाइड सतह क्षेत्र $700,000\text{ km}^2\text{ g}^{-1}$ जितना अधिक हो सकता है।
3. सतह शुल्क:
   मिट्टी के कोलाइड की बाहरी और आंतरिक दोनों सतहें नकारात्मक और/या सकारात्मक आवेश ले जाती हैं। अधिकांश कार्बनिक और अकार्बनिक मिट्टी कोलाइड (Most of the organic and inorganic soil colloids) एक ऋणात्मक आवेश ले जाते हैं।
   जब एक विद्युत प्रवाह को मिट्टी के कोलाइडल कणों के निलंबन (suspension of soil colloidal particles) से गुजारा जाता है तो वे एनोड, सकारात्मक इलेक्ट्रोड की ओर पलायन करते हैं जो यह दर्शाता है कि वे एक ऋणात्मक आवेश ले जाते हैं।
   आवेश के परिमाण को जीटा क्षमता के रूप में जाना जाता है। कण आवेश की उपस्थिति और तीव्रता कणों के एक दूसरे के प्रति आकर्षण और प्रतिकर्षण को प्रभावित करती है, जिससे भौतिक और रासायनिक दोनों गुण प्रभावित होते हैं।
   क्ले पर ऋणात्मक आवेश के स्रोत आते हैं: i) आयोनाइजेबल हाइड्रोजन आयन आइसोमोर्फस प्रतिस्थापन (isomorphous substitution)।
   1. आयोनाइजेबल हाइड्रोजन आयन: ये क्ले सतहों पर हाइड्रॉक्सिल ($OH$) आयनों से हाइड्रोजन हैं। क्ले का $-Al-OH$ या $-Si-OH$ भाग $H$ को आयनित करता है और ऑक्सीजन ($-AlO-$ या $-SiO-$) पर एक गैर-तटस्थ ऋणात्मक आवेश (un-neutralized negative charge) छोड़ देता है। आयनित हाइड्रोजन की सीमा समाधान pH पर निर्भर करती है और इसलिए ये ऋणात्मक आवेश pH निर्भर आवेश हैं। क्षारीय (बुनियादी) समाधानों में अधिक आयनीकरण होता है।
   2. आइसोमोर्फस प्रतिस्थापन: यह क्ले क्रिस्टल संरचना में समान आकृति के निचले वैलेंस के एक अन्य धनायन के साथ उच्च वैलेंस के धनायन के प्रतिस्थापन के कारण है। क्ले क्रिस्टल में कुछ आयन अपने सुविधाजनक आकृति और आवेश के कारण खनिज जाली साइटों में बिल्कुल फिट होते हैं। मुख्य रूप से, क्ले में टेट्राहेड्रल साइटों में $\text{Si}^{4+}$ और ऑक्टाहेड्रल साइटों में $\text{Al}^{3+}$ होता है। क्ले क्रिस्टलीकरण के दौरान बड़ी मात्रा में मौजूद अन्य आयन $\text{Al}^{3+}$ और $\text{Si}^{4+}$ धनायनों में से कुछ को परिवर्तित सकते हैं। सामान्य प्रतिस्थापन $\text{Si}^{4+}$ को $\text{Al}^{3+}$ द्वारा प्रतिस्थापित करना, और $\text{Al}^{3+}$ को $\text{Fe}^{3+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$ या $\text{Zn}^{2+}$ द्वारा प्रतिस्थापित करना है। चूंकि आयनों (ऑक्सीजन) से कुल ऋणात्मक आवेश अपरिवर्तित रहता है, प्रतिस्थापित धनायनों के न्यून सकारात्मक आवेश के परिणामस्वरूप क्ले क्रिस्टल पर अतिरिक्त ऋणात्मक आवेश होता है।
4. धनायनों का सोखना (Adsorption of cations):
   चूंकि मिट्टी के कोलाइड्स में ऋणात्मक आवेश होता है, इसलिए वे कोलाइडल सतहों पर सकारात्मक आवेश के आयनों को आकर्षित और संलग्न करते हैं। वे $\text{H}^+$, $\text{Al}^{3+}$, $\text{Ca}^{2+}$ और $\text{Mg}^{2+}$ जैसे धनायनों को आकर्षित करते हैं। यह एक आयनिक दोहरी परत को जन्म देता है।
   कोलाइडल कण में आइसोमॉर्फस प्रतिस्थापन क्ले खनिजों (clay minerals) की बाहरी और आंतरिक परतों को नकारात्मक रूप से आवेश करता है और ये सतहें विशाल आयनों के रूप में कार्य करती हैं, जो दोहरी परत की आंतरिक परत बनाती हैं। बाहरी परत नकारात्मक रूप से आवेशित सतहों की ओर आकर्षित शिथिल रूप से रखे गए धनायनों के झुंड से बनी होती है।
5. पानी का सोखना (Adsorption of water):
   बड़ी संख्या में पानी के अणु मिट्टी के कोलाइडल कणों (soil colloidal particles) से जुड़े होते हैं। कुछ पानी के अणु सोखे गए धनायनों की ओर आकर्षित होते हैं और धनायन को हाइड्रेटेड अवस्था में कहा जाता है। अन्य पानी के अणु कोलाइडल क्ले कणों की आंतरिक सतहों में रखे जाते हैं। ये पानी के अणु मिट्टी के भौतिक और रासायनिक दोनों गुणों (both the physical and chemical properties of soil) को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
6. सामंजस्य (Cohesion):
   (समान अणुओं या सामग्रियों के बीच आकर्षक बल / Attractive force between similar molecules or materials)। सामंजस्य क्ले के कणों के एक साथ चिपकने की प्रवृत्ति को इंगित करता है। यह प्रवृत्ति उनके बीच रखे पानी के अणुओं के लिए क्ले के कणों के आकर्षण के कारण है। जब कोलाइडल पदार्थों को गीला किया जाता है, तो पानी पहले अलग-अलग क्ले के कणों का पालन करता है और फिर दो या दो से अधिक आसन्न कोलाइडल कणों के बीच सामंजस्य लाता है।
7. आसंजन (Adhesion):
   (विभिन्न अणुओं या सामग्रियों के बीच आकर्षक बल / Attractive force between different molecules or materials)। आसंजन (Adhesion) किसी अन्य शरीर या पदार्थ की सतह पर कोलाइडल सामग्री के आकर्षण को संदर्भित करता है जिसके साथ वह संपर्क में आता है।
8. सूजन और संकोचन:
   स्मेक्टाइट समूह से संबंधित कुछ मिट्टी क्ले कोलाइड (soil clay colloids) जैसे मोंटमोरिलोनाइट गीला होने पर फूलते हैं और सूखने पर सिकुड़ते हैं। लंबे समय तक सूखे के बाद, स्मेक्टाइट क्ले वाली मिट्टी (soils high in smectite clay - उदा. काली मिट्टी-वर्टिसोल / e.g. Black soil -Vertisols) अक्सर संकट-क्रॉस चौड़ी और गहरी दरारें (crises-cross wide and deep cracks) दिखाती है। ये दरारें पहले बारिश को तेजी से घुसने देती हैं। बाद में, सूजन के कारण, दरारें बंद हो जाएंगी और अभेद्य हो जाएंगी। लेकिन काओलिनाइट, क्लोराइट, या महीन दाने वाले अभ्रक के प्रभुत्व वाली मिट्टी सूजती या सिकुड़ती नहीं है। वर्मीक्यूलाइट अपनी सूजन और सिकुड़ने की विशेषताओं में मध्यवर्ती है।
9. फैलाव और फ्लोक्यूलेशन:
   जब तक (As long as) कोलाइडल कण नकारात्मक रूप से आवेश रहते हैं, वे एक-दूसरे को पीछे हटाते हैं और निलंबन स्थिरीकृत रहता है। यदि किसी भी खाते में वे अपना आवेश खो देते हैं, या यदि आवेश की परिमाण न्यून हो जाती है, तो कण आपस में जुड़ जाते हैं, झुंड या ढीले समुच्चय बनाते हैं, और नीचे बैठ जाते हैं। एकत्रीकरण और झुंड के गठन की इस घटना को फ्लोक्यूलेशन (flocculation) के रूप में जाना जाता है। झुंडों को अलग-अलग कणों में तोड़ने की विपरीत प्रक्रिया को डी-फ्लोक्यूलेशन या फैलाव (de-flocculation or dispersion) के रूप में जाना जाता है।
10. ब्राउनियन आंदोलन:
    जब कोलाइडल कणों के निलंबन की एक माइक्रोस्कोप के तहत जांच की जाती है तो कण दोलन करते प्रतीत होते हैं। दोलन तरल के उन लोगों के साथ कोलाइडल कणों या अणुओं की टक्कर के कारण होता है जिसमें वे निलंबित होते हैं। पानी के साथ मिट्टी के कोलाइडल कण (Soil colloidal particles with those of water) जिसमें वे निलंबित होते हैं, हमेशा निरंतर गति की स्थिति में होते हैं। कण जितना छोटा होगा, उसकी गति उतनी ही तेज होगी।
11. गैर पारगम्यता:
    कोलाइड्स, क्रिस्टलोइड्स के विपरीत, एक अर्ध-पारगम्य झिल्ली (semi-permeable membrane) से गुजरने में असमर्थ होते हैं। भले ही कोलाइडल कण बेहद छोटे होते हैं, वे पानी में घुले क्रिस्टलोइड के अणुओं से बड़े होते हैं। झिल्ली अपने छिद्रों के माध्यम से पानी और घुले हुए पदार्थ को गुजरने देती है, लेकिन कोलाइडल कणों को बनाए रखती है।

मृदा कोलाइड के प्रकार (TYPES OF SOIL COLLOIDS)

मिट्टी में चार प्रमुख प्रकार के कोलाइड मौजूद होते हैं:

1. परत सिलिकेट क्ले
2. लोहा और एल्यूमीनियम ऑक्साइड क्ले (मृदा कोलाइड क्ले)
3. एलोफेन और संबंधित अनाकार क्ले (Allophane and associated amorphous clays)
4. मृदा कोलाइड

परत सिलिकेट क्ले, लोहा और एल्यूमीनियम ऑक्साइड क्ले, एलोफेन और संबंधित अनाकार क्ले अकार्बनिक कोलाइड हैं जबकि मृदा कोलाइड एक जैविक कोलाइड है।

1. परत सिलिकेट क्ले

इन महत्वपूर्ण सिलिकेट क्ले को उनके पत्ते जैसे या प्लेट जैसी संरचना (leaf-like or plate like structure) के कारण फाइलोसिलिकेट्स (phyllosilicates - फाइलोन / Phyllon - पत्ता / leaf) के रूप में भी जाना जाता है। ये दो प्रकार की क्षैतिज चादरों से बने होते हैं। एक सिलिकॉन द्वारा और दूसरा एल्यूमीनियम और/या मैग्नीशियम द्वारा हावी है।

• सिलिका टेट्राहेड्रॉन: सिलिका-वर्चस्व वाली शीट (silica-dominated sheet) के लिए मूल निर्माण खंड एक इकाई है जो चार ऑक्सीजन परमाणुओं से घिरे एक सिलिकॉन परमाणु से बनी है। इसके चार-तरफा विन्यास (four-sided configuration) के कारण इसे सिलिका टेट्राहेड्रॉन कहा जाता है। साझा ऑक्सीजन आयनों द्वारा क्षैतिज रूप से एक साथ बंधे इन सिलिका टेट्राहेड्रा की एक इंटरलॉकिंग सरणी या एक श्रृंखला एक चतुष्फलकीय शीट देती है।
• एल्यूमिना ऑक्टाहेड्रॉन (Alumina octahedron): एल्युमिनियम और/या मैग्नीशियम आयन (Aluminium and/or magnesium ions) छह ऑक्सीजन परमाणुओं या हाइड्रॉक्सिल समूह से घिरे प्रमुख धनायन हैं जो आठ तरफा भवन खंड देते हैं जिसे ऑक्टाहेड्रॉन कहा जाता है। क्षैतिज रूप से एक साथ जुड़े कई ऑक्टाहेड्रा ऑक्टाहेड्रल शीट बनाते हैं।

एक एल्यूमीनियम-वर्चस्व वाली शीट (aluminum-dominated sheet) को डि-ऑक्टाहेड्रल शीट (di-octahedral sheet) के रूप में जाना जाता है, जबकि मैग्नीशियम द्वारा हावी एक को त्रि-ऑक्टाहेड्रल शीट (tri-octahedral sheet) कहा जाता है। अंतर इस तथ्य के कारण है कि एक डाय-ऑक्टाहेड्रल शीट (di-octahedral sheet) में दो एल्यूमीनियम आयन आसपास के ऑक्सीजन और हाइड्रॉक्सिल से उसी ऋणात्मक आवेश को संतुष्ट करते हैं जैसे त्रि-ऑक्टाहेड्रल शीट में तीन मैग्नीशियम आयन (three magnesium ions in a tri-octahedral sheet)।

टेट्राहेड्रल और ऑक्टाहेड्रल शीट सिलिकेट क्ले की मौलिक संरचनात्मक इकाइयाँ हैं। ये चादरें क्रिस्टल के भीतर साझा ऑक्सीजन परमाणुओं द्वारा विभिन्न परतों में एक साथ बंधी होती हैं। इन परतों में चादरों की विशिष्ट प्रकृति और संयोजन एक प्रकार की क्ले से दूसरी में भिन्न होते हैं और प्रत्येक क्ले के भौतिक और उर्वरकों को नियंत्रित करते हैं।

2. लोहा और एल्यूमीनियम ऑक्साइड क्ले (मृदा कोलाइड क्ले)

वर्षा द्वारा व्यापक निक्षालनिंग और आर्द्र गर्म जलवायु में खनिजों के लंबे समय तक गहन मृदा कोलाइड की शर्तों के तहत, प्राथमिक खनिजों (primary minerals) में अधिकांश सिलिका और एल्यूमिना घुल जाते हैं और धीरे-धीरे दूर हो जाते हैं।
अवशिष्ट सामग्री, जिनकी घुलनशीलता न्यून होती है, मृदा कोलाइड कहलाते हैं। मृदा कोलाइड (धातु आक्साइड / metal oxides) एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड (aluminum hydroxide - $\text{Al}(\text{OH})_3$), और लौह ऑक्साइड (iron oxide - $\text{Fe}_2\text{O}_3$), या लौह हाइड्रॉक्साइड (iron hydroxide - $\text{Fe}(\text{OH})_3$) के मिश्रण हैं।
लैटिन शब्द सेसक्वि का अर्थ है एक और एक-आधा गुना (one and one-half times), जिसका अर्थ है $Al$ और $Fe$ की तुलना में डेढ़ गुना अधिक ऑक्सीजन (one and one-half times more oxygen)। ये क्ले अनाकार से क्रिस्टलीय तक ग्रेड कर सकते हैं।
मिट्टी में आम लोहे और एल्यूमीनियम ऑक्साइड के उदाहरण (Examples of iron and aluminum oxides common in soils) गिब्साइट (gibbsite - $\text{Al}_2\text{O}_3\cdot 3\text{H}_2\text{O}$) और जियोथाइट (geothite - $\text{Fe}_2\text{O}_3\cdot \text{H}_2\text{O}$) हैं। परत सिलिकेट्स के बारे में इन क्ले के बारे में न्यून ज्ञात है। ये क्ले न तो फूलते हैं, न ही चिपचिपे होते हैं और इनकी फॉस्फोरस सोखने की क्षमता उच्च होती है।

3. एलोफेन और अन्य अनाकार खनिज (Allophane and other amorphous minerals)

ये सिलिकेट क्ले सिलिका और एल्यूमिना के मिश्रण हैं। वे प्रकृति में अनाकार हैं। यहां तक कि अन्य मृदा कोलाइडित आक्साइड (लोहे के आक्साइड / iron oxide) का मिश्रण भी मिश्रण का हिस्सा हो सकता है। आमतौर पर, ये क्ले वहां होते हैं जहां बड़ी मात्रा में मृदा कोलाइडित उत्पाद मौजूद थे।
ये क्ले ज्वालामुखीय राख (volcanic ash - उदा., एलोफेन / e.g., Allophane) से बनने वाली मिट्टी में आम (common in soils) हैं। इन क्ले में उच्च आयन विनिमय क्षमता या उच्च धनायन विनिमय क्षमता भी होती है।
उनका लगभग सारा आवेश (Almost all of their charge) सुलभ हाइड्रॉक्सिल आयनों (accessible hydroxyl ions - $\text{OH}^-$) से आता है, जो एक सकारात्मक आयन को आकर्षित कर सकता है या जुड़े हुए $\text{H}^+$ को खो सकता है। इन क्ले में एक परिवर्तन / रूपांतरणीय आवेश होता है जो समाधान में $\text{H}^+$ ($\text{H}^+$ in solution - मिट्टी की अम्लता / soil acidity) पर निर्भर करता है।

4. मृदा कोलाइड (ऑर्गेनिक कोलाइड)

मृदा रंग अनाकार, गहरे भूरे से काले रंग का होता है, पानी में लगभग अघुलनशील होता है, लेकिन अधिकतर तनु क्षार ($\text{NaOH}$ या $\text{KOH}$ / dilute alkali) विलयनों में मृदा कोलाइड होता है। यह पौधों और जानवरों के अवशेषों के काफी मृदा कोलाइड के बाद बचा हुआ एक अस्थायी मध्यवर्ती उत्पाद है।
वे अस्थायी मध्यवर्ती हैं क्योंकि कार्बनिक पदार्थ धीरे-धीरे विघटित होते रहते हैं। मृदा कोलाइड को अक्सर एक जैविक कोलाइड के रूप में संदर्भित किया जाता है और इसमें जुड़े कार्बन परमाणुओं के विभिन्न श्रृंखलाएं और लूप होते हैं।
मृदा कोलाइड कोलाइड क्रिस्टलीय नहीं होते हैं। वे सिलिकॉन, एल्यूमीनियम, लोहा, ऑक्सीजन और हाइड्रॉक्सिल समूहों के बजाय मूल रूप से कार्बन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन से बने होते हैं।

कार्बनिक कोलाइडल कण आकृति में भिन्न होते हैं, लेकिन वे न्यून से न्यून सिलिकेट क्ले के कणों जितने छोटे हो सकते हैं। मृदा कोलाइड के ऋणात्मक आवेश आंशिक रूप से विघटित एनोलिक ($-OH$), कार्बोक्सिल ($-COOH$), और फेनोलिक समूहों से जुड़े होते हैं; ये समूह परिवर्तिते में अलग-अलग आकृति और जटिलता की केंद्रीय इकाइयों से जुड़े होते हैं।

कार्बनिक और अकार्बनिक कोलाइड के बीच अंतर

मृदा कोलाइड का महत्व (Significance of soil colloids)

• कार्बनिक और अकार्बनिक दूषित पदार्थों को अक्सर कोलाइडल कणों के माध्यम से ले जाया जाता है।
• मिट्टी में सतह क्षेत्र और इलेक्ट्रोस्टैटिक आवेश का अधिकांश भाग $1\,\mu\text{m}$ से न्यून आकृति के अंश (less than $1\,\mu\text{m}$ size fraction) में रहता है, जिसमें 20 और 1000 मिमी के बीच की त्रिज्या वाले कण मिट्टी के सतह क्षेत्र का प्रमुख हिस्सा (major part of soil surface area) बनाते हैं।
• चूंकि सतह क्षेत्र का प्रमुख हिस्सा मिट्टी के कोलाइडल अंश (colloidal fraction of the soil) में है, लगभग सभी सतह नियंत्रित प्रक्रियाओं जिसमें सोखना प्रतिक्रियाएं, न्यूक्लिएशन और वर्षा शामिल हैं, में कोलाइड शामिल हैं।
• इन रासायनिक प्रक्रियाओं के अलावा, मिट्टी में कोलाइड मोबाइल (mobile in soils) होते हैं, और इस प्रकार न केवल अन्यथा स्थिरीकृत रसायनों के रासायनिक परिवहन को प्रभावित करते हैं, बल्कि मिट्टी के हाइड्रोलिक गुणों (soil hydraulic properties) पर भी गहरा प्रभाव डालते हैं।