Ανταλλαγή κατιόντων

Η προσρόφηση των ιόντων δεν είναι μία διαδικασία στατική, αλλά αντίθετα μάλιστα τα προσροφημένα ιόντα μπορούν να μεταφερθούν στο διάλυμα και κάποια ιόντα να προσροφηθούν από τα εδαφικά κολλοειδή. Η ιοντική ανταλλαγή εξαρτάται κυρίως από τη συγκέντρωση του διαλύματος και από το σθένος των εναλλασσομένων ιόντων, ενώ επηρεάζεται και από τη θερμοκρασία. Τα φαινόμενα αυτά δεν είναι τόσο απλά, αρκετοί ακόμα παράγοντες υπεισέρχονται και επηρεάζουν το ποια ιόντα είναι αυτά που θα προσροφηθούν-ανταλλαγούν, σε ποιές ποσότητες, με ποιά ταχύτητα και πότε θα γίνει αυτό.

Αρκετοί ερευνητές προσπάθησαν να αναπτύξουν εξισώσεις, οι οποίες κάτω από ένα θεωρητικό υπόβαθρο να περιγράφουν το φαινόμενο της ανταλλαγής των κατιόντων. Η περισσότερη χρησιμοποιημένη εξίσωση είναι η εξίσωση Gapon, που βασίζεται στην κλασσική θεωρία της χημικής κινητικής² και αναφέρει ότι η σύσταση των προσροφημένων κατιόντων εξαρτάται από τη συγκέντρωση και τη σύσταση των κατιόντων στο εδαφικό διάλυμα και δίνεται από τη σχέση Α_e/B_e = c ([A_s]^1/a / [B_s]^1/b), όπου Α και Β κατιόντα με σθένη a και b αντίστοιχα, οι δείκτες e και s εκφράζουν τις συγκεντρώσεις των κατιόντων στην επιφάνεια των στερεών τεμαχιδίων και στο διάλυμα αντίστοιχα. Ο συντελεστής c εξαρτάται από τη φύση της επιφάνειας των σωματιδίων και του προσροφημένου κατιόντος. Η εξίσωση του Gapon δείχνει ότι η προσρόφηση είναι μεγάλυτερη στα μεγαλύτερα στα μεγαλύτερουθ σθένους κατιόντα και ότι αυτή η εκλεκτικότητα αυξάνει όσο πιο αραιό γίνει το εδαφικό διάλυμα.

Η συμπεριφορά των ιόντων από άποψη προσρόφησης-ανταλλαγής στα εδαφικά κολλοειδή επηρεάζεται και από τον όγκο του εδαφικού διαλύματος. Η αραίωση ή συμπύκνωση του διαλύματος επηρεάζει την ισορροπία που υπάρχει στο σύστημα. Η αραίωση του διαλύματος που μπορεί να προέλθει από τις βροχές η ακόμα και τις αρδεύσεις, προκαλεί ένα μέρος των δισθενών κατιόντων του διαλύματος να αντικαταστήσουν ισοδύναμο πόσο μονοσθενών ιόντων στο εδαφικό τεμαχίδιο, τα οποία θα εξέλθουν στο εδαφικό διάλυμα. Υπάρχει επομένως έκλυση μονοσθενών κατιόντων, τα οποία μπορούν να τα απορροφήσουν τα φυτά ή και να χαθούν με έκπλυση. Επομένως σε υγρά κλίματα (π.χ Δυτική Ελλάδα) ή ακόμα και μέσω του ποτίσματος παρατηρείται προσρόφηση Ca⁺² και Mg⁺² και αποδέσμευση Κ⁺ που χρησιμοποιείται από τα φυτά.

Η ποσοτικοποίηση της δυνατότητας αυτής, που έχουν τα εδάφη, ώστε να μπορεί να επιτευχθεί και η σύγκρισή τους (ως προς την ικανότητα να παρέχουν θρεπτικά στοιχεία) γίνεται μέσω της Ικανότητας Ανταλλαγής Κατιόντων (ΙΑΚ). Η ΙΑΚ ορίζεται ως το συνολικό ποσό των προσροφημένων κατιόντων στη στερεά φάση του εδάφους και εκφράζεται σε χιλιοστοϊσοδύναμα κατιόντων ανά 100gr εδάφους. Η ΙΑΚ έχει τιμές που ποικίλλουν περίπου από 4 - 10meq/100gr έως 200meq/100gr. Οι διαφορές αυτές αντανακλούν την εξάρτησή της από μία σειρά παράγοντες. Συγκεκριμένα η ΙΑΚ εξαρτάται από την κοκκομετρική σύσταση, την ορυκτολογική σύσταση, την ποσότητα της οργανικής ουσίας, το pH.

Το εκατοστιαίο ποσοστό των ανταλλάξιμων βασικών κατιόντων (αλκαλίων και αλκαλικών γαιών) ως προς το σύνολο των κατιόντων που μπορούν να προσροφηθούν (και το οποίο εκφράζεται από την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων ΙΑΚ), ονομάζεται βαθμός κορεσμού με βάσεις. Ο βαθμός κορεσμού με βάσεις είναι σημαντική ιδιότητα των εδαφών, που επηρεάζει ακόμα και τη θρέψη των φυτών. Για γεωργικές καλλιέργειες, οι οποίες να αποδίδουν οικονομικά, πρέπει να έχουμε τιμές του βαθμού κορεσμού γύρω στο 70%. Αύξηση του βαθμού κορεσμού επιτυγχάνεται με προσθήκη στο έδαφος μερικών κατιόντων. Συνήθως προσθέτουμε ασβέστιο, το οποίο είναι φθηνό ενώ παράλληλα με βαθμό κορεσμού έως 90% περίπου δεν επιδρά δυσμενώς. Σπάνιο προστέθουμε κάλιο, που είναι ακριβό. Τέλος, καλό είναι να αποφεύγεται πρόσθηκη νατρίου, που είναι τοξικό για τα φυτά και παράλληλα δημιουργεί συνθήκες διασποράς.