1. 콜로이드 개념
콜로이드란 원자나 보통 분자보다는 대체로 크지만
육안으로 보기에는 매우 작은 입자로 이루어진 물질이다.
이들 입자의 크기는 약 10－7~10－3㎝이며
다양한 방법으로 서로 결합되어 있다.
콜로이드계는 공기 속에 있는 연기 입자처럼
한 물질이 다른 물질 속에 분산되어 존재할 수도 있고
고무처럼 한 가지 물질로 존재할 수도 있다.
일반적으로 콜로이드는 가역계와 비가역계의 2가지로 분류된다.
가역계에서 물리반응이나 화학반응의 생성물은
서로 상호작용하여 원래의 성분들을 다시 만들며,
입자 크기는 중합체, 여러 가지 전해질 이온,
단백질에서처럼 콜로이드 물질의 분자 크기에 의해 결정되거나,
비누·세제나 일부 염료에서처럼
매우 작은 분자에서 형성되는 입자에 의해 결정된다.
비가역계에서 반응 생성물이 매우 안정하거나
계에서 효과적으로 제거되므로 원래의 성분으로 다시 만들 수 없다.
비가역계의 예로 졸(묽은 현탁액)·페이스트(진한 현탁액)·유탁액·거품과
여러 종류의 겔을 들 수 있다.
콜로이드는 분산질(용질에 해당하는 입자)의 크기가
1-100nm(1nm(nanometer)은(10-9미터) 정도인 입자가
분산매(용매에 해당한다)에 분산되어 있는 상태를 말한다.
예를 들면, 비눗물은 비누가 분산질이고
물이 분산매인 콜로이드인 것이다.
(지름: 1/10000000(-7)cm - 1/100000(-5)cm )
거름종이는 통과하지만 반투막은 통과하지 못한다.
콜로이드 입자들은 대단히 작아서
질량에 비하여 표면적이 매우 크므로
입자의 질량에 의한 중력의 영향은 중요하지 않으며
주로 표면현상이 콜로이드의 거동을 제어하게 된다.
콜로이드 입자들은 표면에 전하를 띠고 있으며
이 표면전하는 입자간의 정전기적 반발력에 의하여 입자들이
상호 응집되지 못하고 안정화되는 주요 인자가 되며,
이 전하를 1차 전하라 한다.
작은 질량으로 인하여 분산매내를 움직인다.
이 운동을 Brown운동이라 한다.
이러한 운동은 현미경을 이용하여 관찰할 수 있다.
백색광의 평균파장보다 길기 때문에
빛의 투과를 간섭하며 입자에 닿은 빛이 반사되기도 한다.
따라서, 빛살에 대하여 직각에 가까운 각도에서
콜로이드 입자를 관찰하면
콜로이드 서스펜션속을 통과하는 빛살을 볼 수 있다.
이 현상을 관찰한
영국의 물리학자 Tyndall의 업적을 기려
Tyndall효과라고 하였다.
물의 혼탁도를 측정하는 방법으로 많은 경우
Tyndall효과를 이용하고 있다.
콜로이드 입자가 전하를 띠는 원인은
수중에 분산된 화학적 불활성물질들이
매질내 음이온(특히, 수산화이온)의 선택적 흡착에 의해
음전하를 띠거나,
단백질이나 미생물과 같은 물질의 경우에는
입자를 구성하는 분자의 끝단에 있는 활성 groups인 카르복실기와
아미노기의 이온화에 의해 표면전하를 얻게 되며,
점토입자는 점토속에 있는 Si(Ⅳ)이온과
Al(Ⅲ)이온등의 다가이온(poly valent)이
이들보다 작은 전하를 가지고 있는
Ca, Mg, 금속이온 등의 저가이온에 의해
치환되는 이종동형 치환(isomorphous replacement)에 의해
표면에 음(-)전하를 띠게 된다.
따라서, 자연수중에 존재하는 주요 현탁물질인 점토질 콜로이드,
조류, 박테리아 세포, 단백질 등과
하수처리과정에서 발생하는 폐활성슬러지등은
대부분 음전하를 띠고 있으므로
양전하를 가진 무기응집제나
양이온성(cationic) 유기고분자 응집제에 의하여
표면전하가 중화되어 응집이 일어난다.
2. 토양 콜로이드
토양입자 중에서 전자현미경이 아니면 보이지 않는
가장 미세한 부분을
초미립자라고 하는데
이러한 초미립자를 토양교질(土壤膠質, 토양 colloid)이라고 하며,
이러한 토양 콜로이드(collid)에는 점토입자중의 미립자나
유기물중의 부식(腐植, humus)이 있다.
토양 콜로이드(colloid)는 －(minus)의 하전(荷電)을 띠고 있다.
토양 콜로이드가 －(minus)의 하전(荷電)을 띠고 있으므로
주위에 ＋이온(ion)이 흡착된다.
양이온은 H+, Ca++(석회)`, Mg++(고토), K+, NH4+으로
Ca++이 토양 중에 제일 많다.
이 토양 콜로이드에 흡착되어 있는 양이온은
외부에서 별도의 양이온을 주면 이것과 치환하게 되는데
식물의 필수양분으로 있는 NH4+, K+, Ca++, Mg++등의 양이온이
콜로이드에 흡착되어 있던 H+등과 치환해서
토양 콜로이드가 이러한 성분을 保有하게 된다.
이와 같이 토양이 양이온을 흡착할 수 있는 량(量)은
－하전을 띠고 있는 토양 콜로이드(colloid)가
많으냐 적으냐에 의해서 결정되며
이것을 토양의 양이온 치환용량이라고 한다.
또한 양이온 치환용량에 의해서 토양의 보비력이 결정된다.
그러나 양이온과 달리 음이온은 복잡한 양상을 보여주고 있다.
비료 3요소 중의 하나인 인산(H 2PO4－)은 음이온(ion)이므로
토양 콜로이드에 흡착되지 않고
식물의 뿌리가 즉시 흡수하지 않는 한
강이나 저수지로 흘러 내려가게 된다.
또한 질소(N)의 화학형태가 NH4+인 경우
질산화성균에 의해서 NO3- 이온으로 되며
이 NO3- 이온 역시 음이온이므로 유실되기 쉽다.
그러나 대부분의 식물은
NO3-N의 형태로 질소분을 흡수하므로
NH4+가 질산화성균에 의해서 산화되는 속도와
뿌리가 NO3-N를 흡수하는 속도와 균형이 맞아
질소의 유실이 적게 일어난다.
토양 콜로이드는
점토 또는 유기적인 특히 미소한 입자로서
보통 입경이 0.001mm 이하인 것을 가리키며,
이의 비표면적은 대단히 크므로 표면반응이 활발하여
흙의 소성 용적변화 및 점착력 등에 크게 영향을 준다.
콜로이드 점토입자와 부식토는
표면의 전기적 전하 때문에
이온과 쌍극자 물질을 끌어당기고
가역적으로 그들과 결합한다.
점토 광물과 부식 콜로이드는
음전화를 띠고 있기 때문에
그들은 주로 양이온을 끌어당기고 흡착한다.
또한 양전하의 몇몇 site가 있어서 음전하를 모을 수 있다.
양이온의 결합 정도는 그것의 전하와 수화 정도에 달려 있다.
대개 높은 원자가를 가진 이온은
더욱 더 강하게 끌려 진다.
예를 들어 K+보다 Ca2 가 더 강하게 결합되고
동일한 원자가를 가진 이온들의 경우에는
수화 된 정도가 작은 것이 유리하다.
흡착 강도 : 양이온의 경우 : Al3+ 〉Ca2+ 〉Mg2+〉NH4+〉Na+
음이온의 경우 : PO43- 〉SO43- 〉NO3- 〉Cl-
또한 중금속은 단지 미량이긴 하지만 흡착되어 질 수 있다.
점토 입자와 부식토 주위의 이온 무리들은
고체상의 토양과 액체상의 토양용액 사이의
중개자로서의 역할을 한다.
이온이 토양액에서 더해지거나 또는 빠진다면
고체상과 액체상 사이에 교환이 일어난다.
영양이온의 흡착 결합은 많은 이점을 제공한다.
풍화에 의해 자유로워지고 부식토에서 분해된 물질은
여과로부터 결합되어지고 보호되어진다.
토양 용액의 농도는 낮게 그리고 비교적 일정하게 유지되며,
따라서 식물 뿌리와 토양 유기체는
극심한 삼투 환경에 노출되지 않는다.
이들은 식물에 의해 요구되어질 때
흡착된 영양분은 즉시 사용 가능하다.
토양의 수소이온지수(pH)는
말 그대로 수소함유량으로 토양 산성도를 나타낸다.
좀 더 정확하게 말하자면 수소이온지수(pH)는
토양 수분에 포함되어 있는 수소이온(H+)의 양을 나타낸다.
중요한 것은 어떻게 수소 이온지수(pH)가
토양화학과 식물영양에 영향을 미치고,
어떻게 측정을 하는지
그리고 어떻게 관리를 하는가 이다.
수소이온지수(pH)는 0～14까지 산성도로 측정된다.
수소이온지수(pH)가 낮은 값(0～6)은 산성이고,
높은 값(8～14)은 알칼리성으로
알칼리성일 때 수소이온량이 적다.
보통 6～8의 범위의 값을 중성이라고 한다.
토양 산성도는 직접적으로 식물에 피해를 주지는 않고,
식물에 있어 양분의 이용능력에 영향을 미친다.
또한 미생물의 개체군 밀도와 종다양도에 영향을 미친다.
예를 들어 곰팡이는 산에 저항성을 가지지만
세균은 그렇지 못하여 잘 살수 없다.
토양교질물이란
토양입자 중에서 입경이 0.1이하의 미세입자를 말한다.
이에는 무기교질물과 유기교질물의 구분이 있으며,
전자는 암석의 풍화산물이
토양생성과정에서 재합성된 점토광물들을 말하고,
후자는 유기물의 분해잔사인 부식을 말한다.
이들 교질물은 미세입자이기 때문에
활성표면적이 크고 양분과 수분을 흡착하며
이밖에 토양의 이화학적성질을 지배하는데
중요한 역할을 하고 있다.
그런데 토양의 무기교질물과 유기교질물은
각각 독립적인 역할을 하지만 서로 결합하여 작용하기도 하며,
토양교질물의 함량이 많은 토양일수록
토양 중 유효수분의 증발 및 유실이 적어
보수력이 클 뿐만 아니라
작물생육에 필요한 각종 무기양분의 보비력도 크다
따라서 이들 교질물의 보존유지는
토양비옥도 유지 • 증진 상 매우 중요하다.
우리나라의 경사지 밭토양이나
항시 담수하는 논토양에서는
교질물의 유실이나 용탈이 쉬우므로
그 보존관리가 큰 문제가 된다
무기 콜로이드는
점토(규산염 점토광물), 철 및 알루미늄의 가수산화이다.
유기 콜로이드는
부식(유기물이 완전 분해되기 직전의 물질)이다.
토양 콜로이드의 성질은 음(-) 전기적 성질을 띠고,
강한 산성토양(pH4이하)에서는 양(+)전기를 띠며,
상기한 것은 양성 colloid이다.
그러나 일반 토양은 pH4 이하가 되지 않는다.
등전점는 토양의 colloid가
음전기와 양전기의 양이 같아지는 토양산도,
일반적으로 pH 3~4에서 이루어진다.
토양반응(土壤反應)은
식물이 정상적으로 생육하기 위해서 중요한 요인(要因)이다.
식물의 종류에 따라서 그 호적범위(好適範圍)가 다르다.
우리 나라의 토양은
대체로 약산성토양(弱酸性土壤)을 나타내고 있다.
많은 식물이 약산성에서 중성(中性)을 좋아하기 때문에
강산성토양은 석회(石灰)등을 섞어서
산도교정(酸度矯正)을 할 필요가 있다.
식물이 생육할 수 있는 토양산도는
pH 4.5 - 7.5 범위 내에서이다.
산성토양은 식물에는 직접 해가 없고
오히려 알카리성 토양에서 직접적인 해(害)가 나타난다.
토양을 산성조건으로 조정하기 위해서는
산성토양 즉 피트모스나 이탄토를 섞어주어야 한다.
산성조건에서는 토양으로부터의 양분용탈이 심하고,
보비력이 상실되기 쉽다.
NH4+, Ca++이 유실되기 쉽다.
산성조건에서는 Al과 Mn의 과다현상(過多現象)을 초래하기 쉽다.
대부분의 온대산 식물은 미산성토양에서(pH 6.3-6.8) 잘 자란다.
한대지방 원산인 식물일수록 산성조건으로 기울어진다.
가문비나무, 松栢科植物, 전나무, 낙엽송 등의 針葉樹가 자라는 곳이다.
알카리성토양은 식물에 직접적인 해를 끼친다.
양송이를 재배하고 나온 볏집을 구해서 퇴비로 이용한 경우
이 볏집퇴비(알카리성 이다) 에 의해서 토양은 알카리성을 띠게 되어
산성식물의 경우 해를 받게된다.
알카리성 토양에 호산성식물을 심으면 키가 작아지고,
엽(葉)이 커지는 경향이 있다.
재배하고 있는 토양이 너무 산성이 강해서 산도를 조정 할 필요가 있을 경우
즉 토양 pH를 높여 주기 위해서는 간단히 석회를 살포한다.
건조한 지역의 토양은 알카리성 토양이다.
토양산도에 따른 花卉植物
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土壤酸度(pH) |
적당한 花卉植物 |
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强酸性(pH 5以下) |
철쭉, 서양철쭉(Azalea), 치자(Gardenia), 베고니아류(Begonia類), 삼각공작고사리(Adiantum), 네프로레피스(Nephlorepis), 칼라(Calla), 아나나스(Ananas), 아게라텀(Ageratum), 크레마티스(Clematis) 등 |
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中性(pH 7) |
백일초(Zinnia), 마리골드(Marygold), 앵초류(Primula類), 마가레트(Margarett), 과꽃(Aster)등 |
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알카리性(pH 7以上) |
시네라리아(Cineraria), 제라니움(Geranium), 거베라(Gerbera), 스위트피(Sweetpea), 독일붓꽃(German Iris)등 |
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弱酸性(pH 5-7) |
국화, 장미, 백합, 씨크라멘(Cyclamen), 포인세티아(Poinsettia), 초롱꽃(Fuchsia), 금어초, 스톡크(Stock), 카네이션(Carnation), 파피오페딜럼(Papiopedilum), 심비디움(Cymbidium), 페츄니아(Petunia), 튜립(Tulip), |