Анионы — отрицательно заряженные ионы, например нитрат NO₃⁻, хлорид Cl⁻ и сульфат SO₄²⁻. Чтобы удержать их электростатически, поверхности нужны положительные заряды. Такие участки могут возникать на некоторых минеральных компонентах почвы, особенно в кислой среде. Анионы не просто оседают в пустотах: они взаимодействуют с поверхностью и могут заменяться другими ионами из раствора. Именно возможность такого обмена отличает обменную форму от необратимого включения вещества в минерал.[1]
У одной почвы могут одновременно присутствовать участки обоих знаков. Поэтому катионная и анионная обменные ёмкости характеризуют разные свойства и не выводятся одна из другой простым пересчётом. Если почва хорошо удерживает калий или кальций, это ещё не значит, что она столь же хорошо задержит нитрат. Для экологической судьбы вещества важны заряд его иона и особенности поверхности, с которой он соприкасается.
Как кислотность и минералы меняют удержание веществ
Заряд ряда поверхностей меняется при присоединении или отщеплении ионов водорода. В кислых условиях положительных участков может становиться больше, а с ростом pH — меньше. Поэтому ёмкость анионного обмена нельзя представлять как неизменное число «мест» в почве. Важен и состав минералов: одинаковая кислотность не делает одинаковыми песок, каолинитовую почву и почву с большим количеством аморфных минеральных компонентов.[2]
В опытах Singh и Kanehiro с двумя гавайскими почвами адсорбция нитрата усиливалась при снижении pH и повышении его концентрации в растворе, причём величина удержания различалась между почвами. Этот пример показывает сразу два ограничения: свойство зависит от материала и проявляется по-разному при разном составе контактирующей воды. Он не означает, что подкисление любой почвы — способ безопасно устранить нитратное загрязнение.[2]
Как и для катионного обмена, единицы относятся к количеству заряда на массу, например смоль заряда на килограмм. Один моль сульфат-ионов несёт вдвое больше отрицательного заряда, чем один моль хлорид-ионов. Но даже одинаковая величина удерживаемого заряда не гарантирует одинаковой подвижности разных анионов: кроме электростатического обмена возможно более прочное специфическое связывание. В почвенной химии эти механизмы различают, поэтому всё удержанное вещество нельзя автоматически считать обменным.[3]
Значение для загрязнения почв и подземных вод
Нитрат часто перемещается с просачивающейся водой. Если на пути есть подходящие положительно заряженные поверхности, часть его может временно задержаться. В исследовании Reilly и соавторов изучалась связь минеральных покрытий зёрен с удержанием нитрата и сульфата в зоне выше уровня подземных вод. Такие покрытия показывают, почему два внешне похожих слоя могут по-разному накапливать и пропускать растворённые вещества: значение имеет не только размер зёрен, но и химия их поверхности.[4]
Задержка не равна обезвреживанию. Удержанный нитрат остаётся нитратом, а обменное связывание само по себе не превращает его в безвредный газообразный азот. Если с водой поступят конкурирующие анионы или изменится кислотность, распределение между поверхностью и раствором может сдвинуться. Поэтому слой с заметной обменной ёмкостью способен замедлить распространение загрязнения, но не обязательно устранить его источник или навсегда остановить перенос.[4]
Обменная ёмкость помогает оценить временное удержание анионов. Для прогноза переноса её связывают с pH, минеральным составом, конкурирующими ионами и движением воды. Задержанное вещество может высвободиться позднее, поэтому накопление и удаление загрязнителя из системы учитывают раздельно.[3][4]