2:1 격자형 광물 : 한층의 Al-OH8 면체를 Si-O4 면체가 양쪽에서 샌드위치처럼 싸서 3 층구조를 이룬 광물의 형태. 대표적인 광물 - montmorillonite, illite, vermiculite. 2:1 형 광물에는 4 면체의 Si 4+ 또는 8 면체 구조의 Al 3+ 이 다른 양이온과 치환 되는데, 치환될 수 있는 양이온은 격자 내 공극 크기의 제한 때문에 4 면체의 Si 4+ 은 Al 3+ 과는 치환되나 그 보다 큰 양이온과는 치환될 수 없으며, 8 면체의 Al 3+ 은 Mg 2+, Fe 2+, Mn 2+ 등과 치환 됨. 결정구조에서 4 면체나 8 면체 결정의 모양은 크게 변하지 않고, 중심의 이온이 크기가 비슷한 다른 양이온과 치환 됨 ( 동형치환 ). 토양입자가 영구적인 음전하를 갖는 원인을 제공. 

2:2 격자형 광물 : 기본구조는 Si-O4 면체, Al-OH8 면체, Si-O4 면체 및 Al 이 Mg 로 치환된 Mg-OH8 면체의 4 층이 규칙적으로 겹쳐서 이루어진 광물의 형태. 대표적인 광물 - chlorite: 강한 정전기적 결합력으로 이루어 짐. Mg-OH8 면체층 내의 Mg 일부가 Al 과 동형치환되어 양전하를 띰.  Charge unbalance 가 발생  (-) charge 를 초래한 결과, CEC 를 제공 함. 기타 점토광물 : Zeolite 는 (Si, Al)O 4 4 면체가 입체망목상으로 배열되어 구조 안에 많은 틈이 있어 물과 양이온의 흡착량 

점토광물의 음전하 생성 점토광물의 음전하 생성 : 점토광물의 표면에는 음전하가 존재하기 때문에 각종 양이온의 흡착력을 가짐. 음전하의 생성원인은 - 1) 동형치환 - Isomorphous substitution, 형태상의 변화를 가져오지 않은 채 어떤 형태 내부의 이온들이 다른 외분의 이온과 치환되는 현상. 즉, 규산 4 면체의 Si 4+ 나 알루미늄 8 면체 내의 Al 3+ 이 외부에 존재하는 Al 3+, Mg 2+, Fe 3+, Ca 2+, Cr 3+ 등과 4 면체나 8 면체의 구조의 변동 없이 치환되는 현상. 2) 변두리전하 - Edge charge, 1:1 격자형 광물에도 그 양은 적지만 음전하가 존재 함. 이런 광물에서 음전하는 판상결정형의 임의위치에서 연결이 끊 어질 때 유리 됨. 이렇게 유리된 전하는 점토광물의 변두리에서만 생성되 기 때문에 변두리 전하라 함. 점토광물을 분쇄하여 그 분말도를 크게 할수 록 음전하의 생성량이 많고, CEC 가 증대 됨. 3) 잠시적 전하 - Temporary charge, 동형치환이나 분말도가 증가함에 따라 생성되는 영구적 전하와는 달리 점토광물이 주위의 환경이 달라짐에 따 라 변동을 가져오는 전하 임. pH  = 잠시적 전하 , pH  = 잠시적 전하 .

점토광물과 이온교환 : 1) 양이온교환 - 교질 ( 부식질 ) 입자 또는 교질입자의 덩어리인 micelle 표면에 양이온이 흡착되고, 동시에 이 micelle 에 흡착되었던 다른 양이온이 유리되는 현상. 이온교환 ( 흡착 ) 의 가장 중요한 요인 :  토양용액 내 이온의 상대적 농도,  이온의 전하수, 이온의 운동속도, 즉 활성도 ( 이온의 자체 크기보다는 수화상태에서의 크기에 좌우 됨 ) 가 같은 1 가 양이온의 크기 : Rb > K > Na > Li 이지만, 수화이온의 크기는 Li > Na > K > Rb. 수화이온의 크기가 작은 이 온의 이온 활성도가 크고, 이온교환 효율도 큼. 즉, Rb > K > Na >Li. 교환체, 흡착제 교환성 양이온 : 흡착제 에서 교환되는 양이온, Ca 2+, H + ) 해리

2) 양이온치환용량 - 토양의 교질입자는 양전하보다 음전하의 크기가 훨씬 큼. 토양교질의 CEC 는 일정량의 토양교질이 보유할 수 있는 교환성 양이온의 총 량이며, 그 음전하의 크기에 달려 있음. 건조한 토양 100 g 에 흡착된 교환가능 성 양이온의 밀리그램당량 (milliequivalent; meq) 으로 나타냄. 즉, CEC 란 토양 이나 교질물 100 g 이 보유하고 있는 음전하의 수와 같음. CEC 가 1 밀리당량의 점토란 그 점토 100 g 에 6.02  개의 양이온 흡착부위가 있음. 3) 염기 및 수소포화도 - 토양에서 탄산염 (CO 3 2- ) 을 구성하는 양이온을 교환성 염기라 하고 그의 존재량은 Ca > Mg > K > Na 순. 토양입자에 흡착될 뿐만 아니라 CaCO 3, MgCO 3, K 2 CO 3, Na 2 CO 3 등 탄산염 형태로 존재. 토양수와 반응 하여 CaCO 3 + 2H 2 O  Ca(OH) 2 + H 2 CO 3 로 가수분해. Ca(OH) 2 의 해리로 생성되는 OH - 가 H 2 CO 3 의 해리로 생성되는 H + 보다 많으면 알칼리성의 토양이 됨. 이와 같이 양이온들이 토양입자에 흡착되어 교환성 이 온으로 존재할 경우 다음과 같이 OH - 를 형성 함. Micelle~K + H 2 O  Micelle~H + K + + OH - 염기 ( 수소 ) 포화도 = 교환성 염기 ( 수소이온 ) 의 meq 전체 교환성 양이온 meq  100 %

4) 확산 2 중층 - 토양용액 중의 주요 양이온은 물의 해리에 의하여 생성되는 H + 를 비롯하여 Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, NH 4 +, Li + 등이며, 주요 음이온은 SO 4 2-, Cl -, NO 3 -, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4 -, CO 3 2-, HCO 3 - 등. 미량으로는 Fe 2 +, Zn 2 +, Cu 2 +, Mn 2 +, BO 3 3- 등이 용존 됨. 음전하를 보유하고 있는 토양교질물이 토 양용액 중에 공존할 때에는 자연 양전하를 가진 양이온은 교질입자의 표면 가까이에 흡착됨. 이때, 교질입자의 표면에는 음전하층과 양전하층이 생기 며, 양전하층에 있는 양이온은 교질입자의 표면에서 해리되어 교질입자 주 위의 용액 중으로 확산해 나가려 함. 이와 같은 교질입자 주위의 이온층을 일컫 음. 교질 유리양이온 치환성양이온 가동층 확산 2 중층 (diffuse double layer) 불가동 수분층 유리양이온들의 농도가 일정할 때 확산 2 중층 내부로 침입하는 순위 : Ca 2+, Mg 2+, K +, NH 4 +, Na +, Li +, H +

부식질 (Humus) : 토양에 공급된 유기물이 미생물의 분해작용을 받아 원래의 조직이 변형되거나 새롭게 합성된 갈색내지 암갈색의 복잡한 교질상의 물질. SOM Colored humic matter Non-humic matter Insoluble Soluble(Black, dark brown) humin Supernatant Precipitate (Fulvic acid) (Humic acid) KOH(alkali) HCl(acid)

부식화합물의 관능기 - 단일 혹은 축합된 방향족 고리와 키논환 등이 탄소 - 탄소, ether, 아미노, 아조 결합으로 구성. - COOH (carboxyl group), -OH (phenol group), =CO (carbonyl group), - NH 2 (amine group)

토양유기물의 부식화에 미치는 영향 : 미생물에 의해 유기물이 분해되는 정도는 다양한 요인에 따라 크게 다르지만 토양유기물 중의 탄질률 (carbon-nitrogen ratio; C/N ratio) 이 가장 중요. 1) 토양유기물의 탄질률 - 유기물 중의 탄소와 질소의 함량비. C: 미생물의 에너지원, N: 영양원으로 섭취  세포구성에 이용 됨. C 와 N 이 미생물의 생육에 직접 관계해야 하며, 유기물의 분해속도도 이에 의하여 결정 됨. 의의 :  탄질률이 높은 경우 - 분해에 관여하는 미생물의 활동이 매우 왕성, 질소의 요구량도 증가, 암모니아는 거의 생성되지 않음 ( 질산축적이 발생되지 않음 )  식물의 일시적 질소기아상태 발생.  유기물의 분해과정에서 질소는 미생물 또는 리그닌, 점토 등에 의해 유지, 탄소는 질소와 거의 같은 양까지 감소. 2) 부식화에 미치는 그 밖의 영향 - 식물의 종류, 지형, 토양 모재의 성질, 기후, 시간 ( 유기물의 분해소모는 주로 호기성세균이 주도 ; 공기의 공급이 좋은 곳, 습기가 적은 곳, 기온이 높고 습한 열대지방은 부식의 축적량이 적음.

부식질의 기능 : 토양의 물리화학적 성질과 토양미생물의 활동 등 토양의 중요한 여러 가지 성질에 관계 함. 1) 치환성 염기와 암모니아를 흡착하는 능력, 즉 염기치환용량이 큼. 2) 물을 흡수하는 힘이 큼. 3) 양성적 성질을 보유 함. 4) 구리 (Cu) 와 같은 중금속 이온의 유해작용을 감소 시킴. 5) 토립을 연결시켜 안정한 입단구조를 형성시켜 토양의 물리적 성질 개선. 6) 토양을 갈색 ~ 암갈색으로 물들이므로 온도를 상승 시킴.

7) 토양미생물의 활동을 활발하게 하므로 유용한 화학반응을 촉진 시킴. 8) 질소, 인산, 규산, 황 등 식물양분을 보유 함. 9) 토양 중 유효 인산의 고정을 억제 함. 10) 호르몬과 각종 비타민을 함유하고 있어 고등식물과 토양미생물의 생육에 큰 도움이 됨. 11) 유기물의 무기화 및 부식화 작용에 의해 생성되는 이산화탄소, 유기산, 무기산 등은 식물에 필요한 양분의 원천이 됨. K oc = K om 0.58 K oc : organic-carbon normalized sorption coeff. K om : organic-matter normalized sorption coeff.

V. Ion Exchange (Cation mostly): 2 nd most important reaction in nature -Definition: ability of substance (like soil) to store and release positive ions. -First observed by Way (English) in A.Electrical charge of soil materials  Permanent charge - inorganic fraction (layer silicates) - from isomorphous substitution - layer charge ≠ CEC (total layer charge is different with CEC b/c there is mineral like K + in Mica group) 2:1 type(tetra:octa)  Variable charge – changes with soil pH (known as “pH-dependent charge”) a) sources - sesquioxide, humus, edges of layer silicates - some soil materials behave like weak acids and bases; - resulting solid carries (+) or (-) charge - tendency to lose H + or OH - :  develop charge, depending on solution pH

- How do we describe contribution of pH-dependent charge to total charge? e.g.) for any weak acid: HA = H + + A -, K eq = (HA) (H + ) (A - ) Where: HA = before dissociation A - = after dissociation ( ) = activity - Predict effect of changing (H + ) or (A - ) or (HA) - Look at effect of (H + ) any change of pH will affect on (A - ) and (HA) (At more acid solution, it will be more protonated) - Predict  pH for HA = H + + A - - increasing (H + ) (reduce pH) will lower (A - ) and increase (HA) - reducing (H + ) (increase pH) will increase (A - ) and reduce (HA) - Effect on soil charge - start at low pH, HA sites will dominate; pH   more dissociation - as pH rises, HA will dissociate to give A -  

pH 4.5 A-A- HA What is this pH at which? (HA) = (A - ) (HA) or (A - ) What is this pH at which? (HA) = (A - ) Different acid sites will have different “crossover” pH values ; depends on acid strength of sites

- General answer is from; K eq =, since (A - ) = (HA) at crossover pH value, then K eq = (H + ) OR, using pH notation; - log K eq = - log (H + ) pK a = pH, where pK a = pH at which acid dissociation ½ sites are HA, ½ sites are A - pK a = pH at which half of part is dissociated or protonated, half of part is undissociated or unprotonated. (HA) (A - ) (H + )

Why does this matter with respect to soil charge ? - pK a value may vary for different reactive sites in soils. Indicator of acid strength We are care of dissociated part to develop negative charge; (-) charge e.g.) if group has low pK a (  3), what is status of that group at pH = 6 which is “typical” soil pH ? A-A- HA pK a 6.0 pH Low pK a means significant contribution to soil (-) charge. The dominant parts are dissociated forms at pH 6 HA = H + + A - at low pH at high pH (A - forms dominantly)

A-A- HA pK a 6.0 pH The dominant parts are undissociated forms at pH 6 e.g.) if group has high pK a (  8), what is status of that group at pH = 6 ? HA = H + + A - at low pH pH-dependent site with low pK a generates substantial (-) charge; site with high pK a generates little (-) charge

Weak acid sites in soils (pH-dependent charge sites) Inorganics Names Structure & reaction pK a Hydroxy Al 12 Silica edge 9.5 (silanol) Al OH edge of particle pH increase pH decrease Al O - + H + edge of particle Si OH edge of particle pH increase pH decrease O - + H + edge of particle Si

“Shared” OH 7.0 Substituted hydronium 5.0 (hydrated edge) Al Si OH edge of particle pH increase pH decrease Al Si O - + H + edge of particle Al O edge of particle pH increase pH decrease + H + edge of particle H H Al O H ө Weak bond with H 2 O

Organics Names Structure & reaction pK a Carboxyl 4-6 Aliphatic > 7 alcohols Aromatic alcohol 6-10 (phenols) R C O OH R C O O-O- + H + pH increase pH decrease R OH pH increase pH decrease R O - + H + OH pH increase pH decrease O-O- + H +