เคมีดิน

1. บทที่ 4
สมบัติทางเคมีของดิน
(Chemical Properties of Soil)

2. คานา
ระบบคอลลอยด์ หรือสถานะคอลลอยด์ (colloid state) คือ สภาพหรือระบบ
ที่มีประกอบด้วย 2 วัฏภาค (phase)
- วัฏภาคที่กระจาย (disperse phase) ประกอบด้วยอนุภาคซึ่งเล็กมากและ
กระจาย
- ตัวกลางทากระจาย (dispersion medium) เป็นของแข็ง ของเหลว หรือ
แก๊สก็ได้ (ยกเว้น แก๊สจะไม่แขวนลอยในแก๊ส)
1. ระบบคอลลอยด์ (colloidal system)

3. ตัวกลางทากระจาย
(dispersion medium)
วัฏภาคที่กระจาย
(disperse phase)
ระบบคอลลอยด์ (colloidal system)

4. คอลลอยด์ดิน หรือดินจัดเป็นคอลลอยด์เพราะดินมีส่วนของแร่ต่างๆ และ
อินทรียวัตถุที่มีขนาดเล็กมาก และสามารถแขวนลอยอยู่ได้ในน้าและอากาศในดิน
2. คอลลอยด์ดิน (soil colloids)

5. 1) อนินทรีย์คอลลอยด์ (inorganic colloids) ได้แก่ แร่ดินเหนียวซิลิเกต (silicate
clay) หรืออลูมิโนซิลิเกต (alumino silicate mineral) และไฮดรัสออกไซด์
(hydrous oxide)
2) อินทรีย์คอลลอยด์ (organic colloids) ได้แก่ ฮิวมัส (humus)
4. ชนิดของคอลลอยด์ดิน
อนุภาคของแข็งในดิน ที่สามารถแขวนลอยในน้าได้อย่างถาวรส่วนใหญ่ต้อง
เล็กกว่า 1 µm โดยแร่ทุติยภูมิในดิน เช่น แร่ดินเหนียว (clay mineral) ส่วนใหญ่
จะเล็กกว่า 2 µm
3. ขนาดอนุภาคคอลลอยด์ดิน

6. อนินทรีย์คอลลอยด์ (inorganic colloids)
แร่ดินเหนียว (clay mineral) คือ กลุ่มแร่อะลูมิโนซิลิเกต (alumino silicate
minerals) ซึ่งประกอบด้วยแผ่นซิลิกา (silica sheet) และแผ่นอะลูมินา (alumina
sheet) ซ้อนกัน โดยทั่วไปจะมีขนาดเล็กกว่า 2 µm
1. แร่ดินเหนียวหรือแร่อะลูมิโนซิลิเกต

7. 1) รูปร่างและขนาด
- รูปร่าง โดยทั่วไปมีลักษณะเป็นแผ่นบางๆ (flake-like) ซ้อนกัน บางครั้งจะ
เห็นผลึกชัดเจน เช่น เป็นแผ่นหกเหลี่ยม (hexagonal)
- ขนาด ขึ้นกับชนิด ลักษณะองค์ประกอบทางแร่ และสภาพที่เกิดขึ้น ปกติ
จะมีขนาด 0.01-5.0 µm
2) พื้นที่ผิว (surface area) จากรูปร่างที่เป็นแผ่นบาง ทาให้แร่ดินเหนียวมีพื้นที่ผิว
จาเพาะ (specific surface) สูงมาก พื้นผิวประกอบด้วย
- พื้นผิวภายนอก (external surface) เป็นพื้นผิวภายนอกของแร่ดินเหนียว
- พื้นผิวภายใน (internal surface) เป็นพื้นผิวที่อยู่ในหลืบระหว่างแผ่นผลึก
ของแร่ดินเหนียว ที่ซ้อนทับกันเป็นอนุภาค (micelle) ของแร่
1.1 สมบัติที่สาคัญของแร่ดินเหนียว

9. พื้นผิวภายใน
พื้นผิวภายใน

10. 3) ความเชื่อมแน่น (cohesion) และสภาพพลาสติก (plasticity)
- ความเชื่อมแน่น คือ ความสามารถในการเกาะยึดกันได้ระหว่างอนุภาคของ
แร่ดินเหนียว ซึ่งขึ้นกับพื้นที่ผิวภายนอกของแร่
- สภาพพลาสติก คือ ความสามารถในการเปลี่ยนรูปได้ของแร่ดินเหนียวเมื่อ
ชื้น ซึ่งขึ้นกับความเชื่อมแน่นและพื้นที่ผิวภายนอกของแร่

11. 4) การขยายตัว (swelling) และการหดตัว (shrinking)
- การขยายตัว เกิดขึ้นในแร่ดินเหนียวบางชนิด โดยเมื่อชื้นโมเลกุลน้า
สามารถแทรกเข้าไปในหลืบระหว่างแผ่นผลึก แล้วเกาะยึดอยู่กับพื้นที่ผิวภายใน
ของแร่ดินเหนียวมาขึ้นเรื่อยๆ ทาให้ดินเกิดการพองตัวขึ้น
- การหดตัว เกิดขึ้นเมื่อแร่ที่เกิดการพองตัวสูญเสียน้าที่อยู่ภายในหลืบ
ระหว่างแผ่นผลึกจากการระเหย ทาให้หลืบยุบตัว ดินเกิดการหดตัว
การขยายตัว (swelling)และการหดตัว (shrinking) ของแร่ดินเหนียว
H H
O

12. 5) ประจุลบ (electronegative charge) และการดูดซับแคตไอออน (adsorption of cation)
- ประจุลบ โดยทั่วไปเกิดจากการแทนที่ของไอออนบวกที่ขนาดเท่ากันแต่มี
ประจุบวกน้อยกว่าในแผ่นอะลูมินาโดยโครงสร้างไม่เปลี่ยนแปลง ทาให้แร่ดิน
เหนียวมีลักษณะคล้ายแอนไอออน (anion)
- การดูดซับแคตไอออน เกิดขึ้นบริเวณผิวของแร่ดินเหนียวซึ่งดูดซับกัน
อย่างหลวมๆ หรือเรียกว่าแคตไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ (exchangeable cation)
แคตไอออนที่ถูกดูดซับ ได้แก่ H+, Ca+2, Mg+2, K+ และ Na+
อนุภาคคอลลอยด์ที่เป็นอนุภาคลบ

13. 6) โครงสร้างและชนิดของแร่ดินเหนียว
- Silica tetrahedral unit ประกอบด้วยซิลิกา 1 อะตอม ล้อมรอบด้วย
ออกซิเจน 4 อะตอม เกิดเป็นรูปที่มี 4 ด้าน หน่วยโครงสร้างจะเกาะเชื่อมกันเป็น
แผ่นเหมือนรังผึ้ง เรียกว่า แผ่นซิลิกา
- Alumina octahedral unit เกิด ประกอบด้วยอะลูมินัม 1 อะตอม ล้อมรอบ
ด้วยออกซิเจน 6 อะตอม เกิดเป็นรูปที่มี 8 ด้าน หน่วยโครงสร้างจะเกาะเชื่อมกัน
เป็นแผ่นแน่นทึบ เรียกว่า แผ่นอะลูมินา

14. องค์ประกอบของแร่ดินเหนียว (clay mineral component)

15. 1) แร่เคโอลิไนต์ (kaolinite)
- สูตรเคมี Si4Al4O10(OH)8
- โครงสร้าง ประกอบด้วยแผ่นซิลิกาและอะลูมินาประกบกันอย่างละแผ่น
(1:1 type clay) มีผลึกรูปหกเหลี่ยม ต่อกันในแนวระนาบไม่จากัด แผ่นโครงสร้าง
มีความหนา 7 A0
- สมบัติแร่ พันธะระหว่างผลึกเป็นพันธะไฮโดรเจน ทาให้เกาะกันอย่าง
เหนียวแน่น ทาให้หลืบระห่างแผ่นผลึกแคบและขยายออกไม่ได้ แร่ไม่ขยายตัว
เมื่อเปียกหรือหดตัวเมื่อแห้ง
- แร่อื่นๆ ที่มีสูตรเคมีและโครงสร้างเหมือนเคโอลิไนต์ ได้แก่ halloysite
และ dickite
1.2 ชนิดของแร่ดินเหนียวที่สาคัญ

16. แร่เคโอลิไนต์ หรือ แร่ดินขาว (kaolinite)

17. 2) แร่สเม็กไตต์ (smectite)
- สูตรเคมี มีความซับซ้อนและไม่แน่นอน สูตรที่เสถียร ได้แก่ pyrophyllite
มีสูตร Si8Al4O20(OH)4
- โครงสร้าง ประกอบด้วยแผ่นซิลกา 2 แผ่น ประกบกับแผ่นอะลูมินา 1 แผ่น
(2:1 type clay) แผ่นโครงสร้างและหลืบระหว่างแผ่นที่ซ้อนทับกันมีความหนา 9-
21 A0
- สมบัติแร่ เนื่องจากพันธะระหว่างผลึกไม่เป็นพันธะไฮโดรเจน แต่เกิด
oxygen-oxygen linkage ที่มีแรงเบาบาง โมเลกุลของน้าและแคตไอออนต่างๆ
สามารถแทรกซึมเข้าไปดูดซับอยู่ที่ผิวภายในหลืบได้ง่าย ทาให้เกิดการพองตัว
และเมื่อมีการระเหยเอาน้าออกแร่จะมีการหดตัว
- แร่ในกลุ่มสเม็กไตต์ ได้แก่ montmorillonite, beidellite, nontronite,
saponite และอื่นๆ

18. แร่มอนต์มอริลลอไนต์ (montmorillonite)

19. 3) แร่อิลไลต์ (illite)
- สูตรเคมี เนื่องจากมี Al แทนที่ Si ในแผ่นซิลิกา และประจุที่เหลือค้างถูก
ชดเชยให้เป็นกลางโดย K ทาให้มีสูตร K1.33(Si6.66Al1.33)Al4O20(OH)4
- โครงสร้าง มีโครงสร้างทั่วๆ ไปเหมือนแร่ smectite จึงเป็นพวก 2:1 type
clayแผ่นโครงสร้างและหลืบระหว่างแผ่นที่ซ้อนทับกันมีความหนา 10 A0
- สมบัติแร่ เนื่องจาก K ที่อยู่ในหลืบดูดยึดระหว่างแผ่นซิลิกาทาให้แร่ขยาย
และหดตัวไม่ได้ เมื่อเปียกและแห้ง มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างแร่ kaolinite และ
smectite
- แร่ในกลุ่มอิลไลต์ เนื่องจากมีสูตรและโครงสร้างคล้ายแร่ไมกา (mica)
บางครั้งจึงเรียก ไฮดรัสไมกา (hydrous mica)

20. แร่อิลไลต์ (illite or hydrous mica)

21. 4) แร่ดินเหนียวชนิดอื่นๆ
- แร่เวอร์มิคิวไลต์ (vermiculite) เป็นพวก 2:1 type clay คล้ายกับ illite แต่
Al ในแผ่นอะลูมินาซึ่งเป็น dioctahedral ถูกแทนที่ด้วย Mg ซึ่งเป็น
trioctahedral และระหว่างหลืบจะมี Ca และ Mg ดูดยึดอยู่เป็นส่วนใหญ่ หดตัว
ได้พอๆ กับ illite
- แร่คลอไรต์ (chlorite) แผ่นผลึกคล้ายคลึงกับไมกา (mica-like unit) และมี
แผ่นคล้ายแร่บรูไซต์ (brucite) มีสูตร Mg(OH)2 ประกบทับอย่างมีระเบียบอีกต่อ
หนึ่ง (brucite-like unit)

22. สมบัติ ชนิดของแร่
Smectite Illite Kaolinite
ขนาดของผลึก (µm) 0.01-1.0 0.1-2.0 0.1-5.0
รูปร่าง แผ่นบางมีขอบ
ไม่สม่าเสมอ
แผ่นบางมีขอบ
ไม่สม่าเสมอ
แผ่นบาง
รูปหกเหลี่ยม
พื้นที่ผิวภายนอก สูง ปานกลาง ต่า
พื้นที่ผิวภายใน สูงมาก ปานกลาง ต่า
ความเชื่อมแน่นและสภาพพลาสติก สูง ปานกลาง ต่า
การขยายตัว สูง ปานกลาง ต่า
ความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน
(cmol kg-1)
80-100 15-40 3-15
คุณสมบัติต่างๆ ของแร่ดินเหนียวที่สาคัญ 3 ชนิด

23. การแจกแจงเอกลักษณ์ของแร่ดินเหนียว ส่วนใหญ่จะใช้หลายๆ วิธีประกอบ
กัน เช่น
1) วิธีการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (x-ray diffraction, XRD)
2) ความแตกต่างในเชิงความร้อน (differential thermal analysis, DTA)
3) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (electron microscopy)
4) การวิเคราะห์ทางเคมี
เทคนิคที่ใช้ในการแจกแจงเอกลักษณ์ของแร่ดินเหนียว

24. 1) ไฮดรัสออกไซด์ (hydrous oxide) ของเหล็กและอะลูมินัม
- ขนาด มีขนาดตั้งแต่เล็กในระดับสารคอลลอยด์ถึงใหญ่กว่าก้อนหิน
- โครงสร้าง มีเฉพาะพื้นที่ผิวภายนอกทาให้พื้นที่ผิวต่า
- สมบัติ การดูดน้าและแคตไอออนต่างๆ น้อย สภาพพลาสติกและความ
เชื่อมแน่นต่า
- การเกิด มักเกิดในดินที่มีพัฒนาการมานาน พื้นที่อุณหภูมิสูงและฝนตกชุก
2) อินทรียวัตถุ (organic colloid) หรือฮิวมัส (humus)
- โครงสร้าง เป็นแบบอสัณฐาน (amorphous)
- สมบัติ มีประจุลบที่เกิดจาก carboxyl group (COOH) ทาให้การดูดน้า
และแคตไอออนต่างๆ สูง
คอลลอยด์ดินชนิดอื่นนอกจากแร่ดินเหนียว

25. การแพร่กระจายของแร่ดินเหนียวในภูมิประเทศที่ต่างกัน
1) ปัจจัยที่กาหนดชนิดและสัดส่วนแร่ดินเหนียว ได้แก่ ชนิดของหินและแร่ต้นกาเนิด
ฟ้าอากาศ อายุของดิน และภูมิประเทศ
2) การสลายตัวของแร่ ในพื้นที่เขตร้อนการสลายตัวของแร่เกิดขึ้นสูง ทาให้พบ
kaolinite และ hydrous oxide (Fe, Al) เป็นส่วนใหญ่ ส่วนเขตหนาวการสลายตัว
ต่า ทาให้พบแร่ montmorillonite และ illite
3) แร่ดินเหนียวในประเทศไทย ส่วนใหญ่จะเป็น kaolinite, montmorillonite และ
illite สลายตัวปะปนกัน แร่อื่นที่พบ ได้แก่ vermiculite, chlorite และ
interstratified clay mineral
1. ลักษณะทั่วไปของแร่ดินเหนียว

26. 1) เกิดจากการแตกหักบริเวณขอบของผลึก (exposed crystal edges)
- เกิดจากบริเวณที่ขอบของผลึกที่แตกหักออกไป ทาให้แผ่นซิลิกาและแผ่น
อะลูมินาบางส่วนหลุดไป ทาให้ออกซิเจนมี electronegative charge
ตกค้างอยู่
- เกิดในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง โดย H+ ที่เกาะอยู่กับผิวของแผ่นอะลูมินา
ทาปฏิกิริยากัน OH- ของด่างกลายเป็นน้า พบในพวก 1:1 type clay
2) เกิดจากขบวนการ isomorphous substitution เกิดจากอะตอมของธาตุอื่นเข้าไป
แทนที่อะตอมที่มีอยู่เดิมในโครงสร้างของแร่ อะตอมที่เข้าไปแทนที่จะมีขนาด
ใกล้เคียงกับอะตอมในโครงสร้าง แต่วาเลนซ์ต่ากว่าทาให้เกิดประจุลบส่วนเกิน
เช่น Mg2+ แทนที่ Al3+ ในแผ่นอะลูมินา
ที่มาของประจุลบในแร่ดินเหนียว

27. 1) ประวัติการศึกษาแร่ดินเหนียว
- สมัยโบราณ พบว่าดินมีอานาจในการดูดยึดและแลกเปลี่ยนไอออนบวกได้
- Hendricks และ Fry (1930) พบว่าอนุภาคของดินเหนียวอยู่ในสภาพ
ของผลึก
2) แคตไอออนดูดซับ (adsorbed cation) คือ แคตไอออนที่ถูกดูดซับโดยประจุลบใน
พื้นผิวของแร่ดินเหนียว ในดินเขตร้อน แคตไอออนที่ดูดซับ ประกอบด้วย
H+(Al3+) > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ แคตไอออนเหล่านี้จะถูกไล่ที่ได้ง่าย บางครั้ง
จึงเรียก exchangeable cation
[Clay]-Ca 40 + 5H2CO3 [Clay]-Ca 38 + 2Ca(HCO3)2
- H 40 -H 45 KHCO3
- K 20 -K 19
4. การแลกเปลี่ยนแคตไอออนของดิน

28. การแลกเปลี่ยนแคตไอออนบวกของดิน
H+(Al3+) > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+

29. 1) ชนิดของแคตไอออนดูดซับและแคตไอออนเข้าแทนที่ลาดับของอานาจการเข้า
แทนที่ (replacing power) เป็นดังนี้ Li+ < Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < NH4
+ <
Al3+ (H+) สาเหตุของการเข้าแทนที่ต่างกันเนื่องจาก
- วาเลนซ์ของแคตไอออน เมื่อสภาพอย่างอื่นเหมือนกันแคตไอออนที่มี
วาเลนซ์สูงย่อมมีอานาจการไล่ที่สูงและเกาะยึดที่ผิวดินเหนียวแน่น
- ขนาดไอออน เป็นขนาดของ hydrated cation คือ รวม water shell (hull)
ที่ห่อหุ้มแคตไอออนนั้นๆ ด้วย หากมีขนาดใหญ่จะมีแรงดูดซับต่าตามกฏ
ของ Coulomb ตัวอย่างเช่นพวก Monovalent
- dehydrated ionic size Li+<Na+<K+<NH4
+<Rb+<Cs+
- hydrated ionic size Li+>Na+>K+>NH4
+>Rb+>Cs+
5. ปัจจัยที่ควบคุมการแลกเปลี่ยนไอออนบวกในดิน

30. 2) ความเข้มข้นของแคตไอออนเข้าแทนที่ ถ้าปริมาณของไอออนเข้าแทนที่มากจะทา
ให้การไล่ที่แคตไอออนที่อยู่ที่ผิวดินเหนียวง่ายขึ้น ตามหลัก mass action
3) ปริมาณการอิ่มตัว ปริมาณของการอิ่มตัวของแคตไอออนบางชนิดที่ดูดซับอยู่ที่ผิว
ดินเหนียวจะมีอิทธิพลต่อความยากง่ายที่แคตไอออนนั้นจะถูกไล่ที่ออกมาเป็น
อย่างมาก เช่น Ca2+ และ Na+
4) แคตไอออนอื่นที่อยู่ร่วมด้วยบนผิวของดินเหนียว เช่น exchangeable K+ จะถูกไล่
ที่ได้ง่ายขึ้นเมื่ออยู่ร่วมกับ exchangeable Al3+ หรือ H+ แต่จะถูกไล่ที่ยากเมื่ออยู่
กับ exchangeable Ca2+

31. 6. ศักย์ซีตา (zeta potential) ของแร่ดินเหนียว
1) Electric double layer คือ เมื่อคอลลอยด์ยิ่งมีประจุมากขึ้นเท่าใดศักย์ (potential)
หรือแรงที่จะดูดดึงหรือผลักดันของคอลลอยด์นั้นก็จะยิ่งมีมาก และระยะทาง
ระหว่างกลุ่มประจุบวก (outer layer) ที่อยู่รอบนอกห่างไกลจากกลุ่มประจุลบ
(inter layer) มากเท่าใด ศักย์ของคอลลอยด์นั้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
2) ศักย์ซีตาของแร่ดินเหนียว คือ ประจุลบหรือศักย์ (potential) ของ clay micelle ที่
เหลือตกค้างอยู่ภายหลังที่ผิวของ clay micelle นั้นมีแคตไอออนดูดซับอยู่เต็มไป
หมดแล้ว
3) ความสาคัญของศักย์ซีตา
- การจับกลุ่ม (flocculation) เกิดเมื่อ clay micelle มีศักย์ซีตาต่า
- การกระจาย (dispersion) เกิดเมื่อ clay micelle มีศักย์ซีตาสูง

32. ความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน (C.E.C.)
ความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน (cation exchange capacity, C.E.C.) ของ
ดินหรือของคอลลอยด์ คือ ปริมาณแคตไอออนทั้งหมดที่ดินหรือคอลลอยด์นั้น
สามารถจะดูดยึดไว้ได้
1. ความหมายความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน
2. ปัจจัยที่มีผลต่อความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน
1) ชนิดของคอลลอยด์ดิน ดินที่มีฮิวมัสหรือแร่มอนต์มอริลโลไนต์เป็นองค์ประกอบ
จะมีความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออนสูง

33. การแลกเปลี่ยนแคตไอออน (cation exchange)

34. 2) ปริมาณของดินเหนียวที่มีอยู่ในดิน ดินที่มีเปอร์เซ็นต์ดินเหนียวสูงจะมีความจุ
แลกเปลี่ยนแคตไอออนสูง
3) ปริมาณของอินทรียวัตถุในดิน ดินที่มีเปอร์เซ็นต์อินทรียวัตถุสูงจะมีความจุ
แลกเปลี่ยนแคตไอออนสูง

35. 1) ด้านปฐพีวิทยา
- เกี่ยวกับธาตุอาหารพืช การดูดยึดพวกแคตไอออนไม่ให้สูญหายไปจากดิน
- เกี่ยวกับสมบัติทางฟิสิกส์ของดิน เช่น ความร่วนซุย ความเหนียวของดิน
- ความเป็นกรดของดิน มีการดูดซับ H+ ที่ผิวดินเหนียวเป็นจานวนมาก
2) ด้านธรณีวิทยา
- ขบวนการผุพังอยู่กับที่(weathering) และการสังเคราะห์ (synthesis) แร่
ทุติยภูมิจาก แคตไอออนที่สลายตัวมาจากแร่ปฐมภูมิ
3) ด้านวิศวกรรมก่อสร้าง
- การสร้างถนน การยืดหดตัวของดินเมื่อเปียกและแห้งทาให้ถนนเสียหาย
3. ความสาคัญของการแลกเปลี่ยนแคตไอออนในดิน