আয়ন বিনিময় প্রক্রিয়া , মৃত্তিকা বিজ্ঞান , ইউনিট ৩ , পাঠ ৩.৫ , আয়ন বিনিময় সূক্ষ্ম খনিজ পদার্থ ও জৈব পদার্থের সংমিশ্রণে প্রাকৃতিক মৃত্তিকা বস্তু জৈব রাসায়নিক গতিশীলতা প্রাপ্ত হয়। কদম কণা, হিউমাস ও সক্রিয় মৃত্তিকা দ্রবণের মধ্যে রাসায়নিক উপাদানের ভারসাম্য রক্ষা আয়ন বিনিময়ের বহিঃ প্রকাশ।
আয়ন বিনিময় প্রক্রিয়া , মৃত্তিকা বিজ্ঞান , ইউনিট ৩ , পাঠ ৩.৫
মৃত্তিকা কোলয়েড ও মৃত্তিকা দ্রবণের মধ্যে বৈদ্যুতিক আধানে ভারসাম্য রক্ষাকল্পে রাসায়নিক অণু ও পরমাণুর আদান প্রদানকে আয়ন বিনিময় প্রক্রিয়া বলে। কদম কোলয়েড ঋাক আধানযুক্ত, এগুলো ধৰ্ম্মক আধানসম্পন্ন আয়নকে আকর্ষণ করে যেগুলো আবার অপসারণযোগ্য। এগুলোকে বিনিময়যোগ্য ক্যাটায়ন বলা হয়। যেহেতু কদম কোলয়েড ঋন্ত্রক আধানযুক্ত তাই এ ঋণাত্বক আধানকে তৃপ্ত করার জন্য মৃত্তিকা কণায় ধনাত্বক আয়ন ধরা থাকে। যখন একটি ক্যাটায়নের অন্যটি দ্বারা বিনিময় ঘটে তখন ক্যাটায়নগুলো পুনঃ স্থাপিত হয়ে যায়।
মৃত্তিকা আয়ন বিনিময় প্রক্রিয়া দু’প্রকার যথা
১। ক্যাটায়ন বিনিময়, ও
২। অ্যানায়ন বিনিময়
ক্যাটায়ন বিনিময় (Cation Exchange)
পজিটিভ চার্জযুক্ত আয়ন যা নেগেটিভ চার্জ দ্বারা আকর্ষিত হয় তাকে ক্যাটায়ন বলে। মাটি এবং অন্যান্য পদার্থ দ্বারা ক্যাটায়ন গ্রহণ বা ত্যাগ করাকে ক্যাটায়ন বিনিময় বলে (Taking up and giving off positively charged ion by a soil and other substances is referred as cation exchange) মোট ক্যাটায়ন বিনিময়কে মিলি তুলনাংক/ ১০০ গ্রাম মাটি (সব/১০০ gm soil) এর মাধ্যমে প্রকাশ করা হয়। যদি কোন কদমের ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতা ১ মিলি তুলনাংক /১০০ গ্রাম মাটি হয় এতে বুঝা যায় যে, কদমের হাইড্রোজেন আয়নের অধিশোষণ (adsorbing) বা ধরে রাখা ক্ষমতা ১ মিলিগ্রাম বা এর সমতুল্য।
মাটিতে যখন কোন ক্যাটায়ন যোগ করা হয় তখন ক্যাটায়ন বিনিময় সংঘটিত হয়। যেমন : মাটিতে চুন যোগ করলে Catt, পটাসিয়াম সার যোগ করলে K’, এবং অ্যানহাইড্রাস অ্যামোনিয়া, অ্যামোনিয়াম ফসফেট বা অ্যামোনিয়াম সালফেট যোগ করলে NH এর বিনিময় সংঘটিত হয়। এসব ক্যাটায়নের বিনিময় সম্পূর্ণরূপে কদম স্ফটিকের (clay crystal) এবং হিউমাস কণার পৃষ্ঠে সংঘটিত হয়। কারণ কদম স্ফটিকে এবং হিউমাস কণার পৃষ্ঠে ঋণাত্বক বা নেগেটিভ চার্জ জালের মত বিস্তৃত থাকে এজন্য ধণাত্বক বা পজিটিভ চার্জ আকর্ষিত হয়। উদাহরণস্বরূপ ত্মীয় মাটিতে চুন যোগ করলে যে ক্যাটায়ন বিনিময় ঘটে তা নিম্নে দেখান হলো।
যাদের মধ্যে মৃত্তিকা ক্যাটায়ন বিনিময় ঘটে
১।মৃত্তিকা দ্রবণের ক্যাটায়ন ও কদম স্ফটিক বা হিউমাস কণার ক্যাটায়ন এর মধ্যে।
২। উদ্ভিদ শিকড় থেকে মুক্ত ক্যাটায়ন এবং কর্দম স্ফটিক বা হিউমাস কণার ক্যাটায়ন এর মধ্যে।
৩। দুটি কর্দম স্ফটিক ও দু’টি হিউমাস কণার ক্যাটায়ন কিংবা একটি কর্দম স্ফটিক ও একটি হিউমাস কণার ক্যাটায়ন এর মধ্যে।
8। H”, Ca”, Mg”, K’, Na+ ও মেটালের ক্যাটায়ন বিনিময় ধারা যথাক্রমে H> Ca”> Mg”> K> Nat
ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতা (সিইসি)
নির্দিষ্ট পরিমাণ (১০ অথবা ২০ গ্রাম) মৃত্তিকার সঙ্গে এমোনিয়াম (NH), পটাসিয়াম (K), বেরিয়াম (Ba”) বা ক্যালসিয়াম (Ca2+) লবণের জলীয় দ্রবণ পর্যায়ক্রমে কয়েকবার বিক্রিয়া করালে মৃত্তিকার ক্যাটায়নগুলো প্রতিস্থাপিত হয়ে যথাক্রমে NH, K, Bat ev Ca2+ এর দ্বারা মাটি সম্পৃক্ত হয়। দ্রবণে অবস্থিত মুক্ত আয়ন পানিতে ধুয়ে সরিয়ে নিয়ে যে কোন ক্যাটায়ন সম্পৃক্ত মাটি থেকে বিনিময় পদ্ধতিতে পুণরায় মাটিতে আবদ্ধ অবস্থা থেকে দ্রবণীয় অবস্থায় নিয়ে আসা সম্ভব। তবে H’ আয়ন ব্যবহার করা সবচেয়ে উত্তম।
বিনিময় দ্বারা মুক্ত ক্যাটায়নের পরিমাণ জানলে অতি সহেজই মৃত্তিকা ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতা হিসাব করা সম্ভব। ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতার ইউনিট হচ্ছে ১০০ গ্রাম মাটিতে মিলিইকুইভ্যালেন্ট (সব/১০০ম) বা মিলি তুল্যাংক। মৃত্তিকা ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতা নির্ণয় করার (সিইসি) হিসাবটি এখানে দেয়া হলো।
ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতা প্রকাশের পদ্ধতি হচ্ছে মিলি তুল্যাংক/ ১০০ গ্রাম মাটি (সব / ১০০g soil), যে মৃত্তিকায় ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতা এক মিলিতুল্যাংক (১ মিঃতুঃ /১০০ গ্রাম মাটি) এর প্রতি ১০০ গ্রাম মৃত্তিকা এক মিলিগ্রাম হাইড্রোজেন বা এর সমতুল্য আয়ন এডজরবড় করতে সক্ষম। এটা প্রতি লক্ষ (১০০,০০০) মিলিগ্রাম মৃত্তিকায় ১ মিলিগ্রাম বা প্রতি মিলিয়নে ১০ অংশের সমতুল্য। এক একর জমি কর্ষণের ফলে সৃষ্ট খাতের ফালি যদি ২০,০০,০০০ পাউন্ড পর্যন্ত হয়, তবে ১ মিঃতুঃ ২০ পাউন্ড হাইড্রোজেনের সমান বা এর সমতুল্য।
তুল্যমান ব্যবহারে আয়নকে মিঃতুঃ আকারে প্রকাশ করা যায়। ক্যালসিয়ামের আণবিক ওজন ৪০ এবং যোজনী ২, অর্থাৎ ২ আধান (Cath) সম্পন্ন যা ২টি হাইড্রোজেন আয়নের (2H) সমতুল্য। সুতরাং সূত্র অনুসারে এক মিলিগ্রাম হাইড্রোজেন দূর করতে ৪০/২ বা ২০ মিলিগ্রাম ক্যালসিয়াম দরকার। অর্থাৎ ১ মিঃতুঃ ক্যালসিয়ামের ওজন ২০ মিলিগ্রাম। একই ভাবে ১ মিঃতুঃ ম্যাগনেসিয়ামের ওজন ১২ মিলিগ্রাম এবং ১ মিঃতুঃ সোডিয়ামের ওজন ২৩ মিলিগ্রাম।
১০০ গ্রাম মৃত্তিকা ৪৫০ মিলিগ্রাম ক্যালসিয়াম উপশোষণ (Adsorbed) করলে এর ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতা (সিইসি) হবে ৪৫০/২০ বা ২২.৫ মিঃতুঃ/১০০ গ্রাম মাটি। এখানে প্রতি ১০০ গ্রাম মৃত্তিকার মিঃতুঃ হিসেব করার সুধিবা হচ্ছে সঠিক বিনিময় ক্ষমতা সহজে নির্ণয় করা যায় এবং সংখ্যাগুলো ছোট (০.১-৪০) থাকে। খনিজ মৃত্তিকায় সিইসি কম থাকে পক্ষান্তরে হিউমাস অধিক সিইসি সমৃদ্ধ, যার মান ২০০-৫০০ মিঃতুঃ/১০০ গ্রাম মাটি পর্যন্ত হতে পারে। বেলে মাটি এবং কদম মাটির সিইসি যথাক্রমে ০-৫ এবং ৩০ মিঃতুঃ /১০০ গ্রাম মৃত্তিকা হতে পারে।
ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতার তারতম্যের কারণ
১। মৃত্তিকায় জৈব পদার্থ বা হিউমাসের পরিমাণ ও উৎস বম্প । এসব উপাদানের কারণে সিইসি ২০০-৫০০ মিঃতুঃ/১০০ গ্রাম মৃত্তিকা পর্যন্ত হয়।
২। মৃত্তিকায় অবস্থিত বালি, পলি ও কদম কণার অনুপাত ও আয়তনী পরিমাণ। বেলে মাটির সিইসি ০-৫ মিঃতুঃ/১০০ গ্রাম মাটি, বেলে দোআঁশ মৃত্তিকায় ৫-১০ মিঃতুঃ / ১০০ গ্রাম মাটি, এঁটেল দোআঁশ মৃত্তিকায় ১৫- ২০ মিঃতুঃ/১০০ গ্রাম মাটি এবং কদম মৃত্তিকায় ৩০ মিঃতুঃ/১০০ গ্রাম মাটি এর অধিক হয়।
৩। মৃত্তিকায় কদম কণার শ্রেণি, গঠন, আকার ও আকৃতি। মন্টমরিলোনাইটে সিইসি ৮০-১৫০ মিঃতুঃ/১০০ গ্রাম মাটি, ইলাইটে ১০-৪০ মিঃতুঃ / ১০০ গ্রাম মাটি ও কেওলিনাইট কদম কণায় ৩-১৫ মিঃতুঃ/১০০ গ্রাম মাটি।
8। মৃত্তিকা খনিজের গঠনও ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতায় ব্যাপক প্রভাব ফেলে।
৫ । মৃত্তিকা পিএইচও বিনিময়যোগ্য ক্যাটায়নের অনুপাত সম্পর্কে ধারণা দিতে পারে।
ক্যাটায়ন (সিইসি) বিনিময় ক্ষমতার গুরুত্ব
১। মাটির উর্বরতা সিইসি এর ওপর নির্ভরশীল
২। কোন মাটি অতিরিক্ত ত্মীয় হলে বিনিময়যোগ্য হাইড্রোজেন আয়নের আধিক্যের কারণে তা উর্বর হলেও উদ্ভিদের জন্য প্রয়োজনীয় পুষ্টি সরবরাহ করতে পারে না। ফলে চুন প্রয়োগ করতে হয়। মাটির সিইসি অধিক হলে কোলয়েড পৃষ্ঠে যে ক্যালসিয়াম, ম্যাগনেসিয়াম, পটাসিয়াম এবং এমোনিয়াম ক্যাটায়ন লেগে থাকে তা গাছের জন্য সহজে গ্রহণযোগ্য হয়।
৩। কোলয়েড কদম এবং হিউমাস বিভিন্ন পরিমাণে বিনিময়যোগ্য এবং সহজলভ্য ক্যালসিয়াম,
8। ম্যাগনেসিয়াম, পটাসিয়াম, নাইট্রোজেন, ফসফরাস ও অন্যান্য গৌণ পুষ্টি ধরে রাখে ।
৫ ৷ মাটির ক্যাটায়ন বিনিময় ক্ষমতার দরুন প্রয়োগকৃত দ্রবণীয় অজৈব সারের পুষ্টি উপাদান ধুয়ে যেতে পারে না।
৬ । ক্যাটায়ন আধিক্যের ফলে অণুজীবের কার্যাবলী বৃদ্ধি পায় যেমন, ক্যালসিয়ামের আধিক্যে এমোনিফিকেশন ও নাইট্রিফিকেশন পদ্ধতিতে প্রভাব ফেলে।
৭। ক্যাটায়নের প্রকৃতি মৃত্তিকা দ্রবণের পিএইচ এর ওপর যথেষ্ট প্রভাব ফেলে। যেমন সোডিয়াম কদম ক্ষার ও হাইড্রোজেন কর্দম নীয়। আবার অধিক া মাটিতে ম্যাঙ্গানিজের সহজলভ্যতা বৃদ্ধি ও ফসফরাসের সহজলভ্যতা কমার কারণে গাছের জন্য বিষাক্ত হয়।
৮। ক্যাটায়ন সম্বন্ধে সুষ্ঠু জ্ঞান থাকলে অতি সহজেই মাটির দূষণ, অম্লত্ব, ক্ষারকত্ব ইত্যাদি সংশোধন সম্ভব।
অ্যানায়ন বিনিময় (Anion Exchange)
ঋণাত্বক চার্জযুক্ত আয়ন যা ধনাত্বক চার্জ দ্বারা আকর্ষিত হয়, তাকে অ্যানায়ন বলে। একটি অ্যানায়ন এক বা একাধিক ঋণাত্বক আধান বহন করে। মৃত্তিকা কিংবা অন্য পদার্থ দ্বারা ঋণাত্বক চার্জ গ্রহণ এবং ত্যাগ করাকে অ্যানায়ন বিনিময় বলে। বস্তুত ক্যাটায়নের মতো অ্যানায়ন বিনিময়ও মৃত্তিকা কোলয়েডের এক উল্লেখযোগ্য রাসায়নিক বিক্রিয়া। কাদা কণা পুরাতন হওয়ার সাথে সাথে ক্রমেই এগুলো কেওলিনাইটে রূপান্তরিত হয়। পরবর্তীতে এগুলো কেওলিনাইট জাতীয় কাদা কণায় বিয়োজিত হয়ে লৌহা ও এলুমিনিয়াম হাইড্রোক্সাইড উৎপন্ন হয়।
এ সকল অক্সাইডে প্রচুর ঋণাত্বক তড়িৎ আধান সৃষ্টি হয়। মৃত্তিকা দ্রবণে হাইড্রোক্সিল গ্রুপের (OH) আয়নীয় বিশ্লেষণ হয়। এভাবে হাইড্রোক্সিল গ্রুপ পৃথক হয়ে যাওয়ায় কোলয়েডে ধনাত্বক তড়িৎ আধান দেখা দেয়। আবার কারো মতে এ হাইড্রোক্সিল গ্রুপ বিভিন্ন আয়নের সঙ্গে স্থান পরিবর্তন করে। অধিক জৈব পদার্থ সম্পন্ন মৃত্তিকা সামান্য পরিমাণ বিনিময় যোগ্য অ্যানায়ন ধরে রাখতে পার।
এ বিনিময়যোগ্য অ্যানায়নগুলো হচ্ছে NO, SO, HOT, POT, OH ইত্যাদি। এসব অ্যানায়নের বিনিময়যোগ্যতার আপেক্ষিক মাত্রা নিরূপঃ OH> H2PO1 > SO NOT সাধারণত ফসফেট, ক্লোরাইড, নাইট্রেট, কার্বনেট, সালফেট প্রভৃতি আয়নের মাধ্যমে অ্যানায়ন বিনিময় ঘটে থাকে। ক্লোরাইড কিংবা নাইট্রেট কোলয়েডের সঙ্গে হালকাভাবে লেগে থাকে। ফলে অতি সহজেই এরা স্থানচ্যুত হতে পারে। তবে যে সকল ফসফেট আয়নের যোজ্যতা এক (H2PO) এরা খুব শক্তভাবে কোলয়েডের সঙ্গে আটকে থাকে। আর্সেনেট, সিলিকেট, সাইট্রেট, অক্সালেট, হাইড্রোক্সিল ও ক্লোরাইড জাতীয় অ্যানায়ন কিন্তু এদের পরস্পরকে অপসারিত করতে পারে।
কারো কারো মতে অ্যানায়ন বিনিময় প্রক্রিয়াটি আর্সেনেট বা সিলিকেট আয়ন দিয়ে ফসফেট আয়নের অপসারণের মাধামে সুস্পষ্টভাবে বুঝা যায়। মৃত্তিকায় ফসফেট অ্যানায়ন সবচেয়ে বেশি পরিমাণ থাকে। তবে স্না মাটিতেই এর আধিক্য ঘটে। কিন্তু সবটুকু বিনিময়যোগ্য নয়। স্নতা বৃদ্ধির সাথে ফসফরাস আটকে থাকা (Fixation) বৃদ্ধি পায়। সেখানে মৃত্তিকাস্থিত ফসফেট অ্যানায়ন দ্রবণীয় লৌহ, এলুমিনিয়াম, সিলেকেট ও ম্যাঙ্গানিজের সাথে বিক্রিয়া করে অদ্রবণীয় ফসফেট যৌগ উৎপন্ন করে।
আবার অদ্রবণীয় ফসফেট যৌগের কিছুটা ফসফেট অন্যান্য অ্যানায়ন যেমন OH দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়। এ প্রতিস্থাপনকেই অ্যানায়ন বিনিময় বলে। একটি অ্যানায়ন অন্যটি দ্বারা বিনিময়কে অ্যানায়ন বিনময় বলে। যে সব মৃত্তিকায় প্রধান খনিজ মন্টমরিলোনাইট, ইলাইট সেগুলোর চেয়ে যে মৃত্তিকায় কেওলিনাইট বেশি ঐ সকল মৃত্তিকায় অ্যানায়ন বিনিময় ক্ষমতা বেশি ।
আরও দেখুন: